Kriptoloji ve steganografiyle güvenli iletişim sistemi tasarımı
Designing of a secure communication system with cryptology and steganography
Yazar: HAKAN BUHURCU
Danışman: PROF. DR. FATİH BAŞÇİFTÇİ
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control
Dizin: Kriptoloji = Cryptology ; Mobil aplikasyon = Mobile application ; Rivest-Shamir-Adleman = Rivest-Shamir-Adleman ; Steganografi = Steganography ; Veri gizleme = Data hiding ; Veri güvenliği = Data security ; İleri şifreleme standart algoritması = Advanced encryption standard algorithm ; Şifreleme = Encryption ; Şifreli haberleşme = Encoded communication

Özet:
Bilgi ve iletişim güvenliği, verilere yetkisiz kişiler tarafından erişimi engelleme yollarının tümü olarak ifade edilebilir ve bu amaca ulaşmak için kriptoloji ve steganografi bilimleri ortaya çıkmıştır. Kriptoloji, çeşitli mantıksal ve matematiksel işlemlerle bilgilerin formunu değiştirerek onları anlamsız yapar. Steganografi ise bilginin yapısında herhangi bir değişim yapmadan onu başka bilgiler içerisine gizleyerek fark edilemez hale getirir. Yani, kriptoloji bilginin içeriğine ulaşılmasını, steganografi ise varlığının keşfedilmesini önler. Bu tez çalışmasında, kriptoloji ve steganografinin entegrasyonu ile güvenli bir iletişim modeli önerilmektedir. Aynı zamanda kriptolojide sorun teşkil eden konulardan birisi olan simetrik anahtarlı şifreleme algoritmalarındaki anahtar paylaşımı problemine de bir çözüm önerisi sunulmaktadır. Yapılan çalışmada, verilerin şifrelenmesi ve doğrulanması için simetrik anahtarlı Gelişmiş Şifreleme Standardı / Galois Sayaç Modu (Advanced Encryption Standart / Galois Counter Mode, AES / GCM) algoritması kullanılmıştır.  Burada gizli anahtarın güvenli bir şekilde iletiminin sağlanabilmesi için bir asimetrik şifreleme algoritması olan Rivest Shamir Adleman (RSA)'dan faydalanılmıştır. Böylelikle simetrik ve asimetrik şifreleme algoritmalarının birlikte kullanılmasıyla güvenliğin, En Anlamsız Bit (Least Significant Bit, LSB) steganografi tekniğinden yararlanarak da gizliliğin sağlanması amaçlanmıştır. Ayrıca önerilen iletişim modeli kullanarak Android platformu üzerinde bir mesajlaşma uygulaması geliştirilmiştir ve mobil cihazlar üzerinde kriptoloji algoritmalarının performans değerlendirmesi yapılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre AES GCM' nin verilerin içeriğini %99,61 oranında değiştirdiği ve 269,61 MB/s hızında şifreleme yaptığı tespit edilerek mobil cihazlar için en uygun şifreleme algoritması olduğu gözlemlenmiştir. Bunların yanı sıra uygulanan steganografi işlemlerinin başarımı da Ortalama Kare Hata (Mean Squared Error, MSE) ve Tepe Sinyal Gürültü Oranı (Peak Signal to Noise Ratio, PSNR) ölçütlerine göre değerlendirilmiştir. Literatürde, steganografi uygulamalarının başarılı olabilmesi için PSNR değerinin 40 desibel (dB) ve üzeri olması gerektiği ifade edilir. Bu çalışmada, farklı çözünürlükteki görüntüler üzerinde farklı boyutlardaki verilerle uygulanan steganografik işlemlerin sonucunda 51,37 – 82,39 dB aralığında PSNR değerleri elde edilmiştir. Bu açıdan gerçekleştirilen steganografi uygulamalarının literatürde tanımlanan eşik değere göre %28,43 – %105,98 oranında daha başarılı olduğu gözlemlenmiştir.

Abstract:
Information and communication security can be defined as all the ways to prevent access to data by unauthorized persons. To achieve this goal, the sciences of cryptology and steganography have emerged. Cryptology makes information meaningless by changing the form of information with various logical and mathematical operations. On the other hand, steganography makes it unnoticeable by hiding it in other information without making any changes in the structure of the information. That is, cryptography prevents access to the content of information, while steganography prevents its existence from being discovered. In this thesis, a secure communication model is proposed with the integration of cryptography and steganography. At the same time, a solution proposal is presented to the problem of key sharing in symmetric key encryption algorithms, which is one of the problematic issues in cryptology. In the study, Advanced Encryption Standard / Galois Counter Mode (AES / GCM) which is a symmetric key algorithm was used for encryption and verification of data. Here, Rivest Shamir Adleman (RSA) which is an asymmetric encryption algorithm was used to ensure the secure transmission of the secret key. Thus, it is aimed to ensure security by using symmetric and asymmetric encryption algorithms together, and to ensure confidentiality by using the Least Significant Bit (LSB) steganography technique. In addition, a messaging application has been developed on the Android platform using the proposed communication model and the performance of cryptology algorithms has been evaluated on mobile devices. According to the results obtained, it has been observed that AES GCM changes the content of the data by 99.61% and encrypts at 269.61 MB/s and is the most suitable encryption algorithm for mobile devices. In addition to these, the performance of steganography operations was evaluated according to Mean Squared Error (MSE) and Peak Signal to Noise Ratio (PSNR) criteria. In the literature, it is stated that the PSNR value should be 40 decibel (dB) and above for steganography applications to be successful. In this study, PSNR values in the range of 51.37 - 82.39 dB was obtained as a result of steganographic operations implemented with data of different sizes on images with different resolutions. In this respect, it has been observed that implemented steganography operations are 28.43% – 105.98% more successful than the threshold value defined in the literature.