Discrete-Time Chaotic-Map Truly Random Number Generators: Design, Implementation, and Variability Analysis of the Zigzag Map

In this paper, we introduce a novel discrete chaotic map named zigzag map that demonstrates excellent chaotic behaviors and can be utilized in Truly Random Number Generators (TRNGs). We comprehensively investigate the map and explore its critical chaotic characteristics and parameters. We further present two circuit implementations for the zigzag map based on the switched current technique as well as the current-mode affine interpolation of the breakpoints. In practice, implementation variations can deteriorate the quality of the output sequence as a result of variation of the chaotic map parameters. In order to quantify the impact of variations on the map performance, we model the variations using a combination of theoretical analysis and Monte-Carlo simulations on the circuits. We demonstrate that even in the presence of the map variations, a TRNG based on the zigzag map passes all of the NIST 800-22 statistical randomness tests using simple post processing of the output data.Comment: To appear in Analog Integrated Circuits and Signal Processing (ALOG

Design of Discrete-time Chaos-Based Systems for Hardware Security Applications

Security of systems has become a major concern with the advent of technology. Researchers are proposing new security solutions every day in order to meet the area, power and performance specifications of the systems. The additional circuit required for security purposes can consume significant area and power. This work proposes a solution which utilizes discrete-time chaos-based logic gates to build a system which addresses multiple hardware security issues. The nonlinear dynamics of chaotic maps is leveraged to build a system that mitigates IC counterfeiting, IP piracy, overbuilding, disables hardware Trojan insertion and enables authentication of connecting devices (such as IoT and mobile). Chaos-based systems are also used to generate pseudo-random numbers for cryptographic applications.The chaotic map is the building block for the design of discrete-time chaos-based oscillator. The analog output of the oscillator is converted to digital value using a comparator in order to build logic gates. The logic gate is reconfigurable since different parameters in the circuit topology can be altered to implement multiple Boolean functions using the same system. The tuning parameters are control input, bifurcation parameter, iteration number and threshold voltage of the comparator. The proposed system is a hybrid between standard CMOS logic gates and reconfigurable chaos-based logic gates where original gates are replaced by chaos-based gates. The system works in two modes: logic locking and authentication. In logic locking mode, the goal is to ensure that the system achieves logic obfuscation in order to mitigate IC counterfeiting. The secret key for logic locking is made up of the tuning parameters of the chaotic oscillator. Each gate has 10-bit key which ensures that the key space is large which exponentially increases the computational complexity of any attack. In authentication mode, the aim of the system is to provide authentication of devices so that adversaries cannot connect to devices to learn confidential information. Chaos-based computing system is susceptible to process variation which can be leveraged to build a chaos-based PUF. The proposed system demonstrates near ideal PUF characteristics which means systems with large number of primary outputs can be used for authenticating devices

Symmetry in Chaotic Systems and Circuits

Symmetry can play an important role in the field of nonlinear systems and especially in the design of nonlinear circuits that produce chaos. Therefore, this Special Issue, titled “Symmetry in Chaotic Systems and Circuits”, presents the latest scientific advances in nonlinear chaotic systems and circuits that introduce various kinds of symmetries. Applications of chaotic systems and circuits with symmetries, or with a deliberate lack of symmetry, are also presented in this Special Issue. The volume contains 14 published papers from authors around the world. This reflects the high impact of this Special Issue

Integrated chaos generators

This paper surveys the different design issues, from mathematical model to silicon, involved on the design of integrated circuits for the generation of chaotic behavior.Comisión Interministerial de Ciencia y Tecnología 1FD97-1611(TIC)European Commission ESPRIT 3110

Low power CMOS vision sensor for foreground segmentation

This thesis focuses on the design of a top-ranked algorithm for background subtraction, the Pixel Adaptive Based Segmenter (PBAS), for its mapping onto a CMOS vision sensor on the focal plane processing. The redesign of PBAS into its hardware oriented version, HO-PBAS, has led to a less number of memories per pixel, along with a simpler overall model, yet, resulting in an acceptable loss of accuracy with respect to its counterpart on CPU. This thesis features two CMOS vision sensors. The first one, HOPBAS1K, has laid out a 24 x 56 pixel array onto a miniasic chip in standard 180 nm CMOS technology. The second one, HOPBAS10K, features an array of 98 x 98 pixels in standard 180 nm CMOS technology too. The second chip fixes some issues found in the first chip, and provides good hardware and background performance metrics

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 /

A fully CMOS true random number generator based on hidden attractor hyperchaotic system

Low-power devices used in Internet-of-things networks have been short of security due to the high power consumption of random number generators. This paper presents a low-power hyperchaos-based true random number generator, which is highly recommended for secure communications. The proposed system, which is based on a four-dimensional chaotic system with hidden attractors and oscillators, exhibits rich dynamics. Numerical analysis is provided to verify the dynamic characteristics of the proposed system. A fully customized circuit is deployed using 130 nm CMOS technology to enable integration into low-power devices. Four output signals are used to seed a SHIFT-XOR-based chaotic data post-processing to generate random bit output. The chip prototype was simulated and tested at 100 MHz sampling frequency. The hyperchaotic circuit consumes a maximum of 980 μ W in generating chaotic signals while dissipates a static current of 623 μ A. Moreover, the proposed system provides ready-to-use binary random bit sequences which have passed the well-known statistical randomness test suite NIST SP800-22. The proposed novel system design and its circuit implementation provide a best energy efficiency of 4.37 pJ/b at a maximum sampling frequency of 100 MHz

A fully CMOS true random number generator based on hidden attractor hyperchaotic system

AbstractLow-power devices used in Internet-of-things networks have been short of security due to the high power consumption of random number generators. This paper presents a low-power hyperchaos-based true random number generator, which is highly recommended for secure communications. The proposed system, which is based on a four-dimensional chaotic system with hidden attractors and oscillators, exhibits rich dynamics. Numerical analysis is provided to verify the dynamic characteristics of the proposed system. A fully customized circuit is deployed using 130 nm CMOS technology to enable integration into low-power devices. Four output signals are used to seed a SHIFT-XOR-based chaotic data post-processing to generate random bit output. The chip prototype was simulated and tested at 100 MHz sampling frequency. The hyperchaotic circuit consumes a maximum of 980 \upmu μ W in generating chaotic signals while dissipates a static current of 623 \upmu μ A. Moreover, the proposed system provides ready-to-use binary random bit sequences which have passed the well-known statistical randomness test suite NIST SP800-22. The proposed novel system design and its circuit implementation provide a best energy efficiency of 4.37 pJ/b at a maximum sampling frequency of 100 MHz