Yapay sinir ağı tabanlı kaotik işaret üreteci tasarımı ve uygulamaları
Design and application of artificial neural network based chaotic signal generator
Yazar: İLKER DALKIRAN
Danışman: PROF. DR. KENAN DANIŞMAN
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2010
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Kaos = Chaos ; Kriptoloji = Cryptology ; Yapay sinir ağları = Artificial neural networks

Özet:
Kriptoloji, bir haberleşme sisteminde, güvenlik ve kimliklendirme konusunda oluşabilecek açıkları önlemek için üzerinde sürekli çalışılan, genel olarak matematiksel ve istatiksel kurallara dayalı dinamik bir disiplindir. Haberleşme cihazları kullanılarak yapılan iletişimde, gizlilik ve kimlik denetimi her zaman birinci derecede önemlidir. Bu nedenle kripto-sistemlerin kimliklendirme ve güvenlik konusunda taviz vermeksizin çok hızlı çalışması istenir.Klasik kripto-sistemler, özellikle II. Dünya Savaşı ve Soğuk Savaş döneminde hız kazanan çalışmalar neticesinde ortaya konan ve günümüzde hala üzerinde çalışmalar yapılan sistemlerdir. Klasik kripto-sistemlerin temelinde sayı teorisi, kombinasyonel işlemler ve cebir bulunmaktadır. Klasik kripto-sistemlerin tasarımı sırasında güvenilirlik, hız ve kullanılan sistem kaynakları dikkate alınması gereken kriterlerdir. Klasik kripto-sistemlerin bazıları donanım tabanlı gerçekleştirildiği zaman kısmen başarılı bir performans sergilerken güvenilirlik azalmakta, güvenilirlik ön plana çıktığı zaman ise sistemin kullandığı kaynaklar veya hız birer problem olarak ortaya çıkmaktadır.Kaos, önceleri gürültü olarak nitelendirilirken, matematiksel modeli ortaya konulduktan sonra pek çok farklı alanlarda uygulanmıştır. Kaotik sistemler, başlangıç şartlarına ve sistem parametrelerine hassas bağlıdırlar. Kaotik sistemlerin kriptolojide kullanılmasının temel nedeni bu sistemlerin ürettiği periyodik olmayan gürültü benzeri kaotik dinamiklerdir. Klasik kriptoloji algoritmalarından farklı olarak kaotik sistemlerin de şifreli haberleşmede kullanılabileceği fikri yeni bir olay değildir. 1990' lı yıllardan itibaren literatüre giren ve kaotik kriptoloji yerine kaotik senkronizasyon şeklinde tanımlanan kaotik kripto-sistemler, klasik kripto-sistemlere bir alternatif olarak sunulabilir.Yapay sinir ağlarıyla ilgili çalışmalar, ilk olarak 1940' lı yıllarda literatüre girmiş olup 1980' li yılların ikinci yarısından itibaren özellikle bilgisayar teknolojisindeki gelişmelere paralel olarak hız kazanmıştır. İnsan beyninin yapısı esas alınarak tasarlanan yapay sinir ağları, günümüzde karmaşık problemlerin çözümünde kullanılmakta ve başarılı sonuçlar elde edilmektedir.Yapay sinir ağlarını oluşturan nöronlar, doğrusal olmayan transfer fonksiyonlarına sahip oldukları için ağın kendisi de doğrusal olmayan bir yapıya sahiptir. Bu durum ise doğrusal olmayan sistem karakteristiklerinin en az hata ile modellenmesi için yapay sinir ağlarının tercih edilebileceğini göstermektedir. Bu tez çalışmasında bu fikirden hareket edilerek, literatüre girmiş, en çok tanınan ve basit yapıya sahip iki farklı kaotik sistemin (Chua Devresi ve Lorenz Sistemi) çıkışları YSA kullanılarak modellenmeye çalışılmıştır. Yapılan eğitimler neticesinde elde edilen YSA modellerine ait çıkışlar ve karşılaştırma yapmak amacıyla orijinal kaotik sistemlerin çıkışları hem bilgi şifreleme işlemlerinde hem de rastgele sayı üretiminde kullanılmıştır.Yapılan çalışmanın 1. Bölüm' ünde kriptoloji, kaos ve yapay sinir ağları ile ilgili bilgiler verilmiştir. 2. Bölüm' de klasik kripto-sistemler incelenmiş, bu sistemlerde kullanılan algoritmaların temel prensipleri, sınıflandırılması ve işleyişi gözden geçirilmiştir. 3. Bölümde kaotik yapılar ve bu yapıların kriptolojide kullanımıyla ilgili literatürde yer alan çalışmalardan bazılarına yer verilmiştir. 4. Bölümde yapay sinir ağları tanıtılmıştır. 5. Bölümde yapay sinir ağı tabanlı kaotik işaret üreteci ve bu üreteçle gerçekleştirilen kripto-sistem ve rastgele sayı üreteçleri anlatılmıştır. Son olarak 6. Bölüm' de elde edilen sonuçlar irdelenmiş ve YSA tabanlı kaotik işaret üretecinin de kripto-sistemler içerisinde kullanılabileceği kanıtlanmıştır.

Abstract:
Cryptology is a dynamic discipline which generally depends on mathematical and statistical rules and studied continuously by researchers to prevent identification and security holes, in a communication system. In communication systems both security and identification are the most important subjects. Therefore a crypto-system should be faster without concession about security and identification.Classical crypto-systems are the systems which are results of the studies that were done during the World War II and Cold War. Today those studies have gone on still. Classical crypto-systems are built on any one of three basics that are number theory, combinational operations and algebra. While designing a classical crypto-system, the criterions, which should be taken into account are reliability, speed and used system resources. When some of classical crypto-systems are implemented on hardware, those systems exhibit sufficient speed performance although low reliability. If the cryptographer considers the reliability as the most important criteria, he has to made concession about the system resources or speed.Chaos was described as noise previously, but has applied in many different areas after modeling mathematically. Chaotic crypto-systems depend on initial conditions and system parameters sensitively. The main reason of usage of chaotic systems in cryptology is noise-like nonperiodic chaotic dynamics of these systems. It is not a new idea that chaotic systems can also be used in communication systems as distinct from classical crypto-systems. Chaotic crypto-systems which have been presented beginning of the 1990?s in literature and described as chaotic synchronization instead of chaotic cryptology can be proposed as an alternative way of classical crypto-systems.The studies related to artificial neural networks (ANN) took place in literature in 1940?s first time. After the second half of 1980?s the improvements about artificial neural networks have accelerated together with especially computer technology. Nowadays artificial neural networks which are designed by modeling the structure of human brain are used to solve complex problems and sufficient results are obtained.The basic units of artificial neural networks, called as artificial neurons, have nonlinear transfer functions so artificial neural networks are also nonlinear. Therefore it is seen that artificial neural networks can be preferred to model the characteristics of nonlinear systems with the minimum error. In this thesis, from the point of this idea, the outputs of two different well known chaotic systems (Chua? s Circuit and Lorenz System) which have basic structures are modeled using ANN. After the training processes the outputs of both ANN models and original chaotic systems are used to encrypt data and to produce random number generations.In the second section of proposed study, classical crypto-systems are investigated and the basics, classifications and operations of the algorithms of these crypto-systems are reviewed. In section 3, some chaotic structures and different studies related with usage of those structures in cryptology are presented. Artificial neural networks (ANN) are introduced in section 4. In the fifth section the design of ANN based chaotic signal generator and the results of the crypto-systems and the random number generators which include ANN based chaotic signal generator are proposed. Finally in section 6 the obtained results are discussed and it is proved that ANN based chaotic oscillators can be used in crypto-systems.