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http://cicese.repositorioinstitucional.mx/jspui/handle/1007/3242| Cifrado caótico en sistemas embebidos y evaluación de seguridad criptográfica Chaotic encryption in embedded systems and cryptographic security evaluation | |
| MANUEL OMAR MERANZA CASTILLON | |
| MIGUEL ANGEL MURILLO ESCOBAR CESAR CRUZ HERNANDEZ | |
| Acceso Abierto | |
| Atribución | |
| Caos, criptografía, seguridad, cifrado de imagen, PRNG, FPGA Chaos, cryptography, security, image encryption, PRNG, FPGA | |
| En este trabajo de tesis doctoral, se presenta un algoritmo de cifrado de imagen digital basado en dinámicas caóticas, con implementación en sistema embebido (SE) FPGA y un amplio análisis de seguridad criptográfica. Primeramente, se muestra un estudio de algunos mapas caóticos, donde se decide emplear el mapa de Hénon para generar números pseudoaleatorios. Además, se propone un mapa de Hénon mejorado pseudoaleatoriamente (EHM) y se presenta un algoritmo generador de números pseudoaleatorios (PRNG) de 8 bits basado en el EHM con implementación en software y en hardware, para aplicaciones en criptografía caótica de alto procesamiento como cifrado de imágenes digitales. El EHM propuesto presenta mejores propiedades estadísticas y mayor sensibilidad a las condiciones iniciales en comparación con el mapa de Hénon clásico (CHM) mediante pruebas numéricas como diagramas de bifurcación, exponente de Lyapunov, prueba de Gottwald-Melbourne e histogramas. El algoritmo PRNG-EHM de 8 bits propuesto se implementa en MATLAB (software) y en tecnología FPGA (hardware). En la implementación de hardware, se utiliza el lenguaje VHDL y el SE de Altera DE2-115 FPGA con comunicación serial RS-232 para extracción de datos con el fin de analizarlos en MATLAB. Tanto a nivel software como hardware, el PRNG-EHM propuesto pasa las rigurosas pruebas estadísticas de aleatoriedad del estándar NIST 800-22. También, se presenta un análisis de seguridad del PRNG-EHM desde un punto de vista criptográfico para la implementación en hardware FPGA, como análisis de espacio de clave, sensibilidad a la clave, frecuencia flotante, histogramas, autocorrelación, correlación, entropía de la información y rendimiento. Las comparaciones del PRNG-EHM propuesto con esquemas similares recientes presentados en la literatura muestran las principales ventajas en las capacidades de seguridad para aplicaciones criptográficas. Finalmente, se propone un algoritmo de cifrado de imagen a escala de grises y a color RGB basado en el PRNG-EHM, con su implementación en MATLAB (software) y en SE DE2-115 FPGA (hardware). Se realiza un amplio análisis de seguridad criptográfica como espacio de llave, sensibilidad a la llave, histograma de imagen, correlación, entropía de la información, frecuencia flotante, sensibilidad a la imagen, análisis de métricos de calidad, robustez al ruido y robustez a la oclusión de datos. In this PhD thesis, a digital image encryption algorithm based on chaotic dynamics is presented, with implementation in FPGA embedded system (ES) and an extensive cryptographic security analysis. Firstly, a study of some chaotic maps is shown, where it is decided to use the Hénon map to generate pseudorandom numbers. In addition, a pseudorandomly enhanced Hénon map (EHM) is proposed and an 8-bit pseudo-random number generator (PRNG) algorithm based on the EHM with software and hardware implementation is presented, for applications in high-processing chaotic cryptography such as encryption of digital images. The proposed EHM has better statistical properties and greater sensitivity to the initial conditions compared to the classical Hénon map (CHM) using numerical tests such as bifurcation diagrams, Lyapunov exponent, Gottwald-Melbourne test and histograms. The proposed 8-bit PRNG-EHM algorithm is implemented in MATLAB (software) and FPGA (hardware) technology. In the hardware implementation, the VHDL language and the Altera DE2-115 FPGA ES with RS-232 serial communication are used for data extraction and analyzed in MATLAB. Both at the software and hardware level, the proposed PRNG-EHM passes the rigorous statistical random tests of the NIST 800-22 standard. Also, a security analysis of the PRNG-EHM is presented from a cryptographic point of view for FPGA hardware implementation, such as key space analysis, key sensitivity, floating frequency, histograms, autocorrelation, correlation, information entropy and performance. The comparisons of the proposed PRNG-EHM with recent similar schemes presented in the literature show the main advantages in security capabilities for cryptographic applications. Finally, a grayscale and RGB color image encryption algorithm based on the PRNG-EHM is proposed, with its implementation in MATLAB (software) and ES DE2-115 FPGA (hardware). An extensive cryptographic security analysis is performed such as key space, key sensitivity, image histogram, correlation, information entropy, floating frequency, image sensitivity, quality metrics analysis, robustness to noise and robustness to the data occlusion. | |
| CICESE | |
| 2020 | |
| Tesis de doctorado | |
| Español | |
| Meranza Castillón, M.O. 2020. Cifrado caótico en sistemas embebidos y evaluación de seguridad criptográfica. Tesis de Doctorado en Ciencias. Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, Baja California. 122 pp. | |
| OTRAS | |
| Aparece en las colecciones: | Tesis - Electrónica y Telecomunicaciones |
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| iTesis_Meranza Castillón Manuel Omar_18_mar_2020.pdf | Versión completa de la tesis | 68.39 MB | Adobe PDF | Visualizar/Abrir |