Geri Dön

Implementation and analysis of the secret key generation algorithm using software defined radios

Yazılım tanımlı radyolar kullanarak gizli anahtar oluşturma algoritmasının gerçekleştirilmesi ve analizi

PDF İndir

  1. Tez No: 867664
  2. Yazar: ERTUĞRUL ALPER
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ENVER ÖZDEMİR
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Bilim ve Teknoloji, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Computer Engineering and Computer Science and Control, Science and Technology, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Bilgi Güvenliği Mühendisliği ve Kriptografi Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 105

Özet

Kablosuz haberleşme sistemlerinin kullanımı gün geçtikçe artmaktadır ve yapılan geliştirmeler ve geliştirilen teknolojiler neticesinde bu sistemlerin güvenliği ön plana çıkmıştır. Bu sistemler birçok farklı alanda farklı teknik ve teknolojiler ile kullanılmaktadır dolayısıyla tek bir çalışmada tüm bu sitemlerin güvenliğini kapsamak mümkün değildir. Dolayısıyla bu tez için iki ve üç düğümlü, dağınık yapıya sahip, çift yönlü çoklu erişim kanalına sahip bir sistem tasarlanmıştır ve bu sistemin güvenliği esas alınarak bir kriptografik gizli anahtar üretme algoritması uygulanmış ve analiz edilmiştir. Tezin ilk bölümünde, tezin amacı dağınık düğüm yapısında kablosuz haberleşme sistemlerinde güvenli bir biçimde veri aktarabilmek için gerekli olan gizli anahtar üretimi algoritmasının tasarımı, analizi ve uygulaması olarak belirlenmiştir. Daha sonra tezde kullanılan çok yönlü iletim kanalları ve fonksiyon hesaplama teknikleri üzerinde literatür taraması yapılmış ve sonuçları üzerinde tartışılmıştır. Tezin daha sonraki bölümlerinde, kablosuz haberleşme sistemleri ile ilgili ayrıntılı temel bilgiler açıklanmış ve sonrasında çoklu iletim kanalları detaylı bir şekilde incelenmiştir. Bu kısımda özellikle kablosuz çift yönlü çoklu erişim kanalları (W-FMAC) üzerinde durulmuş ve yapılan simülasyon ve uygulamalarda bu teknolojiden yararlanılmıştır. Bunun yanında kablosuz tek yönlü çoklu erişim kanalları (W-HMAC) ve dikey olmayan çoklu iletişim kanalları (NOMA) örnekleri, kullanım alanları, temel özellikleri ile kapsamlı olarak ele alınmıştır. Daha sonrasında sinyallerin havada iletilirken hesaplanarak alıcıda anlamlı bilgi edilmesi amaçlanan fonksiyon hesaplaması (FC) teknikleri üzerinde durulmuştur. Bu kısımda öncelikle havada bu hesapların nasıl yapılabildiğinden, gönderici ve alıcıda ne tür tasarımların yapılması gerektiğinden bahsedilmiştir. Tezin devamında analog fonksiyon hesaplaması (AFC) tekniğinden yararlanıldığını vurgulanmış ve bu tekniğin uygulanması için gönderici antende ön işlem fonksiyonları ve alıcı antende işlem sonrası fonksiyonlarının kullanımlından bahsedilmiş ve bu fonksiyonların işlevi matematiksel olarak detaylıca açıklanmıştır. Ayrıca diğer bir fonksiyon hesaplama tekniği olan dijital fonksiyon hesapla (DFC) bu bölümde incelenmiş ve AFC tekniği ile karşılaştırması yapılmış, artı ve eksileri gösterilmiştir. Kablosuz haberleşme ile verilen bu değerli bilgiler, tezin ilerleyen kısımlarında anlatılan kriptografik anahtar üretme algoritmasının simüle edilmesi ve uygulanmasında kritik önem taşımaktadır ve iki ve üç kullanıcı test sitemleri bu temelde oluşturulmuştur. Tezin devam eden kısmında ise çalışmanın ana teması olan kriptografik anahtar üretimi algoritması detaylı bir biçimde ele alınmıştır. Öncelikle kablosuz haberleşme sistemleri kısmında anlatılan bilgiler ışığında ve kablosuz tek yönlü çoklu erişim kanalları tekniği kullanılarak N kullanıcıdan oluşan bir sistem tasarlanmış ve sistem modeli görselleri ve parametreleri ile sunulmuştur. Daha sonra gizli anahtar üretim algoritmasının gerçeklenmesi için gerekli olan AFC tekniğinden yararlanılmış ve kullanılan işlem fonksiyonları matematiksek olarak açıklanmış ve hesaplar yapılmıştır. Bu kısımda kullanıcılar tarafından seçilen gizli anahtarların Gauss asal sayıları olduğu vurgulanmış ve asal sayıların sistemin ana temelini oluşturulduğu matematiksel kanıtı ile sunulmuştur. Sonrasında, simülasyon ortamında oluşturulan kanal modelinden bahsedilmiş ve kanal parametreleri işlev ve değerleri ile gösterilmiştir. Devamında ise test ortamında gerçeklenen gizli anahtar üretim algoritmasının başarısını ölçmek adına hata modelleri oluşturulmuştur. Bu hata modellerinin temeli başarıyı etkileyen en önemli etken olarak nitelendirilen kullanıcılar arası mesafe ve kanal kestirim kat sayıları olarak belirlenmiş ve test ortamında Monte Carlo simülasyonları gerçekleştirilerek sistem başarısı farklı açılardan ölçülmüş ve üretilen grafikler detaylı açıklamaları birlikte performans ölçümü kısmında verilmiştir. Devamında ise elde edilen sonuçlar tartışılmış ve başarıyı etkileyen ana etkenler ve etkenlerin ideal değerleri paylaşılarak algoritmanın gerçeklenmesi sırasında kolaylık sağlanması amaçlanmıştır. Gizli anahtar üretim algoritmasının gerçeklenmesi yazılım tanımlı radyolar ile sağlandığı için öncelikle yazılım tanımlı radyonun ne olduğundan, nasıl geliştirildiğinden ve ne gibi bir kolaylık sağladığından bahsedilmiştir. Sonrasında bu radyoları programlayabilmek için kullanılan en yaygın açık tabanlı yazılım aracı olan GNU Radio'dan bahsedilmiştir. Bu yazılın aracını hangi platformlarda kullanılabildiğinden, nasıl yüklenildiğinden ve kullanımında en önemli kısım olan nasıl yazılım blokları oluşturulabildiğinden yine kapsamlı olarak bahsedilmiş ve bu anlatım gerekli yerlerde örnek tasarım ve resimlerle desteklenmiştir. İlerleyen kısmında ise yazılım tanımlı radyoların donanım bileşimi olan Evrensel Yazılım Radyo Donanımı (USRP) ele alınmıştır ve donanım mimarisi açıklanmıştır. Sonrasında Ettus araştırma tarafından geliştirilen ve USRP olarak bilinen donanımlarımdan bahsedilmiş. Ettus tarafından üretilen farklı USRP cihazları çeşitli etmenlere göre karşılaştırılmış ve artı ve yönleri sunulmuştur. Ayrıca bu çalışmada USRP B210 modelinin kullanıldığı vurgulanmış ve bu ekipmanla neler yapılabildiği gösterilmiştir. Ayrıca önceki kısımda açıklanan yazılım aracında (GNU Radio) USRP alıcı ve kaynak bloklarının nasıl kullanıldığından ve hangi parametrelerin ayarlanması gerektiğinden bahsedilmiş ve bu anlatım örnek akış çizelgesi ve ekran alıntıları ile desteklenmiştir. Tezin bir sonraki aşamasında ise önceki bölümlerde anlatılan temel bilgiler esas alınarak gizli anahtar üretimi algoritmasının yazılım tanımlı radyo kullanarak nasıl gerçeklendiğinden bahsedilmiş. Bu kısımda öncelikle bu işlemi gerçekleştirmek için gerekli olan yazılım ve donanımlardan bahsedilmiş ve kurulan sistemin görseli paylaşılmıştır. Sonrasında iki kullanıcılı bir sistem için gizli anahtarın nasıl transfer edildiği ve alıcıda nasıl tekrar oluşturulduğu üzerinde durulmuştur. Devamında ise GNU Radio üzerinde oluşturulan gönderici ve alıcı sitemlerinin detaylı şeması, akış çizelgesi, kullanılan tüm parametreler ve oluşturulan yazılım blokları gösterilmiştir. Daha sonra bu çalışmada elde edilen gizli anahtar değeri ile teorik hesaplanan gizli anahtar karşılaştırılmış ve hata hesaplamaları yapılmıştır. Tezin son bölümünde ise yapılan tüm bu işlemler özetlenmiş ve çalışmanın pratik uygulamasının üzerinde tekrar durulmuştur. Son olarak ise bu çalışmanın devamı olarak nitelendirilen ileriki çalışmaların içeriğinin ne olacağından ve hangi kısımlarının daha çok geliştirileceğinden bahsedilmiştir.

Özet (Çeviri)

As the use of wireless communication systems increases, their security has become a critical focus due to various technological advancements. Given the diversity of applications and technologies, it is not possible to address the security concerns of all wireless systems in a single study. Therefore, this thesis presents the design, analysis, and implementation of a cryptographic secret key generation algorithm within a two- and three-node distributed wireless system featuring full-duplex multiple access channels, aimed at improving security in wireless communications. In addition, the thesis includes a comprehensive review of the literature on multiple access channels and computational techniques, discussing the findings in detail. In the following chapters of the thesis, wireless communication systems are explained, and then multiple access channels are examined in detail. In this section, especially wireless full-duplex multiple access channels (W-FMAC) are emphasized, and this technology is used in simulations and implementations. In addition, examples of wireless half-duplex multiple access channels (W-HMAC) and non-orthogonal multiple access channels (NOMA) are discussed comprehensively with their usage areas. Afterwards, function computation (FC) techniques are defined which compute signals while transmitting them in the air and providing meaningful information to the receiver. In this section, it is mentioned how these calculations can be made in the air and what kind of designs should be made in the sender and receiver nodes. Afterwards, it is emphasized that the analog function computation (AFC) technique is used in this project and pre-processing and post-processing functions are used in the transmitting antenna and receiving antenna recursively. In addition, digital function computation (DFC) is also examined in this section and compared with the AFC technique. This valuable information provided by wireless communication is critical in simulating and implementing the cryptographic key generation algorithm described later in the thesis, and two- and three-node test systems are created on this basis. In the following part of the thesis, the cryptographic key generation algorithm, which is the main theme of the study, is discussed in detail. First, using the wireless full-duplex multiple access channels technique, a system consisting of N users is designed and presented with the system model. Then, the AFC technique is used, which is required for the implementation of the secret key generation algorithm, and the processing functions are explained. In this section, it is emphasized that the secret keys chosen by the nodes are Gaussian prime numbers, and it is proved that those prime numbers form the main basis of the system. Afterwards, the channel model is created in the simulation environment, and the channel parameters are shown. Subsequently, error models are created to measure the success of the secret key generation algorithm implemented in the test environment. The basis of these error models is determined as the distance between users and the channel estimation coefficients, and the success of the system is measured by performing Monte Carlo simulations in the test environment. The detailed explanations of the results are then given in the performance evaluation section. Afterwards, the results obtained are discussed and the ideal values of the system parameters are shared to improve the implementation of the algorithm. Furthermore, the term software defined radio (SDR) is explained, and its abilities and usage areas are shown. GNU Radio, the most common open source software toolkit used to program SDRs, is mentioned. Then, the platforms compatible with GNU Radio, the installation process, and the creation of software blocks are investigated. This discussion is enhanced with sample designs and flowgraphs. In the following section, Universal Software Radio Hardware (USRP), which is the hardware combination of software-defined radios, is discussed, and the hardware architecture is explained. Then, different Ettus USRP devices are compared according to various factors and their pros and cons are presented. In addition, it is emphasized that the USRP B210 model is used in this study. In addition, it is described how to use the USRP receiver and source blocks in GNU Radio and what parameters need to be set. In the next stage of the thesis, based on the basic information described in the previous sections, it is mentioned how the secret key generation algorithm is implemented using an SDR. In this section, first, the software and hardware required to perform this operation are shown. Then, it focuses on how the secret key is transferred for a two-user system and how it is reconstructed in the receiver node. This follows a detailed diagram of the transmitter and receiver systems created on GNU Radio, the flow chart, all the parameters used, and the software blocks created. Finally, the secret key value obtained in this study is compared with the theoretically calculated secret key, and error calculations are made. In the final section of the thesis, a summary of all these operations is provided and the practical implementation of the study is highlighted once more. Finally, the thesis outlines the scope of subsequent research, presented as an extension of this work, and identifies the areas that will receive further development.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    363542

    New approaches on the enhancement of side channel attack measurements against cryptographic devices

    Kripto aygıtlarına karşı yapılan yan kanal atak ölçümlerinin iyileştirilmesi üzerine yeni yaklaşımlar

    AHMET EMİN BEKMEZCİ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İSMAİL SERDAR ÖZOĞUZ

  2. Tez No

    39204

    Paralel işaret işleme sistemi ve bir uygulama

    A Parallel signal processing system and an application

    FATİH KURUGÖLLÜ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1994

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. A. EMRE HARMANCI

  3. Tez No

    893101

    Physical layer techniques for 5G and beyond wireless systems

    5G ve ötesi kablosuz sistemler için fiziksel katman teknikleri

    ABUU BAKARI KIHERO

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    İletişim Bilimleriİstanbul Medipol Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği ve Siber Sistemler Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HÜSEYİN ARSLAN

  4. Tez No

    329403

    A practical and formal analysis of distributed private key generation for identity based cryptography

    Kimlik tabanlı kriptografik sistemler için dağıtık gizli anahtar üretiminin işlevsel ve biçimsel açıdan incelenmesi

    GÖRKEM KILINÇ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolYaşar Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. AHMET HASAN KOLTUKSUZ

  5. Tez No

    614007

    Present blok şifreleme algoritmasının FPGA gerçeklemesi ve yan kanal analizi

    FPGA implementation and side channel analysis of block cipher present

    YASİN REŞİT YARGICI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolBalıkesir Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SELÇUK KAVUT

Geri Dön