Optimized architecture for SNOW 3G

SNOW 3G is a synchronous, word-oriented stream cipher used by the 3GPP standards as a confidentiality and integrity algorithms. It is used as first set in long term evolution (LTE) and as a second set in universal mobile telecommunications system (UMTS) networks. The cipher uses 128-bit key and 128 bit IV to produce 32-bit ciphertext. The paper presents two techniques for performance enhancement. The first technique uses novel CLA architecture to minimize the propagation delay of the 232 modulo adders. The second technique uses novel architecture for S-box to minimize the chip area. The presented work uses VHDL language for coding. The same is implemented on the FPGA device Virtex xc5vfx100e manufactured by Xilinx. The presented architecture achieved a maximum frequency of 254.9 MHz and throughput of 7.2235 Gbps

Recent Advancements on Symmetric Cryptography Techniques -A Comprehensive Case Study

Now a day2019;s Cryptography is one of the broad areas for researchers; because of the conventional block cipher has lost its potency due to the sophistication of modern systems that can break it by brute force. Due to its importance, several cryptography techniques and algorithms are adopted by many authors to secure the data, but still there is a scope to improve the previous approaches. For this necessity, we provide the comprehensive survey which will help the researchers to provide better techniques

Low-complexity, low-area computer architectures for cryptographic application in resource constrained environments

RCE (Resource Constrained Environment) is known for its stringent hardware design requirements. With the rise of Internet of Things (IoT), low-complexity and low-area designs are becoming prominent in the face of complex security threats. Two low-complexity, low-area cryptographic processors based on the ultimate reduced instruction set computer (URISC) are created to provide security features for wireless visual sensor networks (WVSN) by using field-programmable gate array (FPGA) based visual processors typically used in RCEs. The first processor is the Two Instruction Set Computer (TISC) running the Skipjack cipher. To improve security, a Compact Instruction Set Architecture (CISA) processor running the full AES with modified S-Box was created. The modified S-Box achieved a gate count reduction of 23% with no functional compromise compared to Boyar’s. Using the Spartan-3L XC3S1500L-4-FG320 FPGA, the implementation of the TISC occupies 71 slices and 1 block RAM. The TISC achieved a throughput of 46.38 kbps at a stable 24MHz clock. The CISA which occupies 157 slices and 1 block RAM, achieved a throughput of 119.3 kbps at a stable 24MHz clock. The CISA processor is demonstrated in two main applications, the first in a multilevel, multi cipher architecture (MMA) with two modes of operation, (1) by selecting cipher programs (primitives) and sharing crypto-blocks, (2) by using simple authentication, key renewal schemes, and showing perceptual improvements over direct AES on images. The second application demonstrates the use of the CISA processor as part of a selective encryption architecture (SEA) in combination with the millions instructions per second set partitioning in hierarchical trees (MIPS SPIHT) visual processor. The SEA is implemented on a Celoxica RC203 Vertex XC2V3000 FPGA occupying 6251 slices and a visual sensor is used to capture real world images. Four images frames were captured from a camera sensor, compressed, selectively encrypted, and sent over to a PC environment for decryption. The final design emulates a working visual sensor, from on node processing and encryption to back-end data processing on a server computer

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

Low-complexity, low-area computer architectures for cryptographic application in resource constrained environments

RCE (Resource Constrained Environment) is known for its stringent hardware design requirements. With the rise of Internet of Things (IoT), low-complexity and low-area designs are becoming prominent in the face of complex security threats. Two low-complexity, low-area cryptographic processors based on the ultimate reduced instruction set computer (URISC) are created to provide security features for wireless visual sensor networks (WVSN) by using field-programmable gate array (FPGA) based visual processors typically used in RCEs. The first processor is the Two Instruction Set Computer (TISC) running the Skipjack cipher. To improve security, a Compact Instruction Set Architecture (CISA) processor running the full AES with modified S-Box was created. The modified S-Box achieved a gate count reduction of 23% with no functional compromise compared to Boyar’s. Using the Spartan-3L XC3S1500L-4-FG320 FPGA, the implementation of the TISC occupies 71 slices and 1 block RAM. The TISC achieved a throughput of 46.38 kbps at a stable 24MHz clock. The CISA which occupies 157 slices and 1 block RAM, achieved a throughput of 119.3 kbps at a stable 24MHz clock. The CISA processor is demonstrated in two main applications, the first in a multilevel, multi cipher architecture (MMA) with two modes of operation, (1) by selecting cipher programs (primitives) and sharing crypto-blocks, (2) by using simple authentication, key renewal schemes, and showing perceptual improvements over direct AES on images. The second application demonstrates the use of the CISA processor as part of a selective encryption architecture (SEA) in combination with the millions instructions per second set partitioning in hierarchical trees (MIPS SPIHT) visual processor. The SEA is implemented on a Celoxica RC203 Vertex XC2V3000 FPGA occupying 6251 slices and a visual sensor is used to capture real world images. Four images frames were captured from a camera sensor, compressed, selectively encrypted, and sent over to a PC environment for decryption. The final design emulates a working visual sensor, from on node processing and encryption to back-end data processing on a server computer

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 /

Development of an Encrypted Wireless System for Body Sensor Network Applications

Wireless body area networks (WBAN), also called wireless body sensor networks (WBSN), consist of a collection of wireless sensor nodes used to monitor and assess various human physiological conditions, which can then be used by healthcare professionals to help them make important healthcare decisions. They can be used to prevent disease, help diagnosis a disease, or manage the symptoms of a disease. An extremely important aspect of WBAN is security to protect a patient\u27s healthcare information, as a hacker could potentially cause fatal harm. Current security measures are implemented in software at the MAC layer and higher, not in the physical layer. Previous research demonstrated a chaotic encryption cipher to add a layer of security in the physical layer. This cipher exploits different properties of the Lorenz chaotic system to encrypt and decrypt digital data. Decryption involved synchronizing two chaotic signals to recover original data by sharing a state between the transmitter and receiver. In this thesis, we further develop the encryption system by implementing wireless capabilities. We use two approaches: the first by using commercially available wireless microcontrollers that communicate using Bluetooth Low Energy, and the second by the design and fabrication of a dual-band low noise amplifier (LNA) that can be used in a receiver for WBANs collecting data from implantable and on-the-body sensors. For the first approach, a custom Bluetooth Low Energy profile was created for streaming the analog encrypted signal, and signal processing was done at the receiver side. For the second approach, the LNA operates at the Medical Implant Communication System (MICS) band and the 915 MHz Industrial, Scientific, and Medical (ISM) band simultaneously through dual-band input and output matching networks