SPN ve feistel ağına dayalı hibrit hafif şifreleme algoritması tasarımı
Design of a hybrid lightweight encryption algorithm design based on SPNand feistel network
- Tez No: 997875
- Danışmanlar: PROF. DR. SIRMA YAVUZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Computer Engineering and Computer Science and Control
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Siber Güvenlik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Siber Güvenlik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Günümüzde Nesnelerin İnterneti (IoT) teknolojileri, yaşamın hemen her alanında yaygın olarak kullanılmakta ve dijital dönüşümün temel bileşenlerinden biri haline gelmektedir. IoT cihazları; sağlık sistemleri, akıllı şehir uygulamaları, sanayi 4.0 altyapısı, tarımsal otomasyon sistemleri, güvenlik sistemleri ve enerji yönetimi gibi kritik alanlarda kullanılmaktadır. Ancak bu cihazlar, genellikle sınırlı işlem gücüne, düşük bellek kapasitesine ve sınırlı enerji kaynaklarına sahiptir. Bu kısıtlamalar nedeniyle, geleneksel şifreleme algoritmalarının bu cihazlarda kullanımı hem verimlilik hem de uygulanabilirlik açısından önemli zorluklar doğurmaktadır. Bu bağlamda, IoT cihazlarına özgü, hem güvenli hem de kaynak dostu (lightweight) yeni nesil şifreleme algoritmalarına ihtiyaç duyulmaktadır. Bu çalışmada, Substitution-Permutation Network (SPN) ve Feistel ağı mimarilerinin güçlü yönlerini birleştiren yeni bir hibrit hafif şifreleme algoritması önerilmiştir. SPN yapısı, veride yüksek düzeyde karışıklık (confusion) ve yayılma (diffusion) sağlamakta, böylece algoritmanın kriptografik gücünü artırmaktadır. Öte yandan Feistel yapısı, terslenebilirlik özelliği sayesinde hem şifreleme hem de şifre çözme işlemlerini daha verimli hale getirmekte ve anahtar yönetimini kolaylaştırmaktadır. Bu iki yapının kombinasyonu, hem güvenlik hem de kaynak kullanımı açısından dengeli ve etkili bir algoritma ortaya koymaktadır. Önerilen algoritma 16 turluk bir Feistel ağı üzerine inşa edilmiştir. İlk giriş verisi, SPN ön işleme katmanından geçirilmekte, ardından her turda klasik Feistel işlemleri uygulanmaktadır. XOR tabanlı anahtar karışımı yalnızca tek sayılı turlarda gerçekleştirilerek işlem yükü azaltılmış ve enerji tüketimi optimize edilmiştir. Bu sayede algoritma, hem işlem süresi hem de donanımsal sadelik açısından avantaj sağlamaktadır. Algoritma, çeşitli değerlendirme kriterlerine göre test edilmiştir: işlem süresi, bellek kullanımı, güç tüketimi, difüzyon oranı ve klasik kriptanaliz saldırılarına (differential ve linear) karşı direnç. Yapılan testler, algoritmanın düşük kaynak tüketimi ile birlikte yeterli seviyede güvenlik sağladığını ve IoT cihazları için uygun olduğunu göstermektedir. Sonuç olarak, önerilen hibrit şifreleme algoritması; gömülü sistemler, akıllı sensör ağları ve diğer IoT bileşenleri için uygulanabilir, ölçeklenebilir ve güvenli bir çözüm sunmakta; literatüre katkı sağlayan yenilikçi bir yaklaşım olarak öne çıkmaktadır.
Özet (Çeviri)
Today, the Internet of Things (IoT) has become an integral part of modern digital infrastructure and is increasingly used across various domains such as healthcare, smart cities, Industry 4.0, agriculture, security systems, and energy management. IoT devices typically operate under severe resource constraints, including limited processing power, low memory capacity, and restricted energy supply. These limitations make it difficult to implement traditional cryptographic algorithms such as AES or RSA, which require significant computational resources. Therefore, there is a growing need for new lightweight cryptographic algorithms that can ensure data security while maintaining efficient performance in resource-constrained environments. In this study, we propose a novel hybrid lightweight encryption algorithm that combines the strengths of Substitution-Permutation Network (SPN) and Feistel network architectures. The SPN structure ensures a high level of confusion and diffusion, which increases cryptographic security, while the Feistel network offers reversibility and a simplified key management process, making encryption and decryption operations more efficient. This hybrid approach allows for a balanced trade-off between strong security and minimal resource consumption. The proposed encryption scheme is built on a 16-round Feistel structure. The input plaintext is first processed through a SPN-based preprocessing layer to enhance diffusion before entering the Feistel rounds. During the Feistel process, standard operations such as bitwise division, substitution, and permutation are performed. To reduce computational overhead, XOR-based key mixing is applied only during odd-numbered rounds. This selective key application improves energy efficiency and reduces the algorithm's complexity, which is ideal for embedded and mobile devices. The algorithm has been evaluated using several metrics including processing time, memory usage, energy consumption, diffusion rate, and resistance to classical cryptanalytic attacks such as differential and linear cryptanalysis. The results demonstrate that the algorithm provides strong security without excessive consumption of system resources. It is also adaptable to different hardware platforms and scalable for various IoT applications. In conclusion, the proposed hybrid lightweight encryption algorithm offers a practical and secure solution for embedded systems, wireless sensor networks, and other IoT-based infrastructures. With its low computational requirements and strong resistance to attacks, it presents a promising alternative for future-oriented secure communication in smart environments.
Benzer Tezler
- Gizli anahtarlı kriptosistemlerin tasarımında cebirsel yapıların önemi ve kriptanaliz
The importance of algebraic equations on secret key cryptosystems design and cryptanalysis
OSMAN KARAAHMETOĞLU
Doktora
Türkçe
2010
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolTrakya ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ERCAN BULUŞ
- Blok Şifrelerde Kullanılan Doğrusal Dönüşüm Yapılarının İncelenmesi
An Examination of Linear Transformation Structures used in Block Ciphers
FÜSUN YAVUZER ASLAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolTrakya ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. M. TOLGA SAKALLI
- Usage of mixed integer linear programming in cryptanalysis of block ciphers
Blok şifreleme algoritmalarının kripto analizinde ktplyaklaşımının kullanılması
HALİL İBRAHİM KAPLAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Matematikİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Uygulamaları Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ENVER ÖZDEMİR
- LALE: Yeni bir hafif siklet blok şifreleme algoritması tasarımı
LALE: A new lightweight block encryption algorithm design
FATMA BETÜL PAK
- SPN yapıdaki simetrik şifreleme algoritmalarının tasarımı, güvenlik ve performans analizleri
Security and performance analysis of symmetric ciphers with SPN construction, and their design
ÇAĞDAŞ GÜL
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolMarmara ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ORHUN KARA