I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m pu t er   E ng ineering   ( I J E CE )   Vo l.   14 ,   No .   6 ,  Dec em b er   20 24 ,   p p .   6 8 6 1 ~ 6 8 7 3   I SS N:  2088 - 8 7 0 8 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijece. v 14 i 6 . pp 6 8 6 1 - 6 8 7 3           6861       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij ec e. ia esco r e. co m   Abo ut  o ne ligh tw eig ht  enc ry ption  a lg o rithm ensuri ng  t he  security o f  da ta tr a nsm iss io n and  com munica tion be twee n   interne t  o f  things   dev ices       Sa by rz ha n At a no v 1 ,   Yer zha n Seit k ulo v 1 ,   K hu ra la y   M o lda m ura t 1 ,   B a nu   Yer g a liy ev a 1 ,     Abza l  K y zy rka no v 2 ,   Z hex en  Seit ba t t a lo v 1   1 F a c u l t y   o f   I n f o r m a t i o n   T e c h n o l o g y ,  L. N .   G u mi l y o v   E u r a s i a n   N a t i o n a l   U n i v e r si t y ,   A s t a n a ,   K a z a k h s t a n   2 D e p a r t me n t   o f   C o m p u t e r   En g i n e e r i n g ,   A s t a n a   I T  U n i v e r si t y ,   A s t a n a ,   K a z a k h s t a n         Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Ma r   1 4 ,   2 0 2 4   R ev is ed   J u l 1 1 ,   2 0 2 4   Acc ep ted   J u l 1 7 ,   2 0 2 4       In   th is  p a p e r,   a   n e w  e n c ry p ti o n   a lg o rit h m   Twin e - M e rse n n e   wa s  d e v e lo p e d   b a se d   o n   th e   Twi n e   a lg o r it h m   with   t h e   a d d it io n   o f  a   ra n d o m   n u m b e r  g e n e ra to r  f o r  t h e   d y n a m ic  g e n e ra ti o n   o f  S - b o x e s.  Dy n a m ic  g e n e ra ti o n   o f   ra n d o m   n u m b e rs  b a se d   o n   th e   M e rse n n e   Twister   h e lp s   to   i n c re a se   th e   c ry p to g ra p h ic  stre n g th   o f  th e   p ro p o se d   a l g o ri th m .   T h e   a lg o rit h m   we   p ro p o se   so lv e s  th e   iss u e s  o f  o p ti m izi n g   t h e   c o sts  o f  c o m p u ti n g   a n d   e n e r g y   re so u rc e s  o f  i n tern e t   o f   t h in g s   (Io T)   d e v ice s,  u sin g   a   c o m b in a ti o n   o f   li g h twe ig h t   c ry p to g ra p h ic  p rin c i p les   a n d   f u z z y   l o g ic,   a n d   a lso   p r o v i d e s  re li a b l e   se c u rit y   a n d   i n telli g e n t  a u th e n ti c a ti o n   o f   t h e   m o b i le  a p p li c a ti o n   u se r.   Th e   p a p e r  a lso   c o n sid e rs  t h e   p ra c ti c a l  imp lem e n tatio n   o f   t h e   p r o p o se d   a lg o r it h m   b a se d   o n   Ard u i n o   E S P 3 2 ,   a   d e v ice   with   li m it e d   c o m p u ti n g   re so u rc e s.  In   a d d it i o n   to   th is,  f u z z y   l o g ic  h a s  f o u n d   it s   p r a c ti c a l  a p p li c a ti o n   i n   t h e   fiel d   o f  in telli g e n t   u se r  a u th e n ti c a ti o n   in   d e v e l o p e d   m o b il e   a p p li c a ti o n s   b a se d   o n   Ard u i n o   S tu d io   f o r  m o b il e   c e ll u lar  a p p li c a ti o n s.  As   a   re su lt ,   th e   p ro p o se d   li g h twe ig h t   e n c ry p ti o n   a lg o rit h m   h a s  p r o v e n   it se lf  to   b e   a n   e ffe c ti v e   t o o l   in   e n su rin g   t h e   se c u rit y   o f   d a ta t ra n sm issio n   a n d   c o m m u n ica ti o n   b e twe e n   I o T  d e v i c e s.   K ey w o r d s :   E m b ed d e d   s y s tem s   Fu zz y   lo g ic   I n ter n et  o f   th in g s   n etwo r k   Me r s en n e  T wis ter   Mo b ile  s ec u r ity   T win e  en cr y p tio n   alg o r ith m   T h is i s  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Kh u r alay   Mo ld a m u r at     Facu lty   o f   I n f o r m atio n   T ec h n o lo g y ,   L . N.   Gu m ily o v   E u r asian   Natio n al  Un iv er s ity   2   Satp ay ev   s tr . ,   Ast an a,   Kaz ak h s tan   E m ail:  m o ld am u r at@ y an d ex . k z       1.   I NT RO D UCT I O N     T h e  ap p licatio n   o f   in ter n et  o f   th in g s   ( I o T )   tech n o lo g y   ca n   b e  wid ely   f o u n d   in   v ar io u s   f ield s   s u ch   as   tr an s p o r tatio n ,   ag r icu ltu r e,   m e d icin e  an d   s m ar t   cities.  Ma in ly ,   I o T   d ev ices  co llect  d ata  f r o m   d iv er s e  s en s o r s   an d   tr an s m it  it  to   th e  clo u d .   T h e  n u m b e r   o f   I o T   d ev ices  an d   th eir   f ield   o f   ap p licatio n   is   g r o win g   ev er y   y ea r ,   wh ich   lead s   to   an   in cr ea s e  in   th e  v o lu m e  o f   tr an s m itted   d at a.   I n   m o s t  ca s es,  th o s e  d ata  ar e  co n f id e n tial  an d   s en s itiv e,   an d   m o s t  I o T   d ev ic es  h av e  v u ln er a b ilit ies.  C o n s e q u en tly ,   th e y   b ec o m e  th e  tar g et  o f   v ar io u s   f r au d   s ch em es a n d   cy b e r attac k s   [ 1 ] – [ 3 ] .    T o   s o l v e   s e c u r i t y   is s u es   d u r i n g   d a t a   t r a n s m i s s i o n ,   v a r i o u s   en c r y p t i o n   a l g o r i t h m s   a n d   a u t h e n t i c a ti o n   m e t h o d s   a r e   u s e d ,   b u t   n e v e r t h el e s s ,   t h e   u s u a l   t r a d i ti o n a l   a p p r o a c h e s   a r e  n o t   s u i t a b l e  f o r   I o T   d e v i c e s   d u e  t o   t h ei r   l i m i t at i o n s .   E n c r y p t i o n   m e t h o d s   s u c h   as   d a t a  e n c r y p t i o n   s t an d a r d   ( D E S )   a n d   R i v e s t - S h am i r - A d l e m a n   ( R S A )   p r o v i d e   a   h i g h   l e v e l   o f   c r y p t o g r a p h i c   s t r e n g t h .   H o w e v e r ,   t h ey   r e q u i r e   h i g h   c o m p u t i n g   p o w e r   a n d   e n e r g y   f r o m   t h e   I o T   d e v i c e .   N e v e r t h e l e s s ,   it   s h o u l d   b e   n o t e d   t h a t   t h e r e   a r e   s o l u t i o n s   b as e d   o n   t h e   D E S   a l g o r i t h m   a n d   f i e l d - p r o g r a m m a b l e   g a t e   a r r a y   ( F PG A )   p l a t f o r m   f o r   f a s t   d e ci s i o n - m a k i n g   s y s t e m s .   B u t   i m p l e m e n t i n g   s u c h   a   s y s t em   i s   e x p e n s i v e .   E v e n   a   m o d i f i e d   a d v a n c e d   e n c r y p t i o n   s t a n d a r d   ( A E S )   e n c r y p t i o n   a l g o r it h m   w it h   f a s t e r   e n c r y p ti o n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   14 ,   No .   6 ,  Dec em b e r   20 24 :   6 8 6 1 - 6 8 7 3   6862   t i m e   a n d   r e d u c e d   c e n t r a l   p r o c e s s i n g   u n i t   ( C PU )   u s a g e   h a s   h i g h   r e q u i r e m e n t s .   T h u s ,   t h e   s h o r t a g e   o f   r e s o u r c e s   f o r c e s   e n g i n e e r s   t o   d e v e l o p   n ew   m e t h o d s   a n d   m o d e l s   f o r   e n cr y p t i n g   d a t a   [ 4 ] – [ 1 1 ] .   O n e   o f   t h e   p r o p o s e d   a u t h e n t i c a ti o n   m e t h o d s   w as   a   n o v e l   s i g n a t u r e - b as e d   s ec u r e   a u th e n t i c a t i o n   m e c h a n i s m   i m p l e m e n t e d   f o r   t h e   C o r e   i 3   p r o c e s s o r .   S i n c e   its   i m p l e m e n t at i o n   w a s   e x e c u t ed   f o r   t h e   c o m p u t e r   p r o c e s s o r ,   a n d   n o t   f o r   t h e   AR M   a r c h i t e ct u r e ,   i t   w o u l d   m o s t  l i k e l y   b e   d e m a n d i n g   i n   te r m s   o f   c o m p u t i n g   p o w e r   a n d   e n e r g y .   I t   s h o u l d   b e   n o t e d   t h a t   s o l u t i o n s   b a s e d   o n   f u z zy   l o g i c   c a n   s u c c es s f u ll y   s o l v e  t h e   a u t h e n t i c a ti o n   p r o b l e m   s i n c e  t h e y   d o   n o t  r e q u i r e   p o w e r f u l   c o m p u t i n g   a n d   a r e   c o m p l e t e d   i n   a  s h o r t  p e r i o d   o f   t i m e .   N o t a b l y ,   a m o n g   d e c i s i o n - m a k i n g   a n d   f au l t   d e t e c ti o n   s y s t e m s ,   s y s t e m s   b a s e d   o n   f u z z y   l o g i c   a r e   p o p u la r   [ 1 2 ] – [ 1 5 ] .   T h is   s tu d y   we  co n s id er ed   a n   en h an ce d   cr y p to g r a p h ic  s o lu tio n   co m b i n in g   th e  c h ar ac t er is tics   o f   s y m m etr ic,   asy m m etr ic  en cr y p tio n   alg o r ith m s   an d   a  p u b lic  k ey   s er v er   to   en cr y p t  tr a n s m itted   d ata  [ 1 6 ] .  Ho wev er ,   th e   p r e v io u s ly   m e n tio n ed   alg o r ith m   AE S  was  u s e d   to   e n cr y p t   an d   d ec r y p t  d ata   an d   h as  d r awb ac k s   d u e  to   th e  r eq u ir e m en t  o f   h i g h   co m p u tin g   p o wer   an d   en e r g y   r eso u r ce s .   On e   o f   th e  wo r k s   p r esen ted   L o R a   [ 1 7 ] .   I t  was  also   b ased   o n   th e  AE S - 1 2 8   alg o r ith m .   T h e r e  was  a  wo r k   s u g g esti n g   a  h y b r id   en cr y p tio n   m eth o d   [ 1 8 ]   b ased   o n   1 0   m et h o d s ,   s u c h   as  PR E SENT - 8 0 ,   m C r y p to n ,   HI GHT ,   a n d   o th er s .   L im ited   p ar am eter   an aly s is   was  p r esen ted   to   s elec t  th e  o p tim al  h y b r i d   en cr y p tio n   m et h o d ,   wh ic h   m ig h t  lead   to   l o n g   r esp o n s e  tim es.  I n   th e  n ex t  wo r k   [ 1 9 ] ,   a  d y n a m ic  d ata  en cr y p tio n   alg o r ith m   with   ef f icien t  e n cr y p tio n / d ec r y p tio n   tim e  was  co n s id er ed .   Un f o r tu n ately ,   th at  p r o p o s ed   ap p r o ac h   h a d   li m itatio n s   in   im a g e  e n cr y p tio n .   T h e  a p p licatio n   o f   b lo ck ch ain   tech n o lo g y   h as  also   f o u n d   u s e  in   au th en ticati o n   an d   k e y   ex ch an g e  [ 2 0 ] ,   [ 2 1 ] .   Ho wev er ,   th e  f u r th er   s ca lin g   o f   b l o ck ch ai n   tech n o lo g y   lead s   t o   a  d ec r ea s e  in   tr a n s ac tio n   s p ee d .   No tab l y ,   th e   r elev an ce   o f   en cr y p tio n   ex ten d s   b ey o n d   tr a d itio n al  f ield s ,   as  ev id en ce d   b y   th e  in n o v ativ e  ap p licatio n   o f   b u ild in g   d am a g e   ass es s m en t  tech n o lo g y   [ 2 2 ] ,   h ig h lig h tin g   th e   d iv e r s e  ap p licab ilit y   o f   d ata  p r o tecti o n   tech n iq u es.  As   p r ev io u s ly   n o ted ,   h ig h - co s t  F PGAs   ar e  u s ed   f o r   h ig h - s p ee d   s y s tem s   to   s o lv e  co m p le x   task s   [ 2 3 ] ,   [ 2 4 ] ,   s u c h   as  im ag e  r ec o g n itio n   an d   v id e o   p r o ce s s in g .   Ho wev er ,   ea c h   o f   th e  en cr y p tio n   m eth o d s   co n s id er ed   h ad   v ar io u s   d is ad v an tag es,  s u ch   as  h ig h   r eso u r ce   an d   p o wer   co n s u m p tio n ,   an   e x p en s iv e  p latf o r m ,   m o d er ate   cr y p to g r ap h ic  s tr en g th ,   a n d   lo n g   en cr y p tio n / d ec r y p tio n   ex ec u tio n   tim e.   T h e  s tu d y   aim s   to   d ev elo p   a  lig h tweig h t  en cr y p tio n   alg o r it h m   an d   au th e n ticatio n   m eth o d   b ased   o n   f u zz y   lo g ic  f o r   p r ac tical  a p p l icatio n   o n   Ar d u in o   E SP 3 2   w ith   lim ited   co m p u tin g   r eso u r ce s .   T h e  p r o p o s ed   lig h tweig h t e n cr y p tio n   alg o r ith m   s ig n if ican tly   in cr ea s es c r y p to g r ap h ic  s tr en g th   d u e  to   d y n am ic  g en er atio n s   o f   S - b o x es.  T h e  r est  o f   th e  p ap er   is   o r g an ized   as  f o llo ws.  S ec tio n   2   s h o ws  th e  p r o ce s s   o f   id en tific atio n   an d   au th en ticatio n   p r o ce d u r e,   th e n   d escr ib es  th e  ar c h itectu r e  o f   th e  p r o p o s ed   T win e - Me r s en n e  alg o r ith m   an d   co m p ar es  it  to   o th er   en cr y p ti o n   alg o r ith m s .   I n   s ec tio n   3 ,   t h e  p r ac tical  im p lem en tatio n   o f   T win e - Me r s en n e   alg o r ith m   an d   au th e n ticatio n   ar e  p r esen te d   o n   t h e  m o b ile  a p p licatio n .   Fin ally ,   in   s ec tio n   4   we  co n clu d e   th e   p ap er   with   a  b r ief   s u m m a r y   an d   d is cu s s   th e  f u tu r e  w o r k .       2.   M E T H O D   2 . 1 .       Secure   cr edent ia l   a uthent ica t io n   Secu r e  c r ed en tial  ( SC )   au th en ticatio n   f o r   I o T   d ev ices  in clu d es  a  m u lti - f ac to r   au th en ticatio n   m ec h an is m   co u p led   with   ad v a n ce d   cr y p to g r ap h ic   tech n iq u e s   f o r   en h an ce d   s ec u r ity .   T h is   p r o ce s s   en s u r es  th at   o n ly   le g itima te  d ev ices  ca n   c o n n ec t  t o   th e   n etwo r k ,   p r o v i d in g   s tr o n g   p r o tectio n   ag ain s t  u n au th o r ized   ac ce s s   an d   attac k s .   T h e  a u th en ticatio n   p r o ce s s   alg o r it h m   is   s h o wn   i n   Fig u r e  1 .             Fig u r e  1 .   I d en tific atio n   a n d   a u th en ticatio n   p r o ce d u r e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         A b o u t  o n e  lig h tw eig h t e n cryp tio n   a lg o r ith m  en s u r in g   t h e  s ec u r ity  o f   …   ( S a b yrz h a n   A ta n o v )   6863   2 . 2 .     Str uct ure  o f   inte llig ent   a uthent ica t io n   Au th o r izatio n   in   th e  d ig ital  w o r ld   is   k ey   to   en s u r in g   ac ce s s   to   i n f o r m atio n ,   tr ad itio n ally   r ely in g   o n   b in ar y   lo g ic  wh er e  ac ce s s   is   eith er   g r an ted   o r   d e n ied   b ased   o n   s tr ict  r u les.  Ho wev er ,   t h is   ap p r o ac h   o f ten   s tr u g g les  with   th e  co m p lex ities   an d   n u an ce s   o f   m o d er n   ac ce s s   co n tr o l  s ce n ar io s .   Fu z zy   lo g ic  o f f er s   a n   alter n ativ e  b y   in tr o d u cin g   d e g r ee s   o f   tr u th ,   allo win g   f o r   m o r e  n u a n ce d   d ec is io n s   th at  b etter   r ef lect  th e   am b ig u ity   an d   v ar iab ilit y   o f   r ea l - wo r ld   s itu atio n s .   I m p lem e n tin g   f u zz y   lo g ic  in   au th o r izat io n   s y s tem s   en ab les   m o r e  f lex ib le  a n d   co n tex t - awa r e  ac ce s s   d ec is io n s ,   ad a p tin g   to   a   wid e  r an g e   o f   co n d itio n s   b ey o n d   th e   b in ar y .   T h is   ad ap tab ilit y   is   v ital  in   t o d ay ’ s   d y n am ic  d ig ital  en v ir o n m en t,  y et  it  also   p r esen ts   ch allen g es,  s u ch   as  in cr ea s ed   co m p lex ity   an d   th e   n ee d   f o r   a   ca r e f u l   b alan ce   b etwe en   s ec u r ity   an d   u s ab ilit y .   T h e   r elev a n ce   o f   ad v an ce d   c o m p u tatio n al  tech n iq u es  f o r   e n h an cin g   s ec u r it y   co n tr o ls   is   f u r th er   h ig h lig h ted   b y   a  s tu d ies    [ 2 5 ] – [ 3 4 ]   th at   ex am in e   th e  f u n d am en tal  elem e n ts   o f   s ec u r e   s y s tem s ,   d em o n s tr atin g   th e  c o m p lex   r elatio n s h ip   b etwe en   h ar d war e - lev el   in n o v atio n   an d   th e   ef f ec tiv en ess   o f   au th o r izatio n   m ec h a n is m s .   Fu zz y   lo g ic   o p e r ates  with   s o - ca lled   "lin g u is tic  v ar i ab les,"  an d   th e  g en er al  p r in ci p le  o f   o p er atio n   is   illu s tr ated   in   Fig u r e  2 .   T h ese  lin g u is tic  v ar iab les  r ep r esen t  f u zz y   s ets,  wh er e  th e  elem en ts   ar e  v alu es  o f   s o m e  p h y s ical  q u an tity .   E ac h   v alu e   o f   th is   q u an tity   co r r esp o n d s   to   a  m em b er s h ip   f u n ctio n ,   wh i ch   tak es  v alu es  f r o m   0   to   1 ,   i n d icatin g   th e  d e g r ee   to   wh ich   th is   q u an tity   b elo n g s   to   a  p ar ticu lar   s et.   Fu zz if icatio n ,   an   in teg r al  p ar t  o f   f u zz y   lo g ic,   tr an s f o r m s   p r ec is e  in p u t  d ata  in to   f u zz y   s ets  to   m an ag e  am b ig u ity ,   en a b lin g   s y s tem s   to   m ak e  d ec is io n s   with   h u m an - lik e   r ea s o n in g .   T h is   ap p r o ac h   is   p ar ticu lar ly   u s ef u l  in   p ass wo r d   v er if icatio n ,   wh er e  it  ev alu ates  s im ilar itie s   b etwe en   th e  attem p ted   an d   e x p ec ted   p ass wo r d s .   T h e  p r o c ess   r elies  o n   m em b er s h ip   f u n ctio n s   ac r o s s   th r ee   in p u t  d im e n s io n s   o f   p ass wo r d   v er if icatio n :  le n g th   m a tch ,   ch ar ac ter   m atch ,   an d   ca s e  m atch .   T h e   im p lem en tatio n   o f   f u zz y   lo g ic   co m p r is es f o u r   m ain   m o d u les :   −   R u le  b ase:  T h is   is   a   tab le  o f   r u les  f o r   ev alu atin g   v ar i o u s   lev els  o f   cr iter ia  co m p lian ce   an d   d eter m in in g   co r r esp o n d in g   ac tio n s   o r   o u tc o m es.  I t  c o n tain s   all  th e   "if - th en "  r u les  a n d   c o n d itio n s   p r o p o s ed   b y   ex p e r ts   to   m an ag e  t h e  d ec is io n - m a k in g   s y s tem .   −   Fu zz if icatio n :  T h is   s tep   h elp s   co n v er t  in p u t  d ata  in to   f u zz y   s ets  an d   o b tain   th e  v alu es  o f   m em b er s h ip   f u n ctio n s   μ   i n   th e  in ter v al  [ 0 , 1 ] ,   wh er e  1   r ep r esen ts   co m p lete   tr u th   an d   0   r ep r esen ts   ab s o lu t e  f alseh o o d .   −   I n f er en ce   m ec h a n is m :  T h is   m o d u le  ca lcu lates  th e  m em b er s h ip   f u n ctio n s   f o r   th e  o u tp u t  v ar iab le  b ased   o n   g iv en   lo g ical  r u les.   −   Def u zz if icatio n :  T h is   p r o ce s s   co n v e r ts   th e  f u zz y   o u tp u t  v alu es  b ac k   in t o   p h y s ical  v al u es.  T h er e   ar e   v ar io u s   m eth o d s   f o r   d e f u zz if i ca tio n ,   s o   it  is   cr u cial  to   ch o o s e  th e  o p tim al  m eth o d   b est  s u ited   f o r   u s e  with   th e  ex p er t sy s tem .   W h en   d eter m in in g   th e  s h ap es   o f   m em b er s h ip   f u n ctio n   cu r v es,  it  is   im p o r tan t  to   n o te  th at  th ey   ar e  co n s tr u cted   s u b jectiv ely   b ase d   o n   ex p er t  s u r v ey   r esu lts   an d   ar e,   th er ef o r e,   s o m ewh at  s u b jectiv e.   I n   p r ac tice,   th e  s h ap e  o f   th e  m em b er s h i p   f u n ctio n   cu r v es  is   ch o s en   b ased   o n   th e  co m p lex ity   o f   th e  ca lcu latio n s .   T r ian g u lar   m em b er s h ip   f u n cti o n s   ar e   m o s t  co m m o n l y   u s ed   d u e   to   t h eir   v er s atility   an d   lo wer   co m p u tatio n al   r eso u r ce   r eq u ir em en ts   f o r   h ar d war e  im p lem e n tatio n .   Ad d itio n ally ,   in   th e  task   o f   in tellig en t  u s er   au th en ticatio n   f o r   s y s tem   ac ce s s ,   it  i s   n ec ess ar y   to   h av e  an   ex ac t  m atch   o f   p ar a m eter s ,   m ea n in g   th e  m em b er s h ip   f u n ctio n     s h o u ld   b e  eq u al  to   1   at  o n ly   o n e  p o in t  f o r   all  in p u t  d im en s io n s .   T h is   is   ac h iev ab le  o n ly   with   th e  u s e  o f   tr ian g u la r   m em b er s h ip   f u n ctio n s .   T h e  t r ian g u lar   m e m b er s h ip   f u n ctio n     is   d ef in ed   b y   a   tr ip let  o f   n u m b er s   ( , , ) ,   an d   its   v alu e  at  p o in t    is   ca lcu lated   ac co r d in g   to   th e  ex p r ess io n   as  s h o wn   in   Fig u r e  3 .   If  ( − ) = ( − ) ,   th en   we  g et  a   s y m m etr ic  tr ian g u lar   m e m b er s h ip   f u n ctio n ,   w h ich   ca n   b e  u n iq u ely   d e f in ed   b y   two   p ar a m eter s   f r o m   th e   tr ip let  ( , , ) .   T h e  p r o ce s s   o f   i n tellig en t  au t h en tic atio n   in   th is   im p lem en tatio n   r elies  o n   m e m b er s h ip   f u n ctio n s   ac r o s s   th r ee   in p u t   d im en s io n s   o f   p ass wo r d   v er if icatio n :   len g th   m atch ,   ch ar ac ter   m atch ,   an d   ca s e  m atch .   L et' s   co n s id er   ea ch   o f   th ese  cr iter ia.           Fig u r e  2 .   Stru ctu r e  o f   f u zz y   lo g ic  o p er atio n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   14 ,   No .   6 ,  Dec em b e r   20 24 :   6 8 6 1 - 6 8 7 3   6864         Fig u r e  3 .   T r ian g u la r   m em b e r s h ip   f u n ctio n       2 . 3 .     L eng t h  m a t ch  cr it er io n   T h is   m ea s u r em en t  ev alu ates  h o w  clo s ely   th e  len g th   o f   th e  attem p ted   p ass wo r d   m atch es  th e  ex p ec ted   p ass wo r d   len g t h .   T h e  m em b e r s h ip   f u n ctio n   f o r   t h is   cr iter io n   class if ies  th e  len g t h   m atc h   i n to   r a n g es  s u c h   as   s h o r t  ℎ  ,   ad eq u ate   ,   o r   ex ce s s iv e    ,   allo win g   f lex ib le   r esp o n s es  d ep en d i n g   o n   th e   d eg r ee   o f   m atc h .   I n   all  th r ee   eq u atio n s ,   L a   d en o tes  th e  n u m b er   o f   ch a r ac ter s   in   th e  attem p ted   p ass wo r d ,   an d   L e   d en o tes  th e  ex p ec ted   n u m b er   o f   ch ar ac ter s   in   th e  p ass wo r d .   T h e  m em b er s h ip   f u n ctio n s   f o r   th is   cr iter io n   ar e  d ef in e d   as:   −   Sh o r t :  in d icate s   th at  th e   att em p ted   p ass wo r d   is   s ig n if ic an tly   s h o r ter   th an   th e  e x p e cted   o n e.   T h e  m em b er s h ip   f u n ctio n   ℎ  ,   f o r   th is   liter al  ca lcu lated   as:     ℎ  = { − ,      < 0 ,  ℎ      −   Ad eq u ate :   r ep r esen ts   a  clo s e  o r   ex ac t  m atch   in   len g th   b etwe en   th e  attem p ted   p ass wo r d   a n d   th e  ex p ec ted   p ass wo r d   len g th .   T h e  m em b er s h ip   f u n ctio n      f o r   th is   liter al  ca lcu lated   as:      = {         ,    ≤ ⬚ 1 − − ,    2 > > ⬚ 0  ℎ  ⬚     −   E x ce s s iv e :   in d icate s   th at  th e   attem p ted   p ass wo r d   is   s ig n if i ca n tly   lo n g er   t h an   t h e  ex p ec t ed   len g t h .   T h e   m em b er s h ip   f u n ctio n       f o r   th is   liter al  ca lcu lated   as:       = {     1    > 2 ⬚ − ,    2 > > ⬚ 0  ℎ  ⬚     −   C h ar ac ter   m atch   cr iter io n :  t h i s   m ea s u r es  th e  s im ilar ity   o f   c h ar ac ter s   b etwe en   th e   attem p t ed   p ass wo r d   an d   th e  ex p ec ted   p ass wo r d .   T h e  ev alu atio n   d eter m in es  th e  d e g r ee   o f   ch ar ac ter   m atch ,   f ac i litatin g   th e  n ex t  s tag e  o f   s ec u r ity   co n tr o l.  I t   is   b ased   o n   ca lcu latin g   t h e  p e r ce n tag e  o f   m atch in g   ch a r ac ter s   i n   th e  attem p te d   p ass wo r d   co m p ar ed   to   th e  to t al  n u m b er   o f   c h ar ac ter s   in   th e   p ass wo r d .   T h e  p r o b a b ilit y   o f   ch ar ac ter   m atch   (   )   is   d eter m in ed   u s in g   th e  clas s ic  f o r m u la:     = Р  = /     wh er e    is   th e  n u m b e r   o f   m at ch in g   c h ar ac ter s   in   th e   p ass wo r d   attem p t,   an d     is   th e  to tal  n u m b e r   o f   ch ar ac ter s   in   th e  co r r ec t p ass wo r d .   −   Mism atch :  I n d icate s   a  s ig n if ican t  d if f er en ce   in   ch ar ac ter s   b etwe en   th e  attem p ted   an d   th e  ex p ec ted   p ass wo r d .   T h e  m em b er s h ip   f u n ctio n s   f o r   t h is   cr iter io n     ℎ   ar e  d ef in ed   as:       ℎ = 1 − 100   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         A b o u t  o n e  lig h tw eig h t e n cryp tio n   a lg o r ith m  en s u r in g   t h e  s ec u r ity  o f   …   ( S a b yrz h a n   A ta n o v )   6865   −   Par tial  m atch :  R ef lects  a  m o d er ate  lev el   o f   s im ilar ity   i n   ch ar ac te r s   b etwe en   t h e  att em p ted   an d   th e  ex p ec ted   p ass wo r d .   T h e  m e m b er s h ip   f u n ctio n s   f o r   th is   cr ite r io n    ℎ   ar e  d ef in e d   as:     ℎ = { 1 − − 50 50 ,    > 50 50 ,  ℎ      −   C o m p lete  m atch :  I n d icate s   a  h ig h   d eg r ee   o f   s im ilar ity   in   c h ar ac ter s   b etwe en   th e  attem p t ed   p ass wo r d   an d   th e  ex p ec ted   p ass wo r d .   T h e   m em b er s h ip   f u n ctio n s   f o r   th is   cr iter io n    ℎ   ar e  d ef in ed   as:      ℎ = 100     −   C ase  m atch   cr iter io n :  T h is   ev alu ates  th e  ca s e  s en s itiv ity   o f   th e   p ass wo r d   attem p t   co m p ar ed   to   th e  ex p ec ted   p ass wo r d ,   an aly zin g   m atch es  in   ter m s   o f   lo wer ca s e  an d   u p p er ca s e  letter s ,   d ig its ,   o r   s p ec ial   ch ar ac ter s .   T h e  liter als  an d   m em b er s h ip   f u n ctio n s   f o r   th e  " C ase  m atch "  in p u t  ar e  id en tical  to   th o s e  f o r   th e   "Ch ar ac ter   m atch "  i n p u t,   with   th e  o n ly   d if f e r en ce   b ein g   t h at  th ey   co n s id er   th e  p er ce n t ag e  o f   m atch in g   ca s es (  )   in s tead   o f   m atch in g   c h ar ac ter s   wh en   th e  u s er   in p u ts   th e  p ass wo r d .   L et's  co n s id er   th e  p r o ce d u r e  f o r   f o r m i n g   th e  r u le  b ase.   Fu zz y   r u les  ar e  th e  f o u n d atio n   f o r   d ec is io n - m ak in g   in   f u zz y   lo g ic - b ased   s y s tem s .   T h ey   ar e  f o r m u lated   a s   co n d itio n al  ex p r ess io n s   th at  lin k   in p u t v a r iab les  to   o u tp u ts ,   allo win g   t h e  s y s tem   to   in ter p r et  a n d   p r o ce s s   am b ig u o u s   o r   p ar tially   tr u e  d ata  to   m ak e  d ec is io n s .   Fu zz y   r u les  s er v e  t o   m o d el  co m p lex   d ec is io n - m ak in g   p r o ce s s es,  m im ick in g   h u m a n   r ea s o n in g   an d   p r o v i d in g   ad ap tab ilit y   a n d   f lex ib ilit y   u n d er   u n ce r tain ty .   T h ese  r u les  a r e  p r esen ted   in   T ab le   1 ,   p r o v id i n g   a   clea r   s tr u ctu r e   ( r u le  b ase)   f o r   ev alu atin g   v a r io u s   lev els  o f   c r iter ia  co m p lian ce   an d   d eter m i n in g   c o r r es p o n d in g   ac tio n s   o r   o u tco m es.       T ab le  1 .  R u le  b ase  f o r   th e  in te llig en t d ec is io n - m ak in g   s y s tem   Le n g t h   ma t c h   C h a r a c t e r   m a t c h   C a se   ma t c h   O u t p u t   p a r a met e r   A d e q u a t e   C o m p l e t e   C o m p l e t e   F u l l   a c c e ss   A d e q u a t e   P a r t i a l   C o m p l e t e   C o n d i t i o n a l   a c c e ss   A d e q u a t e   P a r t i a l   P a r t i a l   C o n d i t i o n a l   a c c e ss   A d e q u a t e   P a r t i a l   M i sm a t c h   C o n d i t i o n a l   a c c e ss   A d e q u a t e   M i sm a t c h   M i sm a t c h   C o n d i t i o n a l   a c c e ss   A d e q u a t e   P a r t i a l   P a r t i a l   A c c e ss   d e n i e d   S h o r t   P a r t i a l   P a r t i a l   A c c e ss   d e n i e d   S h o r t   P a r t i a l   M i sm a t c h   A c c e ss   d e n i e d   Ex c e ssi v e   P a r t i a l   M i sm a t c h   A c c e ss   d e n i e d   Ex c e ssi v e   P a r t i a l   M i sm a t c h   Te mp o r a r y   l o c k       Fu zz y   in f er e n ce ,   d eter m in ed   b y   th e   ag g r eg atio n   o f   v ar io u s   in p u t  f ac to r s   th r o u g h   f u zz y   lo g ic  r u les,   ca n   b e  class if ied   in to   f o u r   d is tin ct  o u tco m es:   −   Fu ll  a cc ess :  T h is   o u tco m e  in d icate s   co m p lete  ap p r o v al   o f   ac ce s s   with o u t  ad d itio n al   v e r if icatio n .   I t   is   ap p lied   wh en   th e  s y s tem ' s   ev a lu atio n   s tr ictly   m ee ts   th e  s ec u r ity   cr iter ia.   −   C o n d i t i o n a l   a c c es s :   T h i s   i n d i ca t e s   g r a n ti n g   a c c es s   b u t   w i t h   th e   r e q u i r e m e n t   o f   a d d i t i o n a l   v e r i f i c a ti o n   s t e p s .   T h i s   m a y   i n v o l v e   r e - e n t e r i n g   th e   p a s s w o r d   o r   b i o m e t r i c   c o n f ir m a t i o n   t o   e n h a n c e   s ec u r i t y   c o n f i d e n c e .   −   Acc ess   d en ied :  R ep r esen ts   a  s ce n ar io   wh er e   ac ce s s   is   n o t  g r an ted   d u e   to   in s u f f icien t  c o m p lian ce   with   s ec u r ity   cr iter ia.   T h is   in d icat es  a  m o d er ate  d ev iatio n   f r o m   ex p ec te d   p ar am eter s   a n d   m ay   in clu d e  a   tem p o r ar y   r estrictio n   o n   ac ce s s   attem p ts .   −   T em p o r ar y   l o c k :  I m p lies   a  s i g n if ican t  d ev iatio n   f r o m   ac ce s s   cr iter ia  o r   s u s p icio u s   ac tiv i ty ,   lead in g   to   a  p r o lo n g ed   s u s p en s io n   o f   ac ce s s   attem p ts   an d   b lack lis tin g   th e   s o u r ce .   E ac h   o f   th ese  o u tco m es   allo ws  th e  s y s tem   to   tailo r   r esp o n s es  to   v a r io u s   le v els  o f   v er if icatio n   s u cc ess ,   en h an cin g   b o th   s ec u r ity   an d   f lex ib ilit y   in   th e  au th o r izatio n   s y s tem .   Af ter   ap p licatio n   o f   f u zz y   r u les   to   th e  f u zz if ied   in p u ts ,   d ef u zz if icatio n   aim s   to   o b tain   a  q u an titativ e  v alu e  ( cr is p   v alu e)   f o r   ea ch   o u tp u t   lin g u is tic  v ar iab le.   Fo r m ally ,   t h is   is   ca lcu lated   b y   th e  f o r m u l a:     * ii i i i x y =   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   14 ,   No .   6 ,  Dec em b e r   20 24 :   6 8 6 1 - 6 8 7 3   6866   Her e,       r ep r esen ts   th e  m em b er s h ip   d eg r ee   o f   th e  - th   o u tp u t  f u zz y   s et,   an d     r ep r esen t s   th e   co r r esp o n d in g   o u tp u t  v alu e.   T h e  u s e  o f   f u zz y   lo g ic  in   p ass wo r d   v er if icatio n   b r o a d en s   th e  s co p e  f o r   au th o r izatio n   s y s tem s   b y   ac c o u n tin g   f o r   th e  c o m p lex ity   o f   h u m an - e n ter ed   d ata.   T h is   im p r o v es  b o th   s ec u r ity   an d   u s er   ex p er ien ce ,   en a b lin g   ef f ec tiv e  d ec is io n - m ak i n g   in   ac ce s s   co n tr o l.  I n   a   f u zz y   lo g ic - b ased   au th o r izatio n   s y s tem ,   d ec is io n - m ak in g   g o es  b e y o n d   b in a r y   o u tco m es,  p r o v id i n g   a  m o r e  n u an ce d ,   i n tellig en t  ap p r o ac h   to   ac ce s s   co n tr o l.  T h is   n o t  o n ly   allo ws  f o r   im m ed i ate  r ejec tio n   o f   s er v ice  b u t  als o   g iv es  th e  u s er   th e   o p p o r tu n ity   to   co r r ec t  in p u t  er r o r s .   I n   ca s es  o f   r ad ical  n o n - c o m p lian ce ,   s u ch   as  in   a  b r u te - f o r ce   attac k   o n   th e  au th o r izatio n   s y s tem ,   th e   in tel lig en t sy s tem   ca n   b lack lis t th e   s o u r ce .   Data   en cr y p tio n   al g o r ith m   T win e - Me r s en n e .  T r ad itio n al   al g o r ith m s   s u ch   as  R SA  an d   ell ip tic  cu r v e  cr y p to g r ap h y   ( E C C )   ar e  n o t  s u itab le  f o r   m o s t  I o T   e n v ir o n m en ts   d u e  t o   th e  c o m p lex it y   o f   e n cr y p tio n   a n d   d ec r y p tio n   o p er atio n s .   T h e  p r o p o s ed   m eth o d   in clu d es  v ar io u s   s ec u r ity   m ec h an is m s   to   p r o tect  d ata  an d   u s es   clu s ter in g   b ased   o n   a n   in tellig en t  alg o r ith m ,   n am ely   f u zz y   l o g ic,   as  well  as  d ata  en cr y p tio n   in   th e  f o r m   o f   a   lig h tweig h t  T win e - Me r s en n e  alg o r ith m ,   th e   f ea tu r e   o f   wh ic h   is   th e  d y n a m ic  g en e r atio n   o f   S - b o x es.   Alg o r ith m   f o r   d y n am ic  g e n er atio n   o f   S - b o x es.  Me r s e n n e  T wis ter   ( MT )   is   a   wi d ely   u s ed   p s eu d o r an d o m   n u m b er   g e n er a to r ,   an d   it is   n am e d   af ter   th e   Me r s en n e  p r im es,  a  class   o f   p r im e  n u m b e r s   n am ed   af ter   th e  Fre n ch   m ath em atician   Ma r in   Me r s en n e.   Me r s en n e  T wis ter   is   k n o w n   f o r   p r o v id in g   a   v er y   lo n g   p er io d   ( th e  len g th   o f   th e  cy cle   af ter   wh ich   th e  s eq u en ce   o f   n u m b er s   o f   r ep ea ts )   an d   f o r   b ein g   f air ly   ef f icien t  in   co m p u tatio n .   An o th er   v er s io n   o f   th e  Me r s en n e  T wis ter   al g o r ith m   th at  is   wid ely   u s ed   in   s cien tific   liter atu r e  is   MT 1 9 9 3 7 ,   wh ich   in d icate s   t h at  th e  p e r io d   is   2 19937 − 1 ,   wh i ch   is   th e  p r im e   Me r s en n e   n u m b er .   T h er e  is   also   a  64 - b it v a r ian t k n o wn   as M T 1 9 9 3 7 - 64.   Usi n g   a  s h ar ed   in itial  k ey ,   th e  s en d er   an d   r ec eiv er   ca n   in d ep en d e n tly   cr ea te  a  m atch in g   s er ies  o f     S - b o x es,  wh ich   is   im p o r tan t   f o r   m ain tai n in g   c o n s is ten cy   i n   cr y p to g r a p h ic  p r o to c o ls   as  s h o wn   in   Fig u r e  4 .   T h is   m eth o d   allo ws  f o r   s ec u r e,   ef f icien t  c o m m u n icatio n   wi th o u t  tr an s m itti n g   ac tu al  S - b o x es,  m in im izin g   th e  r is k   o f   in ter ce p ti o n .   I t  c o m b i n es  th e  b en ef its   o f   r an d o m n e s s   f o r   s ec u r ity   with   th e  d eter m in is m   n ee d ed   f o r   s tr o n g   en cr y p tio n   a n d   d ec r y p t io n - ca lled   a  d if f u s io n   lay er .   E ac h   S - b o x   is   u n i q u e  an d   g en e r ated   f r o m   d if f er e n t  s ee d s   d er iv ed   f r o m   th e  Me r s en n e  T wis ter ,   en h an cin g   th e   en cr y p tio n   s tr en g th .   Fu r th er m o r e,   th is   s ca lab le  tech n iq u e  allo ws  f o r   s y n c h r o n ized   en cr y p tio n   s tates  an d   ca n   ad ap t  to   v ar io u s   s ec u r ity   lev els,  m ak in g   it  h ig h l y   p r ac tical  f o r   r ea l - wo r ld   a p p lic atio n s .           Fig u r e  4 .   T h e  f lo wch a r t o f   g en er atin g   S - b o x es u s in g   th e  Me r s en n e  T wis ter   alg o r ith m   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         A b o u t  o n e  lig h tw eig h t e n cryp tio n   a lg o r ith m  en s u r in g   t h e  s ec u r ity  o f   …   ( S a b yrz h a n   A ta n o v )   6867   B u ild in g   th e  Me r s en n e  T wis t er   MT 1 9 9 3 7 - 6 4   alg o r ith m   i m p lem en tatio n ,   let' s   ex ten d   th e  u s ag e  to   g en er ate  S - b o x es.  E ac h   S - b o x   g en er atio n   will  b e  b ased   o n   a  n ew  p s eu d o - r an d o m   n u m b e r   ex tr ac ted   f r o m   th e   MT   in s tan ce ,   wh ich   is   s ee d ed   in itially   with   a  s h ar ed   k ey .   T o   cr ea te  an   S - b o x ,   we  u s e  an   in p u t  co u n ter   f r o m     0   to   2 5 5 .   T h is   ap p r o ac h   en s u r es  b o th   th e  s en d e r   an d   r ec eiv er ,   wh o   k n o w  th e  in itial  s h ar e d   k ey ,   ca n   g e n er ate   th e  s am e  s eq u en ce   o f   S - b o x es  in d ep en d en tly .   T h is   a lg o r ith m   d ef i n es  th e  Me r s en n e  T wis ter   class   ( MT 1 9 9 3 7 _ 6 4 )   as  a  d eter m in is tic  s h u f f le  f u n ctio n   th at  u s es  Me r s en n e  T wi s ter   to   s h u f f le  an   ar r ay   an d   a   f u n ctio n   to   c r ea te  an   S - b o x   (    _  )   b y   g e n er atin g   a  s ee d   f o r   th e  s h u f f le   u s in g   th e  s h ar e d   k e y .   T h e      _    f u n ctio n   i n itializes  a  lis t  r ep r esen tin g   an   8 - b it  S - b o x ,   t h en   s h u f f les  it  d eter m in is tically   u s in g   a   p s eu d o - r a n d o m   n u m b er   as  th e  s ee d ,   en s u r i n g   b o th   s en d er   an d   r ec eiv er   ca n   g e n er at e  th e  s am e  S - b o x   in d ep en d en tly   as  l o n g   as  th ey   s h ar e  th e   in itial  k ey .   T h e  T in y   Me r s en n e   T wis ter   ( T in y MT )   is   a  v a r ian t  o f   th e   o r ig in al  Me r s en n e  T wis ter   d esig n ed   f o r   ap p licatio n s   th at  r e q u ir e  s m aller   s tate  s ize  an d   m em o r y   f o o tp r in t.  I t   was  d ev elo p ed   to   r etain   th e  o r ig in al  MT ' s   s tr o n g   p s eu d o - r a n d o m   p r o p e r ties   wh ile  b ein g   b etter   s u ited   f o r   u s e   in   en v ir o n m e n ts   with   lim ited   r eso u r ce s ,   s u ch   as  e m b ed d e d   s y s tem s   o r   wh en   h an d lin g   m u ltip le  s tr ea m s   o f   r an d o m   n u m b er s   is   n ee d ed   i n   Fig u r e  5 .   T h is   alg o r ith m   d ef in es  th e  T in y MT 6 4   class ,   wh ich   im p lem en ts   a   s im p lifie d   v er s io n   o f   th e   T in y MT   alg o r ith m   f o r   g e n er atin g   6 4 - b it  p s eu d o r an d o m   n u m b er s .   I t  in clu d es  a n   in itializatio n   m eth o d   th at  s ets u p   an   i n ter n al  s tate  with   a  g iv e n   s ee d   an d   p r ed e f in ed   p ar am et er s .             Fig u r e  5 .   T h e  f lo wch a r t o f   g en er atin g   S - b o x es u s in g   th e  T i n y MT   alg o r ith m       T h e   _    m eth o d   u p d ates  th e  g e n er ato r ’ s   in ter n al  s tate,   an d      _    p r o d u ce s   a   tem p er ed   p s eu d o r an d o m   n u m b er   f r o m   th e  cu r r en t  s tate.   T h e    _  _    f u n ctio n   d em o n s tr ates  th e   u s e  o f   T in y MT   to   cr ea te  a  s h u f f led   S - b o x ,   wh ic h   is   a  k ey   co m p o n e n t  in   m a n y   cr y p to g r ap h ic  s y s tem s ,   en s u r in g   th at  a  s en d er   an d   r e ce iv er   with   a  s h ar ed   k ey   ca n   in d ep en d e n tly   g en e r ate  th e  s am e  p s eu d o r a n d o m   s eq u en ce   f o r   s ec u r e  c o m m u n icatio n   o r   d ata  en c r y p tio n .   I n   s im u latio n s   with   m an y   in s tan ce s   o f   r an d o m   n u m b er   g e n er ato r s   ( e. g . ,   Mo n te  C ar lo   s im u latio n s ) ,   T in y M T ' s   s m aller   s tate  s ize  allo w s   f o r   m o r e  ef f icien t  u s e   o f   m em o r y .   T h is   ca n   b e   p ar tic u lar ly   b e n ef icial  in   p ar allel  co m p u tin g   en v ir o n m e n ts   o r   a p p l icatio n s   r u n n i n g   o n   GPUs   wh er e  m em o r y   r eso u r c es a r e  s h ar ed   am o n g   m a n y   th r ea d s .   Desp ite  it s   s m al ler   s tate   s ize,   T in y MT   is   d esig n ed   to   h av e  g o o d   s tatis tical  p r o p er ties   f o r   its   o u tp u ts ,   m ak in g   it  s u itab le  f o r   v ar i o u s   ap p licatio n s ,   in clu d in g   s im u la tio n s   an d   g am es.  Ho wev e r ,   it   i s   im p o r tan t  to   n o te  th at  wh ile  T in y MT   is   d esig n ed   f o r   q u ality   o u tp u ts ,   th e   s p ec if ic  r eq u ir em e n ts   o f   a n   ap p licatio n   ( e. g . ,   cr y p to g r ap h ic  s ec u r ity )   s h o u l d   g u id e  t h e  ch o ice  o f   a  r a n d o m   n u m b er   g en er at o r .   T h e   p r o p o s ed   T win e - Me r s en n e   alg o r ith m   is   a  lig h t weig h t  6 4 - b it  b lo ck   en cr y p tio n   alg o r ith m   b ased   o n   th e  T wi n e  alg o r ith m   with   th e   ad d itio n   o f   a  r an d o m   n u m b e r   g en er ato r   b ased   o n   th e  Me r s en n e  T wis ter   f o r   th e  ( d y n a m ic)   g en er atio n   o f   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   14 ,   No .   6 ,  Dec em b e r   20 24 :   6 8 6 1 - 6 8 7 3   6868   Sb o x es.  I t  is   also   ca p ab le  o f   g en er atin g   k ey s   f r o m   8 0   to   1 2 8   b its   lik e  th e  T win e   alg o r ith m   b u t   d if f er s   in   t h at   Sb o x es  ar e  g en er ated   d y n am i ca lly   f o r   ea ch   s ess io n   an d   th is   s ig n if ican tly   in cr ea s es  th e  cr y p to g r a p h ic  s tr en g t h   o f   th e  alg o r ith m .   I t  is   wo r th   n o tin g   th at  b ased   o n   th e  g en er a ted   k ey s   o f   d if f e r en t  s izes  ( 8 0   an d   1 2 8   b its ) ,   th er e   ar e  two   v er s io n s   o f   th e  lig h t weig h t  en cr y p tio n   alg o r ith m ,   T win e - 8 0   an d   T win e - 1 2 8 .   I n   ac co r d an ce   with   t h e   lo n g est  k ey   len g th ,   T win e - 1 2 8   h as  th e  o p tim al  d eg r ee   o f   d ata  en cr y p ti o n   s ec u r ity .   Ho wev er ,   u n lik e  th e   p r o p o s ed   T win e - Me r s en n e   alg o r ith m ,   th e  p r o ce s s   o f   g en er ati n g   S - b o x es in   th e  T win e  al g o r ith m   is   s tatic.   C o m p ar ativ e  an aly s is   o f   en cr y p tio n   al g o r ith m s .   T h e  an aly s is   was  co n d u cted   to   co m p ar e  th e   p er f o r m an ce   o f   d if f er en t  d ata  en cr y p tio n   alg o r ith m s   o n   a  d esk to p   p e r s o n al  co m p u ter   ( PC )   with   a  3 . 1 0   GHz   I n tel®  C o r e ™   i5   p r o ce s s o r ,   8   GB   o f   r a n d o m - ac ce s s   m em o r y   ( R AM ) ,   an d   W in d o w s   1 1   Pro f ess io n al.   MA T L AB   R 2 0 2 0 b   was  u s ed   to   m o d el   an d   ev alu ate   en cr y p t io n   p e r f o r m an ce .   T ab le  2   s h o ws  th e  co m p a r ativ e   ef f ec tiv en ess   o f   s ev er al  en c r y p tio n   alg o r ith m s   in   r elatio n   t o   T win e - 8 0 ,   T win e - 1 2 8   an d   th e  p r o p o s ed   T win e - Me r s en n e  alg o r ith m .   Ob s er v atio n s   in d icate   th at  T win e' s   u s e  o f   a  6 4 - b it  b lo c k   is   r ela tiv ely   s tan d ar d   an d   ef f icien t,  co m p ar e d   to   th e  b lo c k   s ize  o f   m an y   o th er   alg o r ith m s .   On   th e  co n tr ar y ,   u n lik e  T win e - 8 0 ,   th e  k e y   s ize  o f   T win e - 1 2 8   is   1 2 8   b its ,   wh ic h   is   n o ticea b ly   lar g e r   th an   its   c o u n ter p a r ts   in   th e  tab le.   T h e  th in g s   th at  s tan d   o u t   ab o u t  th e  T win e - 8 0   an d   T win e - 1 2 8   ar e  th e  s m aller   co d e  s ize  o f   ju s t  4 1 4   an d   2 1 6   b y tes,  co u p led   with   m o d es t   R AM   u s ag e  o f   6 . 7 5   an d   5 . 9 3   b y tes.  T h ese  attr ib u tes  g r e atly   h ig h lig h t  T win e' s   m in im alis t  ap p r o ac h .   T o   q u ick ly   ass ess   th e  cr y p to g r ap h ic  s tr en g th   o f   v ar io u s   alg o r ith m s ,   a  test   was  ca r r ied   o u t  wi th   th e  g en er atio n   o f   s h o r t  k ey s   o f   n o   m o r e  th an   5   b its   in   s ize.   Su b s eq u en tly ,   v ar io u s   attac k   s ce n ar io s   wer e   s im u lated ,   s u ch   as  s atu r atio n   attac k ,   im p o s s ib le  d if f er en tial  attac k ,   k ey   s ch ed u le - b ased   attac k s   an d   o th er s .   T h e  r esu lt  o f   cr y p to g r ap h ic   s tr en g th   f o r   v ar io u s   en cr y p tio n   alg o r ith m s   is   g iv en   in   th e  last   co lu m n   o f   T ab le  2 .   T h e  T win e - 1 2 8   alg o r ith m   r u n s   f o r   36   an d   2 4   r o u n d s   f o r   T win e - 8 0 ,   w h ich   m ee ts   th e  n ee d   f o r   r o b u s t  s ec u r ity   m ea s u r es.   Min im al  co d e  a n d   m em o r y   r e q u ir em en ts   m a k e  T win e   a  v ia b le  o p tio n   f o r   m o b ile  I o T   d ev i ce s ,   r ad io - f r eq u e n c y   id en tific atio n   ( R FID )   tag s ,   an d   o th er   d e v ices  with   lim ite d   co m p u tatio n al  r eso u r ce s ,   m ak in g   it  th e  m o s t   o p tim al  en cr y p ti o n   s o lu tio n   i n   th e  f ield .   Ho wev er ,   th e  p r o p o s ed   T win e - Me r s en n e  al g o r ith m   also   r u n s   f o r     2 4   r o u n d s ,   an d   h as  a  c o m p ac t  co d e   s ize  an d   m in im al   R AM   u s ag e,   i n   ad d itio n   to   th is ,   it  h as  an   in cr ea s ed   cr y p to g r ap h ic  s tr en g th .       T ab le  2 .   C o m p a r ativ e  an aly s is   b etwe en   th e  T win e - Me r s en n e ,   T win e  an d   o th er   e n cr y p tio n   a lg o r ith m s   En c ry p ti o n   a lg o rit h m   Blo c k   siz e ,   b it   Ke y   siz e ,   b it   Nu m b e r  o f  ro u n d s   Co d e   siz e ,   b y tes   RAM,   b y te   Lev e l  o f  str o n g   c ry p to g ra p h y   P RES ENT   64   80   32   1 7 3 8   274   M o d e ra te   S imo n   64   96   42   1 3 7 0   188   M o d e ra te   S p e c k   64   96   26   2 5 5 2   124   M o d e ra te   S IT   64   64   5   826   22   M o d e ra te   AES   128   128   10   2 3 0 9 0   720   Hig h   le v e l   LEA   128   128   24   3 7 0 0   432   Hig h   le v e l   RC5   64   128   20   2 0 0 4 4   360   M o d e ra te   HIG HT   64   128   32   1 3 4 7 6   288   M o d e ra te   Li g h twe i g h t   e n c ry p ti o n   a lg o rit h m   64   128   9   823   144   Hig h   le v e l   Twin e - 1 2 8   64   128   36   414   6 . 7 5   Hig h   le v e l   Twin e - 80   64   80   24   216   5 . 9 3   M o d e ra te   Twin e - M e rse n n e - 80   64   80   24   473   1 1 . 4 8   Hig h   le v e l       T h is   f ea tu r e   is   also   b en e f icial  f o r   d e v ices  with   lim ited   c o m p u tin g   ca p ab ilit ies  an d   th e   p r esen ce   o f   d y n am ic  g en e r atio n   o f   S - b o x e s   m ak es  it  an   id ea l  ca n d id ate  f o r   d ep lo y m en t  in   th e  m o s t  v u l n er ab le  n o d e  o f   th e   I o T   n etwo r k .   I n   ad d itio n ,   it  is   wo r th   n o tin g   th e   p r o s p ec t  o f   d ev elo p in g   t h e  T win e - M er s en n e  en c r y p tio n   alg o r ith m   aim ed   at  r ed u ci n g   en er g y   c o n s u m p tio n   an d   in cr ea s in g   th e  ef f icien c y   o f   e n cr y p tio n /d ec r y p tio n   p r o ce s s es  in   r ea l   tim e.   T h e  p r o p o s ed   T win e - Me r s en n e   alg o r ith m   h as  1 6   s u b b lo c k s   o f   4   b its   ea ch   in   Fig u r e  6 .  T h e  p s eu d o co d e   d escr ib es  th e  en cr y p tio n   alg o r ith m   i n   Fig u r e  7   T win e - Me r s en n e ,   wh ic h   g en e r ates  a  s ec r et  k ey .   As  p r ev io u s ly   n o ted ,   th e  p r o p o s ed   lig h tweig h t  T win e - Me r s en n e  en cr y p tio n   alg o r i th m   is   id ea l  f o r   its   im p lem en tatio n   o n   em b e d d ed   s y s tem s   with   lim ited   co m p u tin g   r eso u r ce s .   T h e  p r o p o s e d   T wi n e - M er s en n e  al g o r it h m   is   e asil y   im p l e m e n te d   o n   I o T   d ev ices ,   in   p ar t ic u la r   o n   p la tf o r m s   s u c h   as  FP GA ,   s i n g le - b o a r d   c o m p u te r   R as p b e r r y   Pi   a n d   A r d u i n o   m ic r o c o n tr o ll er .   T h e   c h o ic e  o f   d e v i ce   t y p e   d e p e n d s   o n   t h e   t ask   b ei n g   i m p le m e n te d ,   its   c o m p l e x it y ,   t h e  r e q u i r e d   s p ee d   o f   t h e   s o l u ti o n ,   th e   s p e ed   o f   d a ta   e n c r y p ti o n   an d   f i n an cia l  ca p a b i liti es.   I t   is   r ec o m m en d e d   t o   u s e  F PGA s   t o   s o l v e  co m p le x   p r o b l em s   t h a t   r eq u i r e  h i g h   p r o ce s s i n g   s p ee d .   I n   tu r n ,   it   is   r ec o m m e n d e d   t o   u s e   R as p b e r r y   P i  t o   s o l v e   p r o b l em s   u s i n g   a r ti f ic ial   in tell ig e n c e.   T h e  Ar d u i n o   m i cr o co n t r o ll er   is   q u it e   s u ita b l e   f o r   s i m p le   d at a   e n cr y p ti o n   tas k s .   T h e   im p le m e n t ati o n   d i a g r am   o f   t h e   g e n e r al   e n c r y p ti o n   p r o ce s s   b a s ed   o n   T wi n n e - Me r s e n n e   is   p r ese n te d   i n   F ig u r e   8 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         A b o u t  o n e  lig h tw eig h t e n cryp tio n   a lg o r ith m  en s u r in g   t h e  s ec u r ity  o f   …   ( S a b yrz h a n   A ta n o v )   6869       Fig u r e  6 .   T h e  ar ch itectu r e  o f   t h e  lig h tweig h t  T win e - Me r s en n e  en cr y p tio n   alg o r ith m       F or  i  = 1:35 F or  j = 0:7 Pe r m u ta ti o n F or  i = 0:7 e nd S t a r t     Fig u r e  7 .   Flo wch ar t a n d   p s eu d o co d e  f o r   th e   T win e - Me r s en n e  en cr y p tio n   alg o r ith m           Fig u r e  8 .   Gen e r al  d iag r a m   o f   th e  p r o ce s s   o f   e n cr y p tin g   in p u t   d ata  b ased   o n   th e  T win e - Me r s en n e  alg o r ith m   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   14 ,   No .   6 ,  Dec em b e r   20 24 :   6 8 6 1 - 6 8 7 3   6870   T h e  An d r o id   Stu d io   en v ir o n m en t  was  u s ed   to   im p lem en t  t h is   alg o r ith m   f o r   ce llu lar   c o m m u n icatio n s .   I n   o u r   ca s e,   a   m icr o c o n tr o ller   b ased   o n   Ar d u i n o   E SP 3 2 ,   th e  s im p lest   an d   m o s t  co m m o n   on   t h e   in ter n et   o f   th in g s   en v ir o n m e n t,  was  u s ed   as  an   I o T   d ev ice  f o r   th e  s im p lest   v is u aliza tio n   o f   th e  d ata   en cr y p tio n   p r o ce s s .   T h e  Py th o n   p r o g r a m m in g   la n g u ag e   was  u s ed   to   im p lem en t  th e  lig h tweig h t   T win e - M er s en n e  en cr y p tio n   alg o r ith m .   I n   th is   im p lem en t atio n ,   th e  in p u t  d ata  to   th e  Ar d u in o   E SP 3 2   m icr o co n tr o l ler   is   s u p p lied   in   th e   f o r m   o f   g r a p h ic  im ag es  f r o m   a  s m ar tp h o n e   o r   d ig ital  v id e o   r ec o r d er   ( DVR).   Nex t,  th e  p r ev io u s ly   p r ep ar e d   T win e - Me r s en n e   d ata  en c r y p t io n   alg o r ith m   im p lem en ted   in   th e  Py th o n   p r o g r a m m in g   lan g u ag e  is   lau n ch ed   o n   th e  Ar d u in o   E SP 3 2 .   T h e  alg o r ith m   p er f o r m s   a  s er ies  o f   o p er atio n s   u s in g   XOR,  d y n am ic  s u b s titu tio n   ( S)  an d   p er m u tatio n   ( p ) .   As  a   r esu lt,  e n cr y p ted   d ata   is   tr an s m itted   o v er   a   s ec u r e  c o m m u n icatio n   c h an n el  t o   th e   clo u d ,   wh er e  en d   u s er s   alr ea d y   h av e  th e  k ey   to   d ec r y p t th e  d ata .       3.   RE SU L T   AND  DI SCUS SI O N   Fig u r e  9   s h o ws  th e  r esu lt  o f   e n cr y p tin g   in p u t  d ata  in   th e  f o r m   o f   im ag es  r ec ei v ed   f r o m   a  s m ar tp h o n e  an d   a  DVR  u s in g   th e  lig h tweig h t  T win e - Me r s en n e  e n cr y p ti o n   alg o r ith m .   T h e  d ev elo p m e n t  o f   a  f u zz y   lo g ic - b ased   au th o r izatio n   al g o r ith m   is   a  s ig n if ican t  ad v a n ce   i n   th e  f ield   o f   An d r o id   ap p li ca tio n   s ec u r ity .   T h e   alg o r ith m ,   cr ea ted   f o r   th e  co n v en ien ce   o f   u s er s ,   d em o n s tr ates  th e  s ea m le s s   in teg r atio n   o f   co m p lex   s ec u r ity   m ea s u r es  in   th e  a p p licatio n .   Fig u r e  1 0   s h o ws  a  d iag r am   o f   th e   o p er atio n   o f   f u zz y   l o g ic  th at  im p lem en ts   d ec is io n - m ak in g   alg o r ith m s .   T h ese  elem en ts   to g eth er   f o r m   a  r o b u s t  s tr u ctu r e  th at  s tr en g th en s   th e  ap p licatio n   an d   en s u r es a   s m o o th   u s er   e x p er ien ce   with   s ec u r ity   f ea tu r es .           Fig u r e  9 .   R esu lt o f   im a g e  p r o c ess in g   u s in g   th e  T win e - Me r s e n n e  en cr y p tio n   alg o r ith m       f u z z i f i er In tel l i g en c e d ef u z z i f i er r u l es E x p ec ted   p a s s w o r d A tt em p ted   p a s s w o r d m a tc h L e n g th m a tc h Sy m b o l s m a tc h C a s es     Fig u r e  1 0 .   Op er atin g   p r in cip le   o f   f u z zy   lo g ic       T h e   k e y   f e a t u r e s   a n d   a d v a n t a g e s   o f   t h e   p r o p o s e d   m o d e l   o f   c r y p t o g r a p h i c   p r o t e c t i o n   a n d   a u th e n t i c a t i o n   f o r   I o T   d e v i c e s   a r e :   −   E ase  o f   im p lem en tatio n   an d   c o s t - ef f ec tiv en ess .   T h e   m o d el   p r o m is es  to   b e  co s t - ef f ec tiv e  d u e  to   th e   u s e  o f   alg o r ith m s   with   s m all  k ey   s ize  an d   lo w  p o we r   co n s u m p tio n .   T h is   is   im p o r tan t  f o r   I o T   d ev ices  as  th ey   r ed u ce   h a r d war e  a n d   s ec u r ity   co s ts .   −   Ap p licab ilit y   in   v ar io u s   f ield s .   T h e  p r o p o s ed   m o d el  is   n o t lim ited   to   s p ec if ic  I o T   ap p licatio n   ar ea s   s u ch   as  s m ar t  h o m es  o r   m ed ical  wea r ab les.  I t  ca n   b e  ad a p ted   f o r   a   wid e  r an g e   o f   ap p licatio n s ,   i n clu d in g   ce llu la r   s ec u r ity ,   m ak in g   it v er s atile  an d   attr ac tiv e  to   d ev elo p er s .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.