GELENEKSEL RASTGELE SAYI ÜRETEÇLERİNİN KRİPTOLOJİK ÖZELLİKLERİNİ İYİLEŞTİRMEK İÇİN OPTİMİZASYON TABANLI YENİ YÖNTEMLERİN GERÇEKLEŞTİRİLMESİ

Abstract

Dijitalleşmenin hızla arttığı günümüz teknolojinde veri güvenliği önemli bir stratejik unsur haline gelmiştir. Modern siber tehditlerin her geçen gün daha sofistike hale gelmesi, bu alanda alınması gereken güvenlik önlemlerinin önemini ön plana çıkarmaktadır. Şifreleme bilimi ve bilgi güvenliği üzerinde yoğun olarak çalışılan önemli bir konu haline gelmiştir. Şifreleme biliminin en önemli unsuru rastgele sayılar ve bu sayıları elde etmeyi sağlayan üreteçlerdir. Başarılı bir şifreleme için rastgele sayı üretecinin çıktıları rastgeleliği sağlamalı ve tahmin edilebilirliği azaltmalıdır. Bu tez çalışmasında, rastgele sayı üreteçleri için hayati öneme sahip başlangıç koşullarını belirlenmesinde optimizasyon temelli bir mimarinin tasarımı hedeflenmiştir. Bilindiği üzere rastgele sayı üreteçlerinden elde edilecek rastgele sayıların, başlangıç tohum değerine ve parametrelerin doğru seçilmesine göre rastgelelik özelliği artmakta veya azalmaktadır. Bu durumda, başlangıç koşullarını belirlemede, optimizasyon algoritmalarından faydalanılmıştır. Optimizasyon algoritmaları ile sonsuz uzay içerisinden rastgelelik özellikleri yüksek ve iyi istatistiksel özellik gösteren konfigürasyonlar belirlenmiştir. Parçacık sürü optimizasyonu, yarasa algoritması ve modifiye edilmiş altın sinüs algoritması ile LFSR, LFG ve LCG üreteçlerinin başlangıç koşulları ve parametreleri belirlenmiştir. Elde edilen optimizasyon temelli mimarilerden elde edilen sayıların rastgeleliği NIST SP 800-22 ile test edilmiştir. Üretilen rastgele sayılar ile yer değiştirme kutusu (s-kutusu) tasarımı yapılmıştır. Ayrıca kaotik sarkaç kullanılarak rastgele sayılar elde edilmiş ve elde edilen rastgele sayılar ile s-kutusu tasarımı, görüntü şifreleme işlemleri gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmalar sonucunda elde edilen konfigürasyonlar ile üretilen bitlerin tüm rastgelelik testlerini başarıyla geçtiği görülmektedir. Üretilen s-kutusu performans kriterlerine bakıldığında oldukça başarılı sonuçlar verdiği görülmektedir. Tüm çalışmalar son iterasyona kadar çalıştırılmış ve olukça yüksek sayıda sonuç elde edilmiştir. Sonuç olarak optimizasyon temelli önerilen mimarinin elde ettiği sonuçlar ile rastgeleliği yüksek ve iyi istatistiksel özellikler gösteren rastgele sayılardan oluşan entropi havuzu oluşturulmuştur

Data security has become an important strategic element in today's technology where digitalization is increasing rapidly. The fact that modern cyber threats are becoming more sophisticated every day highlights the importance of security measures to be taken in this field. The science of encryption and information security has become an important subject that has been intensively studied. The most important element of encryption science is random numbers and the generators that produce these numbers. For a successful encryption, the output of a random number generator should ensure randomness and reduce predictability. In this thesis, we aim to design an optimization-based architecture for determining the initial conditions that are vital for random number generators. As it is known, the randomness of the random numbers to be obtained from random number generators increases or decreases depending on the initial seed value and the correct selection of the parameters. In this case, optimization algorithms were used to determine the initial conditions. With optimization algorithms, configurations with high randomness and good statistical properties were determined from infinite space. Particle swarm optimization, bat algorithm and modified golden sine algorithm were used to determine the initial conditions and parameters of LFSR, LFG and LCG generators. The randomness of the numbers obtained from the obtained optimization-based architectures was tested with NIST SP 800-22. A displacement box (s-box) design was made with the random numbers generated. In addition, random numbers were obtained using a chaotic pendulum and s-box design and image encryption operations were performed with the random numbers obtained. It is seen that the bits generated with the configurations obtained as a result of the experimental studies successfully passed all randomness tests. When we look at the performance criteria of the generated s-box, it is seen that it gives very successful results. All runs were run until the last iteration and a very high number of results were obtained. As a result, with the results obtained by the proposed optimization-based architecture, an entropy pool consisting of random numbers with high randomness and good statistical properties was created.