Self-healing authentication using hybrid ratcheting protocol (HRP)
Hibrit mandallama protokolü (HMP) kullanarak kendi kendini onarımlı kimlik doğrulama
- Tez No: 1019744
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ SEVCAN KAHRAMAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Computer Engineering and Computer Science and Control
- Anahtar Kelimeler: Belirteç Rotasyonu, Hibrit Mandallama Protokolü, HKDF, IP Değişikliği Tespiti, İleri Gizlilik, JWT, Kimlik Bilgisi Hırsızlığı, Kimlik Doğrulama Protokolü, Oturum Belirteci Güvenliği, Öz-İyileşen Kimlik Doğrulama, Authentication Protocol, Credential Theft, Forward Secrecy, HKDF, Hybrid Ratcheting Protocol, IP Change Detection, JWT, Self-Healing Authentication, Session Token Security, Token Rotation
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Ticaret Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Siber Güvenlik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Oturum belirteci hırsızlığı, web kimlik doğrulama güvenliğine yönelik kalıcı ve büyüyen bir tehdittir. Geçerli bir belirteç — taşıma katmanında araya girme, uygulama katmanından çıkarma veya sunucu tarafındaki veritabanı ihlali yoluyla — ele geçirildiğinde, saldırgan meşru kullanıcıdan ayırt edilemeyen kimlik doğrulanmış bir erişim kazanmaktadır. Mevcut mekanizmalar bu sorunun yalnızca bir bölümünü ele almaktadır: sahiplik kanıtı şemaları belirteçleri istemcide tutulan anahtarlara bağlarken, belirteç rotasyonu geçerlilik penceresini sınırlandırmakta, risk tabanlı kimlik doğrulama sistemleri ise anormal erişim kalıplarını tespit etmektedir. Bununla birlikte, hiçbir mevcut mekanizma aynı anda; taşıma güvenliğinden bağımsız uygulama katmanı ileri gizliliğini, davranışsal sinyallere dayalı otomatik saldırgan çıkarmayı ve meşru kullanıcı için kesintisiz hizmet sürekliliğini sağlayamamaktadır. Bu boşluk, tezin ele aldığı araştırma sorununu oluşturmaktadır. Bu tez, söz konusu boşluğu kapatan yeni bir üç aşamalı kimlik doğrulama mekanizması olan Hibrit Mandallama Protokolü'nü (HRP) önermektedir. HRP'nin temel tasarım ilkesi kimlik bilgisi iletiminin ortadan kaldırılmasıdır: yeni oturum gizli anahtarını ağ üzerinden iletmek yerine sunucu yalnızca 32 baytlık rastgele entropi göndermekte; istemci ve sunucu ise yeni paylaşılan gizli anahtarı bağımsız olarak yeni_gizli = KDF(eski_gizli ‖ entropi) şeklinde türetmektedir. Gizli anahtarın kendisi hiçbir zaman ağı geçmediğinden, entropi değerinin ele geçirilmesi — taşıma katmanı şifrelemesi kırılmış olsa dahi — mevcut gizli anahtar bilinmeksizin kullanılabilir herhangi bir bilgi sağlamamaktadır. Bu durum, TLS'den yapısal olarak bağımsız bir uygulama katmanı ileri gizliliği oluşturmaktadır. Gizli anahtar rotasyonu iki koşuldan biriyle tetiklenmektedir: etkin oturumlar sırasında periyodik zaman tabanlı aralık veya IP adresi değişikliğinin algılanması üzerine anlık program dışı rotasyon. Her rotasyon, istemcinin donanım güvenli kuşatmasında saklanan ve dışarıya çıkarılamaz bir anahtarla üretilen özel anahtar imzasıyla korunmaktadır. Mevcut oturum gizlisini çalmış bir saldırgan bu imzayı üretemez ve dolayısıyla herhangi bir rotasyonu tamamlaması kalıcı olarak engellenir. HRP'nin öz-iyileşme özelliği doğrudan AES şifrelemesinden kaynaklanmaktadır. Tüm API oturum istekleri, paylaşılan gizli anahtar şifreleme anahtarı olarak kullanılarak AES ile şifrelenmektedir; oturum belirtecinin kendisi rotasyonlar arasında değişmemekte, ancak her isteği saran AES anahtarı değişmektedir. Paylaşılan gizli anahtar rotasyon gerçekleştirdiğinde şifreleme anahtarı değişir ve eski anahtarla şifrelenmiş herhangi bir istek anında reddedilir — belirteç, sona erme veya iptal yoluyla değil, artık sunucu tarafından çözümlenememesi nedeniyle geçersiz hale gelir. Çalınan gizli anahtarı elinde bulunduran bir saldırgan, geçerli AES şifreli istekler ancak bir sonraki zamanlı rotasyona kadar gönderebilir; bu süre en fazla bir rotasyon aralığıdır. Bu sınırda sunucu, yeni AES anahtarına geçişi tamamlamak için özel anahtar imzası talep eder. Özel anahtara sahip olmayan saldırgan yeni anahtarı elde edemez ve kalıcı olarak engellenir; bundan sonra gönderdiği her istek ölü bir anahtarla şifrelenmiş olarak reddedilir. Meşru istemci yeni paylaşılan gizli anahtarı türetir, yeni AES anahtarını edinir ve oturumu hiçbir kesinti yaşamadan şeffaf biçimde sürdürür. IP değişikliği tespiti, yeni bir kaynak adres algılandığında zamanlı rotasyonu beklemek yerine anlık program dışı rotasyon tetikleyen ikincil bir hızlandırma mekanizmasıdır; bu sayede saldırganın erişim penceresi bir rotasyon aralığından en fazla bir isteğe indirgenir. Protokol biçimsel olarak tanımlanmış, güvenlik özellikleri belirlenmiş bir saldırgan modeline karşı analiz edilmiş ve tasarımı doğrulamak amacıyla bir prototip uygulama geliştirilmiştir. Analiz, HRP'nin üç katmanlı savunma sağladığını ortaya koymaktadır: taşıma katmanı güvenliği, uygulama katmanı KDF zinciri ileri gizliliği ve özel anahtar sahiplik kanıtı. Protokol, Sahiplik Kanıtı Gösterimi (DPoP) ve OAuth 2.0 belirteç rotasyon modeline karşı karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Bulgular, mandallama tabanlı kimlik doğrulamanın uçtan uca şifreli mesajlaşmadaki kökeninden genel amaçlı web ve API kimlik doğrulamasına uyarlanabileceğini; pratik dağıtım için gereken kesintisiz kullanıcı deneyimini korurken mevcut JWT tabanlı oturum yönetimine kıyasla daha güçlü güvenlik garantileri sunduğunu ortaya koymaktadır.
Özet (Çeviri)
Session token theft is a persistent and growing threat to web authentication security. When a valid token is stolen — through transport-layer interception, application-layer extraction, or server-side database breach — the attacker gains authenticated access that is indistinguishable from that of the legitimate user. Existing mechanisms address parts of this problem: proof-of-possession schemes bind tokens to client-held keys, token rotation limits the validity window, and risk-based authentication systems detect anomalous access patterns. Yet no existing mechanism simultaneously achieves application-layer forward secrecy independent of transport security, automatic expulsion of an attacker based on behavioral signals, and seamless continuity of service for the legitimate user. This gap constitutes the research problem addressed in this thesis. This thesis proposes the Hybrid Ratcheting Protocol (HRP), a novel three-phase authentication mechanism that closes this gap. The core design principle of HRP is the elimination of credential transmission: rather than transmitting a new session secret over the network, the server sends only 32 bytes of random entropy, and both client and server independently derive the new shared secret as new_secret = KDF(old_secret ‖ entropy). Since the secret itself never traverses the network, interception of the entropy value — even if transport-layer encryption is broken — yields no usable information without knowledge of the current shared secret. This constitutes application-layer forward secrecy that is structurally independent of TLS. Secret rotation is triggered by one of two conditions: a periodic time-based interval during active sessions, or an immediate out-of-schedule rotation upon detection of an IP address change. Each rotation is gated behind a private key signature that the client generates using a non-extractable key stored in its hardware secure enclave. An attacker who has stolen the current session secret cannot produce this signature and is therefore permanently blocked from completing any rotation. The self-healing property of HRP is caused directly by AES encryption. All API session requests are AES-encrypted using the shared secret as the encryption key; the session token itself does not change between rotations, but the AES key wrapping every request does. When the shared secret rotates, the encryption key changes, and any request encrypted with the old key is immediately rejected — the token is not invalidated by expiry or revocation, but because it can no longer be decrypted by the server. An attacker holding a stolen secret can send valid AES-encrypted requests only until the next scheduled rotation, at most one rotation interval away. At that boundary, the server demands a private key signature to complete the transition to the new AES key. The attacker, lacking the private key, cannot obtain the new key and is permanently locked out; every subsequent request is encrypted with a dead key and rejected. The legitimate client derives the new shared secret, obtains the new AES key, and continues the session transparently without interruption. IP change detection is a secondary acceleration mechanism that triggers an immediate out-of-schedule rotation upon detecting a new source address, collapsing the attacker's window from one rotation interval to at most one request. The protocol is formally specified, its security properties are analyzed against a defined adversary model, and a prototype implementation is developed to validate the design. The analysis demonstrates that HRP provides three-layer defense: transport-layer security, application-layer KDF chain forward secrecy, and private key proof-of-possession. The protocol is evaluated comparatively against Demonstrating Proof-of-Possession (DPoP) and the OAuth 2.0 token rotation model. The findings establish that ratcheting-based authentication can be adapted from its origins in end-to-end encrypted messaging to general-purpose web and API authentication, providing stronger security guarantees than current JWT-based session management while preserving the seamless user experience required for practical deployment.
Benzer Tezler
- Self-healing of high-performance fibre-reinforced cementitious composites
Yüksek performanslı fiber donatılı çimento esaslı kompozitlerin kendi kendini iyileştirmesi
ÖMER KAYA
Yüksek Lisans
İngilizce
2011
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ALİ TAŞDEMİR
- Synthesis and mechanical properties of self-healing smart hydrogels
Kendi kendini onarabilen akıllı hidrojellerin sentezi ve mekanik özellikleri
ÜMİT GÜLYÜZ
- Detecting damage and self-healing in cementitious composites using electrical methods for protection of critical infrastructures
Önemli altyapıların korunması amacı ile çimento bağlayıcılı kompozitlerde hasarın ve kendiliğinden iyileşmenin elektriksel yöntemlerle belirlenmesi
ÜLVİYE GÜLSÜM HAŞILOĞLU ARAS
Doktora
İngilizce
2016
İnşaat MühendisliğiGaziantep Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA GÜNAL
DOÇ. DR. MUSTAFA ŞAHMARAN
- Self-healing nanocomposite dna hydrogels with high mechanical strength
Yüksek mekanik dayanıma sahip kendini onarabilen nanokompozit dna hidrojelleri
AHMET TALHA ÜZÜMCÜ
Doktora
İngilizce
2018
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ORHAN GÜNEY
PROF. DR. OĞUZ OKAY
- Synthesis and characterization of polyurea formaldehydemicrocapsules filled with tung oil for preparation ofcomposite polylactic acid film for self healing applications
Kendini onarabilen polilaktik asit kompozit filmerindekullanılmak üzere tung yağı katklı poliüre formaldehitmikrokapsüllerinin sentezlenmesi ve karakterize edilmesi
GİZEM SEMRA ARITÜRK
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OZAN SANLI ŞENTÜRK