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

Résumé

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.

Date	3 févr. 2022
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Georges Kaddoum (Directeur(-trice)) & Pascal Giard (Codirecteur(-trice))