Enhanced design and hardware implementation of a chaos-based block cipher for image protection

计算机科学 密码学 密码系统 加密 分组密码 嵌入式系统 可重组计算 块(置换群论) 现场可编程门阵列 计算机硬件 理论计算机科学 分布式计算 算法 数学 计算机网络 几何学
作者
Mahdi Madani,Safwan El Assad,Fethi Dridi,René Lozi
出处
期刊:Journal of Difference Equations and Applications [Informa]
卷期号:29 (9-12): 1408-1428 被引量:2
标识
DOI:10.1080/10236198.2022.2069496
摘要

Nowadays chaos-based cryptography systems are widely used to protect sensitive data. A variety of chaos-based cryptosystems with software implementation has been published in the literature. However, due to the rapid growth of connected devices, the development of hardware secure and low-resource cryptographic systems is necessary. In this paper, we enhance the design of one of our software cryptosystems and then we address its FPGA-based implementation. The improvement in the design consists essentially to introduce an Initial Vector (IV) entry to the Chaotic Pseudo Random Number Generator (CPRNG) thus allowing to generate a new dynamic keys for the confusion layer (using a modified 2-D cat map) and diffusion layer (using a logistic map) with each new execution of the system. The CPRNG is formed by XORred a discrete Skew Tent Map (STM) with a discrete Piecewise Linear Chaotic Map (PWLCM). The proposed cryptosystem, which operates in Cipher Block Chaining (CBC) mode, is controlled by a Finite State Machine (FSM) to ensure that both the encryption and decryption are performed by the same reconfigurable architecture. The system is implemented on a Xilinx XC7Z020 ZYNQ FPGA platform. The results obtained in terms of hardware implementation costs (logic resources, throughput, and efficiency) and in terms of security against cryptographic attacks demonstrate the effectiveness of the proposed chaos-based cryptosystem.

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