Optimal analog wavelet bases construction using hybrid optimization algorithm

An approach for the construction of optimal analog wavelet bases is presented. First, the definition of an analog wavelet is given. Based on the definition and the least-squares error criterion, a general framework for designing optimal analog wavelet bases is established, which is one of difficult nonlinear constrained optimization problems. Then, to solve this problem, a hybrid algorithm by combining chaotic map particle swarm optimization (CPSO) with local sequential quadratic programming (SQP) is proposed. CPSO is an improved PSO in which the saw tooth chaotic map is used to raise its global search ability. CPSO is a global optimizer to search the estimates of the global solution, while the SQP is employed for the local search and refining the estimates. Benefiting from good global search ability of CPSO and powerful local search ability of SQP, a high-precision global optimum in this problem can be gained. Finally, a series of optimal analog wavelet bases are constructed using the hybrid algorithm. The proposed method is tested for various wavelet bases and the improved performance is compared with previous works.Peer reviewedFinal Published versio

Chaos-Based Bitwise Dynamical Pseudorandom Number Generator on FPGA

In this paper, a new pseudorandom number generator (PRNG) based on the logistic map has been proposed. To prevent the system to fall into short period orbits as well as increasing the randomness of the generated sequences, the proposed algorithm dynamically changes the parameters of the chaotic system. This PRNG has been implemented in a Virtex 7 field-programmable gate array (FPGA) with a 32-bit fixed point precision, using a total of 510 lookup tables (LUTs) and 120 registers. The sequences generated by the proposed algorithm have been subjected to the National Institute of Standards and Technology (NIST) randomness tests, passing all of them. By comparing the randomness with the sequences generated by a raw 32-bit logistic map, it is shown that, by using only an additional 16% of LUTs, the proposed PRNG obtains a much better performance in terms of randomness, increasing the NIST passing rate from 0.252 to 0.989. Finally, the proposed bitwise dynamical PRNG is compared with other chaos-based realizations previously proposed, showing great improvement in terms of resources and randomness

Microcontroller-based random number generator implementation by using discrete chaotic maps

In recent decades, chaos theory has been used in different engineering applications of different disciplines. Discrete chaotic maps can be used in encryption applications for digital applications. In this study, firstly, Lozi, Tinkerbell and Barnsley Fern discrete chaotic maps are implemented based on microcontroller. Then, microcontroller based random number generator is implemented by using the three different two-dimensional discrete chaotic maps. The designed random number generator outputs are applied to NIST (National Institute of Standards and Technology) 800-22 and FIPS (Federal Information Processing Standard) tests for randomness validity. The random numbers are successful in all tests

A Chaotic IP Watermarking in Physical Layout Level Based on FPGA

A new chaotic map based IP (Intellectual Property) watermarking scheme at physical design level is presented. An encrypted watermark is embedded into the physical layout of a circuit by configuring LUT (Lookup Table) as specific functions when it is placed and routed onto the FPGA (Field-Programmable Gate Array). The main contribution is the use of multiple chaotic maps in the processes of watermark design and embedding, which efficiently improves the security of watermark. A hashed chaotic sequence is used to scramble the watermark. Secondly, two pseudo-random sequences are generated by using chaotic maps. One is used to determine unused LUT locations, and the other divides the watermark into groups. The watermark identifies original owner and is difficult to detect. This scheme was tested on a Xilinx Virtex XCV600-6bg432 FPGA. The experimental results show that our method has low impact on functionality, short path delay and high robustness in comparison with other methods

Design, Analysis, and Application of Flipped Product Chaotic System

In this paper, a novel method is proposed to build an improved 1-D discrete chaotic map called flipped product chaotic system (FPCS) by multiplying the output of one map with the output of a vertically flipped second map. Two variants, each with nine combinations, are shown with trade-off between computational cost and performance. The chaotic properties are explored using the bifurcation diagram, Lyapunov exponent, Kolmogorov entropy, and correlation coefficient. The proposed schemes offer a wider chaotic range and improved chaotic performance compared to the constituent maps and several prior works of similar nature. Wide chaotic window and improved chaotic complexity are two desired characteristics for several security applications as these two characteristics ensure enhanced design space with elevated entropic properties. We present a general Field-Programmable Gate Array (FPGA) design framework for the hardware implementation of the proposed flipped-product schemes and the results show good qualitative agreement with the numerical results from MATLAB simulation. Finally, we present a new Pseudo Random Number Generator (PRNG) using the two variants of the proposed chaotic map and validate their excellent randomness property using four standard statistical tests, namely NIST, FIPS, TestU01, and Diehard

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

Application of a MEMS-based TRNG in a chaotic stream cipher

In this work, we used a sensor-based True Random Number Generator in order to generate keys for a stream cipher based on a recently published hybrid algorithm mixing Skew Tent Map and a Linear Feedback Shift Register. The stream cipher was implemented and tested in a Field Programmable Gate Array (FPGA) and was able to generate 8-bit width data streams at a clock frequency of 134 MHz, which is fast enough for Gigabit Ethernet applications. An exhaustive cryptanalysis was completed, allowing us to conclude that the system is secure. The stream cipher was compared with other chaotic stream ciphers implemented on similar platforms in terms of area, power consumption, and throughput

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 /