Sualtı araçları için güvenlik odaklı ve uyarlanabilir veri iletişim protokolü tasarımı

Abstract

Sualtı kablosuz akustik ağları gözlem, çevresel izleme ve otonom sualtı araçları gibi kritik uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak bu ağlar düşük bant genişliği, yüksek gecikme, değişken kanal koşulları ve sınırlı enerji kaynakları gibi zorlu iletişim kısıtlarına sahiptir. Bu kısıtlar özellikle ortam erişim denetimi katmanında geliştirilen protokollerin performansını ve güvenilirliğini doğrudan etkilemektedir. Ayrıca sualtı ağlarının saldırılara karşı kırılgan yapısı güvenlik ve dayanıklılık odaklı yeni ortam erişim denetimi tasarımlarını gerekli kılmaktadır. Bu tez çalışmasında sualtı kablosuz ağları için flooding tabanlı saldırılara karşı dayanıklılığı artırmayı hedefleyen kaotik davranışlardan faydalanan yeni bir ortam erişim denetimi protokolü önerilmiştir. Önerilen protokol kanal erişim süreçlerinde deterministik olmayan ancak kontrol edilebilir kaotik zamanlama mekanizmaları kullanarak geleneksel ortam erişim denetimi protokollerinde gözlemlenen senkronizasyon zafiyetlerini azaltmayı amaçlamaktadır. Çalışma kapsamında önerilen protokol Aloha, SFAMA ve Trumac gibi literatürde yaygın olarak kullanılan ortam erişim denetimi protokolleri ile karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Deneyler ns-3 tabanlı Aqua-Sim-NG simülasyon ortamında gerçekleştirilmiştir. Farklı paket üretim oranları altında flooding saldırı senaryoları modellenmiştir. Performans değerlendirmesi paket teslim oranı ve fiziksel katman alım oranı gibi temel metrikler üzerinden yapılmıştır. Her senaryo için çoklu rastgele tohumlar kullanılarak istatistiksel olarak anlamlı sonuçlar elde edilmiştir. Elde edilen bulgular önerilen protokolün artan saldırı yoğunluğu altında dahi daha kararlı bir performans sergilediğini ve karşılaştırılan protokollere kıyasla paket teslim oranını anlamlı biçimde koruduğunu göstermektedir. Özellikle yüksek paket üretim oranlarında önerilen yaklaşımın flooding saldırılarının neden olduğu kanal tıkanıklığını sınırladığı ve fiziksel katman alım başarımını daha dengeli bir yapıda tuttuğu gözlemlenmiştir. Sonuç olarak bu tez kaotik sistemlerin MAC katmanında kullanılmasının sualtı ağlarında güvenlik ve dayanıklılık açısından önemli bir potansiyel sunduğunu ortaya koymaktadır. Önerilen protokol saldırı farkındalığı olan MAC tasarımlarına yönelik özgün bir katkı sunmakta ve gelecekte gerçekleştirilecek gerçek donanım testleri, çoklu AUV senaryoları ve farklı kaotik sistem entegrasyonları için sağlam bir temel oluşturmaktadır.

Underwater wireless acoustic networks are widely used in critical applications such as observation, environmental monitoring, and autonomous underwater vehicles. However, these networks have challenging communication constraints such as low bandwidth, high latency, variable channel conditions, and limited energy resources. These constraints directly affect the performance and reliability of protocols developed, especially at the medium access control layer. Furthermore, the vulnerability of underwater networks to attacks necessitates new medium access control designs focused on security and resilience. This thesis proposes a novel medium access control protocol that leverages chaotic behavior to increase resilience against flooding-based attacks in underwater wireless networks. The proposed protocol aims to reduce synchronization vulnerabilities observed in traditional medium access control protocols by using non- deterministic but controllable chaotic timing mechanisms in channel access processes. In this study, the proposed protocol was evaluated comparatively with widely used medium access control protocols in the literature, such as Aloha, SFAMA, and Trumac. Experiments were conducted in the ns-3-based Aqua-Sim-NG simulation environment. Flooding attack scenarios were modeled under different packet generation rates. Performance evaluation was conducted using key metrics such as packet delivery rate and physical layer reception rate. Statistically significant results were obtained for each scenario using multiple random seeds. The findings show that the proposed protocol exhibits more stable performance even under increasing attack intensity and significantly maintains the packet delivery rate compared to the protocols it was compared with. In particular, it was observed that the proposed approach limits channel congestion caused by flooding attacks and keeps physical layer reception performance more stable at high packet transmission rates. In conclusion, this thesis reveals that the use of chaotic systems at the MAC layer offers significant potential for security and resilience in underwater networks. The proposed protocol provides a unique contribution to attack-aware MAC designs and forms a solid foundation for future real- world hardware tests, multiple AUV scenarios, and different chaotic system integrations.