Akış şifrelerin tasarım teknikleri ve güç analizi
Design techniques and strength analysis of stream ciphers
Yazar: FATMA BÜYÜKSARAÇOĞLU SAKALLI
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ERCAN BULUŞ
Trakya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control
Dizin: Kriptografi = Cryptography ; Rastgele sayılar = Random numbers ; İstatistik testler = Statistics tests

Özet:
Bu tez, simetrik şifreleme algoritmalarından akış şifreler ve blok şifreler ile ilgilidir. Akış şifrelerin tasarım yapıları, rassal sayı üretimi, rassallığın test edilmesi ve test kriterleri incelenmiş, akış şifreleme algoritmalarından bazıları için test kriterlerinin sonuçlarına yer verilmiştir. Diğer yandan simetrik şifreleme algoritmalarından olan blok şifreler için anahtar genişletme algoritmalarına yönelik yeni bir mimari sunulmuştur. Bu mimari Katı Çığ Kriteri Testi (SAC ? Strict Avalanche Criterion) ve bit sızdırma özellikleri dikkate alınarak geliştirilmiştir.Tezin giriş bölümünde temel şifreleme yapıları olan blok ve akış şifreler ve bu şifrelere karşı yapılan kriptanaliz saldırıları ile istatistiksel testlerin tanımı yapılmıştır.Tezin 2. bölümünde akış şifrelerin tasarım mimarileri ve matematiksel alt yapıları incelenmiştir3. Bölümde akış şifreleme algoritmalarında kullanılan rassal sayı üreteçleri incelenmiştir.4. bölümde kriptografik uygulamalarda kullanılan rassal sayıların ve bu sayılar kullanılarak geliştirilen anahtarların güvenilirliğini sağlamada önemli kriter oluşturan istatistiksel testler incelenmiştir. Rassallık için günümüzde pek çok uygulamada kullanılan NIST (National Institute of Standards and Technology - Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü) test paketinden faydalanılmış ve bu bölümde NIST test paketinde bulunan testlerin matematiksel alt yapıları incelenmiştir.5. bölümde blok şifreler ve bu şifrelerde kullanılan önemli yapılar tartışılmıştır. Buna ek olarak AES (Advanced Encryption Standard) blok şifresinin içyapısı ve anahtar genişletme algoritması incelenmiştir.6. bölümünde, seçilen akış şifreleme algoritmalarının çalıştırılmasıyla elde edilen anahtar değerlerinin NIST test paketi programına uygulanmasına ve sonuçlarının değerlendirilmesine yer verilmiştir7. bölümde AES'de kullanılan anahtar genişletme algoritmasının iki önemli eksiklikten (yavaş yayılım, bit sızdırma) yavaş yayılım özelliğindeki eksiklliğe dikkat çekilmiş, bu sorun geliştirilen programlar ile ölçülerek değerlendirmeler yapılmış ve gözlenen sorun için yeni bir yaklaşım önerilmiştir. Ayrıca bu çalışma iki eksikliği giderecek şekilde kolaylıkla geliştirilebilir.8. bölümde bir önceki bölümde açıklanan anahtar planlama stratejilerinden yola çıkarak herhangi bir blok şifresinde kullanılabilecek, istatistiksel özellikleri iyi yeni bir anahtar genişletme mimarisi sunularak bu mimariye ilişkin deneysel sonuçlara yer verilmiştir.9. bölümde tezde elde edilen sonuçların değerlendirilmesi yapılmıştır.

Abstract:
This thesis is related with symmetric encryption algorithms which cover stream ciphers and block ciphers. The design principles of stream ciphers, (pseudo) random number generation, testing of randomness and testing criteria of randomness are investigated. Also, the results of testing criteria of randomness for some chosen stream ciphers are shown. On the other hand, a new key expansion algorithm structure to be used in block cipher design is proposed by taking into account the two important properties for key expansion algorithm design for block ciphers which are Strict Avalanche Criterion (SAC) and bit leakage.In the introduction section of the thesis, an overview of block ciphers and stream ciphers, cryptanalytic attacks against these ciphers and an introduction to statistical tests for these ciphers are given.In the second chapter of the thesis, the design architecture of the stream ciphers and mathematical background of them are investigated.In the third chapter of the thesis, pseudo random number generators used in stream ciphers are investigated.In the fourth chapter of the thesis, statistical tests found in NIST (National Institute of Standards and Technology) package for evaluating the statistical properties of cryptographic primitives are investigated. Also, the mathematical background of these statistical tests is given.In the fifth chapter of the thesis, block ciphers and important components of block ciphers are discussed. In addition, an overview of AES (Advanced Encryption Standard) block cipher and its key expansion algorithm are given.In the sixth chapter of the thesis, the statistical tests found in NIST is applied to key streams obtained from chosen stream ciphers and an evaluation of the results are given.In the seventh chapter of the thesis, two important deficiencies related with AES key expansion algorithm are identified and a new approach for AES key expansion algorithm solving the problem of slow diffusion property is given. This study can also easily be developed to solve the two important deficiencies which are slow diffusion and bit leakage.In the eighth chapter of the thesis, a new structure for key expansion algorithms, which can be implemented independently of a block cipher, is given. In addition, an implementation of this structure together with results is given. This new structure gives very good results from the point of statistical view and solves two important problems (slow diffusion and bit leakage) for key expansion algorithms.In the nineth chapter of the thesis, an evaluation of the given results of the thesis is discussed.