Cercetarea și dezvoltarea unui cifru de flux cripto rezistent bazat pe generator de secvențe pseudo-aleator pentru securizarea transmiterii datelor în sisteme IoT

Abstract

Problematica studiului. Lucrarea tratează securizarea comunicațiilor în sisteme Internet of Things (IoT), unde dispozitivele au resurse limitate (memorie, putere de calcul, energie) și transmit frecvent fluxuri continue de date. În acest context, criptarea trebuie să fie simultan sigură și eficientă, cu latență redusă și amprentă minimă de implementare. Scopul tezei constă în cercetarea și dezvoltarea unui cifru de flux cripto-rezistent bazat pe un generator de secvențe pseudo-aleatorii pentru securizarea transmiterii datelor în sisteme IoT. Obiectivele: 1. Analiza caracteristicilor sistemelor IoT și a fluxurilor de date generate; 2. Evaluarea comparativă a cifrurilor de flux aplicabile în IoT; 3. Proiectarea unei arhitecturi proprii de generator de secvențe pseudo-aleator; 4. Implementarea experimentală și validarea prin metode statistice; 5. Analiza performanței și a rezistenței criptografice a soluției propuse pe baza criteriilor definite. Metode aplicate: Metode criptografice, metode statistice, procese aleatorii, metode matematice ale teoriei grupurilor, teoria codării, limbajul de programare Python, proiectarea circuitelor digitale. Rezultatele obținute: A fost realizat un prototip software (Python) al generatorului și mecanismului de criptare/decriptare XOR, urmat de validări funcționale. Fluxul gamma generat a fost evaluat statistic pe eșantioane extinse prin teste de bază: echilibru 0/1, uniformitate pentru pattern-uri (k=2/4/8), distribuția seriilor și autocorelație. Rezultatele indică un comportament pseudo-aleator adecvat în cadrul testelor efectuate și confirmă fezabilitatea integrării într-un context IoT, cu recomandarea extinderii validării prin suite standardizate (NIST SP 800-22) și completarea soluției cu mecanisme de autentificare pentru integritate.

Research problem: This thesis addresses secure communication in Internet of Things (IoT) systems, where devices have strict constraints (memory, computing power, energy) while often transmitting continuous data streams. Therefore, encryption must remain secure, low-latency, and lightweight in implementation. The purpose of the thesis is to research and develop a cryptographically resistant stream cipher based on a pseudo-random sequence generator for securing data transmission in IoT systems. Objectives: 1. Analyzing IoT characteristics and generated data flows; 2. Comparatively evaluating existing stream ciphers suitable for IoT; 3. Designing an original pseudorandom generator architecture; 4. Building an experimental implementation and validating it statistically; 5. Assessing performance and cryptographic robustness based on defined criteria. Applied methods: Cryptographic methods, statistical methods, random processes, mathematical methods of group theory, coding theory, Python programming language, digital circuit design. The obtained results. A software prototype (Python) of the generator and XOR-based encryption/decryption was implemented and functionally verified. The produced keystream was statistically evaluated on extended samples using basic tests: monobit balance, pattern uniformity (k=2/4/8), runs distribution, and autocorrelation. The outcomes support adequate pseudorandom behavior within the performed tests and confirm feasibility for IoT-oriented integration, while recommending further validation with standardized suites (NIST SP 800-22) and the addition of authentication mechanisms to ensure integrity.