Kaos tabanlı yeni bir çoklu ortam şifreleme aracının geliştirilmesi
Development of a new multimedia encryption tool based on chaos
Yazar: TANKUT KURT
Danışman: DOÇ. DR. METİN VARAN
Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Günümüzde teknolojinin gelişmesiyle dijital ortamda güvenliliğin gerekliliklerini sağlayacak olan araçlara ihtiyacımız hızla artmıştır. Bu nedenle verilerin şifrelenmesi hususu önemli bir durum haline gelmiştir. Kriptoloji şifre bilimidir ve çeşitli verilerin belirli bir sisteme göre şifrelenmesi, deşifre edilmesi işlemlerini kapsamaktadır. Askeri, ticari ve tıbbi veri tabanları gibi gizli olması gereken alanların yanında bireysel bilgi güvenliğine olan yoğun talepler kriptoloji çalışmalarının önemini her geçen gün arttırmaktadır. Son yıllarda standart şifreleme yöntemlerinin yanı sıra kaos tabanlı şifreleme yöntemleri de kriptoloji bilim dalının kritik olarak kullanıldığı alanlarda yer almaya başlamıştır. Başlangıç şartlarına karşı hassas duyarlılık gösterme, periyodik olmama, geniş bir frekans bandında kullanılabilme ve zengin dinamik davranışlar göstermesi gibi özellikleri kaos tabanlı şifrelemenin kriptoloji uygulamalarında yaygın olarak kullanılabilme potansiyelini arttırmaktadır.
Bu çalışmada kaotik sistem tabanlı çalışan XOR, Tur sayılı XOR, S-kutusu & XOR ve Tur sayılı S-kutusu şifreleme yöntemleri önerilerek; metin, görüntü, ses ve video çoklu ortam verileri için bu yöntemler kullanılmak üzere şifreleme ve deşifre etme işlemleri uygulanmıştır. Önerilen tüm şifreleme algoritmaları, kaotik sistemlerin çıkış değerlerinin rastgele sayı üreteci olarak kullanılmasıyla gerçekleştirilmiştir. Rastgele sayıların elde edilmesi için 3 adet rastgele sayı üreteci tasarım çalışması önerilmiştir. Önerilen tasarım çalışmaları mod alma, desimalden ikilik tabana dönüştürme ve kayan noktalı sayı yöntemleridir. 
Şifreleme yöntemlerinin kolay, doğru ve kullanışlı bir şekilde uygulanabilmesi için MATLAB® programında bir yazılım aracı tasarımı geliştirilmiştir. Şifreleme yöntemlerinde kullanılacak rastgele sayıların üretilebilmesi için literatürde bulunan bazı kaotik sistemler yazılım aracı içerisine eklenmiştir. Yazılım aracı, içerisinde mevcut olmayan kaotik sistemlerin de eklenmesiyle rastgele sayıların üretilebileceği veya şifrelemede direkt olarak kullanılacak olan rastgele sayıların aktarılabileceği bir fonksiyona sahiptir. 
Şifreleme işlemleri için kaotik sistemlerden elde edilen sayıların NIST 800-22 testinden çıkan p (probability) sonuç değerlerinin istenen değerlerde olduğu belirlenmiş ve sayıların, rastgele sayılar olduğu kanıtlanmıştır. Yapılan şifreleme işlemleriyle elde edilen verilerin deşifre etme işlemleri sonucunda orijinal halleri yeniden elde edilmiştir. Şifreleme sonrası yazılım aracında yapılan bazı güvenlik analizleriyle de önerilen şifreleme yöntemlerinin gizlilik ve bilgi güvenliği gerektiren uygulamalarda kullanılmak üzere başarılı sonuçlar veren yöntemler olduğu gösterilmiştir.

Abstract:
At present, the need for tools to ensure security in the digital environment has shown a rapid increase with the development of technology. Because of this reason, data encryption has become an important position. Cryptology is the science of cipher, and it involves the process of encrypting and decrypting various data according to a specific system. Military, commercial and medical databases, as well as the need to be confidential areas of the individual information security demands on the importance of cryptology work is increasing every day. In recent years, chaos-based encryption methods, as well as standard encryption methods, have started to take place in areas where cryptology is used critically. Chaos-based encryption has different features such as non-periodicity, wide frequency band usage, generous dynamic behavior and showing the sensitivity against the initial conditions. These features increase the potential of chaos-based encryption to be widely used in cryptology applications.
In the thesis, XOR, Circuit XOR, S-box & XOR, and Circuit S-box encryption methods working based on the chaotic system are proposed; encryption and decryption processes were applied to use these methods for text, image, audio and video multimedia data. All proposed encryption algorithms are performed by using the output values of chaotic systems as random number generators. Random number generator design studies have been proposed to obtain random numbers. Proposed design studies include mod retrieval, conversion from desimal to binary base, and floating-point number methods. 
A software tool has been developed in MATLAB® to make these encryption methods easy, accurate and convenient. So as to achieve generation random numbers to be used in encryption methods, some chaotic systems in the literature have been added to the software tool. The software tool has a function in which random numbers can be generated by adding chaotic systems -that are not present in the software tool- or to which random numbers can be transmitted directly to be used in encryption. 
The numbers obtained from the chaotic systems for encryption operations, p (probability) result values from the NIST 800-22 test were determined to be the desired value and these numbers were proved to be random numbers. The data obtained with the encryption operations, as a result of the deciphered process, was recovered from the original state. It has been shown that the proposed encryption methods are successful methods to be used in applications requiring confidentiality and information security with some security analyzes performed in the post-encryption software tool.