Kaos tabanlı gerçek rasgele sayı üreteci tasarımı ve FPGA ortamında video şifreleme uygulaması
Chaos based true random number generator design and video encryption application in FPGA environment
Yazar: ESRA İNCE
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA TÜRK
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektronik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Kaos = Chaos ; Rasgele sayı üretme = Random number production ; İstatistik testler = Statistics tests ; Şifreleme = Encryption

Özet:
Son yıllarda haberleşme teknolojilerinin oldukça hızlı gelişimiyle birlikte bilgi güvenliği herkes için kritik bir öneme sahip olmuştur. Bunun ile bağlantılı olarak özel ve gizli olması gereken bu bilgilerin güvenliğinin garanti edilebilmesi temel bir araştırma sorusuna dönüşmüştür. Fakat bilgi güvenliğini garanti edebilmek oldukça zor bir süreçtir. Yakın geçmişte araştırmacılar, tüm mühendislik alanlarında kullanılabilirliği ve uygulanabilirliği artan kesir dereceli hesaplama yaklaşımını özellikle sinyal işleme, kontrol ve kaotik dinamik üzerine inceleyerek yeni bulgular elde etmişlerdir. 
Bu tezin amacı, kesir dereceli hesaplama yaklaşımını kullanarak literatürde var olan kaotik sistem temelli gerçek rasgele sayı üreteci tasarımı gerçekleştirerek gerçek zamanlı video verilerini şifrelemektir. Tez kapsamında tam dereceli kaotik sistemin yanı sıra kesir dereceli kaotik sisteme ait elektronik devre tasarımı da kullanılmaktadır. Böylece elektronik devre elemanları ile tasarlanan hem sürekli zamanlı kesir dereceli kaotik sistemlerin hem de ayrık zamanlı kaotik harita sistemlerin birlikte anahtarlamalı modda çalıştırılmasıyla özgün bir entropi kaynağı önerilmektedir. Tez çalışmasında ilk olarak elektronik devre elemanları ile tasarlanmış hem sürekli zamanlı kesir dereceli hem de ayrık zamanlı kaotik sistemler en iyi istatistiksel rasgelelik özelliklerine sahip anahtarlama yapısı sağlanarak prototip devre gerçekleştirilmektedir. Ardından, prototip devrenin çıkışında elde edilen kriptografik anahtar bitleri, FPGA (Field Programmable Gate Array) donanım platformunda çalışan gerçek zamanlı video görüntüleme sistemine ait görüntü bitleri ile son işlemden geçirilerek şifreleme sağlanıp VGA monitöründe gösterilmektedir. 
Tez çalışmasında, gerçek zamanlı video şifreleme için iki verimiz bulunmaktadır. Bunlardan ilki dört farklı kaotik sistemden elde ettiğimiz sayısal gerçek rasgele bit dizisi, diğeri ise kamera modülünden FPGA kartına giriş olarak verilen renkli video verileridir. Entropi kaynağı olarak kullanılan kaotik sistemler sırasıyla; ayrık zamanlı Lojistik ve Çadır Harita, sürekli zamanlı tam dereceli Lorenz ve kesir dereceli Chen-Lee sistemleridir. Şifreleme için ise temel son işlem algoritmalarından olan XOR fonksiyonu kullanılmaktadır. Tez çalışmasının analiz aşamasında ise video görüntü verileri için istatistiksel testler uygulanıp histogram ve korelasyon analizleri kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlar ışığında tez çalışmasına ait yöntemlerin güvenli haberleşme sistemlerinde özellikle video haberleşmesi alanlarında kullanılabilir olduğu gösterilmiştir.

Abstract:
With the rapid development of communication technologies in recent years, information security has become critical for everyone. Being able to guarantee the security of this information, which should be private and confidential in connection with its importance, has become a basic research question. However, it is a very difficult process to guarantee information security. In recent years, researchers have obtained new findings by examining the fractional computing approach, which has increased usability and applicability in all engineering fields, especially on signal processing, control and chaotic dynamics.
The aim of this thesis is to encrypt the real-time video data by performing the chaotic system-based true random number generator design available in the literature using the fractional order calculation approach. Within the framework of the project, besides the integer-order chaotic circuit, the electronic circuit design of the fractional-order chaotic system is also used. Thus, a unique entropy source is proposed by operating both continuous time chaotic circuits and discrete time chaotic map systems designed with electronic circuit elements in switched mode together. In this thesis, both continuous-time fractional-order and discrete-time chaotic systems, which are designed with electronic circuit elements, are realised by providing a switching structure with the best statistical randomness properties, and a prototype circuit is realized. Then, the cryptographic key bits obtained at the output of the prototype circuit are post-processed with the image bits of the real-time video display system running on the FPGA hardware platform, providing encryption and displayed on the VGA monitor. 
In the thesis, we have two data for real-time video encryption. The first of these is the digital real random bit sequence we obtained from four different chaotic systems, and the other is the color video data given as input from the camera module to the FPGA card. Chaotic systems used as entropy sources are respectively; The discrete-time Logistics and Tent Map are continuous-time full-order Lorenz and fractional-order Chen-Lee systems. For encryption, the XOR function, which is one of the basic post-processing algorithms, is used. In the analysis phase of the thesis, statistical tests were applied for the video image data and histogram and correlation analyzes were used. In the light of the results obtained, it has been shown that the methods of the thesis study can be used in secure communication systems, especially in the fields of video communication.