Implantation paramétrable d'un nouvel algorithme de cryptage symétrique basé Chaos par inclusion au sein d'une architecture reconfigurable de type FPGA

Hardware implementation of a new configurable symmetric chaotic cipher/decipher based on the FPGA reconfigurable technologie

• Auteur / Autrice : Mohamed Salah Azzaz
• Direction : Camel Tanougast, Lotfy Mokhtar Simohamed
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microélectronique, Instrumentation et Systèmes électroniques
• Date : Soutenance le 02/12/2012
• Etablissement(s) : Université de Lorraine en cotutelle avec École Militaire Polytechnique (Alger)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LICM - Laboratoire Interfaces, Capteurs et Microélectronique - EA 1776
• Jury : Président / Présidente : Abderrezak Guessoum
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ahmed Riad Baba-Ali, Ahmed Bouridane, Aabbas Dandache
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Abderrezak Guessoum, El-Bay Bourennane

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseaux logiques programmables par l'utilisateur

Chiffrement (informatique)

Cryptographie

Chaos (théorie des systèmes)

Mots clés libres

Cryptosystème

Chaos

Cryptographie

Synchronisation chaotique

FPGA

Résolution numérique

Communication sans fil

Résumé

Depuis 1980, l'idée d'utiliser des systèmes chaotiques pour la conception d'algorithmes de chiffrement/déchiffrement attire de plus en plus l'attention des chercheurs. La riche dynamique des systèmes chaotiques, telle que la sensibilité aux conditions initiales et aux paramètres de contrôle, l'imprédictibilité à long terme et à large spectre, permet d'avoir de fortes propriétés telles que la "confusion" et la "diffusion". La découverte de la possibilité d'une synchronisation du chaos en 1990, a ouvert les portes d'investigation aux chiffrements chaotiques. Par ailleurs, deux approches possibles coexistes pour la conception des cryptosystèmes basés chaos : les approches analogique et numérique. Les techniques de chiffrement analogiques sont basées principalement sur la recherche d'une synchronisation des signaux chaotiques générés analogiquement. Tandis que, les techniques numériques de chiffrement chaotique ne dépendent pas d'une synchronisation chaotique et peuvent être mis en ?uvre soit sous forme logicielle ou matérielle. Plusieurs contributions ont été proposées pour la réalisation de cryptosystèmes numériques. Cependant, la plupart d'entre elles sont vulnérables et cryptanalysées. Afin de concevoir des chiffrements numériques chaotiques plus robustes et répondant aux besoins de sécurité dans les systèmes embarqués, des mécanismes originaux doivent soigneusement être considérés au cours d'une conception. Toutefois, le problème de la dégradation dynamique d'une numérisation lors de la conception des systèmes chaotiques n'a pas été sérieusement considéré par la plupart des concepteurs d'algorithmes de chiffrements numériques. D'autre part, la quasi-totalité des cryptosystèmes numériques basés chaos proposés ne traitent l'aspect pas sécurité-embarquabilité. Cette thèse se concentre sur la conception et l'implantation numérique d'un nouveau cryptosystème basé chaos, dédié aux applications embarquées temps réel. Parmi les tâches développées au cours de ces travam de thèse, on trouve les solutions adaptées et performantes de résolution de ces deux principaux inconvénients, notamment pour les applications embarquées sécurisées. Nos principales contributions sont, premièrement la conception et l'implantation sur FPGA de nouveaux générateurs de clés pseudo-aléatoires basés sur des systèmes chaotiques (continus et discrets). Deuxièmement, l'analyse statistique détaillée de la sécurité de ces générateurs. Troisièmement, la conception d'un nouveau générateur de clés de chiffrement adéquat par comparaison et son intégration dans un cryptosystème symétrique par flot, tout en y incluant la résolution du problème de la synchronisation entre un émetteur et un récepteur. Quatrièmement, la mise en ?uvre matérielle du cryptosystème proposé pour des applications réelles de cryptage/décryptage. Plus précisément, le chiffrement/déchiffrement en temps réel de données audio, image et vidéo. De plus, une évaluation des performances et une comparaison avec d'autres algorithmes basés chaos sont réalisées afin d'extraire les points faibles et forts de l'approche proposée et dont le but d'en tirer des perspectives de travaux futurs

Since 1980, the idea of using dynamic systems with chaotic behaviour for the design of encryption/decryption algorithms has attracted increasing: attention from researchers. The strong dynamics of chaotic systems such as sensitivity to initial conditions and control parameters, the unpredictability in the long term and broad-spectrum can provide important properties such as confusion and diffusion usually meet in standard cryptography. In addition, there are two possible approaches for designing chaos-based cryptosystems: analog and digital. Analog encryption techniques are primarily based on chaos-synchronization, while the chaotic digital encryption approaches do not depend on the chaos-synchronization and can be implemented either in software or hardware. This thesis focuses on the digital design and implementation of a new cryptosystem based on chaos-synchronization. The discovery of the possibility of chaos synchronization in 1990 opens the door to investigation digital chaos-based encryption. Indeed, many contributions are made for many promising achievements of digital cryptosystems. However, a number of recently proposed digital chaotic ciphers have been shown that they are not secure enough and they are cryptanalyzed. In addition, in order to design more secure digital chaotic ciphers and meet the security requirements in embedded systems, rules and new mechanisms must be carefully considered to make up the flaws in the design flow. However, the problem of the degradation dynamics of chaotic systems has not been seriously considered by most designers of digital chaotic ciphers. Furthermore, most all the digital chaos-based cryptosystems proposed in the literature does not address the issue of real-time embedded applications. Consequently, the tasks of these thesis works focus on the design solutions providing the real secure suitable for embedded applications. Our contributions in this thesis are, firstly the design and hardware implementation on reconfigurable FPGA technology of a pseudo-random key generator based on chaotic systems (continuous and discrete). Secondly, the statistical analysis detailed security of the proposed generators. Thirdly, the development, the conception and the integration of a new chaotic generator in a symmetric stream cipher, includes the resolution problem of the chaos synchronization between the transmitter (encryption) and receiver (decryption). Fourthly, the hardware implementation of the proposed cryptosystem on real encryption applications. i.e. the encryption/decryption of real-time audio, image and video data. In addition, a performance evaluation and comparisons with previous conventional and chaos-based ciphers is performed in order to extract these weaknesses and strengths and define future work prospects