Application of Lightweight Cryptography Techniques in Internet of Things Scenarios

---

Tezin Türü: Doktora

Tezin Yürütüldüğü Kurum: Dokuz Eylül Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Bilgisayar Mühendisliği Bölümü, Türkiye

Tezin Onay Tarihi: 2024

Tezin Dili: Türkçe

Öğrenci: ÖZLEM ŞEKER

Danışman: Gökhan Dalkılıç

Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu

Özet:

Nesnelerin İnterneti (IoT), insan etkileşimi veya kullanıcı arayüzü olmadan birbirleriyle iletişim kurabilen sensörler, radyo frekansı ile tanımlama (RFID) etiketleri ve akıllı kartlar gibi sınırlı güç ve işlem kapasitesine sahip cihazların ağını ifade eder. Bu nedenle, güvenliği sağlamak için daha verimli yöntemler aranmaktadır. Bu tez, nesnelerin İnterneti güvenliğini sağlamak için çok protokollü çok ağ geçitli şema (SIMMS) adlı güçlü bir çerçeve tanıtır. SIMMS, kapalı ortam IoT uygulamaları için alınan sinyal gücü göstergesi (RSSI) tabanlı fiziksel takip, çok faktörlü kimlik doğrulama, role dayalı erişim yetkilendirme, veri şifreleme ve veri bütünlüğü kontrolü gibi çeşitli güvenlik katmanlarıyla güvenliği artırmayı hedefler. Şema, alt katmanda iletişimi yöneten aktarma ağ geçitleri ve üst katmanda veri akışını düzenleyen ana ağ geçidi olmak üzere iki katmanlı bir ağ geçidi mimarisi önerir. Aktarma ağ geçidi ile ana ağ geçidi arasında iletişim protokolü olarak mesaj kuyruk telemetri taşıma (MQTT) tercih edilir. Ancak, MQTT'de kullanıcı adı/şifre kimlik doğrulaması dışında geçerli güvenlik özelliklerinin bulunmaması ve sınırlı cihazlar için taşıma katmanı güvenliği/güvenli hiper metin transfer protokolü (TLS/HTTPS) verimsizliği bir zorluk oluşturur. Bu sorunu çözmek için, hafif IoT uygulamaları için MARAS (karşılıklı kimlik doğrulama ve role dayalı yetkilendirme şeması) adlı bir çözüm geliştirilmiştir. MQTT kullanarak, MARAS ve SIMMS, dinamik erişim belirteci, hızlı yanıt (QR) kod tabanlı güvenli iletimler, karma tabanlı mesaj doğrulama kodu (HMAC) tabanlı tek kullanımlık şifreler (HOTP), gelişmiş şifreleme standardı (AES), eliptik eğri dijital imza algoritması (ECDSA) ve OAuth2.0 çalıştıran güvenilir bir sunucu aracılığıyla uç cihazlar, aktarma ağ geçitleri ve ana ağ geçidi arasında karşılıklı kimlik doğrulama, yetkilendirme, mesaj gizliliği ve mesaj bütünlüğü güvenlik seviyeleri sağlar. ESP32 modülleri, bir Raspberry Pi ve bir PC tabanlı kimlik sunucusunu birleştiren bir prototip, çerçevenin pratik uygulamasını ve etkinliğini gösterir. Önerilen sistem mimarisi, cihazların sınırlı kaynakları ve IoT uygulamasının güvenlik ihtiyaçlarını dikkate alarak modüler olarak tasarlanmış güvenlik özelliklerini entegre eder. Güvenlik önlemleri, çeşitli koruma gereksinimlerini karşılamak için seviyelere ayrılmıştır. Birinci seviye, düz metin veri iletimiyle temel fiziksel izlemeyi içerir. İkinci seviye, QR kodlarıyla güçlendirilmiş kimlik doğrulaması ve OAuth 2.0 kullanılarak erişim kontrolü sağlar. Üçüncü seviye, AES ile sürekli veri şifreleme ekler. Son olarak, Dördüncü seviye, AES şifrelemesine ek olarak dijital imzaları dahil eder, bu da veri gizliliğini sağlamanın yanı sıra verinin kaynağını doğrulayarak inkarı önler. Güvenlik seviyesi, hem veri boyutunu hem de iletim süresini etkileyerek artan iletişim ve hesaplama maliyetlerine yol açar. Bu maliyetlerin analizi, güvenlik iyileştirmeleri ve performans arasındaki dengeyi anlamak için yapılmıştır. SIMMS, MQTT'nin 14 mesaj türü arasında yalnızca "publish" ve "connect" mesajlarını değiştirir. Örneğin, "publish" mesajlarına 32 bayt, "connect" mesajlarına ise 36 bayt ek yük getirir. SIMMS'in kavramsal kanıtı, genel veri trafiğinin SIMMS kullanımıyla, SIMMS kullanılmadığı duruma göre iki katından daha az arttığını göstermektedir. Bu durum, en yaygın mesaj türü olan "publish" mesajlarının etkisiyle açıklanmaktadır. Bağlantı mesajları için gidiş-dönüş süresi milisaniyenin yüzde birinden daha az gecikmiştir. "Publish" mesajları için gecikme, yayınlanan bilginin boyutu ve sıklığına bağlıdır, ancak gecikme ağ varsayılanlarının %163'ü ile sınırlandırılabilir. Bu nedenle, şemanın ağa getirdiği ek yük tolere edilebilir düzeydedir. Performans değerlendirmeleri, SIMMS'in mesaj güvenilirliğini ve ağ performansını doğrularken, ölçeklenebilirlik ve uyumluluğunu da onaylar. Genel olarak, SIMMS, IoT sistemlerinin güvenlik yeteneklerini önemli ölçüde artıran esnek ve ölçeklenebilir bir güvenlik çözümü sunar.