ENTROPY ANALYSIS OF DATA COLLECTED FROM INERTIAL MEASUREMENT UNIT OF CYBER-PHYSICAL SYSTEM UNDER NON-DISTURBED CONDITIONS

Nowadays cyber-physical systems are widely used for many purposes. We consider the provision of information security of data channels in such systems. Cryptographic data security approach based on random sequences is commonly used to solve this task. Its reliability depends on quality of random data being used, thus truly random sequences are preferable for application. Truly random data generation is a time-consuming process and it requires entropy sources of physical nature. The goal of the paper presented is to research methods and approaches of collecting random numbers using inertial measurement unit as a part of cyber-physical system. Method. Quality assessment of a binary sequence was carried out during the research by determination of random sequence statistical characteristics.Main Results. Research results have shown up that raw data collected from onboard inertial sensors possess lack of entropy under non-disturbed conditions, therefore an additional post-processing is required. Practical Relevance. The results of the research can be used to obtain random sequences for on board cyber-physical systems equipped with inertial measurement units without the use of additional devices. It is planned to collect data from a flying unmanned aerial system in future to apply extractors and to utilize other methods in order to improve quality of a binary sequenc

A Novel Encryption Method for Dorsal Hand Vein Images on a Microcomputer

In this paper, a Lorenz-like chaotic system was developed to encrypt the dorsal hand patterns on a microcomputer. First, the dorsal hand vein images were taken from the subjects via an infrared camera. These were subjected to two different processes called contrast enhancement and segmentation of vein regions. Second, the pre- and post-processed images were encrypted with a new encryption algorithm in the microcomputer environment. For the encryption process, random numbers were generated by the chaotic system. These random numbers were subjected to NIST-800-22 test which is the most widely accepted statistical test suite. The speeded up robust feature (SURF) matching algorithm was utilized in the initial condition sensitivity analysis of the encrypted images. The results of the analysis have shown that the proposed encryption algorithm can be used in identification and verification systems. The encrypted images were analyzed with histogram, correlation, entropy, pixel change rate (NPCR), initial condition sensitivity, data loss, and noise attacks which are frequently used for security analyses in the literature. In addition, the images were analyzed after noise attacks by means of peak signal-to-noise ratio (PSNR), mean square error (MSE), and the structural similarity index (SSIM) tests. It has been shown that the dorsal hand vein images can be used in identification systems safely with the help of the proposed method on microcomputers.This work was supported by the Qatar National-LibraryScopu

LiReK: A lightweight and real-time key establishment scheme for wearable embedded devices by gestures or motions

With the recent trend in wearable technology adoption, the security of these wearable devices has been the subject of scrutiny. Traditional cryptographic schemes such as key establishment schemes are not practical for deployment on the (resource-constrained) wearable devices, due to the limitations in their computational capabilities (e.g. limited battery life). Thus, in this study, we propose a lightweight and real-time key establishment scheme for wearable devices by leveraging the integrated accelerometer. Specifically, we introduce a novel way for users to initialize a shared key using random shakes/movements on their wearable devices. Construction of the real-time key is based on the users’ motion (e.g. walking), which does not require the data source for key construction in different devices worn by the same user to be matching. To address the known limitations on the regularity and predictability of gait, we propose a new quantization method to select data that involve noise and uncertain factors when generating secure random number. This enhances the security of the derived key. Our evaluations demonstrate that the matching rate of the shake-to-generate secret key is up to 91.00% and the corresponding generation rate is 2.027 bit/s, and devices worn on human participant’s chest, waist, wrist and carried in the participant’s pocket can generate 4.405, 4.089, 6.089 and 3.204 bits random number per second for key generation, respectively

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 /