Gizli anahtar şifrelemesi kullanan sualtı akustik algılayıcı ağlarda kritik düğümlerin ağ yaşam süresine etkilerinin özgün bir eniyileme çerçevesi tasarlanarak irdelenmesi
Design of a novel optimization framework for the analysis of the impact of critical nodes on network lifetime of underwater acoustic sensor networks utilizing private key cryptography
Yazar: BURAK EMRE ÜN
Danışman: PROF. DR. BÜLENT TAVLI ; DOÇ. DR. HÜSEYİN UĞUR YILDIZ
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Akustik algılama = Acoustic perception ; Ağ güvenliği = Network security ; Doğrusal programlama = Linear programming ; Gizli anahtarlı kripto sistemler = Secret key crypto systems ; Kablosuz ağlar = Wireless networks ; Matematiksel programlama = Mathematical programming ; Su altı = Underwater

Özet:
Okyanuslar ve denizler dünya yüzeyinin yaklaşık yüzde yetmişini kaplamaktadır. Günümüzde sualtı yaşamı hala birçok bilinmezlik barındırmasıyla sayısız keşif imkanı sağlamaktadır. 20 yy. sonlarına doğru yarı iletken teknolojisinin ilerlemesi üretim maliyetlerinin büyük ölçüde azaltmıştır. Donanımların maliyetlerinin düşmesi algılayıcı ağların popülerliğini arttırmıştır. Fakat sualtındaki yüksek basınç, aşınma vb. zorlu koşullar nedeniyle bu tarz ortamlara uygun algılayıcıları tasarlamak zorlu ve maliyetli bir iştir. Buna ek olarak algılayıcıları bu bölgelere yerleştirmek ve bakımını yapmak kalifiye ve maliyetli işçilik gerektirmektedir.
Sualtı Akustik Algılayıcı Ağlar (SAAA) genellikle zor ortamlara seyrek olarak dağıtılırlar. Bir kere dağıtıldıktan sonra algılayıcılara erişim kısıtlıdır. Algılayıcı düğümler arası gönderilen verilerin güvenliği veri paketlerinin şifrelenmesi ile sağlanır. Su altına dağıtılan algılayıcı düğümlerin sınırlı donanımları sebebiyle hafızaları kısıtlıdır. Hafıza kısıtı nedeniyle her düğümde gizli anahtar kümesinin sadece belirli bir kısmı bulunur. Güvenli bağlantının sağlanabilmesi için sadece iki düğüm birbirine veri gönderebilecek mesafede olması yetmez ayrıca aynı gizli anahtarı da bulundurması gerekir. Ana istasyon tüm gizli anahtarları barındırdığı için algılayıcı düğümler topladıkları verileri direkt olarak ana istasyona gönderebilirler. Buna ek olarak topladıkları verileri aynı gizli anahtarı paylaştığı yani güvenli bağlantı kurabildiği diğer algılayıcı düğümler üzerinden de ana istasyona gönderebilirler. Ağdaki düğümlerin hepsi güvenli bağlantı kuramadıkları için birbirleriyle haberleşemezler. Bu durum ana istasyona giden veri aktarım yollarının (diğer düğümler üzerinden) azalmasına sebep olur. Güvenli bağlantı kısıtından dolayı azalan veri aktarım yolları nedeniyle düğümler veri paketlerini aktarırken enerji olarak en verimli yolu kullanamazlar ve aktarım sırasında olması gerekenden daha fazla enerji harcarlar. Algılayıcı sensörlerin bataryaları limitli olması nedeniyle aktarım için harcadıkları enerji arttıkça ağın yaşam süresi kısalır. Azalan veri aktarım yolları ağı kritik düğüm saldırılarına daha açık hale getirir. Ağdaki en kritik düğümün etkisiz hale getirilmesi ağın yaşam süresini önemli ölçüde azaltmaktadır. Bu çalışmada gizli anahtar şifrelemesi kullanan Sualtı Akustik Algılayıcı Ağlarda kritik düğümün ağ yaşam süresine etkileri doğrusal programlama (DP) modeli oluşturularak ağın büyüklüğü, anahtar paylaşma olasılıkları ve kritik düğüm sayısı gibi farklı parametrelerle incelenmiştir.

Abstract:
Oceans and seas cover approximately 70% of the earth's surface. However, there are still a lot of unknowns about underwater life, which means there are a lot of opportunities for exploration. Semiconductor technology progressed rapidly toward the end of the twentieth century, lowering production costs dramatically. Due to harsh conditions such as high pressure, abrasion, and other factors, designing sensors suitable for such environments is a difficult and costly task. Furthermore, deploying and maintaining sensors in these areas necessitates highly skilled and expensive labor.
Underwater Acoustics Sensor Networks (UASN) are usually deployed sparsely in harsh underwater environments. Their access is restricted once the network is deployed. The encryption of the data packets ensures the security of the data sent between the nodes. Because sensor nodes have limited memory, each node only has a subset of the keys distributed across the entire network. In a secure communication scheme, two nodes must not only be at a certain distance from each other to send data, but they must also share the same secret key. As a result, only a portion of the physical links are available and can be used for secure communications. Since the sink node contains all the secret keys in the pool, the sensor nodes can send the data they collect directly to the sink node. In addition, they can send their gathered data to the sink node via other sensor nodes that have established a secure connection. Due to the secure connection constraint, available data transmission paths are limited, and nodes are unable to use the best transmission path when transferring data packets, consuming more energy than they should. Because the sensor's batteries are limited, the network's lifetime shortens as more energy is consumed for transmission. The effects of incapacitating the critical node on network lifetime in UASNs with incomplete secure connectivity were investigated using a linear programming (LP) model with various parameters such as network size, key sharing probabilities, and the number of critical nodes.