Chaos-based security under real-time and energy constraints for the Internet of Things

par Ons Jallouli

Thèse de doctorat en Electronique

Sous la direction de Safwan el- Assad et de Maryline Chetto.

Le président du jury était René Lozi.

Les rapporteurs étaient René Lozi, Thomas Grosges, Samia Bouzefrane.

  • Titre traduit

    Sécurité basée Chaos sous contraintes temps réel et d'énergie pour l'Internet des Objets


  • Résumé

    De nos jours, la croissance rapide des technologies de l’Internet des Objets (IoT) rend la protection des données transmises un enjeu important. Les dispositifs de l’IoT sont intrinsèquement contraints à la mémoire, à la puissance de traitement et à l’énergie disponible. Ceci implique que la conception de techniques cryptographiques sécurisées, efficaces et légères est cruciale. Dans cette thèse, nous avons étudié la problématique de la sécurité de l’information basée chaos sous contraintes temps réel et d’énergie. À ce sujet, nous avons conçu et implémenté dans un premier temps, trois générateurs de nombres pseudo-chaotiques (PCNGs). Ces PCNGs utilisent une matrice de couplage faible ou une matrice de couplage binaire à forte diffusion entre des cartes chaotiques, et une technique de multiplexage chaotique. Puis, nous avons réalisé trois systèmes de chiffrement/déchiffrement par flux basés sur les PCNGs proposés. L’analyse cryptographique des systèmes chaotiques réalisés a montré leur robustesse contre des attaques connues. La performance obtenue en complexité de calcul met bien en évidence leur utilisation dans des applications temps réel. Dans un second temps, nous avons intégré ces systèmes de chiffrement/déchiffrement chaotiques au sein du système d’exploitation temps réel Xenomai. Enfin, nous avons mesuré la consommation d’énergie et de puissance des trois systèmes chaotiques réalisés ainsi que le temps moyen de chiffrement/déchiffrement.


  • Résumé

    Nowadays, due to the rapid growth of Internet of Things (IoT) towards technologies, the protection of transmitted data becomes an important challenge. The devices of the IoT are very constrained resource in terms of computing capabilities, energy and memory capacities. Thus, the design of secure, efficient and lightweight crypto-systems becomes more and more crucial. In this thesis, we have studied the problem of chaos based data security under real-time and energy constraints. First, we have designed and implemented three pseudo-chaotic number generators (PCNGs). These PCNGs use a weak coupling matrix or a high diffusion binary coupling matrix between chaotic maps and a chaotic multiplexing technique. Then, we have realized three stream ciphers based on the proposed PCNGs. Security performance of the proposed stream ciphers were analysed and several cryptanalytic and statistical tests were applied. Experimental results highlight robustness as well as efficiency in terms of computation time. The performance obtained in computational complexity indicates their use in real-time applications. Then, we integrated these chaotic stream ciphers within the real-time operating system Xenomai. Finally, we have measured the energy and power consumption of the three proposed chaotic systems, and the average computing performance. The obtained results show that the proposed stream ciphers can be used in practical IoT applications.


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