A 1 Gbps Chaos-Based Stream Cipher Implemented in 0.18 m CMOS Technology

In this work, a novel chaos-based stream cipher based on a skew tent map is proposed and implemented in a 0.18 µm CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) technology. The proposed ciphering algorithm uses a linear feedback shift register that perturbs the orbits generated by the skew tent map after each iteration. This way, the randomness of the generated sequences is considerably improved. The implemented stream cipher was capable of achieving encryption speeds of 1 Gbps by using an approximate area of ~20,000 2-NAND equivalent gates, with a power consumption of 24.1 mW. To test the security of the proposed cipher, the generated keystreams were subjected to National Institute of Standards and Technology (NIST) randomness tests, proving that they were undistinguishable from truly random sequences. Finally, other security aspects such as the key sensitivity, key space size, and security against reconstruction attacks were studied, proving that the stream cipher is secure

Deciphering a novel image cipher based on mixed transformed Logistic maps

Since John von Neumann suggested utilizing Logistic map as a random number generator in 1947, a great number of encryption schemes based on Logistic map and/or its variants have been proposed. This paper re-evaluates the security of an image cipher based on transformed logistic maps and proves that the image cipher can be deciphered efficiently under two different conditions: 1) two pairs of known plain-images and the corresponding cipher-images with computational complexity of $O(2^{18}+L)$; 2) two pairs of chosen plain-images and the corresponding cipher-images with computational complexity of $O(L)$, where $L$ is the number of pixels in the plain-image. In contrast, the required condition in the previous deciphering method is eighty-seven pairs of chosen plain-images and the corresponding cipher-images with computational complexity of $O(2^{7}+L)$. In addition, three other security flaws existing in most Logistic-map-based ciphers are also reported.Comment: 10 pages, 2 figure

A Guideline on Pseudorandom Number Generation (PRNG) in the IoT

Random numbers are an essential input to many functions on the Internet of Things (IoT). Common use cases of randomness range from low-level packet transmission to advanced algorithms of artificial intelligence as well as security and trust, which heavily rely on unpredictable random sources. In the constrained IoT, though, unpredictable random sources are a challenging desire due to limited resources, deterministic real-time operations, and frequent lack of a user interface. In this paper, we revisit the generation of randomness from the perspective of an IoT operating system (OS) that needs to support general purpose or crypto-secure random numbers. We analyse the potential attack surface, derive common requirements, and discuss the potentials and shortcomings of current IoT OSs. A systematic evaluation of current IoT hardware components and popular software generators based on well-established test suits and on experiments for measuring performance give rise to a set of clear recommendations on how to build such a random subsystem and which generators to use.Comment: 43 pages, 11 figures, 11 table

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 /

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

Period extension and randomness enhancement using high-throughput reseeding-mixing PRNG

We present a new reseeding-mixing method to extend the system period length and to enhance the statistical properties of a chaos-based logistic map pseudo random number generator (PRNG). The reseeding method removes the short periods of the digitized logistic map and the mixing method extends the system period length to 2 253 by xoring with a DX generator. When implemented in the TSMC 0.18-μm 1P6M CMOS process, the new reseeding-mixing PRNG (RM-PRNG) attains the best throughput rate of 6.4 Gb/s compared with other nonlinear PRNGs. In addition, the generated random sequences pass the NIST SP 800-22 statistical tests including ratio test and U-value test. © 2010 IEEE

Actas de la XIII Reunión Española sobre Criptología y Seguridad de la Información RECSI XIII : Alicante, 2-5 de septiembre de 2014

Si tuviéramos que elegir un conjunto de palabras clave para definir la sociedad actual, sin duda el término información sería uno de los más representativos. Vivimos en un mundo caracterizado por un continuo flujo de información en el que las Tecnologías de la Información y Comunicación (TIC) y las Redes Sociales desempeñan un papel relevante. En la Sociedad de la Información se generan gran variedad de datos en formato digital, siendo la protección de los mismos frente a accesos y usos no autorizados el objetivo principal de lo que conocemos como Seguridad de la Información. Si bien la Criptología es una herramienta tecnológica básica, dedicada al desarrollo y análisis de sistemas y protocolos que garanticen la seguridad de los datos, el espectro de tecnologías que intervienen en la protección de la información es amplio y abarca diferentes disciplinas. Una de las características de esta ciencia es su rápida y constante evolución, motivada en parte por los continuos avances que se producen en el terreno de la computación, especialmente en las últimas décadas. Sistemas, protocolos y herramientas en general considerados seguros en la actualidad dejarán de serlo en un futuro más o menos cercano, lo que hace imprescindible el desarrollo de nuevas herramientas que garanticen, de forma eficiente, los necesarios niveles de seguridad. La Reunión Española sobre Criptología y Seguridad de la Información (RECSI) es el congreso científico español de referencia en el ámbito de la Criptología y la Seguridad en las TIC, en el que se dan cita periódicamente los principales investigadores españoles y de otras nacionalidades en esta disciplina, con el fin de compartir los resultados más recientes de su investigación. Del 2 al 5 de septiembre de 2014 se celebrará la decimotercera edición en la ciudad de Alicante, organizada por el grupo de Criptología y Seguridad Computacional de la Universidad de Alicante. Las anteriores ediciones tuvieron lugar en Palma de Mallorca (1991), Madrid (1992), Barcelona (1994), Valladolid (1996), Torremolinos (1998), Santa Cruz de Tenerife (2000), Oviedo (2002), Leganés (2004), Barcelona (2006), Salamanca (2008), Tarragona (2010) y San Sebastián (2012)