Design and Embedded FPGA Implementations of Chaos-based cryptosystems, for securing IoT data
Conception et implémentation sur FPGA des systèmes cryptographiques chaotiques : Application à l’Internet des Objets (IdO)
Résumé
I .o.T devices we use every day are becoming connected entities across the planet. They combine autonomous embedded sensory objects that are resource constrained in terms of computing capabilities, energy and memory capacities. Moreover, these devices can be affected by various categories of security. This imposes to design new cryptographic methods which are efficient in terms of security, time overhead and energy consumption. To meet the requirements set out, especially in terms of security, we have developed, in this thesis, chaos-based cryptographic primitives. First, we implemented (on FPGA board) and evaluated the statistical security and hardware metrics of some chaotic maps, specifically the Skew Tent, PWLCM, Logistic, 3D-Chebyshev map and LFSRs, that are the basic components of the proposed chaotic generators. Based on the previous results, we then designed, implemented (on FPGA board) and analyzed four secure PRNGs-CS and their corresponding stream ciphers. All these chaotic systems uses a predefined coupling matrices M that achieve a weak mixing of the chaotic maps, which avoid, on the one hand, the divide-and-conquer attacks on chaotic maps, and on the other hand, to increase the randomness of the sequences produced as well as their lengths. Besides, the proposed PRNGs-CS contain at least one polynomial map of degree two or three to make very difficult the algebraic attack. The experimental results obtained demonstrate the high degree of security and the good hardware metrics achieved by the proposed chaotic systems. Finally, we designed, implemented and evaluated the performance of a new chaos-based encryption/decryption architecture, operating in CBC mode and uses our developed LSPT-PRNG system. The confusion operation of the system is performed by a strong proposed dynamic circular S-box. The diffusion operation is achieved by a 2-D modified cat map and a Horizontal Addition Diffusion followed by a Vertical Addition Diffusion. The experimental results obtained demonstrate that the proposed cryptosystem can successfully resist various known attacks and therefore can be used to secure sensitive data.
Les dispositifs I.o.T que nous utilisons chaque jour deviennent des entités connectées à travers la planète. Ils combinent des objets sensoriels embarqués autonomes qui sont contraints en ressources en termes de capacités de calcul, d’énergie et de capacités de mémoire. De plus, la sécurité de ces dispositifs peut être compromise par différentes attaques cryptographiques. Cela impose de concevoir de nouvelles méthodes cryptographiques performantes en termes de sécurité, de temps de calcul et de consommation d’énergie. Pour répondre aux exigences énoncées, surtout en termes de sécurité, nous avons développé, dans cette thèse, des primitives cryptographiques basées sur le chaos. Tout d’abord, nous avons implémenté (sur carte FPGA) et évalué la sécurité statistique et les métriques matérielles de certaines cartes chaotiques, spécifiquement, la carte Skew Tent, PWLCM, Logistic, 3D-Chebyshev et LFSRs, qui sont les composants de base des générateurs chaotiques proposés. Sur la base des résultats précédents, nous avons ensuite conçu, implémenté (sur carte FPGA) et analysé quatre PRNGs-CS sécurisés et les systèmes de chiffrement par flux correspondants. Tous ces systèmes chaotiques utilisent des matrices de couplage prédéfinies M qui réalisent un faible mélange des cartes chaotiques, ce qui permet d’éviter, d’une part, l’attaque diviser et conquérir sur les cartes chaotiques, et d’autre part, d’augmenter le caractère aléatoire des séquences produites ainsi que leurs longueurs. De plus, les PRNGs-CS proposés contiennent au moins un polynôme de degré deux ou trois pour rendre difficile l’attaque algébrique. Les résultats expérimentaux obtenus démontrent le haut degré de sécurité et les bonnes métriques matérielles obtenues par les systèmes chaotiques proposés. Enfin, nous avons conçu, mis en œuvre et évalué les performances d’une nouvelle architecture de chiffrement/déchiffrement basée sur le chaos, fonctionnant en mode CBC et utilisant notre système LSPT-PRNG développé. L’opération de confusion du système est réalisée par une S-box circulaire dynamique proposée. L’opération de diffusion est réalisée par la carte chaotique 2-D CAT modifiée et une diffusion d’addition horizontale suivie d’une diffusion d’addition verticale. Les résultats expérimentaux obtenus démontrent que le cryptosystème proposé peut résister avec succès à diverses attaques connues et peut donc être utilisé pour sécuriser des données sensibles.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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