Kablosuz iletişim için yeni nesil fiziksel katman güvenlik çerçevesi

Kablosuz haberleşmenin gelişmesi ve günümüz haberleşme sistemlerinde yaygın bir kullanım yüzdesine ulaşması ile birlikte fiziksel katman güvenliği popüler bir araştırma alanı haline gelmiştir. Kablosuz haberleşmede kanal olarak kullanılan kılavuzsuz ortam, doğası gereği güvenlik açıklarına yol açmaktadır. Bu güvenlik açıklarının fiziksel katmanda ortadan kaldırılması günümüzde halen zor olarak nitelendirilmektedir. Kablosuz haberleşmedeki bu zafiyetin ortadan kaldırılması için günümüzde kriptolama gibi çözümler kullanılmaktadır. Ancak çoklu antenli sistemlerin gelişmesi neticesinde, yeni nesil sistemlerde bu problemin çözümünün fiziksel katmanda sağlanması da mümkün olabilmektedir. Bununla birlikte, fiziksel katman parametrelerini optimize ederek, kullanılmakta olan güvenlik sistemlerine yardımcı olarak çalışan birçok teknik ortaya atılmıştır. Ancak bu bahsedilen yöntemler birbirinden bağımsız olarak çalışmaktadırlar. Diğer bir deyişle fiziksel katman güvenlik sistemleri var olan üst katman sistemler ile müşterek çalışmamaktadırlar. Bu durum, fiziksel katman güvenlik sistemlerinin mevcut sistemlere ancak ek olarak kullanılmasına, çoğu durumda ise opsiyonel olarak kabul edilmesine yol açar. Bu nedenden dolayı, uyarlanabilir ve tümleşik bir fiziksel katman güvenlik sisteminin geliştirilmesi önemlidir. Böylece güvenliğin fiziksel katmanda yerine getirilmesi tüm sisteme önemli bir katma değer katabilecektir. Bu tezde, fiziksel katman güvenlik tekniklerini çoklu antenlerle birleştiren yeni bir tip fiziksel katman güvenlik çerçevesi önerilmiştir. Bu sistem, devredeki diğer modüllerden aldığı girdileri kullanarak sistem parametrelerini hesaplayan ana modüle sahiptir. Var olan tüm opsiyonel modüller, ana sistemin farklı bir parametreyi algılayabilmesini sağlar. Bu yapı iletim parametrelerini kontrol ettiğinden, bir cihazın içindeki kablosuz iletim düğümüne entegre edilmesi üzerinde çalışılmıştır. Bu sebepten dolayı, sistem yeni nesil fiziksel katman güvenlik sistemi olarak adlandırılabilir. Yeni nesil fiziksel katman güvenlik sisteminin sahip olduğu üç ana dizayn öğesi; esnek olması, enerji verimliliğinin yüksek ve uyarlanabilir güvenlik özelliklerine sahip olmasıdır. Modüler yapısı sayesinde sistem bir çok uygulamaya ve yeni teknolojilere uyarlanabilir durumdadır. Sistemin temel amacı iletim parametrelerini yetkili kullanıcıların iletişim kalitesi ve güvenlik kısıtlarına uygun şekilde, en az güç tüketimi olacak şekilde optimize etmektedir. Özellikle mobil cihazlardaki pil tüketiminin minimize edilmesi, enerji kaynağı kısıtlı olduğundan büyük önem taşır. Bu avantajlara ek olarak, uyarlabilir güvenlik, sisteme üst düzeyde verimlilik getirmektedir. Böylece sistem girdi bitlerini ayrıştırarak güvenli bitler için daha iyi bir güvenlik altyapısı sunar. Ayrıştırma parametreleri modüller tarafından ayarlanabilir. Bu özellik sayesinde önerilen yeni metot, geleneksel fiziksel katman güvenlik sistemlerinden daha verimlidir. Önerilen yeni nesil sistemde mevcut olan modüller aşağıda tanımlanmıştır. Ana modül; merkezi hesaplama modülü, huzme oluşturma ve yapay gürültü modüllerinden oluşmakta olup, sistemin genel fonksiyonundan sorumludur. Bu modül, gelen verinin üst katman özelliklerinden bağımsız çalışan, başlı başına bir fiziksel katman güvenlik sistemi olarak görev alabilir. Kriptolama modülü, sistemde hangi kriptolama algoritmasının kullanıldığını ortaya çıkaran bir farkındalık modülü olarak görev yapar. Kullanılan kriptolama metotlarına göre sistemin fiziksel katman özelliklerinde değişiklikler meydana gelir. Bu nedenle, merkezi hesaplama modülü optimizasyon değerini buna göre ayarlar. Böylece, daha az hatalı bir çıktı üretmek amaçlanmaktadır. Buna ilave olarak, sistemin kriptolama tipi ve anahtar uzunluğu değiştirebilir. Böylece, sistemde enerji verimliliği yüksek bir çözüm elde edilmiş olur. Uygulama farkındalık modülü, girdi bitlerini uygulama tipine göre sınıflandırır. Uygulama tipleri önem değerlerine göre farklı sınıflara atanabilir. Örnek olarak bir HTTP GET veya POST mesajı ile iletilen bir şifre gibi önemli olarak varsayacağımız bitleri ayrıştırmamız mümkün olur. Bu modül sayesinde farklı uygulamalar birbirinden ayırt edilebilir, farklı şekilde değerlendirilebilir ve farklı güvenlik uygulamalarına tabi tutulabilir. Uygulamanın yapısına göre güvenlik ihtiyaçları değiştiğinde, sistem buna ayak uydurabilir. Örneğin, bir HTTP trafiğine yüksek güvenlik düzeyi atanırken, HTTPS trafiğine düşük güvenlik düzeyi atanabilmesi bu modül ile mümkündür. Kanal kestirimi modülünün çıktısı kanal kestirim hataları ile ilgili bilgilerdir. Bu bilgiler, çekirdek hesaplama modülü tarafından sistemin eşik değerlerinin uygun şekilde değiştirilmesi için kullanılır. Kanal kestirim hataları yüksek ise, performans ve güvenlik kısıtlarının sağlanması için esik değerleri olduğundan daha yüksek bir değerde seçilebilir. Bu şekilde, daha fazla güç harcanmış olsa da sistem sağlaması gereken performans kısıtlarının içinde çalışmış ve daha güvenilir bir servis sağlamış olur. Kanal kestirim hatalarının pratik sistemlerde kaçınılmaz olduğu ve sistem güvenilirliğinin gerekliliği düşünüldüğünde, bu modülün getirdiği katma değer büyük önem kazanmaktadır. Buna ilave olarak sisteme bir de isteğe bağlı modül eklenebilir. Bu bahsedilen isteğe bağlı modülün esas amacı bitleri ayrıştırmaktır. Bu modül gelecekteki protokollerin entegrasyonu için gerekli olabileceği düşünülmüştür. Bu tezde, biraz önce bahsedilen yapıda bir isteğe bağlı modülün uygulanması örnek bir konfigürasyon ile sunulmuştur. Yukarıda bahsedilen konsept birden fazla senaryoda uygulanmıştır. İlk senaryoda, uzay-zaman seçici yapay gürültü ele alınmıştır. Yapay gürültü, huzme oluşturma sistemlerinde olduğu gibi uzayda seçici olmasının yanı sıra, zaman domeninde de seçici olarak tasarlanmıştır. Performans analizi sonuçları uzay-zaman seçici yapay gürültü kullanımının mevcut izotropik yapay gürültü ve uzay seçici yapay gürültü tekniklerinden daha verimli olduğunu ortaya koymuştur. İkinci senaryoda, kanal kestirim hata koruması, yapay gürültü oluşturma sistemine eklenmiştir. Bu senaryoda da koşulların sağlandığı mümkün olan en az güç tüketimini veren esik değerlerin hesaplanması önerilmiştir. Esik değerlerin hesaplanması, kanal kestirim hatasına bağlıdır. Sistemin esik değerin yardımı vasıtasıyla güvenilirliğini koruyabilmekte olduğu çıkan sonuçlardan açıkça görülebilmektedir. Ancak güvenilirliğin korunması yükselen enerji tüketimini beraberinde getirmektedir. Üçüncü senaryoda, sistemde kriptolama konusunda farkındalılık hesaba katılmıştır. Bu senaryoda farklı kriptolama algoritmalarının kullanılmasının sistemde yarattığı etkiler araştırılmıştır. Bu tezde, AES, DES ve DESX algoritmaları kullanan sistemlere yer verilmiştir. Bu kriptolama algoritmalarını kullanan sistemde kriptolama farkındalılık modülü kullanımının sonuçları verilmiştir. Veriyi kriptolamanın sistemin hata tolerans yapısında farklılık yarattığı gözlenmiştir. Örnek olarak verilmesi gerekirse, kripte edilmiş bir veri yayınındaki bir bit hatanın, kripto çözüldüğünde birden fazla hataya sebep olduğu gözlenmiştir. Başka bir deyişle, sistem kriptolama kullandığında; iletimi yapan ile alıcı arasındaki hatalı paket sayısı kriptolama kullanmayan sistemler ile aynı sayıda değildir. Yapılan çalışmalar neticesinde, kriptolama farkındalılık modülünü sayesinde yapay gürültünün gereksiz kullanımının en aza indirilebileceği ortaya konmuştur. Bu modül, sisteme önemli ölçüde enerji verimliliği getirdiğinden sisteme katkısı kayda değerdir. Dördüncü senaryoda uygulamaların sınıflandırılması yöntemi incelenmiştir. Bu senaryoda, bir videonun yalnızca belirli bir bölümünün seçildiği ve güvenliğinin arttırıldığı bir sistem üzerinde çalışılmıştır. Bu sistem uygulama farkındalılık modülü kullanarak videodaki 'önemli' tabir edilen yüksek öncelikli bölümleri ayrıt etmektedir. Sonuçlar göstermiştir ki, uygulama filtrelenmesi neticesinde bir verideki önemli bitlerin secimi ve ayrisitirlmasi gerçekleştirilebilmektedir. Yalnızca seçilmiş bitlerin güvenlik düzeyi arttırılarak sistemin genel verimi yükseltilir ve önemli olmayan bitler için ekstra enerji harcanmasının onu kesilmiş olur. Eşzamanlı çift yönlü haberleşme beşinci senaryoda göz önünde bulundurulmuş olup meşru ağ elemanlarının eşzamanlı çift yönlü yöntem ile çalıştığı ve kendi girişim engelleme yöntemleri ile çalıştığı senaryo üzerinde araştırma yapılmıştır. Eşzamanlı çift yönlü haberleşmede iki farklı ağ elemanının aynı zamanda sinyal göndermesi durumu potansiyel gizli dinleyicilerin üzerinde potansiyel girişim yarattığı bilinmektedir. Alınan sonuçlar neticesinde benzer güvenlik düzeyine eşzamanlı çift yönlü haberleşme kullanan sistemlerde de erişilebildiği gözlemlenmiştir. Altıncı senaryoda bir bilişsel radyo ağı uygulaması ele alınmış olup, bilişsel radyo ağlarındaki en yaygın fiziksel katman saldırıları incelenmiştir. Bu saldırıları önlemek amacıyla huzme oluşturma tekniği tabanlı bir sistem önerilmiştir. Sonuçlar fiziksel katman güvenlik tekniklerinin çeşitli saldırılar önlemek amacıyla kullanılabileceğini göstermiştir. Sonuç olarak, bu tezde "Yeni Nesil Fiziksel Katman Güvenlik Sistemi" olarak adlandırılan modüler ve çok katmanlı bir fiziksel katman güvenlik çerçevesi önerilmiştir. Sistemdeki modüllerin varlığı enerji verimliliğini, harcanacak gücün akıllıca kullanımı sağlanmasıyla önemli ölçüde arttırmaktadır. Bu durum özellikle direkt bir güç kaynağına bağlı olmayan mobil cihazlar için yüksek önem arz etmektedir. Sistem, opsiyonel modüllerin varlığı sayesinde belirli kriterlere göre önemli bitlerin tayinini yapabilir ve bu bitlerin güvenlik düzeyini arttırabilir. Bu yapıda sistemin verimliliğinin arttığı farklı senaryolarda uygulanmış ve gösterilmiştir. Modüler yapısı sayesinde, bu sistem mevcut modüller ve sisteme eklenecek yeni modüller ile farklı kullanım amaçları için uygulanabilir.