FPGA üzerinde ileri şifreleme yöntemi tasarlanması
Designing advanced encryption methodolgy on FPGA
- Tez No: 977571
- Danışmanlar: PROF. DR. HASAN ŞAKİR BİLGE
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Açık anahtarlı kripto sistemler, FPGA, Gizli anahtarlı kripto sistemler, Public key cryptosystems, FPGA, Secret key crypto systems
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Gazi Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu çalışma, gömülü sistemleri kod hırsızlığına karşı korumak amacıyla, kritik bir literatür boşluğunu dolduran, enerji-farkındalıklı (energy-aware) hibrit bir güvenlik çerçevesi (HGÇ) sunmaktadır. Yaklaşım; bit akışı şifrelemesi, mesaj-başı dinamik anahtar üretimi ve Dinamik Fonksiyon Değişimi (DFX) tabanlı bellek yanıltmasını bütünleştirerek, ROM kazıma ve yan kanal analizleri gibi fiziksel müdahalelere ve iletişim dinlemesi gibi mantıksal saldırılara karşı katmanlı bir donanım-yazılım karşı önlemi sunmaktadır. Xilinx Zynq-7020 SoC üzerinde prototiplenen yöntem, Ascon-XOF tabanlı bir Anahtar Türetme Fonksiyonu (KDF) ile her mesaj için taze bir Kimlik Doğrulamalı Şifreleme (AEAD) anahtarı üretir. Eş zamanlı olarak, gizli anahtar malzemesini ve seçili kod sayfalarını barındıran BRAM bloklarını DFX ile sürekli yer değiştirerek 'hareketli hedef' savunması uygular. Bu strateji fiziksel müdahaleleri zorlaştırırken, kriptografik gizlilik ve bütünlük ise hafif AEAD katmanı tarafından sağlanır. Yapılan donanım değerlendirmesi, önerilen HGÇ çerçevesinin yalnızca ASCON-128a ile değil, aynı zamanda ACORN-128, TinyJAMBU-128 ve JAMBU-PRESENT-128 gibi farklı hafif AEAD algoritmalarıyla da başarılı bir şekilde bütünleşebildiğini göstermiştir. Her bir algoritma için HGÇ'nin getirdiği ek gecikme ve enerji maliyeti nicel olarak ölçülmüş, böylece çerçevenin genel uygulanabilirliği ve ortogonalliği deneysel olarak kanıtlanmıştır. Çevrimiçi anahtar değişiminden kaçınarak ve uzun ömürlü sırların fiziksel konumunu sürekli değiştirerek, bu çerçeve FPGA tabanlı sistemlerde kod hırsızlığına karşı uygulanabilir ve katmanlı bir savunma sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
This work presents an energy-aware hybrid security framework (HSF) to protect embedded systems against code theft, filling a critical literature gap. The framework integrates bitstream encryption, per-message dynamic key generation, and memory obfuscation based on Dynamic Function eXchange (DFX) to provide a layered hardware-software countermeasure against physical tampering, such as ROM scraping and side-channel analysis, as well as logical attacks like communication eavesdropping. Prototyped on a Xilinx Zynq-7020 SoC, the method employs an Ascon-XOF-based Key Derivation Function (KDF) to generate a fresh Authenticated Encryption with Associated Data (AEAD) key for each message. Concurrently, it implements a moving-target defense by continuously relocating the BRAM blocks that host secret keying material and selected code pages using DFX. While this strategy thwarts physical attacks, cryptographic confidentiality and integrity are ensured by a lightweight AEAD layer. The hardware evaluation demonstrates that the proposed HSF framework can be successfully integrated not only with ASCON-128a but also with other diverse lightweight AEAD algorithms, such as ACORN-128, TinyJAMBU-128, and JAMBU-PRESENT-128. The overhead in latency and energy introduced by HSF was quantitatively measured for each algorithm, thereby experimentally proving the framework's general applicability and orthogonality. By avoiding online key exchange and continuously relocating the physical position of long-term secrets, the framework offers a practical and layered defense against code theft vectors in FPGA-based systems.
Benzer Tezler
- Development of application specific transport triggered processors for post-quantum cryptography algorithms
Post-kuantum kriptografi algoritmaları için uygulamaya özel taşıma tetiklemeli işlemcilerin geliştirilmesi
LATİF AKÇAY
Doktora
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SIDDIKA BERNA ÖRS YALÇIN
- Yakın alan haberleşmesi ile güvenli uygulamalar için donanım/yazılım ortak sistem tasarımı ve gerçeklenmesi
Hardware/software codesign and implementation for secure near field communication applications
SUBUTAY GİRAY BAŞKIR
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SIDDIKA BERNA ÖRS YALÇIN
- Design and FPGA implementation of an STM-1 transceiver system containing the advanced encryption standard algorithm
İleri şifreleme standart algoritmasını içeren bir STM-1 verici-alıcı sistemi tasarım ve FPGA gerçeklemesi
UMUT YAZKURT
Yüksek Lisans
İngilizce
2002
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÜNHAN DÜNDAR
- Implementation and comparison of advanced encryption standard (AES) modes on FPGA
Gelişmiş şifreleme standardı modlarının FPGA üzerinde gerçeklenmesi ve karşılaşrıtılması
MURAT KARATOPRAK
Yüksek Lisans
İngilizce
2011
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiDokuz Eylül ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ÖZGE ŞAHİN
- FPGA tabanlı şifreli kablosuz haberleşme sistemi
FPGA based encrypted wireless communication system
ILGAZ AZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiAna Bilim Dalı (disiplinlerarası)
DOÇ. DR. GÖKHAN İNALHAN