Kaos tabanlı hibrit simetrik ve asimetrik şifreleme algoritmaları tasarımı ve uygulaması
Design and implementation of chaos based hybrid symetric and asymetric encryption algorithms
Yazar: ÜNAL ÇAVUŞOĞLU
Danışman: DOÇ. DR. AHMET ZENGİN
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilgisayar ve Bilişim Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control
Dizin: Şifreleme sistemleri = Encryption systems

Özet:
Bilişim alanında yaşanan hızlı gelişmeler ile birlikte, veri güvenliğinin sağlanması günümüzün en önemli konularından birisi olmuştur.  Veri güvenliğinin sağlanması için daha yüksek güvenlik seviyesine sahip aynı zamanda etkin şifreleme sistemlerinin geliştirilmesine çalışılmaktadır. Modern şifreleme algoritmaları özellikle büyük boyutlu veriler ve gerçek zamanlı uygulamalarda ağır işlem yüklerinden dolayı performans kaybına sebep olmaktadır. Kaotik sistemlerin şifreleme tasarımında kullanılması, kaos ve kriptoloji bilimleri arasındaki ilişkinin ortaya konması sonucu ortaya çıkmıştır. Kaotik sistemler sahip olduğu özelliklerden dolayı, kriptolojik uygulamaların temel gereksinimleri olan karıştırma ve yayılma özelliklerini sağlamaktadırlar. Bu tez çalışmasının amacı, kaotik sistemlerin zengin dinamik özellikleri ile modern şifreleme algoritmalarının güçlü yönlerini bir araya getirerek, yüksek güvenlikli ve efektif kaos tabanlı hibrit şifreleme algoritmaları tasarımları gerçekleştirmektir. Tez çalışmasında aşağıdaki temel adımlar gerçekleştirilmiştir:
i. Şifreleme çalışmalarında kullanılmak üzere; literatürdeki kaotik sistemlere alternatif olarak, iki yeni kaotik sistem (NCS ve skala edilmiş Zhongtang) tasarlanmış ve analizleri yapılmıştır. Yapılan analizler ile yeni sistemlerin zengin dinamik özelliklere ve rasgeleliğe sahip olduğu gösterilmiştir.
ii. Yeni geliştirilen kaotik sistemler ile geliştirilecek şifreleme algoritmalarında rasgele sayıların üretimi için iki yeni RSÜ tasarımı yapılmıştır. Yeni RSÜ'lerden elde edilen bit dizilerinin yeterli rasgeleliğe sahip oldukları, NIST 800-22 testleri ile ortaya konmuştur.
iii. Blok şifreleme algoritmalarının en önemli bileşenlerinden olan S-Box üretimi için, yeni geliştirilen RSÜ'nün kullanıldığı yeni kaos tabanlı S-Box üretim algoritması geliştirilmiştir. Önerilen S-Box'lar üzerinde performans testleri gerçekleştirilmiştir. S-Box performans test sonuçları literatürdeki kaos tabanlı diğer çalışmalar ile karşılaştırılarak, önerilen S-Box'ların saldırılara karşı daha güçlü ve dayanıklı olduğu gösterilmiştir.
iv. RSÜ ve S-Box algoritmalarının tasarımından sonra; RSÜ-1 ile kaos tabanlı asimetrik şifreleme algoritması CRSA, RSÜ-2 ve S-Box üretim algoritmaları ile kaos tabanlı simetrik hibrit şifreleme algoritması CS-AES geliştirilmiştir.
v. Yeni şifreleme algoritmaları ile resim şifreleme uygulamaları yapılmış ve şifreleme çalışmaları üzerinde güvenlik ve performans analizleri gerçekleştirilmiştir. Geliştirilen hibrit şifreleme algoritmalarının resim şifreleme uygulamalarına ait güvenlik ve performans analiz sonuçları, modern şifreleme algoritmalarının sonuçları ile karşılaştırılarak, saldırılara karşı daha güçlü ve dayanıklı, daha kısa sürede şifreleme gerçekleştiren ve efektif bellek kullanımına sahip oldukları gösterilmiştir.

Abstract:
With the rapid development in the field of information, data security has become one of the most important issues of today. To ensure data security, the studies are continued to develop encryption systems with higher security levels and performance. Modern encryption algorithms cause performance loss due to heavy processing loads especially in real-time applications and for large-size data. Chaotic systems provide the confusion and diffusion properties that are main requirements of cryptography, due to their inherent properties. The aim of this thesis is to design high-security and effective chaos-based hybrid encryption algorithms by combining the powerful features of chaotic systems with the powerful aspects of modern encryption algorithms. The following basic steps have been performed in the thesis study:
i. For use in encryption operations; As an alternative to the chaotic systems in the literature, two new chaotic systems are designed and analyzed. It has been shown that the new systems have rich dynamic features and randomness.
ii. Two new RNGs are designed for generation of random number in the new chaos based encryption algorithms. Sufficient randomness of the bit sequences obtained from the new RNGs is proven with NIST 800-22 tests.
iii. For S-Box generation, a new chaos-based S-Box generation algorithm has been developed using the new RNG. Performance tests have been carried out on the proposed S-Boxes to prove strong cryptographic features. Comparing the S-Box performance test results with other chaos-based studies in the literature has shown that the proposed S-Boxes are stronger and more resistant to attacks.
iv. After the design of RNG's and S-Box algorithms; a chaos-based asymmetric encryption algorithm (CRSA) using RNG-1 and the chaos-based symmetric hybrid encryption algorithm (CS-AES) using RNG-2 and S-Box generation algorithms have been developed.
v. The image encryption have been realized with the new encryption algorithms; security and performance analyzes have been carried out. The test results of the image encryption applications of the developed algorithms have been shown that they are stronger and more robust against attacks, perform encryption in a shorter time and have efficient memory usage compared with the results of modern encryption algorithms.