Full Orbit Sequences in Affine Spaces via Fractional Jumps and Pseudorandom Number Generation

Let $n$ be a positive integer. In this paper we provide a general theory to produce full orbit sequences in the affine $n$-dimensional space over a finite field. For $n=1$ our construction covers the case of the Inversive Congruential Generators (ICG). In addition, for $n>1$ we show that the sequences produced using our construction are easier to compute than ICG sequences. Furthermore, we prove that they have the same discrepancy bounds as the ones constructed using the ICG.Comment: To appear in Mathematics of Computatio

Fractional jumps: complete characterisation and an explicit infinite family

In this paper we provide a complete characterisation of transitive fractional jumps by showing that they can only arise from transitive projective automorphisms. Furthermore, we prove that such construction is feasible for arbitrarily large dimension by exhibiting an infinite class of projectively primitive polynomials whose companion matrix can be used to define a full orbit sequence over an affine space

Finite Fields: Theory and Applications

Finite fields are the focal point of many interesting geometric, algorithmic and combinatorial problems. The workshop was devoted to progress on these questions, with an eye also on the important applications of finite field techniques in cryptography, error correcting codes, and random number generation

Solving a Class of Modular Polynomial Equations and its Relation to Modular Inversion Hidden Number Problem and Inversive Congruential Generator

In this paper we revisit the modular inversion hidden number problem (MIHNP) and the inversive congruential generator (ICG) and consider how to attack them more efficiently. We consider systems of modular polynomial equations of the form a_{ij}+b_{ij}x_i+c_{ij}x_j+x_ix_j=0 (mod p) and show the relation between solving such equations and attacking MIHNP and ICG. We present three heuristic strategies using Coppersmith\u27s lattice-based root-finding technique for solving the above modular equations. In the first strategy, we use the polynomial number of samples and get the same asymptotic bound on attacking ICG proposed in PKC 2012, which is the best result so far. However, exponential number of samples is required in the work of PKC 2012. In the second strategy, a part of polynomials chosen for the involved lattice are linear combinations of some polynomials and this enables us to achieve a larger upper bound for the desired root. Corresponding to the analysis of MIHNP we give an explicit lattice construction of the second attack method proposed by Boneh, Halevi and Howgrave-Graham in Asiacrypt 2001. We provide better bound than that in the work of PKC 2012 for attacking ICG. Moreover, we propose the third strategy in order to give a further improvement in the involved lattice construction in the sense of requiring fewer samples

Digital Design of New Chaotic Ciphers for Ethernet Traffic

Durante los últimos años, ha habido un gran desarrollo en el campo de la criptografía, y muchos algoritmos de encriptado así como otras funciones criptográficas han sido propuestos.Sin embargo, a pesar de este desarrollo, hoy en día todavía existe un gran interés en crear nuevas primitivas criptográficas o mejorar las ya existentes. Algunas de las razones son las siguientes:• Primero, debido el desarrollo de las tecnologías de la comunicación, la cantidad de información que se transmite está constantemente incrementándose. En este contexto, existen numerosas aplicaciones que requieren encriptar una gran cantidad de datos en tiempo real o en un intervalo de tiempo muy reducido. Un ejemplo de ello puede ser el encriptado de videos de alta resolución en tiempo real. Desafortunadamente, la mayoría de los algoritmos de encriptado usados hoy en día no son capaces de encriptar una gran cantidad de datos a alta velocidad mientras mantienen altos estándares de seguridad.• Debido al gran aumento de la potencia de cálculo de los ordenadores, muchos algoritmos que tradicionalmente se consideraban seguros, actualmente pueden ser atacados por métodos de “fuerza bruta” en una cantidad de tiempo razonable. Por ejemplo, cuando el algoritmo de encriptado DES (Data Encryption Standard) fue lanzado por primera vez, el tamaño de la clave era sólo de 56 bits mientras que, hoy en día, el NIST (National Institute of Standards and Technology) recomienda que los algoritmos de encriptado simétricos tengan una clave de, al menos, 112 bits. Por otro lado, actualmente se está investigando y logrando avances significativos en el campo de la computación cuántica y se espera que, en el futuro, se desarrollen ordenadores cuánticos a gran escala. De ser así, se ha demostrado que algunos algoritmos que se usan actualmente como el RSA (Rivest Shamir Adleman) podrían ser atacados con éxito.• Junto al desarrollo en el campo de la criptografía, también ha habido un gran desarrollo en el campo del criptoanálisis. Por tanto, se están encontrando nuevas vulnerabilidades y proponiendo nuevos ataques constantemente. Por consiguiente, es necesario buscar nuevos algoritmos que sean robustos frente a todos los ataques conocidos para sustituir a los algoritmos en los que se han encontrado vulnerabilidades. En este aspecto, cabe destacar que algunos algoritmos como el RSA y ElGamal están basados en la suposición de que algunos problemas como la factorización del producto de dos números primos o el cálculo de logaritmos discretos son difíciles de resolver. Sin embargo, no se ha descartado que, en el futuro, se puedan desarrollar algoritmos que resuelvan estos problemas de manera rápida (en tiempo polinomial).• Idealmente, las claves usadas para encriptar los datos deberían ser generadas de manera aleatoria para ser completamente impredecibles. Dado que las secuencias generadas por generadores pseudoaleatorios, PRNGs (Pseudo Random Number Generators) son predecibles, son potencialmente vulnerables al criptoanálisis. Por tanto, las claves suelen ser generadas usando generadores de números aleatorios verdaderos, TRNGs (True Random Number Generators). Desafortunadamente, los TRNGs normalmente generan los bits a menor velocidad que los PRNGs y, además, las secuencias generadas suelen tener peores propiedades estadísticas, lo que hace necesario que pasen por una etapa de post-procesado. El usar un TRNG de baja calidad para generar claves, puede comprometer la seguridad de todo el sistema de encriptado, como ya ha ocurrido en algunas ocasiones. Por tanto, el diseño de nuevos TRNGs con buenas propiedades estadísticas es un tema de gran interés.En resumen, es claro que existen numerosas líneas de investigación en el ámbito de la criptografía de gran importancia. Dado que el campo de la criptografía es muy amplio, esta tesis se ha centra en tres líneas de investigación: el diseño de nuevos TRNGs, el diseño de nuevos cifradores de flujo caóticos rápidos y seguros y, finalmente, la implementación de nuevos criptosistemas para comunicaciones ópticas Gigabit Ethernet a velocidades de 1 Gbps y 10 Gbps. Dichos criptosistemas han estado basados en los algoritmos caóticos propuestos, pero se han adaptado para poder realizar el encriptado en la capa física, manteniendo el formato de la codificación. De esta forma, se ha logrado que estos sistemas sean capaces no sólo de encriptar los datos sino que, además, un atacante no pueda saber si se está produciendo una comunicación o no. Los principales aspectos cubiertos en esta tesis son los siguientes:• Estudio del estado del arte, incluyendo los algoritmos de encriptado que se usan actualmente. En esta parte se analizan los principales problemas que presentan los algoritmos de encriptado standard actuales y qué soluciones han sido propuestas. Este estudio es necesario para poder diseñar nuevos algoritmos que resuelvan estos problemas.• Propuesta de nuevos TRNGs adecuados para la generación de claves. Se exploran dos diferentes posibilidades: el uso del ruido generado por un acelerómetro MEMS (Microelectromechanical Systems) y el ruido generado por DNOs (Digital Nonlinear Oscillators). Ambos casos se analizan en detalle realizando varios análisis estadísticos a secuencias obtenidas a distintas frecuencias de muestreo. También se propone y se implementa un algoritmo de post-procesado simple para mejorar la aleatoriedad de las secuencias generadas. Finalmente, se discute la posibilidad de usar estos TRNGs como generadores de claves. • Se proponen nuevos algoritmos de encriptado que son rápidos, seguros y que pueden implementarse usando una cantidad reducida de recursos. De entre todas las posibilidades, esta tesis se centra en los sistemas caóticos ya que, gracias a sus propiedades intrínsecas como la ergodicidad o su comportamiento similar al comportamiento aleatorio, pueden ser una buena alternativa a los sistemas de encriptado clásicos. Para superar los problemas que surgen cuando estos sistemas son digitalizados, se proponen y estudian diversas estrategias: usar un sistema de multi-encriptado, cambiar los parámetros de control de los sistemas caóticos y perturbar las órbitas caóticas.• Se implementan los algoritmos propuestos. Para ello, se usa una FPGA Virtex 7. Las distintas implementaciones son analizadas y comparadas, teniendo en cuenta diversos aspectos tales como el consumo de potencia, uso de área, velocidad de encriptado y nivel de seguridad obtenido. Uno de estos diseños, se elige para ser implementado en un ASIC (Application Specific Integrate Circuit) usando una tecnología de 0,18 um. En cualquier caso, las soluciones propuestas pueden ser también implementadas en otras plataformas y otras tecnologías.• Finalmente, los algoritmos propuestos se adaptan y aplican a comunicaciones ópticas Gigabit Ethernet. En particular, se implementan criptosistemas que realizan el encriptado al nivel de la capa física para velocidades de 1 Gbps y 10 Gbps. Para realizar el encriptado en la capa física, los algoritmos propuestos en las secciones anteriores se adaptan para que preserven el formato de la codificación, 8b/10b en el caso de 1 Gb Ethernet y 64b/10b en el caso de 10 Gb Ethernet. En ambos casos, los criptosistemas se implementan en una FPGA Virtex 7 y se diseña un set experimental, que incluye dos módulos SFP (Small Form-factor Pluggable) capaces de transmitir a una velocidad de hasta 10.3125 Gbps sobre una fibra multimodo de 850 nm. Con este set experimental, se comprueba que los sistemas de encriptado funcionan correctamente y de manera síncrona. Además, se comprueba que el encriptado es bueno (pasa todos los test de seguridad) y que el patrón del tráfico de datos está oculto.<br /

On the linear complexity profile of nonlinear congruential pseudorandom number generators of higher orders

Nonlinear congruential methods are attractive alternatives to the classical linear congruential method for pseudorandom number generation. Generators of higher orders are of interest since they admit longer periods. We obtain lower bounds on the linear complexity profile of nonlinear pseudorandom number generators of higher orders. The results have applications in cryptography and in quasi-Monte Carlo methods

The dynamics of complex systems. Studies and applications in computer science and biology

Our research has focused on the study of complex dynamics and on their use in both information security and bioinformatics. Our first work has been on chaotic discrete dynamical systems, and links have been established between these dynamics on the one hand, and either random or complex behaviors. Applications on information security are on the pseudorandom numbers generation, hash functions, informationhiding, and on security aspects on wireless sensor networks. On the bioinformatics level, we have applied our studies of complex systems to theevolution of genomes and to protein folding

Safety‐oriented discrete event model for airport A‐SMGCS reliability assessment

A detailed analysis of State of the Art Technologies and Procedures into Airport Advanced-Surface Movement Guidance and Control Systems has been provided in this thesis, together with the review ofStatistical Monte Carlo Analysis, Reliability Assessment and Petri Nets theories. This practical and theoretical background has lead the author to the conclusion that there is a lack of linkage in between these fields. At the same of time the rapid increasing of Air Traffic all over the world, has brought in evidence the urgent need of practical instruments able to identify and quantify the risks connected with Aircraft operations on the ground, since the Airport has shown to be the actual ‘bottle neck’ of the entire Air Transport System. Therefore, the only winning approach to such a critical matter has to be multi-disciplinary, sewing together apparently different subjects, coming from the most disparate areas of interest and trying to fulfil the gap. The result of this thesis work has come to a start towards the end, when a Timed Coloured Petri Net (TCPN) model of a ‘sample’ Airport A-SMGCS has been developed, that is capable of taking into account different orders of questions arisen during these recent years and tries to give them some good answers. The A-SMGCS Airport model is, in the end, a parametric tool relying on Discrete Event System theory, able to perform a Reliability Analysis of the system itself, that: • uses a Monte Carlo Analysis applied to a Timed Coloured Petri Net, whose purpose is to evaluate the Safety Level of Surface Movements along an Airport • lets the user to analyse the impact of Procedures and Reliability Indexes of Systems such as Surface Movement Radars, Automatic Dependent Surveillance-Broadcast, Airport Lighting Systems, Microwave Sensors, and so on… onto the Safety Level of Airport Aircraft Transport System • not only is a valid instrument in the Design Phase, but it is useful also into the Certifying Activities an in monitoring the Safety Level of the above mentioned System with respect to changes to Technologies and different Procedures.This TCPN model has been verified against qualitative engineering expectations by using simulation experiments and occupancy time schedules generated a priori. Simulation times are good, and since the model has been written into Simulink/Stateflow programming language, it can be compiled to run real-time in C language (Real-time workshop and Stateflow Coder), thus relying on portable code, able to run virtually on any platform, giving even better performances in terms of execution time. One of the most interesting applications of this work is the estimate, for an Airport, of the kind of A-SMGCS level of implementation needed (Technical/Economical convenience evaluation). As a matter of fact, starting from the Traffic Volume and choosing the kind of Ground Equipment to be installed, one can make predictions about the Safety Level of the System: if the value is compliant with the TLS required by ICAO, the A-SMGCS level of Implementation is sufficiently adequate. Nevertheless, even if the Level of Safety has been satisfied, some delays due to reduced or simplified performances (even if Safety is compliant) of some of the equipment (e.g. with reference to False Alarm Rates) can lead to previously unexpected economical consequences, thus requiring more accurate systems to be installed, in order to meet also Airport economical constraints. Work in progress includes the analysis of the effect of weather conditions and re-sequencing of a given schedule. The effect of re-sequencing a given schedule is not yet enough realistic since the model does not apply inter arrival and departure separations. However, the model might show some effect on different sequences based on runway occupancy times. A further developed model containing wake turbulence separation conditions would be more sensitive for this case. Hence, further work will be directed towards: • The development of On-Line Re-Scheduling based on the available actual runway/taxiway configuration and weather conditions. • The Engineering Safety Assessment of some small Italian Airport A-SMGCSs (Model validation with real data). • The application of Stochastic Differential Equations systems in order to evaluate the collision risk on the ground inside the Place alone on the Petri Net, in the event of a Short Term Conflict Alert (STCA), by adopting Reich Collision Risk Model. • Optimal Air Traffic Control Algorithms Synthesis (Adaptive look-ahead Optimization), by Dynamically Timed Coloured Petri Nets, together with the implementation of Error-Recovery Strategies and Diagnosis Functions