تصميم إطار عمل تشفير كتلي خفيف الوزن لتأمين أجهزة إنترنت الأشياء المحدودة الموارد

الباحث

رؤى مؤيد إلياس بكر

المشرف

سفيان سالم محمود

الجامعة

جامعة الموصل

الكلية / القسم

كلية علوم الحاسوب والرياضيات / علوم الحاسوب

الشهادة

دكتوراه

السنة

2023

لغة الرسالة

انكليزي

الكلمات المفتاحية

Lightweight Block Cipher ; Internet of Things ; Resource-Constrained Devices ; Cryptography

مع تطور خدمات الإنترنت والرقمنة السريعة لمجموعة متنوعة من الخدمات، أصبحت خصوصية وأمن البيانات المنقولة بين الأجهزة عبر الشبكة ذات أهمية متزايدة. تنتشر أجهزة إنترنت الأشياء على نطاق واسع في مجالات مختلفة، Cys تلتقط أنواعًا مختلفة من البيانات باستخدام أجهزة الاستشعار الموجودة على حافة الشبكة. Lille ما تكون أجهزة إنترنت الأشياء منخفضة التكلفة، ولكن قدراتها الحسابية والتخزينية محدودة. يعد ضمان أمان البيانات أمرًا بالغ الأهمية في تصميم بنية إنترنت الأشياء،ء خاصة عندما يلزم الأمر نقل كميات كبيرة من المعلومات الحساسة التي تولدها هذه الأجهزة وحفظها وتحليلها بشكل آمن. يعد التشفير حلا ial موثوقًا لأجهزة إنترنت الأشياء. ومع ذلكء قد لا تلبي الحلول الأمنية التقليدية قدرات أجهزة إنترنت الأشياء المحدودة المواردء فمن المهم التأكد من أن تنفيذ خوارزميات التشفير لا ينطوي على زيادة في استهلاك الطاقة وتعقيد التصميم الإلكتروني لهذه الأجهزة. تقدم هذه الأطروحة Vola لتأمين أجهزة إنترنت الأشياء المحدودة الموارد باستخدام التشفير خفيف الوزن. تقترح الأطروحة خوارزمية تشفير كتلي بسيطة وآمنة خفيفة الوزن مع التركيز على تحقيق تنفيذ برمجي كفوء ، خاصة على الأجهزة ذات معالجات 32 بت. تم تصميم خوارزمية تشفير بيانات الأجهزة خفيفة الوزن (LWDDEA) المقترحة بناءً على مبدأ المفاضلة بين التكلفة والأداء والأمان. البنية الداخلية للخوارزمية هي شبكات Feistel المعممة من النوع الثاني (GFN) والتي تعتمد على أربعة فروع 32 بت وجدولة مفاتيح بسيطة. لتعزيز انتشار وقوة هيكل ،GFN تمت إضافة طبقة التقليب الجزئي إلى الهيكل. علاوة على calls لتقليل تكلفة التنفيذ وتحقيق ارتباك عاليء تم تصميم دالة مستديرة بسيطة باستخدام عمليات منخفضة التكلفة من عمليات الجمع والتدوير(81236) القوية. بالإضافة إلى المخاوف المتعلقة بأمن بيانات أجهزة إنترنت الأشياء، هناك العديد من المتطلبات الأخرى لضمان أمان بيئة إنترنت الأشياء. إقترحت الأطروحة إطارًا أمنيًا خفيف الوزن متعدد المستويات (10151.517-]) لتأمين البيانات في أنظمة إنترنت الأشياء المستندة على تقنية تحديد الترددات الراديوية (RFID) من خلال الاعتماد على الخوارزمية خفيفة الوزن المقترحة لتشفير البيانات وبالاعتماد على المعرف الفريد لكل علامة. تم تصميم الإطار الامني للحالات ذات الموارد المحدودة لضمان أمن البيانات الشامل من نقطة النشر وحتى تخزين البيانات. يوفرالاطار خدمات السرية والأمن الأمامي والمصادقة المتبادلة لتدفق البيانات بين المشاركين في النظامء Ley في ذلك الخادم وأجهزة إنترنت الأشياء وقارئ RFID وعلامة ‘(RFID من خلال ثلاث مراحل: التسجيل على مستويين، والمصادقة على مستويينء و تأمين بيانات الجهاز باستخدام الخوارزمية خفيفة الوزن المقترحة.

With the growth of the internet and the rapid digitization of a variety of services, the privacy and security of data transmitted between devices over the network have become increasingly critical. The Internet of Things (IoT) devices are widespread in various domains, capturing different types of data using sensors at the network edge. IoT devices are often low-cost, but their computing and storage abilities are restricted. Ensuring data security is critical in IoT architecture design, especially when large amounts of sensitive information generated by these devices need to be securely transmitted, saved, and analyzed. Cryptography is a reliable security solution for IoT devices. However, traditional security solutions may not meet the capabilities of resource-constrained IoT devices, it is important to ensure that the implementation of cryptographic algorithms does not involve increasing power consumption and electronic design complexity for these devices. This thesis offers solutions to secure the resource-constrained IoT device using lightweight cryptography. The thesis proposes a simple and highly secure lightweight block cipher algorithm with a focus on achieving efficient software implementation, particularly on devices with 32-bit processors. The proposed LightWeight Devices Data Encryption Algorithm (LWDDEA) is designed based on the principle of the trade-off between cost, performance, and security. The algorithm inner structure is Type-2 Generalized Feistel Networks (GFN), which are based on four branches of 32-bit and simple key scheduling. To enhance the diffusion and strength of the GFN structure, a partial permutation layer has been added to the structure. Moreover, to reduce the implementation cost, and achieve high confusion a simple round function has been designed using low-cost and powerful Addition, Rotation, and XOR (ARX) operations. In addition to IoT device data security concerns, there are many other requirements for ensuring IoT environment security. The thesis proposed a multi-level IoT- RFID Lightweight Security Framework (I-RFLSF) to secure data in IoT based Radio Frequency Identification (RFID) systems by adopting the proposed lightweight algorithm to encrypt the data in IoT-based RFID systems depending on the unique identification of each RFID tag. The framework is designed for situations with limited resources to ensure end- to-end data security from the deployment point through data storage. The framework provides confidentiality, forward security, and mutual authentication services for data flow between the system participants, including the server, IoT devices, the RFID Reader, and the RFID Tag, through three phases: Two-Level Registration, Two-Level Authentication, and securing device data using the proposed lightweight algorithm. Experimental results of security analysis proved that the proposed algorithm met the security criteria of the avalanche effect with an average diffusion of 50.58 percent for the Plaintext Sensitivity Test and 50.97 percent for the Key Sensitivity Test. The Correlation coefficient results also indicated a weak linear relation between the plaintext and ciphertext. The randomness analysis of the proposed algorithm was implemented using the NIST Statistical Test Suite, and the algorithm successfully passed 11 tests. To determine the efficiency of the proposed algorithm, its performance was evaluated on real IoT devices ESP32 and ESP8622 Node MCU where the algorithm firmware was embedded on these devices. Performance evaluation results showed that the proposed algorithm consumes a small amount of the total device memory and outperformed SPECK and AES algorithms in terms of execution time and throughput making it convenient for deployment in the restricted IoT environment.

طلب نسخة من الملف

الملفات غير منشورة على الموقع. اترك بياناتك وسيتواصل معك موظفو قسم الشؤون الثقافية والفنون لإرسال النسخة مجاناً.

الاسم

رقم الهاتف

البريد الإلكتروني

الغرض من الطلب (اختياري)

إرسال الطلب