Yeni bir veri gizleme yönteminin geliştirilmesi ve yongada sistem üzerinde gerçeklenmesi

Bilgi güvenlik sistemleri artık gündelik hayatımızın birer parçası. Bu tez çalışmasında bilgi güvenlik sistemlerinin sınıflandırılmasından, amaçlarından, kullanım alanlarından ve birbirlerine göre farklılıklarından bahsedilmiştir. Bu sistemler içerisinde dijital veri gizleme yöntemlerinin neler olduğundan, özelliklede uzamsal uzayda uygulanan yöntemlerin detaylarına değinilmiştir. Daha sonra komşu ortalamalı ara değerlendirme yöntemi kullanılarak resmin içerisine veri gizleme yöntemine yapılan geliştirmeler detaylı bir şekilde okuyucuya aktarılmıştır. Bu geliştirme sayesinde veri gizleme işlemini, şifreleme biliminin yöntemine benzer şekilde anahtar yapısına bağlı olarak yapılması sağlanmıştır. Yeni yöntem; uzamsal uzayda görüntü içerisine veri gizlerken izlenilen işlem yolunun veya sırasının, genelde resim çerçevesinin sol üst köşesinden başlayarak sağa ve aşağıya doğru satır-sütun taraması yapılarak izlenen zig-zag yolun, şifreleme bilimine uygun olarak şifreleme anahtarı yapısına bağlı bir biçimde karıştırılması ve bu sayede tek bir iterasyonda dahi, şifreleme anahtarını bilmeyen kişilerin gizlenen mesaja ulaşamamasını sağlayan bir sistem olarak nitelendirilebilir. Yeni yöntem sayesinde kullanıcılar hem steganografinin yani gizleme biliminin hem de kriptografi yani şifreleme biliminin özelliklerinin iç içe bulunduğu bir yöntem ile haberleşmelerinin güvenliğini arttırabileceklerdir. Bu tez çalışmasında, geliştirilen yeni yöntemin gerçek bir uygulama ile test edilmesi de sağlanmıştır. Önerilen yöntem ilk olarak masaüstü bilgisayar üzerinde Matlab yazılımı kullanılarak test edilmiştir. Bu kapsamda veri gizleme ve gizlenmiş veriyi çıkartma işlemlerinin yapıldığı programlar geliştirilmiştir. Bu programlar ekler bölümünde okuyucuyla paylaşılmıştır. Ayrıca gömülü sistem üzerinde aynı uygulamanın koşturulması sağlanmıştır. AVNET'in Zynq işlemci mimarisine geliştirmeler yapılması için ürettiği ZedBoard geliştirme kartı üzerinde önerilen yöntem uygulamaya alınmıştır. Bu kapsamda Linux işletim sisteminin ZedBoard üzerinde koşturulması için gerekli geliştirme ortamı kurulmuş, daha sonra kart üzerinde Linux işletim sistemi koşturulmuştur. Ayrıca, OV7670 kamera sensörü sisteme entegre edilip, kameradan görüntünün alınıp kartın üzerindeki belleğe yazılması, bellekteki görüntünün VGA protokolü ile dışarıda bulunan bir VGA monitörde yansıtılması sağlanmıştır. Burada belirtilen işlemlerin tümü, Zynq mimarisisnin içinde bulunan programlanabilir kapı dizileri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Tüm bunlara ek olarak, VGA çıkışına gönderilecek resim çerçevesi üzerinde, Zynq mimarisi içerisinde bulunan ARM tabanlı çift çekirdekli A9 işlemciler koşturularak, bu makalede yenilik unsuru olarak önerilen, piksel simetrisi kullanarak resim çerçevesinin içerisine veri gizleme yönteminin uygulanması sağlanmıştır. xxiBizler bu çalışma sayesinde Xilinx firmasının ürettiği programlanabilir kapı dizileri ile çalışabilmek için gerekli olan geliştirme ortamının kurulmasını, Linux işletim sisteminin gömülü sistem üzerinde koşturulması için gerekli olan çapraz derleme geliştirme ortamının kurulmasını, Linux işletim sisteminde özel çevresel birimlerinin kullanılması için gerekli olan sürücü yazılımlarının Linux çekirdeği içerisinde nasıl kodlandığını, yine Linux işletim sisteminde kabuk katmanında I2C donanımının nasıl kullanıldığı ve görüntü işleme için gerekli olan altyapının nasıl kontrol edileceğini, daha önceden yüksek seviyeli programlama dilleri C veya C++ kullanılarak oluşturulmuş progranabilir kapı dizileri modüllerinde bulunan problemlerin nasıl çözülmesi gerektiğini öğrenmiş olduk. Bu tez altı ana başlık altında incelenmektedir. İlk bölümde bilgi güvenliği sistemlerinden ve bu tezin amacından bahsedilmiştir. Bilgi güvenliği sistemleri güvenliği sağlayan ve güvenliği sınayan sistemler olarak iki gruba ayrılmıştır. Bu tezin içinde bulunduğu güvenliği sağlayan sistemler içerisinde; şifreleme, gizleme ve fligran oluşturma bilim alanlarının neler olduğundan bahsedilmiştir. Bu bilim alanlarının birbirlerine göre amaçları ve farklılıkları nelerdir açıklanmıştır. İkinci bölümde veri gizleme yöntemlerinden, özelliklede uzamsal uzayda kullanılan temel yöntemlerden ve görüntü karıştırma algoritmalarından bahsedilmiştir. Bu algoritmalardan tez için önem teşkil eden komşu ortalamalı ara değerlendirme yöntemi detaylı bir şekilde anlatılmıştır. Sonrasında görüntü karıştırma algoritmalarının değerlendirlmesinde kullanılan karıştırma derecesi yöntemi anlatılarak tezin yenilik unsuru olan, piksel simetrisi kullanarak gizleme yolunun karıştırılması işleminin, diğer karıştırma yöntemleri ile karşılaştırılabilmesini sağlamak için teorik bir alt yapı okuyucuda oluşturulmuştur. Üçüncü bölümde veri gizleme için önerilen yeni yönteme değinilmiştir. Öncelikle daha önce kullanılan ara değerlendirme yöntemlerinin arasından niçin komşu ortalamalı ara değerlendirme yönteminin seçildiğine değinilmiştir. Daha sonra piksel simetrisi olarak isimlendirilen yeni yöntemin, aslında birçoğumuzun geometriden hatırlayabileceği simetri kavramının resim çerçevesinin oluşturulmasını sağlayan temel yapıtaşları yani pikseller üzerinde nasıl kullanıldığı anlatılmıştır. Yeni yöntemin uygulanması ile ilgili örnekler verilmiştir. Dördüncü bölümde önerilen yöntemin bilgisayar ve gömülü sistem üzerinde gerçeklenen uygulamalarının nasıl yapıldığından bahsedilmiştir. Öncelikle Matlab üzerinde yapılan uygulamanın detayları anlatılmıştır. Daha sonra Linux işletim sistemi ve Zynq mimarisi üzerinde yapılan uygulamanın detaylarına geçilmiştir. Bu noktada Zynq mimarisinin önemli noktaları vurgulanmıştır. FPGA'lerin kullanım alanlarından ve özelliklerinden bahsedilmiştir. Bilgisayar mimarisinde çevresel birimlerin çip içi haberleşmesinde sıklık ile kullanılan AXI protokolünden ve bu protokolün değişik amaçlar için oluşturulan versiyonlarından bahsedilmiştir. Daha sonra, OV7670 kamera sensörünün özelliklerine ve video çıkışı olarak sunduğu YUV/YCbCr ve VGA protokolünde kullanılan RGB renk uzaylarına değinilmiştir. Son olarak, Zynq mimarisinin FPGA kısmında kurulan donanım bileşenleri ve yazılım mimarisi incelenmiştir. Beşinci bölümde, dördüncü bölümde bahsedilen uygulamaların çalışma esnasında elde edilen çıktılarından bahsedilmiştir. Veri gizlemesi yapılmış resim sonuçları okuyucuya sunulmuştur. Daha sonra gömülü sistem üzerinde yapılan uygulamanın xxiisonuçları, uygulama sırasında kullanılan kontrol bilgisayarındaki Linux terminalinden elde edilen ekran görüntüleri gösterilerek okuyucuya sunulmuştur. Son olarak altıncı bölümde test sonuçlardan yola çıkarak tezin değerlendirilmesinin yapıldığı sonuç bölümü yazılmıştır. FPGA de gerçekleştirilen devrelerin, FPGA içinde bulunan kaynakların ne kadarını tükettiği tablolar ile gösterilmiştir. Uygulamalardan elde edilen sonuçların olumlu ve olumsuz yönlerine değinilmiştir. Gelecekte yapılabilecek geliştirmelerden bahsedilmiştir. Ekler bölümünde, dördüncü bölümde bahsedilen gerçeklemelerin nasıl yapıldığını anlatan teknik detaylar verilmiştir. Ek-A'da öncelikle geliştirme ortamının kurulumu anlatılmıştır. Xilinx geliştirme araçlarının kurulumu, Linux kaynak kodlarının nasıl indirileceği ve Minicom seri haberleşme programının nasıl yükleneceğine değinilmiştir. Daha sonra Xilinx Linux işletim sisteminin ZedBoard geliştirme kartı üzerinde koşturulması için gerekli teknik adımlar anlatılmıştır. İlk adım sistem yükleyicisinin nasıl oluşturulacağından, U-Boot programının Zynq mimarisininde bulunan ARM işlemcisi için nasıl derleneceğinden, Linux çekirdeğinin, kök dosya sisteminin ve donanım sürücülerinin nasıl derleneceğinden ve son olarak ZedBoard üzerinde ilk Xilinx Linux'un koşturulması için geliştirme kartı ve test bilgisayarına yapılması gereken adımlardan bahsedilmiştir. Ek-B bölümünde Linux işletim sistemi için yüklenebilir donanım sürücülerinin oluşturulması anlatılmıştır. Donanım sürücülerinde Major ve Minor sayılarının neleri ifade ettiğine değinilmiştir. Linux işletim sistemi içerisinde kesme yapılarının nasıl oluşturulduğu ve Linux kullanıcı katmanında oluşturulan programların nasıl derlenmesi gerektiğinden bahsedilmişitir. Ek-C bölümünde Matlab programında yeni yöntemin çalıştığını göstermek amacıyla oluşturulan programların kodlarına yer verilmiştir. Bu amaçla önce veri gizleme uygulamasına ait kod, simetri noktalarının hesaplanması için oluşturulan fonksiyon ve gizlenen veriyi çözme işleminin yapıldığı kod okuyucuyla paylaşılmıştır. Son olarak Ek-D bölümünde, önerilen yöntemin aynı zamanda gömülü sistemlerde uygulamak için uygun olduğunu göstermek amacıyla oluşturulan, ZedBoard üzerinde Linux işletim sistemi kullanılarak koşturulan C kodları okuyucuya sunulmuştur. İlk olarak FPGA'de oluşturulan özel donanımların Linux işletim sistemi ile kontrolünü sağlayan donanım sürücüsünün kodu, daha sonra I2C ile kamera konfigürasyonunu sağlayan ve resim çekme işlemini gerçekleştiren Linux kullanıcı katmanı programlarının C kodları ve son olarak da veri gizleme işleminin yapıldığı programın C kodu okuyucular ile paylaşılmıştır. Önerilen yeni yöntemin sonuçları ile bir önceki yöntemin sonuçları karşılaştırıldığında benzer görsel özelliklerin ve hesaplama basitliğinin yakalanmış olduğu gözlenmiştir. Üzerinde değişiklik yapılacak olan kaplama resmi ile içerisine veri gizlenmiş saklı resimin, stego resim, arasında hesaplanan PSNR değerlerinin her bir örnek çalışma için 35dB'in üzerinde kaldığı gözlenmiştir. Bu durum veri gizleme işlemi esnasında yapılan değişikliklerin gözle görünemeyecek seviyede olduğunu göstermektedir. Ayrıca şifreleme anahtarı kullanılarak yapılan gizleme sayesinde güvenlik seviyesi bir önceki yönteme göre çok daha güçlü bir hale getirilmiştir. Şifreleme anahatarı kullanılarak karıştırılan gizleme sırasının, oldukça karmaşık ve takip edilmesi zor bir hale geldiği, karıştırma derecesi teoremi kullanılarak teorik olarak kanıtlanmıştır. Bu tezin çıktısı olarak şifreleme ve gizleme bilimlerine uygun, gerçek dünyada uygulanabilir, basit ama güçlü ve gerçeklemelerle uygulanabilirliği kanıtlanmış yeni bir veri gizleme yöntemi elde edilmiştir.