Kriptografi-bilgi güvenliği için rastgele sayı üreteci geliştirilmesi
Random number generator design for cryptography-information security
Yazar: TAHA ETEM
Danışman: DOÇ. DR. TURGAY KAYA
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Telekomünikasyon Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Kriptoloji = Cryptology ; Rasgele sayı üretme = Random number production ; İstatistik testler = Statistics tests ; Şifreleme = Encryption

Özet:
Kriptolojik amaçlarla geliştirilen sistemler, gün geçtikçe önemini arttırmaktadır. Rastgele sayı üreteçleri ise kriptoloji biliminin temelinden itibaren süre gelen geniş bir çalışma alanıdır. Bu tez çalışmasında, kriptolojik amaçlarla kullanılmak üzere hem gerçek hem de sözde rastgele sayı üreteci tasarımları gerçekleştirilerek çeşitli testler yardımıyla başarıları ölçülmeye çalışılmıştır.
Tez çalışmasında ilk olarak farklı rastgele sayı üreteci tasarımları gerçekleştirilmiştir. Fiziksel bir sinyale ihtiyaç duyan gerçek rastgele sayı üreteçleri, algoritmik yapıdaki sözde rastgele sayı üreteçleri ile desteklenmiştir. Fiziksel sinyaller, Lyapunov üstelleri ve Hoshen-Kopelman algoritmasıyla ön testten geçirilmiştir. Daha sonra geliştirilen sistemler NIST istatistiksel rastgelelik testleri, otokorelasyon testi, scale-index testi gibi analizlerle doğrulanmaya çalışılmıştır. Burada elde edilen rastgele bit dizileri, mevcut şifreleme algoritmaları ve kendi geliştirdiğimiz şifreleme algoritmasının yardımıyla şifreleme işlemleri için kullanılmıştır. Şifreleme işlemleri için histogram analizi, anahtar hassasiyeti ve boyutu analizi, NPCR ve UACI testi, entropi testi, korelasyon katsayılarının hesaplanması gibi farklı kriptanaliz yöntemleri uygulanarak sistemlerin güvenilirlikleri incelenmiştir.
Bu çalışmada güvenlik gereksinimlerini sağlayan farklı gerçek ve sözde rastgele sayı üreteci tasarımlarıyla yeni bir simetrik blok şifreleme algoritması tasarlanmıştır. Geliştirdiğimiz rastgele sayı üreteçleri istatistiksel testlerden başarılı sonuçlar elde ederek kriptolojik uygulamalarda kullanılabileceği gösterilmiştir. Geliştirilen simetrik blok şifreleme algoritması ise güvenlik testlerinden başarı sağlamasının yanı sıra, şifreleme ve şifre çözme işlemlerinde standart algortimalardan daha hızlı çalıştığı yaptığımız çalışmada gösterilmiştir.

Abstract:
Systems developed for cryptological purposes are increasing their importance day by day. On the other hand, random number generators have a wide field of study that has been going on since the existence of cryptology. In this thesis, both real and pseudo-random number generator designs to be used for cryptological purposes were realized and their success was tried to be measured with the help of various tests. 
In the beginning of the thesis study, different random number generator designs were carried out. True random number generators that need a physical signal are supported by pseudo random number generators in algorithmic structure. Physical signals are pretested with Lyapunov exponents and Hoshen-Kopelman algorithm. Later, the developed systems were tried to be verified with analyzes such as NIST statistical randomness tests, autocorrelation test, scale-index test. The random bit sequences obtained here are used for encryption processes with the help of existing encryption algorithms and the encryption algorithm that we advanced. The reliability of the encryption systems was investigated by applying different cryptanalysis methods such as histogram analysis, key sensitivity and key space analysis, NPCR and UACI test, entropy test, calculation of correlation coefficients. 
In this study, a new symmetric block cipher algorithm is designed with different true and pseudo random number generator designs that meet the security requirements. It has been shown that the random number generators we have developed can be used in cryptological applications by obtaining successful results from statistical tests. On the other hand, the developed symmetric block cipher algorithm, has been shown in our study to work faster than standard algorithms in encryption and decryption processes, as well as succeeding in security tests.