Layered cellular automata for pseudorandom number generation

The proposed Layered Cellular Automata (L-LCA), which comprises of a main CA with L additional layers of memory registers, has simple local interconnections and high operating speed. The time-varying L-LCA transformation at each clock can be reduced to a single transformation in the set formed by the transformation matrix of a maximum length Cellular Automata (CA), and the entire transformation sequence for a single period can be obtained. The analysis for the period characteristics of state sequences is simplified by analyzing representative transformation sequences determined by the phase difference between the initial states for each layer. The L-LCA model can be extended by adding more layers of memory or through the use of a larger main CA based on widely available maximum length CA. Several L-LCA (L=1,2,3,4) with 10- to 48-bit main CA are subjected to the DIEHARD test suite and better results are obtained over other CA designs reported in the literature. The experiments are repeated using the well-known nonlinear functions and in place of the linear function used in the L-LCA. Linear complexity is significantly increased when or is used

Design and Analysis of Cryptographic Pseudorandom Number/Sequence Generators with Applications in RFID

This thesis is concerned with the design and analysis of strong de Bruijn sequences and span n sequences, and nonlinear feedback shift register (NLFSR) based pseudorandom number generators for radio frequency identification (RFID) tags. We study the generation of span n sequences using structured searching in which an NLFSR with a class of feedback functions is employed to find span n sequences. Some properties of the recurrence relation for the structured search are discovered. We use five classes of functions in this structured search, and present the number of span n sequences for 6 <= n <= 20. The linear span of a new span n sequence lies between near-optimal and optimal. According to our empirical studies, a span n sequence can be found in the structured search with a better probability of success. Newly found span n sequences can be used in the composited construction and in designing lightweight pseudorandom number generators. We first refine the composited construction based on a span n sequence for generating long de Bruijn sequences. A de Bruijn sequence produced by the composited construction is referred to as a composited de Bruijn sequence. The linear complexity of a composited de Bruijn sequence is determined. We analyze the feedback function of the composited construction from an approximation point of view for producing strong de Bruijn sequences. The cycle structure of an approximated feedback function and the linear complexity of a sequence produced by an approximated feedback function are determined. A few examples of strong de Bruijn sequences with the implementation issues of the feedback functions of an (n+16)-stage NLFSR are presented. We propose a new lightweight pseudorandom number generator family, named Warbler family based on NLFSRs for smart devices. Warbler family is comprised of a combination of modified de Bruijn blocks (CMDB) and a nonlinear feedback Welch-Gong (WG) generator. We derive the randomness properties such as period and linear complexity of an output sequence produced by the Warbler family. Two instances, Warbler-I and Warbler-II, of the Warbler family are proposed for passive RFID tags. The CMDBs of both Warbler-I and Warbler-II contain span n sequences that are produced by the structured search. We analyze the security properties of Warbler-I and Warbler-II by considering the statistical tests and several cryptanalytic attacks. Hardware implementations of both instances in VHDL show that Warbler-I and Warbler-II require 46 slices and 58 slices, respectively. Warbler-I can be used to generate 16-bit random numbers in the tag identification protocol of the EPC Class 1 Generation 2 standard, and Warbler-II can be employed as a random number generator in the tag identification as well as an authentication protocol for RFID systems.1 yea

TDRSS telecommunications system, PN code analysis

The pseudo noise (PN) codes required to support the TDRSS telecommunications services are analyzed and the impact of alternate coding techniques on the user transponder equipment, the TDRSS equipment, and all factors that contribute to the acquisition and performance of these telecommunication services is assessed. Possible alternatives to the currently proposed hybrid FH/direct sequence acquisition procedures are considered and compared relative to acquisition time, implementation complexity, operational reliability, and cost. The hybrid FH/direct sequence technique is analyzed and rejected in favor of a recommended approach which minimizes acquisition time and user transponder complexity while maximizing probability of acquisition and overall link reliability

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 Total Self Checking Comparator Implementable on FPGAS Using Bist Technology

an integrated circuits (IC) "manufacturing tests" may be made easier to administer with the use of design for testability (DFT). Integrated circuits' embedded memory tests make use of the TSC (TSC) approach. We have shown the TSC method and several algorithms used in TSC for the purpose of testing embedded memory in this article. An address generator, controller, comparator, and memory are the four main components of this kind of memory TSC technology. This paper details the three memory TSC controller implementation techniques. The memory TSC controller is modelled in Verilog HDL, and its accuracy is checked using the RTL compiler before synthesis. Here we provide a way to build TSC comparators for TSC systems that may be implemented on FPGAs—totally self-checking (TSC) systems—that can be used online. By directly measuring the output of each lookup table (LUT), this approach may be utilised to do comprehensive online diagnostics of all LUTs. This entails mapping the basic components of the comparator with a limited number of test patterns. With our technique, we can achieve exhaustive diagnosis with a small number of test patterns on the order of n [O(n)] (where n is the input number to the comparator) while yet covering all bases 100% of the time, even if we are just aware of the LUT's specs and not its exact structure. For systems that need absolute reliability, FPGAs will be a perfect fit. Our experiment also included a single-event upset (SEU) induced by neutron radiation to validate the soft error rate (SER) in a field-programmable gate array (FPGA) based on static random-access memory (SRAM)

Time delay tracking using correlation techniques

SIGLELD:D48242/83 / BLDSC - British Library Document Supply CentreGBUnited Kingdo

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