Оптимізація ентропійних характеристик послідовностей псевдовипадкових чисел, за допомогою гібридних клітинних автоматів
DOI:
https://doi.org/10.31861/sisiot2026.1.01015Ключові слова:
криптографія, клітинні автомати, генератори випадкових чисел, ентропія, Інтернет речейАнотація
У роботі досліджено проблему генерації високоентропійних псевдовипадкових послідовностей для систем із обмеженими обчислювальними ресурсами, зокрема пристроїв Інтернету речей (IoT). Шляхом ретельного тестування встановлено, що класичні хаотичні правила клітинних автоматів Вольфрама, такі як Rule 30, 45 та 86, мають суттєві спектральні вразливості. Ці дефекти підтверджуються провалами в спектральному тесті FFT у пакеті NIST SP 800-22, який виявляє приховані детерміновані патерни. Для усунення цих недоліків запропоновано гібридний метод XOR-MIX, що базується на побітовому змішуванні потоків від незалежних шарів КА. Математичне обґрунтування цього підходу базується на лемі Piling-up, яка демонструє, що побітове додавання незалежних джерел за модулем 2 із різними статистичними профілями зменшує ймовірнісне зміщення та маскує спектральні піки. Експериментальні результати були отримані за допомогою високопродуктивної реалізації на мові програмування Rust із використанням механізмів безпеки пам'яті та таблиць пошуку (look-up table, LUT). Аналіз демонструє істотне підвищення частки проходження статистичних тестів NIST до рівня 0,99 та стабілізацію показників ентропії Шеннона на рівні 7,999998 біт на байт. Крім того, архітектура системи використовує модель «товстого клієнта» на базі React/Next.js та алгоритм SHA-256 для детермінованої ініціалізації, що забезпечує конфіденційність та цілісність даних. Запропонований підхід забезпечує баланс між криптографічною стійкістю, високою пропускною здатністю та низькою обчислювальною складністю, що робить його придатним для середовищ із обмеженими апаратними ресурсами та перспективним для майбутньої інтеграції у програмовані логічні інтегральні схеми. Результати підтверджують ефективність гібридного підходу для практичного застосування в системах IoT.
Завантажити
Посилання
B. Yogi and A. K. Khan, “CAChaIoT: Hybrid lightweight image encryption for IoT using cellular automata and chaotic maps,” Future Robotics, Automation and Open, 2025. doi: 10.1016/j.fraope.2025.100361.
S. Wolfram, A New Kind of Science. Champaign, IL, USA: Wolfram Media, 2002.
A Statistical Test Suite for Random and Pseudorandom Number Generators for Cryptographic Applications, NIST Special Publication 800-22 Rev. 1a, National Institute of Standards and Technology, 2010.
I. G. A. Poornima, C. A. Yogaraja, R. Venkatesh, et al., “Pseudo Random Number Generator Based on Cellular Automata with Self Organized Criticality,” SN Computer Science, 2024. doi: 10.1007/s42979-024-02750-3.
H. Kılıç, “Performance analysis of pseudo-random number generations of two-dimensional linear uniform cellular automata that considers initial state densities,” Gazi University Journal of Science, 2024. doi: 10.17341/gazimmfd.989265.
V. Pless, Introduction to the Theory of Error-Correcting Codes, 3rd ed. New York, NY, USA: Wiley-Interscience, 1998.
E. Barker and J. Kelsey, Recommendation for Random Number Generation Using Deterministic Random Bit Generators, NIST Special Publication 800-90A Rev. 1, 2015.
C. E. Shannon, “A Mathematical Theory of Communication,” Bell Syst. Tech. J., vol. 27, no. 3, pp. 379–423, 1948. doi: 10.1002/j.1538-7305.1948.tb01338.x.
Recommendation for the Entropy Sources Used for Random Bit Generation, NIST Special Publication 800-90B, National Institute of Standards and Technology, 2018.
M. Matsui, “Linear Cryptanalysis Method for DES Cipher,” in Advances in Cryptology – EUROCRYPT ’93, vol. 765, T. Helleseth, Ed. Berlin, Germany: Springer, 1994, pp. 386–397. doi: 10.1007/3-540-48285-7_33.
A. Levy et al., “Ownership is Theft: Experiences Building an OS in Rust,” in Proc. 15th Workshop on Hot Topics in Operating Systems (HotOS XV), 2015.
S. Klabnik and S. Nichols, The Rust Programming Language. San Francisco, CA, USA: No Starch Press, 2023.
J. Blandy, J. Orendorff, and L. Tindall, Programming Rust: Fast, Safe Systems Development. Sebastopol, CA, USA: O’Reilly Media, 2021.
“Next.js Documentation: Rendering and Security,” Vercel, 2024. [Online]. Available: https://nextjs.org/docs
D. S. Punithavathani and K. Sujatha, “Privacy-Preserving Web-Based Systems Using Client-Side Encryption,” Int. J. Comput. Sci. Inf. Secur., 2015.
Web Workers: Multithreaded Processing in HTML, W3C Recommendation, World Wide Web Consortium, 2021.
J. Archibald, “The State of Web Workers,” Google Developers Blog, 2020.
Secure Hash Standard (SHS), FIPS PUB 180-4, National Institute of Standards and Technology, 2015.
P P. Ping, F. Xu, and Z.-J. Wang, “Generating High-Quality Random Numbers by Next Nearest-Neighbor Cellular Automata,” in Proc. Int. Conf. Softw. Eng. Modernization (ICSEM 2013), 2013, p. 173. doi: 10.2991/icsem.2013.173.
A. Levina, D. Mukhamedjanov, D. Bogaevskiy, et al., “High Performance Parallel Pseudorandom Number Generator on Cellular Automata,” Preprints, 2022. doi: 10.20944/preprints202208.0016.v1.
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2026 Безпека інфокомунікаційних систем та Інтернету речей
Ця робота ліцензується відповідно до ліцензії Creative Commons Attribution 4.0 International License.
