Design and implementation of chaos-based random number generators for IoT platforms

Nguyen Thi Thu, Ngoc (2022). Design and implementation of chaos-based random number generators for IoT platforms. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

For future network communication, security is one of the main challenges. In this context, the random number generator, which is responsible for generating public keys, private keys, and other kinds of random numbers, is a critical engine in cryptographic algorithms and data secrecy. Cryptographic algorithms require high computational capabilities and high power, which can be challenging in hardware-constrained devices. Therefore, the hardware-based random number generator, which provides high throughput at low power, is an essential component for future devices. Many approaches have been developed to enhance the randomness and security of random number generators used in constrained devices. However, current hardware-based random number generators have been facing design challenges, such as energy efficiency (which is the energy consumed to generate one single random bit), security, and flexibility. To address these challenges, chaos-based random number generators, in which non-linear chaotic systems are playing a key role, have emerged .

For chaos-based random number generators, the chaotic and dynamical characteristics are crucial. The higher the complexity and dynamics of the chaotic system, the higher the randomness of the output bits; however, the randomness of the output bits also depends on other factors, such as the implementation and data post-processing. Recently, considerable attention has been drawn by the research community to continuous chaotic systems. Therefore, this research focuses on developing novel continuous chaotic systems, which are highly dynamic and highly data dimensional, to improve the security and throughput of the proposed random number generators.

The contributions of this dissertation are fourfold: (i) development of robust chaotic systems and dynamic characteristics analysis to find the best parameter set (ii) hardware implementation in consideration of the target applications and device platforms; (iii) proposition of engineering applications using the proposed random number generators; and (iv) design and fabrication of true random number generators and pseudo-random number generators to provide ready-to-use security devices that can be used as commercial products.

First of all, we develop several chaotic systems which focus on extending dimensions (which can improve the overall throughput of random number generators), improving system sensitivity level by hiding information of equilibrium points and making the system’s characteristics depend on the initial conditions which are difficult to predict. Mathematical analysis shows the advantages of the proposed chaotic systems compared to previous systems. In hardware implementation, the power consumption, device resources, and security level are tradeoffs. In chaotic system, non-linear function is the main component. Therefore, the non-linear functions, which have low complexity hardware design, are prioritized.

Regarding hardware implementation, we present two different strategies for true random number generators and pseudo-random number generators. Analog circuit design is employed to implement true random number generator, in which the circuit noise and circuit imperfection affect the chaotic characteristics. The pseudo-random number generators are implemented in FPGA devices which can be integrated into multiple hardware platforms.

With IoT platforms, developers can build a wide range of applications, such as real-time monitoring, surveillance, in which data secrecy matters. To prove the benefits of using the designated random number generators in these applications, we provide image encryption/decryption using one-time pad data encoding. Therefore, a chaos-based one-time pad cryptosystem is developed, the data (images) is encoded using the proposed chaos-based random number generator. The receiver and transmitter share information on the initial condition of the chaotic system to recover the key and decode the data.

Finally, after nearly four years of research on random number generators with the achievements we have been getting so far, it is possible to start commercializing our research project. Acknowledging the increasing demand for personal security, our product aims to give users the highest control over their data by providing them with the key generator. Therefore, stored data cannot be decoded even if the host (where the data is stored/reserved) is attacked. Moreover, our product aims to provide high-speed data encoding/decoding solutions for real-time applications such as video streaming, especially during the quarantine of the worldwide pandemic COVID-19.

Titre traduit

Conception et mise en oeuvre de générateurs de nombres aléatoires basés sur le chaos pour plates-formes IoT

Résumé traduit

Pour les communications futures, la sécurité est l’un des principaux défis. Dans ce contexte, le générateur de nombres aléatoires, qui est chargé de générer des clés publiques, des clés privées et d’autres types de nombres aléatoires, est un moteur essentiel des algorithmes cryptographiques et du secret des données. Les algorithmes cryptographiques nécessitent des capacités de calcul élevées et une puissance élevée, ce qui est un défi dans les appareils limité en ressources. Par conséquent, le générateur de nombres aléatoires matériel, qui fournit un débit élevé à faible puissance, est un composant essentiel pour les futurs appareils. De nombreuses approches ont été développées pour améliorer le caractère aléatoire et la sécurité des générateurs de nombres aléatoires utilisés sur des dispositifs limité en ressources. Cependant, les générateurs de nombres aléatoires matériel actuels ont été confrontés à des défis de conception, tels que l’efficacité énergétique (qui est l’énergie consommée pour générer un seul bit aléatoire), la sécurité et la flexibilité. Pour relever ces défis, des générateurs de nombres aléatoires basés sur le chaos sont apparus dans lesquels les systèmes chaotiques non linéaires jouent un rôle clé.

Pour les générateurs de nombres aléatoires basés sur le chaos, les caractéristiques chaotiques et dynamiques sont cruciales. Plus la complexité et la dynamique du système chaotique sont élevées, plus le caractère aléatoire des bits de sortie est élevé; cependant, le caractère aléatoire des bits de sortie dépend également d’autres facteurs, tels que l’implémentation et le post-traitement des données. Récemment, la communauté des chercheurs s’est particulièrement intéressée aux systèmes chaotiques continus. Par conséquent, cette recherche se concentre sur le développement de nouveaux systèmes chaotiques continus, hautement dynamiques et hautement dimensionnels des données, afin d’améliorer la sécurité et le débit des générateurs de nombres aléatoires proposés.

Les contributions de cette thèse sont quadruples: (i) le développement de systèmes chaotiques robustes et l’analyse des caractéristiques dynamiques pour trouver les meilleurs paramètres (ii) l’implémentation matérielle en tenant compte des applications cibles et des plates-formes d’appareils; (iii) la proposition d’applications techniques utilisant les générateurs de nombres aléatoires proposés; (iv) la conception et la fabrication de véritables générateurs de nombres aléatoires et de générateurs de nombres pseudo-aléatoires pour fournir des dispositifs de sécurité prêts à l’emploi pouvant être utilisés comme produits commerciaux.

Tout d’abord, nous développons plusieurs systèmes chaotiques qui se concentrent sur l’extension des dimensions (ce qui peut améliorer le débit global des générateurs de nombres aléatoires), et sur l’amélioration du niveau de sensibilité du système en masquant les informations des points d’équilibre et en faisant dépendre les caractéristiques du système des conditions initiales difficiles à prévoir. L’analyse mathématique montre les avantages des systèmes chaotiques proposés par rapport aux systèmes précédents. Dans la mise en oeuvre matérielle, la consommation d’énergie, les ressources de l’appareil et le niveau de sécurité sont des compromis. Par conséquent, les systèmes chaotiques avec une conception matérielle peu complexe sont prioritaires.

En ce qui concerne la mise en oeuvre matérielle, nous présentons deux stratégies différentes pour les véritables générateurs de nombres aléatoires et les générateurs de nombres pseudo-aléatoires. La conception de circuits analogiques est utilisée pour mettre en oeuvre un véritable générateur de nombres aléatoires, dans lequel le bruit du circuit et l’imperfection du circuit affectent les caractéristiques chaotiques. Les générateurs de nombres pseudo-aléatoires sont implémentés dans des dispositifs FPGA qui peuvent être intégrés dans plusieurs plates-formes matérielles.

Avec les plates-formes IoT, les développeurs peuvent créer une large gamme d’applications spécifiquement à des fins IoT, telles que la surveillance et la surveillance en temps réel, dans lesquelles le secret des données est important. Pour prouver les avantages de l’utilisation des générateurs de nombres aléatoires désignés dans les applications, nous fournissons un cryptage / décryptage d’image à l’aide d’un encodage de données de pad à usage unique. Par conséquent, un cryptosystème de pas à usage unique basé sur le chaos est développé, les données (images) sont codées à l’aide du générateur de nombres aléatoires basé sur le chaos proposé. Le récepteur et l’émetteur partagent des informations sur l’état initial du système chaotique pour récupérer la clé et décoder les données.

Enfin, après près de quatre ans de recherche sur les générateurs de nombres aléatoires avec les réalisations que nous avons obtenues jusqu’à présent, il est possible de commencer à commercialiser notre projet de recherche. Reconnaissant la demande croissante de sécurité personnelle, notre produit vise à donner aux utilisateurs le contrôle le plus élevé sur leurs données en leur fournissant le générateur de clés. Par conséquent, les données stockées ne peuvent pas être décodées même si l’hôte (où les données sont stockées / réservées) est attaqué. De plus, notre produit vise à fournir des solutions d’encodage / décodage de données à haute vitesse pour des applications en temps réel telles que la diffusion en continu de vidéo, en particulier pendant la quarantaine de la pandémie mondiale COVID-19.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 169-186).
Mots-clés libres:	générateur de nombres aléatoires, système chaotique, carte chaotique, hyperchaos, système chaotique continu, sécurité, cryptographie, prochaine génération de réseau
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Kaddoum, Georges
Codirecteur:	Codirecteur Giard, Pascal
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	16 mai 2022 17:27
Dernière modification:	16 mai 2022 17:27
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2969

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