Geri Dön

Gömülü sistemler için hafif sıklet güvenlik çözümleri: Yeni puf mimarisi, trng yöntemleri ve optimize edilmiş anahtar kapsülleme mekanizması

Lightweight security solutions for embedded systems: New puf arhitecture, trng methods, and optimized key encapsulation mechanism

  1. Tez No: 1016032
  2. Yazar: OĞUZ NARLI
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. MELTEM KURT PEHLİVANOĞLU
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Computer Engineering and Computer Science and Control
  6. Anahtar Kelimeler: Gömülü sistemler, Kriptografi, Embedded systems, Cryptography
  7. Yıl: 2026
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: Kocaeli Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Yarı iletken teknolojisindeki ilerlemeler; düşük güç tüketimine sahip ve az donanım kaynağı kullanan yüksek verimli işlemcilerin tasarımını mümkün kılmıştır. Bu işlemciler; nesnelerin interneti, biyomedikal, otomotiv ve akıllı ev sistemleri gibi kısıtlı donanım kaynaklarına sahip alanlarda yaygınlık kazanmıştır. Bu tür cihazların güvenliğinin sağlanması için düşük güç tüketen ve minimum kaynak kullanan bilgi güvenliği birimlerinin tasarımı kritik bir önem arz etmektedir. Kaynak kısıtlı sistemlerde uygulanan yöntemlerde, mevcut sınırlamalara rağmen hem yüksek verimliliğe hem de hafif sıklet özelliklere sahip tasarımların elde edilmesi hedeflenmektedir. Geleneksel güvenlik birimleri, kaynak kısıtları nedeniyle ya verimlilikten ödün vermekte ya da performansı artırmak adına güvenlik tedbirlerini ikinci plana atmaktadır. Bu nedenle, kaynak kısıtlı cihazlar için optimize edilmiş hafif sıklet güvenlik mimarileri geliştirmek elzem hale gelmiştir. Bu doğrultuda hazırlanan tez çalışmasında; kimlik doğrulama protokolleri ve anahtar üretimi için makine öğrenmesi saldırılarına karşı dirençli, yeni bir Fiziksel Klonlanamaz Fonksiyon (PUF) tasarımı geliştirilmiştir. Ayrıca, DDR RAM tabanlı Gerçek Rastgele Sayı Üreteci (TRNG) tasarımları, bu tasarımlarda DDR RAM kullanımının etkisi, TRNG'ler için en uygun bellek adres alanı seçimi ve kuantum sonrası anahtar kapsülleme algoritması SMAUG-T'nin ARM Cortex-M4 üzerindeki performansı incelenmiştir. Hafif sıklet sistemlerde kullanılmak üzere önerilen DualPUF, herhangi bir ek kriptografik birime veya harici donanıma ihtiyaç duymadan, Makine Öğrenmesi Tabanlı Model Saldırılarına (ML-MA) karşı dirençli bir yapı sunmaktadır. Önerilen PUF tasarımı, güvenilirlik açısından %99'un üzerinde bir başarı gösterirken, ML-MA karşısında yaklaşık %50 doğruluk (tahmin edilemezlik) oranıyla güvenli olduğunu kanıtlamıştır. Donanım kaynağı tüketiminde ise farklı varyasyonlara göre 689-845 LUT ve 672-1101 FF kullanımı ile 0.105 W güç tüketimi değerlerine ulaşarak gömülü cihazlar için uygunluğunu kanıtlamıştır. Çalışmanın devamında, DDR RAM tabanlı yeni TRNG tasarımları önerilmiştir. Bu tasarımlarda DDR RAM kullanımının donanım kaynağı tasarrufu açısından önemi vurgulanmıştır. Uygulanan tasarımlardan üretilen rastgele sayıların güvenilirliği NIST 800 serisi ve AIS-31 testleri ile değerlendirilmiştir. Mevcut“neoTRNG”mimarisi üzerinde yapılan güncellemelerle gerçekleştirilen bu tasarımlarda, DDR RAM kullanımının rastgelelik çıkarıcı birim verimini 150.8 Mbit/s seviyesine çıkardığı doğrulanmıştır. Donanım tüketimi noktasında ise DDR tabanlı TRNG'nin sadece 14 LUT ve 30 FF kullanarak temel mimarinin kaynak kullanımını önemli ölçüde azalttığı görülmüştür. Ayrıca, DDR RAM içerisinde rastgele sayı üretimi için en uygun entropi kaynağına sahip bellek adres aralığını belirlemek amacıyla üç aşamalı bir istatistiksel filtreleme yöntemi geliştirilmiştir. Son olarak, kuantum saldırılarına karşı güvenli olan ve Güney Kore'de standartlaşan SMAUG-T kuantum sonrası anahtar kapsülleme algoritmasının ARM Cortex-M4 üzerindeki uygulaması gerçekleştirilmiştir. SMAUG-T algoritması optimize edilerek düşük kaynaklı cihazlardaki performansı analiz edilmiştir. Birinci seviye NIST güvenliği için yapılan testlerde; 6,533-7,373 bayt kod boyutu, 21,056 bayt yığın kullanımı ve 831,370 - 1,382,716 saat döngüsü sonuçları elde edilmiştir. Bu veriler literatürdeki diğer çalışmalarla karşılaştırıldığında, SMAUG-T'nin hafif sıklet cihazlar için son derece uygun olduğu sonucuna varılmıştır.

Özet (Çeviri)

With the advancements in semiconductor technology, the design of high-efficiency processors characterized by low power consumption and minimal hardware resource usage has become possible. These processors are increasingly utilized in systems requiring limited hardware resources, such as the Internet of Things (IoT), biomedical devices, automotive electronics, and smart home systems. Consequently, designing information security units that consume low power and few hardware resources is critical to ensuring the security of these devices. In methods applied to resource-constrained systems, the goal is to achieve designs that are both highly efficient and lightweight, despite existing limitations. In widely used non-lightweight security units, resource constraints often force a trade-off between sacrificing efficiency and disregarding security measures to enhance performance. Therefore, developing lightweight security unit designs for resource-constrained devices has become increasingly important. In this context, this thesis examines a new Physical Unclonable Function (PUF) design used in authentication protocols and key generation, the impact of DDR RAM-based random number generator designs, the selection of appropriate address spaces for random number generators on DDR RAM, and the performance of the post-quantum key encapsulation algorithm SMAUG-T on the ARM Cortex-M4. The proposed DualPUF, designed for authentication and key protocols in lightweight systems, offers a structure resistant to Machine Learning-based Modeling Attacks (ML-MA) without requiring additional cryptographic units or external hardware. The proposed PUF demonstrates over 99% reliability, while its ~50% accuracy against ML-MA proves its security. In terms of hardware resource consumption, it utilized 689-845 LUTs and 672-1101 FFs across different variations, with a power consumption of 0.105 W, demonstrating its suitability for embedded devices. Following the PUF study, new True Random Number Generator (TRNG) designs using DDR RAM were proposed. These designs highlight the importance of using DDR RAM in terms of hardware resource savings. The reliability of the random numbers generated from the implemented designs was evaluated using NIST 800 series and AIS-31 tests. The impact of hybrid usage with different entropy sources was also examined. These designs were implemented through updates to the“neoTRNG”architecture. The effect of DDR RAM usage was verified with a throughput of 150.8 Mbit/s for the randomness extractor unit. Regarding hardware consumption, the DDR-based TRNG reduced the resource usage of the baseline“neoTRNG”architecture by utilizing only 14 LUTs and 30 FFs. Additionally, a method was developed to identify the most suitable memory address range for entropy sources in DDR RAM-based random number generators, providing a three-stage statistical filter. Finally, the implementation of SMAUG-T, a South Korean standardized post-quantum key encapsulation algorithm resistant to quantum attacks, was demonstrated on the ARM Cortex-M4. By optimizing the SMAUG-T algorithm, its performance on resource-constrained devices was evaluated. The results for NIST Level 1 security showed a code size of 6,533-7,373 bytes, stack usage of 21,056 bytes, and a clock cycle count of 831,370-1,382,716. When compared to the literature, these results indicate that SMAUG-T is well-suited for use in lightweight devices.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    537875

    Differential cryptanalysis on lblock using differential factors

    Lblock algoritmasının diferansiyel kriptanalizinin diferansiyel faktörler kullanılarak yeniden gerçekleştirilmesi

    MERVE ÖĞÜNÇ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Bilim ve TeknolojiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Kriptografi Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)

    YRD. DOÇ. DR. ALİ DOĞANAKSOY

    DR. CİHANGİR TEZCAN

  2. Tez No

    350398

    Raylı ulaşım araçları için araç destek bilgisayarı geliştirilmesi

    Vehicle support computer development for railway rolling stocks

    LÜTFÜ AKÇİL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. METİN GÖKAŞAN

  3. Tez No

    720009

    Mimarlıkta hafiflik için geliştirilen teknolojilerin yapı örnekleri ile değerlendirilmesi

    Evaluation of developed technologies used for lihgtweight in architecture with buildings

    ELİF ESRA BOYLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    MimarlıkMimar Sinan Güzel Sanatlar Üniversitesi

    Mimarlık Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ SAVAŞ EKİNCİ

  4. Tez No

    780926

    Hafif sanallaştırmalı akıllı IoT Gateway tasarımı ve gerçekleştirilmesi

    Lightweight virtualization intelligent Iot Gateway design and implementation

    AHMET GENÇKAYA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolFırat Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YETKİN TATAR

  5. Tez No

    997875

    SPN ve feistel ağına dayalı hibrit hafif şifreleme algoritması tasarımı

    Design of a hybrid lightweight encryption algorithm design based on SPNand feistel network

    ABDULLAH JAMOUS

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2026

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolYıldız Teknik Üniversitesi

    Siber Güvenlik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SIRMA YAVUZ

Geri Dön