Geri Dön

Akıllı ev cihazlarının haberleşmesinde hafif sıklet şifreleme algoritmalarının performans analizi

In communication of smart home devices performance analysis of lightweight encryption algorithms

PDF İndir

  1. Tez No: 857715
  2. Yazar: ÖMER YEL
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ HÜSEYİN ESKİ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Computer Engineering and Computer Science and Control
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: Sakarya Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Bilgisayar Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 83

Özet

Akıllı ev sistemlerinde kesintisiz veri alışverişi, verimli ve güvenli bir ortamın omurgasıdır. Aydınlatma ve sıcaklığın kontrol edilmesinden güvenlik kameralarının izlenmesine kadar bu sistemlerin hepsi veri üreten ve paylaşan çok sayıda birbirine bağlı cihaza dayanır. Bu verilerin hem hızlı bir şekilde iletilmesini hem de güvenli bir şekilde korunmasını sağlamak çok önemlidir. Hızlı ve enerji tasarruflu veri şifreleme ve iletişim, akıllı ev teknolojisinin iki temel özelliğidir. Bu sistemler genellikle enerjinin kısıtlı olduğu ortamlarda çalışır. Bu nedenle veri iletişim süreci minimum güç tüketecek, cihazların ömrünü uzatacak ve işletme maliyetlerini azaltacak şekilde optimize edilmelidir. Veri şifreleme, akıllı ev kullanıcılarının mahremiyetini ve güvenliğini sağlamada çok önemli bir rol oynar. Yetkisiz erişimi önler ve güvenlik kamerası görüntüleri veya çeşitli sensörler tarafından toplanan kişisel veriler gibi hassas bilgileri korur. Ancak, gerçek zamanlı yanıtların ve sorunsuz çalışmanın sağlanması için bu şifreleme işleminin hızlı olması gerekir. Yavaş şifreleme, gecikmelere yol açarak akıllı ev ekosisteminin kusursuz işleyişini bozabilir. Bu bağlamda hafif şifreleme algoritmalarının kullanılması önemlidir. Bu algoritmalar hem hız hem de enerji tüketimi açısından verimli olurken aynı zamanda güçlü bir güvenlik sağlayacak şekilde tasarlanmıştır. Hafif şifreleme yöntemlerini benimseyen akıllı ev cihazları, aşırı güç tüketimine veya önemli bir gecikmeye neden olmadan güvenli bir şekilde iletişim kurabilir. Hızlı ve enerji açısından verimli veri iletişimi, akıllı ev cihazlarının gerçek zamanlı izlenmesi ve kontrolü için özellikle kritik öneme sahiptir. Örneğin, akıllı bir termostat ani bir sıcaklık değişimi tespit ederse, uygun ayarlamaların tetiklenmesi için bu bilgiyi hızlı bir şekilde merkezi kontrol ünitesine iletmelidir. Gecikmiş iletişim rahatsızlığa ve enerji verimsizliğine yol açabilir. Akıllı ev sistemlerinde hızlı ve enerji tasarruflu veri şifreleme ve iletişim ihtiyacı göz ardı edilemez. Bu sistemlerin güvenilirliğini, güvenliğini ve verimliliğini korumanın anahtarı budur. Hafif şifreleme yöntemlerinden yararlanarak ve veri aktarımını optimize ederek, akıllı evlerin enerji kaynaklarını korurken ve işletme maliyetlerini azaltırken hayatlarımızı daha konforlu ve güvenli hale getirmeye devam etmesini sağlayabiliriz. Bu çalışmada akıllı ev sistemlerinde veri iletişiminde kullanılan hafif şifreleme algoritmalarının performans karşılaştırması yapılmıştır. Akıllı ev sistemlerinde kullanılan cihazların simülasyonu için Nodemcu ve Raspberry Pi3 cihazlarından yararlanılmaktadır. Nodemcu cihazı, ev ortamında eylem gerçekleştiren ve veri üreten cihazları temsil ederken, Raspberry Pi cihazı ise merkezi kontrol ünitesini temsil ediyor. Simülasyon sisteminde akıllı ev cihazı, çalışması sırasında ürettiği verileri merkezi kontrol merkezine gönderir. Veri aktarımı sırasında veriler hafif şifreleme algoritmaları kullanılarak şifrelenir. Veri şifreleme sürecinde hafif şifreleme algoritmaları olarak Ascon, Chacha, Speck ve Aes algoritmaları kullanılmaktadır. Şifreleme algoritmalarının performans ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Blok şifreleme algoritmalarında (Aes ve Speck) 128bit, 192bit ve 256 bit anahtar uzunluklarında ve ECB, OFB, CFB, CTR ve CBC modlarında ayrı ayrı performans ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Akış şifreleme algoritmalarında (Ascon ve Chacha) 128bit, 192bit ve 256bit anahtar uzunlukları ayrı ayrı uygulanarak performans ölçümleri gerçekleştirilmiştir. 512 byte'lık veri şifreleme ve şifre çözme işlem işlemi gerçekleştirilmiş ve bir byte'lık verinin işlem süresi üzerinden karşılaştırma yapılmıştır. Çalışma, hafif sıklet algoritmalarında anahtar uzunluklarının ve blok modlarının etkisini ve geleneksel şifreleme algoritmalarından olan Aes algoritmasıyla performans farklarının belirlenmesini amaçlamaktadır.

Özet (Çeviri)

Today, smart home systems and Internet of Things (IoT) devices stand out as technologies that radically change our lifestyle and make significant contributions to a number of usage areas. Smart home systems offer various benefits such as improving quality of life, optimizing energy efficiency and increasing security through home automation and connected devices. Homeowners can remotely control their heating and cooling systems through smart thermostats, save energy with smart lighting systems, and monitor their homes through security cameras. IoT devices in smart home systems play an important role in data communication, and this process forms the basis of home automation. These devices collect various data through various sensors and connected hardware. For example, smart thermostats detect indoor and outdoor temperature data of the home, security cameras record images, and motion sensors monitor activities in the home. Data communication between these devices usually occurs over wireless networks. The use of communication protocols such as Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee and Z-Wave ensures fast and reliable data transfer between devices. This gives homeowners remote access via mobile apps or other smart home control tools. Thanks to this, users can monitor the status of their home, control devices remotely and even optimize their energy consumption. Preferring Wi-Fi for data transmission between IoT devices in smart home systems is of great importance in providing a fast, reliable and wide-coverage communication infrastructure. Wi-Fi stands out as a wireless network technology and contributes to the interactive and smooth operation of smart home devices with its many advantages. Data communication also enables interaction between devices in smart home systems. For example, a smart thermostat receives outdoor temperature data and automatically adjusts the home's interior temperature based on that information. Additionally, when security cameras detect movement, this information is reported to other devices, allowing them to react to a specific event, such as turning on lights or activating an alarm. In smart home systems, using the MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) protocol in communication between IoT devices plays an important role in ensuring effective and efficient data transfer. The reasons why MQTT is preferred are its lightweight design, broadcast/subscriber model, reliable communication, and flexible usage features. First of all, MQTT's lightweight nature is highly advantageous for energy-limited IoT devices. Since these devices are generally battery-based or optimized to minimize xviii energy consumption, MQTT's low bandwidth requirement and low resource consumption contribute to longer battery life of these devices. Additionally, MQTT's broadcast/subscribe model enables flexible and instantaneous data sharing between devices. The data that a device broadcasts on a topic can be instantly received by other devices, enabling real-time interaction between devices in the smart home. For example, when a motion sensor detects activity, this information can be quickly transmitted to other devices via MQTT so that other devices in the home can react accordingly. However, security measures also play a critical role in this data communication process. Encrypting data and using secure wireless networks helps homeowners protect their personal information and the security of their homes. In this way, smart home systems offer their users both a more comfortable life and a safe technology experience. In smart home systems, data carried between IoT devices plays a key role in ensuring the integration and functionality of the systems. This data enables users to manage their homes more efficiently, increase their security and optimize their overall living comfort. Encrypted data transmission between IoT devices in smart home systems is of critical importance to protect users' privacy and home security. These systems enable various devices in the home to communicate with each other, providing a more comfortable and smart lifestyle. However, if encryption is not used during data transmission between these devices, sensitive data such as personal information and in-home activities can potentially fall into the hands of malicious individuals. The use of lightweight encryption algorithms in data transmission between IoT devices in smart home systems provides significant advantages. These lightweight algorithms focus on low energy consumption while providing strong security. Since smart home devices often operate in energy-constrained environments, it is a critical factor that the encryption algorithms used in data transmission are lightweight and energy efficient. There are various reasons why traditional encryption algorithms are not preferred in data transmission between IoT devices in smart home systems. These reasons include the fact that traditional encryption algorithms generally require excessive resource consumption and incompatibility with fast data transmission. Traditional encryption algorithms generally require high computing power and memory capacity, which is unsuitable for energy-constrained IoT devices. In addition, traditional encryption algorithms generally require high computing power and memory capacity. The large key lengths and complexity of encryption algorithms contrast with the limited processing capabilities of smart home devices. Low resource consumption is important because these devices are generally battery-based or optimized for energy efficiency. Since traditional encryption algorithms cannot work efficiently on such devices, lighter and energy-friendly encryption methods are preferred. Lightweight encryption algorithms contribute to providing real-time responses by accelerating data transmission processes. Particularly in smart home applications, instantaneous data exchange between devices is often required. For example, a motion sensor must immediately transmit any activity it detects to the central control unit. Lightweight encryption algorithms enable such fast and continuous data transmission, minimizing delays and contributing to the smooth operation of smart home systems in daily use. Additionally, energy-saving lightweight encryption algorithms help extend the battery life of smart home devices. Because these algorithms provide security by consuming less energy, so devices can be used for a longer time. This is especially important for battery-based devices or devices operating in energy-constrained environments. The key length of encryption algorithms is a critical factor in the security of data. The key length determines the mathematical complexity and security level of the encryption algorithm. Typically, algorithms use 128-bit, 192-bit and 256-bit key lengths, providing different levels of security. Algorithms with a 128-bit key length provide security that is generally considered sufficient for most applications today. 192-bit key length represents a more complex password structure than 128-bit and provides a higher level of security. The 256-bit key length represents the strongest level of encryption so far. Keys of this length offer a level of security that is nearly impossible to break with current technology. ECB (Electronic Codebook), OFB (Output Feedback), CFB (Cipher Feedback), CTR (Counter), and CBC (Cipher Block Chaining) modes enable encryption algorithms to be adapted to the scenarios in which they are used. In this study, the performance comparison of lightweight encryption algorithms used in data communication in smart home systems was made. The devices used in smart home systems were simulated. Nodemcu and Raspberry Pi3 devices were used in the simulation. While the Nodemcu device represents IoT devices that perform actions and produce data in the home environment, the Raspberry Pi device represents the central control unit. In the simulation system, the NodeMCU device uses the operating time, device settings and encryption algorithm selected via the user interface. operated according to the options. The Nodemcu device sent the data it produced during its operation to the central control device over the wireless network. MQTT broker is run on the Raspberry device. The Raspberry device monitors the issue at the broker as a central control device. It broadcasted from the Nodemcu device to the relevant topic on the MQTT broker. The central control unit decrypted the data in the incoming broadcast. And then saved it to Sqlite database. In the simulation system, the Nodemcu device represented the smart home device. Performance measurements of various encryption algorithms were made on the Nodemcu device. Performance measurements were carried out using Aes, one of the traditional encryption algorithms, and Ascon, Speck and Chacha algorithms, which are lightweight encryption algorithms. 128bit, 192bit and 256bit long keys were implemented separately on all encryption algorithms. Speck and Aes encryption algorithms are block cipher algorithms. Modes are among the factors that affect performance in block cipher algorithms. ECB, OFB, CFB, CTR, CBC modes have been implemented separately in block cipher operations. The study aimed to obtain the performance differences between lightweight encryption algorithms and traditional encryption algorithms. In addition, it is aimed to determine the effects of key lengths and modes on encryption algorithms.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    600698

    Knx bina otomasyonu veri yolu standardı üzerinden bağlu olduğu klimanın kontrolünü sağlayan arabirim tasarımı

    Design of air conditioner gateway via Knx building automation protocol

    FATİH MEHMET KUZUOĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Raylı Sistemler Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SALMAN KURTULAN

  2. Tez No

    284299

    Mobil sensör cihazları kullanılarak ısı ve nem değerlerinin ölçümü ve değerlendirilmesi

    Evaluation and measurement of temperature and humidity values using mobile sensor devices

    ÖNDER MUSTAFA GEREN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2010

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolMaltepe Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Bölümü

    YRD. DOÇ. DR. ŞENOL ZAFER ERDOĞAN

  3. Tez No

    738349

    Retrieving and classifying emergency situations for smart home applications

    Akıllı ev uygulamaları için acil durumların saptanması ve sınıflandırılması

    SEHER MAVİ UÇAR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA DOĞAN

  4. Tez No

    720491

    Elektronik haberleşme cihazları - veri hizmet araçları ve kayıt birimi

    Electronical communication equipments - data utilities and record unit

    GÖRKEM OCAK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolEskişehir Osmangazi Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İDİRİS DAĞ

  5. Tez No

    315194

    Sensör kullanılarak akıllı bir çöp kutusu uygulaması

    Smart garbage can application using sensor

    VEYSEL KARADAĞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2011

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiMaltepe Üniversitesi

    Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ŞENOL ZAFER ERDOĞAN

Geri Dön