Secure communication for MUM-T: a blockchain and lightweight cryptography framework

Abstract

MUM-T systems are becoming increasingly central to modern defense and surveillance operations, enabling the coordinated deployment of MAVs and UAVs in complex, mission critical scenarios. While these systems offer significant tactical advantages, they also introduce unique challenges in maintaining secure, reliable, and real-time communication. In particular, MUM-T environments demand a delicate balance between high data integrity, low latency responsiveness, and computational efficiency requirements that conventional cryptographic and network security architectures often struggle to fulfill, especially within the resource-constrained platforms typical of UAVs. In response to these challenges, this thesis proposes a novel hybrid communication security framework designed specifically for MUM-T systems. The proposed architecture integrates two complementary technologies: a PoA-based blockchain to ensure tamper-resistant logging of mission-critical data, and a XOR-based lightweight cryptographic authentication scheme to facilitate high frequency, low-latency control messaging. By decoupling data assurance and real-time control into two dedicated communication layers, the framework seeks to maximize both operational integrity and responsiveness without overburdening the limited computational resources of UAVs. The research is anchored in a clear hypothesis: that the combined use of a PoA blockchain and lightweight symmetric encryption can provide a secure and efficient communication backbone suitable for MUM-T applications. To evaluate this hypothesis, the thesis employs both analytical modeling and simulation-based validation across two environments. The first, a custom Python-based simulation, models transaction generation, XOR-based encryption, and PoA block validation with fine-grained timing control. This simulation tracks end-to-end latency, throughput, and computational load under realistic scheduling parameters, revealing that the PoA component maintains transaction latencies well below 750 milliseconds, while the XOR mechanism introduces only microsecond-level processing delay making both viable for real-world deployment. The second simulation, developed in OMNeT++, models a network level implementation of the proposed framework, capturing the behavior of MAV and UAV nodes as modular entities within a time accurate, message driven environment. This simulation validates system-level coordination, concurrent operation of both communication layers, and the effectiveness of the hierarchical topology under realistic operating constraints. Collected scalar and vector metrics confirm that mission critical blocks are consistently generated and broadcast by the MAV, while UAVs engage in continuous transaction and control message generation. Time series data further demonstrate a stable and scalable increase in system activity, reinforcing the framework's responsiveness and throughput capacity. Together, the simulation results confirm that the proposed hybrid framework meets its design objectives. It provides a scalable, efficient, and secure communication model that is well suited to the hierarchical structure and operational demands of MUM-T systems. By leveraging the strengths of both blockchain and lightweight encryption, the framework supports the integrity and auditability of mission data while ensuring that time sensitive control messages are delivered with minimal delay. This thesis contributes to the growing field of secure autonomous system communication by offering a practical architecture that bridges the gap between real time responsiveness and high assurance data integrity. Future work may involve exploring more advanced lightweight encryption schemes, incorporating adaptive key management, or extending the consensus model to support partially decentralized architectures. Additional simulation scenarios involving adversarial threats or mission disruption can also enhance the robustness and applicability of the system in the real world.

MUM-T sistemleri, günümüzün modern savunma ve gözetleme operasyonlarında giderek daha merkezi bir rol oynamakta ve MAV ile UAV karmaşık, görev açısından kritik senaryolarda eşgüdümlü şekilde konuşlandırılmasını mümkün kılmaktadır. Bu sistemler, görev etkinliğini artırmanın yanı sıra, yüksek riskli bölgelerde insan kaybı riskini azaltmakta ve aynı anda çoklu görevlerin yürütülmesine olanak tanımaktadır. Ancak, bu operasyonel avantajlara rağmen, MUM-T uygulamalarında karşılaşılan en temel zorluklardan biri, sistemler arası güvenli, güvenilir ve gerçek zamanlı iletişimin sağlanmasıdır. MUM-T ortamlarında, görev başarısını doğrudan etkileyen üç temel güvenlik ve performans gereksinimi öne çıkmaktadır: yüksek veri bütünlüğü, düşük gecikme süresi ve hesaplama açısından verimli iletişim. Özellikle savaş alanı gibi stresli ve dinamik ortamlarda, bu üç gereksinimin aynı anda karşılanması büyük önem taşımaktadır. Ne var ki, geleneksel kriptografik yaklaşımlar ve merkezi ağ güvenliği çözümleri, özellikle kaynakları kısıtlı olan insansız hava araçlarında bu gereksinimleri karşılamakta yetersiz kalabilmektedir. Örneğin, RSA gibi yoğun hesaplama gerektiren algoritmalar, sınırlı işlem gücüne sahip UAV platformlarında ciddi performans kayıplarına yol açabilirken, gecikme hassasiyeti yüksek görevlerde iletişim protokollerinin yükü, karar verme sürelerini olumsuz etkileyebilmektedir. Ayrıca, merkezi yapıdaki güvenlik çözümleri tek bir arıza noktasına bağımlı oldukları için, askeri operasyonlar gibi yüksek güvenilirlik gerektiren uygulamalarda risk teşkil etmektedir. Bu nedenle, MUM-T sistemlerinin ihtiyaçlarına özel, hem güvenli hem de hafif yapıda çalışan, aynı zamanda düşük gecikme ile gerçek zamanlı iletişimi mümkün kılan yeni nesil çözümlerin geliştirilmesi kritik bir ihtiyaç hâline gelmiştir. Bu tez, MUM-T sistemlerinin iletişim güvenliğini hem yüksek performans hem de sağlamlık açısından optimize edebilmek amacıyla özel olarak tasarlanmış yeni ve özgün bir hibrit güvenlik çerçevesi önermektedir. Önerilen mimari, farklı görev türlerinin ihtiyaçlarına uygun olacak şekilde iki tamamlayıcı teknolojinin bir arada kullanıldığı katmanlı bir yaklaşım sunmaktadır. Bunlardan ilki, görev açısından kritik kabul edilen veri türlerinin değiştirilemez ve denetlenebilir bir biçimde kaydedilmesini sağlayan, PoA algoritmasına dayalı özel bir blokzincir yapısıdır. PoA yapısı, klasik blokzincirlerdeki yüksek işlem yükünü azaltırken, güvenilir düğümler arasında hızlı ve tutarlı veri bütünlüğü sağlar. İkinci teknoloji ise, gerçek zamanlı sistemlerde çok önemli olan hız ve verimlilik gereksinimlerini karşılamak üzere tasarlanmış olan, XOR tabanlı hafif bir kimlik doğrulama ve veri şifreleme mekanizmasıdır. Bu yöntem, özellikle İHA'ların sınırlı işlem kapasitesi göz önünde bulundurulduğunda, son derece düşük işlem yükü ve mikro-saniye düzeyinde gecikmeyle çalışarak sistemin operasyonel tepki süresini önemli ölçüde iyileştirmektedir. Böylece, iletişim güvenliği iki farklı eksende ele alınmakta; blokzincir bileşeni, kalıcı güvenlik ve veri doğruluğu sağlarken, XOR temelli hafif kriptografi ise anlık kontrol ve yönlendirme mesajlarının hızlı ve güvenli iletimine olanak tanımaktadır. Bu bütünsel yaklaşım sayesinde, MUM-T sistemlerinin en büyük sınırlamalarından biri olan hem güvenlik hem de hız ihtiyacının aynı anda karşılanması hedeflenmekte; veri bütünlüğü sağlanırken, sistemin gerçek zamanlı tepkiselliği ve operasyonel sürdürülebilirliği de koruma altına alınmaktadır. Araştırma, PoA tabanlı blokzinciri teknolojisinin ve hafif simetrik şifreleme yaklaşımının birlikte kullanılmasıyla, MUM-T uygulamaları için hem güvenli hem de performans açısından verimli bir iletişim altyapısı oluşturulabileceği yönündeki temel hipoteze dayanmaktadır. Bu varsayım, yalnızca teorik düzeyde kalmamış; aynı zamanda iki farklı ve birbirini tamamlayan simülasyon ortamında gerçekleştirilen kapsamlı deneysel doğrulamalarla desteklenmiştir. İlk doğrulama ortamı olan Python tabanlı simülasyon platformu, önerilen sistemin temel bileşenlerini modellemek amacıyla özel olarak geliştirilmiştir. Bu simülasyonda; işlem üretimi, XOR algoritmasına dayalı veri şifreleme, PoA algoritması ile blok oluşturma ve onaylama süreçleri zaman etkeni gözetilerek ayrıntılı biçimde modellenmiş; her bir işlem adımının sistem üzerindeki etkileri, zaman gecikmeleri ve işlem yoğunluğu gibi metriklerle detaylı olarak analiz edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, PoA tabanlı blokzincir yapısının ortalama işlem gecikmesini 750 milisaniyenin altında tuttuğunu göstermiştir ki bu, özellikle göreve duyarlı sistemlerde kabul edilebilir bir sınır olarak değerlendirilmektedir. Öte yandan XOR tabanlı hafif kimlik doğrulama mekanizması, mikro-saniyeler düzeyinde gerçekleşen şifreleme ve doğrulama süresiyle neredeyse gerçek zamanlı iletişim imkânı sağlamaktadır. Bu sonuçlar, hem PoA blokzincirinin güvenli ve tutarlı veri kaydı sağlama potansiyelini, hem de XOR temelli hafif şifrelemenin düşük gecikme gerektiren operasyonlar için ne denli uygun olduğunu ortaya koyarak, önerilen yaklaşımın pratik uygulamalar açısından güçlü bir çözüm sunduğunu doğrulamaktadır. İkinci olarak geliştirilen OMNeT++ tabanlı ağ seviyesi simülasyon ise, önerilen hibrit güvenlik çerçevesinin pratikte düğüm-temelli nasıl işleyeceğini değerlendirmek amacıyla tasarlanmış, zamana duyarlı ve olay tabanlı bir modelleme ortamı sunmaktadır. Bu simülasyon, gerçek dünyadaki MUM-T senaryolarına benzer biçimde yapılandırılmış ve hem MAV yani insanlı hava aracı, hem de birden fazla İHA modüler bileşenler şeklinde modellenmiştir. MAV, sistemde blokzincir ağının otorite düğümü olarak konumlandırılmış; her bir İHA ise hem işlem üretme hem de kontrol mesajları alma/yollama yetenekleriyle donatılmıştır. Zamanlayıcılar ve mesaj odaklı olay yönetimi sayesinde, ağ trafiği, mesaj gecikmeleri, işlem yoğunluğu ve blok üretim periyotları gibi önemli parametreler detaylı olarak izlenmiştir. Toplanan sayısal metrikler, MAV'in belirli aralıklarla yeni bloklar oluşturduğunu ve bunları tüm İHA'lara başarıyla ilettiğini göstermiş; bu da blokzincir bileşeninin önerildiği şekilde çalıştığını doğrulamıştır. Aynı zamanda İHA'lar, senaryo boyunca hem görev verisi hem de kontrol mesajları üretmiş, böylece simülasyon ortamında çift yönlü iletişim döngüsü sağlanmıştır. Ek olarak, elde edilen vektörel zaman serisi verileri, sistemin görev süresince kararlı, ölçeklenebilir ve senkronize bir iletişim trafiği yürüttüğünü ortaya koymuş; bu da önerilen sistemin çoklu İHA senaryolarında dinamik yükler altında bile güvenilir şekilde çalışabileceğini göstermiştir. Simülasyon sonuçları, önerilen hibrit güvenlik çerçevesinin önceden belirlenen tasarım hedeflerini başarıyla karşıladığını açık biçimde ortaya koymaktadır. Özellikle, blokzincir bileşeni aracılığıyla elde edilen güvenilir ve denetlenebilir veri kaydı sayesinde, görev süresince oluşturulan tüm kritik verilerin değiştirilemez biçimde saklandığı ve sonradan doğrulanabilir olduğu gösterilmiştir. Bu, operasyon sonrası analiz, görev raporlama ve olası güvenlik denetimleri açısından büyük avantaj sağlamaktadır. Öte yandan, hafif XOR tabanlı şifreleme mekanizmasının uçuş kontrolü ve anlık karar mekanizmaları gibi zaman hassasiyeti yüksek uygulamalarda yalnızca mikrosaniyelik seviyede gecikme oluşturduğu tespit edilmiştir. Bu da sistemin gerçek zamanlı iletişim ihtiyaçlarına başarıyla yanıt verdiğini göstermektedir. Hem blokzincir hem de hafif şifreleme katmanlarının birlikte kullanılması, sistemin bütünlük, güvenilirlik ve tepki süresi bakımından dengeli bir yapı sunduğunu doğrulamaktadır. Sonuç olarak, bu hibrit yaklaşımın, MUM-T gibi hem güvenli hem de hızlı iletişimin kritik olduğu ortamlarda uygulanabilirliği yüksek, pratik ve ölçeklenebilir bir çözüm sunduğu kanıtlanmıştır. Böylece sistem, hem güvenlik hem de performans gereksinimlerinin eşzamanlı olarak karşılandığı, görev-kritik askeri uygulamalara uygun bir altyapı olarak öne çıkmaktadır. Bu tez, güvenli otonom sistem iletişimi alanına önemli bir katkı sunarak, veri bütünlüğü ile zaman duyarlılığını aynı mimaride başarıyla birleştiren, hem pratik hem de ölçeklenebilir bir hibrit güvenlik yaklaşımı ortaya koymaktadır. Geliştirilen çerçevenin, farklı güvenlik önceliklerine sahip iletişim katmanlarını ayrı araçlarla ele alarak performans ve güvenilirlik arasında denge kurması, MUM-T gibi yüksek riskli ve karmaşık operasyonlarda önemli bir tasarım avantajı sunmaktadır. Bu çalışmanın oluşturduğu altyapı, gelecekteki araştırmalar için de çok sayıda potansiyel gelişim alanı barındırmaktadır. Örneğin, XOR yerine daha gelişmiş ve saldırılara karşı daha dayanıklı olan hafif kriptografik algoritmaların sistemle entegre edilmesi, hem güvenlik seviyesini artıracak hem de farklı senaryolarda daha esnek çözümler sunacaktır. Bununla birlikte, şu anki yapıda idealize edilmiş olan anahtar yönetimi süreçleri de dinamik ve dağıtık bir yapıya dönüştürülerek, sistemin ölçeklenebilirliği ve uzun vadeli sürdürülebilirliği güçlendirilebilir. Özellikle, merkeziyetsiz mimarilerde kullanılabilecek daha esnek ve güvenli konsensüs algoritmalarının araştırılması, PoA modelinin sınırlamalarını aşmak adına yeni ufuklar açabilir. Ayrıca, mevcut simülasyon ortamı barışçıl bir iletişim senaryosu üzerine kurulmuşken, gerçekçi bir operasyonel güvenlik değerlendirmesi için aktif saldırı simülasyonlarının dahil edilmesi büyük önem taşımaktadır. Bu tür tehdit senaryoları, sistemin sadece verimliliğini değil, aynı zamanda güvenlik dayanıklılığını da test edebileceğimiz bir çerçeve sunacaktır. Bu bağlamda, çalışmanın sunduğu temel mimari hem akademik hem de uygulamalı güvenlik alanında daha derinlemesine araştırmalar için sağlam bir zemin oluşturmaktadır.