Ascon-AEAD128 algoritma performansının kaos tabanlı iyileştirilmesi ve IoRT uygulaması
Chaos-based enhancement of Ascon-AEAD128 algorithm performance and its application to IoRT
- Tez No: 988777
- Danışmanlar: PROF. DR. OSMAN ELDOĞAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bilişim, robotik ve nesnelerin interneti alanlarında yaşanan hızlı gelişmelerle birlikte, tarım, sağlık, endüstri ve savunma gibi pek çok sahada hem üretilen veri miktarı hem de bu veriyi işleyen robot ve gömülü cihaz sayısı hızla artmaktadır. Bu durum, robotlar ile IoT düğümleri arasında gerçek zamanlı ve güvenli veri iletişimini sağlayabilecek hafif sıklet şifreleme çözümlerine duyulan ihtiyacı artırmaktadır. Bu tez çalışmasında, söz konusu gereksinimi karşılamaya yönelik olarak Ascon-AEAD128 hafif sıklet şifreleme algoritmasına iki boyutlu Zaslavsky, Ikeda, Lozi, Sine-Cosine ve Tinkerbell ayrık kaotik haritalar entegre edilmiş ve robot-robot ile robot-IoT iletişimine yönelik kaos tabanlı Ascon varyantları önerilmiştir. Önerilen yapıda IV, key ve nonce değerlerinin yanı sıra Ascon'un permütasyon tur sabitleri ve doğrusal difüzyon sabitleri, kaotik sistemlerin başlangıç koşullarına hassas bağımlılığı ve karmaşık dinamik yapısından yararlanılarak dinamik hâle getirilmiştir. Kaotik haritaların durum değişkenlerinden rastgele sayı üreteçleri tasarlanmış ve NIST SP 800-22 test paketiyle değerlendirilmiştir. Elde edilen p-değerleri, üretilen dizilerin kriptografik rastgelelik açısından istatistiksel olarak kabul edilebilir nitelikte olduğunu göstermiştir. Önerilen kaos tabanlı Ascon varyantları; USC-SIPI görüntü veritabanından seçilen farklı boyutlardaki renkli ve gri görüntüler ile tarımsal ve cerrahi sahalardan elde edilen gerçek renkli görüntüler üzerinde test edilmiştir. Histogram, entropi, ki-kare ve korelasyon ile NPCR ve UACI analizleri, kaos tabanlı Ascon'un standart Ascon'a kıyasla daha yüksek rastgelelik, daha güçlü yayılım ve daha düşük korelasyon sağladığını ortaya koymuştur. MSE, MAE ve PSNR metrik sonuçları, şifreli görüntülerin orijinal görüntülerden piksel düzeyinde güçlü biçimde ayrıldığını doğrulamaktadır. Anahtar uzayı analizi, kaotik haritaların geniş ayrık parametre alanına rağmen nihai güvenlik düzeyinin 128 bitlik Ascon-AEAD128 anahtarı ile uyumlu olarak 2^128 mertebesinde kaldığını göstermiştir. Anahtar hassasiyet analizleri ise kaotik parametrelerde 10^-14-10^-16 mertebesindeki küçük değişikliklerin ve anahtardaki tek bitlik farkların tamamen farklı şifreli görüntüler ürettiğini göstermiş, böylece diferansiyel ve anahtar tahminine dayalı saldırılara karşı yüksek duyarlılık ortaya konmuştur. ROS 2 tabanlı robot platformu üzerinde gerçekleştirilen zaman ve verim ölçümleri, C++ ile gerçekleştirilen uygulamalarda kaotik key, nonce üretiminin şifreleme ve şifre çözme süreçlerine yalnızca ihmal edilebilir düzeyde ek yük getirdiğini ve gerçek zamanlı IoRT senaryoları için yeterli performans sağladığını göstermiştir. Python ile gerçekleştirilen uygulamalarda zaman ölçümleri daha yüksek olmasına rağmen, her iki dildeki uygulamalarda Ascon-AEAD128 algoritmasının performans metriklerinde iyileşme gözlenmiştir.
Özet (Çeviri)
Rapid advances in informatics, robotics, and the Internet of Things have led to a substantial increase in both the volume of data generated and the number of robots and embedded devices that process this data across diverse domains such as agriculture, healthcare, industry, and defense. This trend heightens the demand for lightweight cryptographic solutions capable of providing real-time and secure data communication between robots and IoT nodes. In this dissertation, two-dimensional discrete chaotic maps, namely Zaslavsky, Ikeda, Lozi, Sine-Cosine, and Tinkerbell, are integrated into the lightweight cipher Ascon-AEAD128, and chaos-based Ascon variants are proposed for robot-to-robot and robot-to-IoT communications. In the proposed structure, not only the IV, key, and nonce values but also Ascon's permutation round constants and linear diffusion constants are rendered dynamic by leveraging the sensitive dependence on initial conditions and the complex dynamical behavior of chaotic systems. Random number generators were designed from the state variables of the chaotic maps and were evaluated using the NIST SP 800-22 statistical test suite. The resulting p-values indicate that the generated sequences are statistically acceptable in terms of cryptographic randomness. The proposed chaos-based Ascon variants were tested on color and grayscale images of different sizes selected from the USC-SIPI image database, as well as on real-world color images acquired from agricultural and surgical domains. Analyses based on histogram, entropy, chi-square, and correlation, together with NPCR and UACI, show that the chaos-based Ascon provides higher randomness, stronger diffusion, and lower correlation than the standard Ascon. The MSE, MAE, and PSNR results further confirm that the encrypted images differ markedly from the original images at the pixel level. Key-space analysis shows that, despite the large discrete parameter space of the chaotic maps, the overall security level remains on the order of 2^128, consistent with the 128-bit key of Ascon-AEAD128. Key-sensitivity analyses show that minute perturbations in the chaotic parameters on the order of 10^-14 to 10^-16, as well as single-bit differences in the key, produce completely different encrypted images, demonstrating high sensitivity against differential attacks and brute-force attacks. Timing and throughput measurements conducted on a ROS 2-based robotic platform indicate that, in the C++ implementations, chaotic key and nonce generation introduces only a negligible overhead to the encryption and decryption processes and delivers sufficient performance for real-time IoRT scenarios. Although the Python implementations yield higher execution times, improvements in the performance metrics of the Ascon-AEAD128 algorithm are observed in implementations in both languages.
Benzer Tezler
- FPGA üzerinde ileri şifreleme yöntemi tasarlanması
Designing advanced encryption methodolgy on FPGA
CEMİL BAKİ KIYAK
Doktora
Türkçe
2025
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGazi Üniversitesiİleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN ŞAKİR BİLGE
- Differential-linear cryptanalysis of Ascon and Drygascon
Ascon ve Drygascon şifrelerinin diferansiyel-lineer kriptanalizi
ASLI BAŞAK CİVEK
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Bilim ve TeknolojiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiSiber Güvenlik Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ CİHANGİR TEZCAN
- Instruction extension of RV32i and GCC back end for ascon lightweight cryptography algortihm
RISC-V komut seti mimarsi ve GNU derleyici koleksiyonunun ASCON şifreleme algoritması için genişletilmesi
ÖZLEM ALTINAY
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SIDDIKA BERNA ÖRS YALÇIN
- Statistical randomness testing of second round candidate algorithms of the Caesar competition
Caesar yarışmasına katılan ikinci tur aday algoritmaların istatistiksel rastgelelik testleri
BETÜL AŞKIN ÖZDEMİR
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
MatematikAtılım ÜniversitesiMatematik Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. FATİH SULAK
- Low power secure SoC for IoT devices using lightweight cryptography acceleration
Nesnelerin interneti için hafif kriptografi hızlandırıcılı düşük güç tüketimli yonga üstü sistem tasarımı
HİKMET SEHA ÖZTÜRK
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ İSMAİL FAİK BAŞKAYA