В Евразийском национальном университете имени Л.Н. Гумилева состоится защита диссертации на соискание степени доктора философии (PhD) Эгамбердиева Эльдора Улугбековича на тему «Разработка и исследование алгоритмов декодирования кодов с прямым исправлением ошибок и протоколов аутентификации на основе физически неклонируемых функций для систем радиосвязи» по специальности «6D070400 – Вычислительная техника и программное обеспечение».
Диссертация выполнена на кафедре «Кафедра Компьютерная и программная инженерия» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева.
Язык защиты - казахский
Официальные рецензенты:
– Мусиралиева Шынар Женисбековна – кандидат физико-математических наук, профессор, профессор кафедры «Кибербезопасности и криптологии», директор НИИ криптологии и информационной безопасности, Казахский национальный университет им. аль-Фараби (г. Алматы, Республика Казахстан);
‑ Бегимбаева Енлик Ериковна – доктор PhD, ассоциированный профессор, заведующая кафедрой «Кибербезопасность» Алматинский университет энергетики и связи имени Г. Даукеева (г. Алматы, Республика Казахстан).
Временные члены Диссертационного совета:
- Амир Мосави (Amir Mosavi) – доктор философии (PhD), ассоциированный профессор, университет Обуда (г.Будапешт, Венгрия);
- Сейлова Нургуль Абадуллаевна - кандидат технических наук, ассоциированный профессор, декан факультета «Компьютерные технологии и кибербезопасность», Международный университет информационных технологий (г. Алматы, Казахстан);
- Сақан Қайрат Сақанұлы – доктор философии (PhD), старший научный сотрудник лаборатории информационной безопасности РГП на ПХВ «Института информационных и вычислительных технологий» КН МНВО РК (г.Алматы, Республика Казахстан).
Научные консультанты:
- Сатыбалдина Дина Жагыпаровна – кандидат физико-математических наук, профессор, директор НИИ информационной безопасности и криптологии НАО «Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева» (г.Астана, Республика Казахстан);
– Овечкин Геннадий Владимирович – доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой вычислительной и прикладной математики ФГБОУ ВО "Рязанский государственный радиотехнический университет им. В.Ф. Уткина" (г. Рязань, Российская Федерация).
Защита состоится: 4 декабря 2025 года 16:00 часов в Диссертационном совете по направлению подготовки кадров «8D061 – Информационно-коммуникационные технологии» по специальности «6D070400 – Вычислительная техника и программное обеспечение» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева. Проведение заседания диссертационного совета в онлайн формате.
Ссылка: https://clck.ru/3PyiUE
Адрес: г. Астана, ул. А. Пушкина, 11, учебный корпус №2, аудитория №222.
Аннотация (рус.): Аннотация Актуальность проблемы. Современные системы беспроводной связи, включая сети пятого поколения (5G) и технологии Интернета вещей (IoT), характеризуются возрастающими требованиями к пропускной способности, минимальной задержке, энергоэффективности и безопасности данных. Поддержка разнородных услуг в таких системах предполагает использование адаптивных схем канального кодирования, способных эффективно противодействовать замираниям, вызванным многолучевым распространением радиосигналов, а также высоким уровням шума и межсимвольной интерференции. Квазициклические коды с низкой плотностью проверок на четность, принятые в стандартах 5G, обеспечивают высокую производительность, однако сложность их декодирования ограничивает возможности реализации в условиях высокоскоростных потоков данных. В то же время активно развивающиеся полярные коды и турбо-коды демонстрируют близость к теоретическим пределам Шеннона, но их декодеры отличаются высокой вычислительной сложностью, что затрудняет их применение в реальном времени. Одновременно с этим, экспоненциальный рост числа IoT-устройств, используемых в промышленности, здравоохранении, умных домах и интеллектуальной инфраструктуре, сопровождается увеличением угроз кибербезопасности. Ограниченные вычислительные ресурсы и упрощенные операционные системы таких устройств делают их уязвимыми к атакам, связанным с недостаточной аутентификацией, отсутствием шифрования и некорректной конфигурацией. В этом контексте физически неклонируемые функции (ФНФ), обладающие уникальными характеристиками, такими как некопируемость и устойчивость к моделированию, представляют собой перспективный инструмент для обеспечения надежной аутентификации в IoT-системах. Таким образом, актуальность исследования обусловлена необходимостью разработки новых методов прямой коррекции ошибок, обеспечивающих высокую эффективность декодирования при низкой вычислительной сложности, а также создания криптографических протоколов аутентификации на основе ФНФ, способных повысить безопасность IoT-устройств в условиях высокоскоростных радиоканалов с замираниями. Интеграция этих подходов позволит достичь требуемого уровня качества обслуживания и устойчивости к киберугрозам в сетях нового поколения. Целью диссертационного исследования является разработка и теоретико-экспериментальное обоснование алгоритмов многопорогового декодирования кодов с прямой коррекцией ошибок и криптографических протоколов аутентификации на основе физически неклонируемых функций для обеспечения надежности, производительности и безопасности высокоскоростных радиоканалов с замираниями в системах беспроводной связи новых поколений и Интернета вещей. Задачи исследования: 1. Анализ характеристик радиоканалов с замираниями и многолучевым распространением радиосигналов для формирования требований к схемам прямой коррекции ошибок в условиях высокоскоростной передачи данных. 2. Обзор и сравнительный анализ существующих протоколов аутентификации, используемых в беспроводных сетях связи, определение требований к их проектированию с учетом ограниченных ресурсов устройств и стандартов безопасности. 3. Разработка и исследование нового алгоритма дивергентного кодирования и новых схем канального кодирования с использованием многопороговых декодеров в целях повышения производительности исправления ошибок и снижения вычислительной сложности для использования в системах радиосвязи с замираниями и многолучевым распространением радиосигналов. 4. Проектирование криптографического протокола аутентификации на основе ФНФ, адаптированного к специфике радиоканалов, с учетом требований к безопасности и энергоэффективности. 5. Теоретический и экспериментальный анализ безопасности разработанного протокола аутентификации, включая оценку устойчивости к типичным видам атак. Научная новизна. Предложен принципиально новый подход к построению самоортогональных кодов, основанный на принципах дивергенции, и метод их декодирования, отличающийся повышенной эффективностью исправления ошибок без увеличения вычислительной сложности. Получены оценки его эффективности в каналах с замираниями и многолучевым распространением сигналов, демонстрирующие значительное улучшение достоверности передачи данных в сложных радиоканалах. Разработаны новые высокопроизводительные схемы канального кодирования, впервые интегрирующие многопороговое декодирование самоортогональных кодов и методы пространственно-временного кодирования, адаптированные для работы в радиоканалах с замираниями. Показано, что предложенные схемы обеспечивают снижение вероятности ошибки при заданном отношении сигнал/шум, повышенную устойчивость к замираниям по сравнению с существующими решениями. Предложена новая модификация протокола аутентификации Диффи-Хеллмана с использованием ФНФ и доверенного центра, которая обеспечивает баланс между безопасностью и практической применимостью для ограниченных ресурсов устройств Интернета вещей. Положения, выносимые на защиту 1. Дивергентный метод построения самоортогональных кодов, основанный на постепенном наращивании кодового расстояния без использования каскадирования, и алгоритм их многопорогового декодирования, учитывающий структуру получаемых кодов для улучшения эффективности исправления ошибок. 2. Схема совместного использования многопорогового декодирования самоортогональных кодов и пространственно-временного кодирования, которая обеспечивает значительное улучшение энергетической эффективности и достоверности передачи данных без увеличения кодовой скорости в системах современной радиосвязи с несколькими передающими и приемными антеннами (Multiple Input Multiple Output, MIMO –технологии). 3. Модификации криптографического протокола Диффи-Хеллмана для аутентификации устройств Интернета вещей на основе ФНФ, результаты оценки безопасности и вычислительной сложности. Основные результаты исследования 1. Сформулированы требования к схемам прямой коррекции ошибок для радиоканалов с замираниями, учитывающие многолучевое распространение, доплеровский сдвиг и межсимвольную интерференцию. 2. Проведен систематический обзор методов прямой коррекции ошибок (FEC) и протоколов аутентификации IoT-устройств на основе ФНФ, разработана сравнительная характеристика их производительности и безопасности, определены спецификации для проектирования нового протокола. 3. Разработан дивергентный метод построения самортогональных кодов и алгоритм их декодирования, представлены экспериментальные зависимости вероятности ошибки декодирования от отношения сигнал/шум для блоковых и сверточных кодов. 4. Предложены новые схемы многопорогового декодирования в сочетании с пространственно-временным кодированием, результаты моделирования которых демонстрируют повышение эффективности коррекции ошибок в радиоканалах с замираниями. 5. Разработан криптографический протокол аутентификации на основе ФНФ, включающий алгоритмы генерации ключей и проверки подлинности, проведено математическое обоснование его безопасности и оценка вычислительной сложности. 6. Выполнена формальная верификация безопасности протокола методами моделирования и анализа, определены потенциальные уязвимости и подтверждена устойчивость к атакам подмены, повторного воспроизведения и анализа побочных каналов. 7. Разработаны программные средства для реализации систем коррекции ошибок для радиоканалов и протокола Диффи-Хеллмана с использованием ФНФ для корпоративной системы видеонаблюдения на основе беспроводных веб-камер. Проведенные внедрения подтвердили эффективность разработанных решений и их практическую значимость (акты внедрения прилагаются). Практическая значимость результатов Разработанный алгоритм декодирования дивергентных кодов, а также схемы совместного использования с пространственно-временным кодированием обеспечивают высокую эффективность исправления ошибок при низкой вычислительной сложности, что делает их применимыми в высокоскоростных радиоканалах с замираниями, включая системы с мультиплексированием ортогональных несущих (OFDM) и многоантенными технологиями (MIMO). Предложенный криптографический протокол аутентификации на основе ФНФ обладает потенциалом для внедрения в IoT-устройства с ограниченными ресурсами, повышая их защищенность в таких областях, как Smart city, промышленные системы и здравоохранение. Результаты исследования могут быть использованы для оптимизации архитектуры сетей связи нового поколения и обеспечения их устойчивости к киберугрозам. Выполнена программная реализация предложенных методов коррекции ошибок и протокола аутентификации, получены два свидетельства о государственной регистрации авторских прав на объекты интеллектуальной собственности. Разработанные программные средства обеспечивают повышение надежности передачи данных в беспроводных системах связи и безопасности аутентификации IoT-устройств, что подтверждено успешным внедрением в ТОО “Q19” и ТОО “Sirius”. Полученные результаты могут быть использованы для модернизации существующих и разработки новых защищенных систем передачи данных и аутентификации в различных отраслях. Связь с НИР. Диссертационная работа выполнена в рамках научных проектов: проекта программно-целевого финансирования Комитета науки МНВО РК BR18574045 «Разработка методов, моделей и технологий для повышения уровня кибербезопасности сотовых сетей связи в Республике Казахстан» (2022-2024 гг.) и проекта грантового финансирования Комитета науки МНВО РК АР9679505 «Исследование и развитие алгоритмов многопорогового декодирования сверточных кодов и их программно-аппаратная имплементация для высокоскоростных радиоканалов с замираниями» (2023-2025 гг.). Апробация работы. Основные результаты работы представлены на международных конференциях: «Advances in Wireless and Optical Communications » (Латвийская Республика, Рига, RTUWO, 2017); 21st International Conference on Circuits, Systems, Communications and Computers, CSCC 2017, Греция, о.Крит, Гераклион), IV Международная научно-практическая конференция «Интеллектуальные информационные и коммуникационные технологии - средство осуществления третьей индустриальной революции в свете стратегии «Казахстан - 2050»»(Астана, 2017), а также рассмотрены на научных семинарах кафедры. Публикация результатов исследований. Результаты исследований отражены в 9 печатных работах, в том числе 1 (одна) статья в зарубежном журнале, индексируемом в Scopus (Q2) с процентилем CiteScore 58 (2023 г.); 1 (одна) публикация в издании из списка 2 Перечня научных изданий, рекомендуемых для публикации основных результатов научной деятельности, 3 (три) статьи – в международных журналах, индексируемых в Scopus и Russian Science Citation Index (RSCI) на платформе Web of Science, 1 работа в материалах международной конференции, индексируемых в Web of Science, и 1 в материалах международной конференции проведенных в университете. Получены также 2 акта внедрения и 2 авторских свидетельства. Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, содержания, обзора литературы по методом обеспечения целостности данных и аутентификации устройств в системах радиосвязи (раздел 1), результатов собственных исследований по разработке новых методов коррекции ошибок на основе принципа дивергентного кодирования блоковых и сверточных кодов (раздел 2) и схем модификации криптографического протокола Диффи-Хеллмана с использованием ФНФ (Разделы 3). В заключени представлены результаты исследований, сформулированы выводы и рекомендации к использованию. Список использованной литературы и приложения с копиями актов внедрения и свидетельств о государственной регистрации авторских прав на программные реализации разработанных схем коррекции ошибок и аутентификации устройств дополняют диссертацию. Список опубликованных работ по теме диссертационного исследования: 1. Yakovlev V.A., Satybaldina D.Zh., Egamberdiyev E.U., Seitkulov Ye.N. Authentication and key distribution protocol based on Diffie-Hellman algorithm and physically unclonable function // TELKOMNIKA Telecommunication Computing Electronics and Control, - 2024. - Vol. 22, No. 2. - Рp. 290~301. DOI: http://doi.org/10.12928/telkomnika.v22i2.25705 Индексируется в Scopus (Percentile CiteScore 2023, Electrical and Electronic Engineering: 58%, Q2 Quartile). https://www.scopus.com/record/display.uri?eid=2-s2.0-85188844589&origin=recordpage 2. Zolotarev V., Ovechkin G., Satybaldina D., Tashatov N., Egamberdiyev E.U. Divergence coding for convolutional codes // MATEC Web of Conferences. - 2017.- V.125, N 05009. – P. 1-5. DOI: https://doi.org/10.1051/matecconf/201712505009 Индексируется в Scopus (Percentile CiteScore 2017, General Engineering: 20%, Q4 Quartile). https://www.scopus.com/record/display.uri?eid=2-s2.0-85032860359&origin=AuthorNamesList&txGid=26c6f1a6cb901da5758f51c1b8ba87e9 3. Zolotarev V. V., Ovechkin G. V., Ovechkin P. V., Egamberdiyev E.U. Usage of divergence within concatenated multithreshold decoding convolutional codes // 2017 Advances in Wireless and Optical Communications (Riga, RTUWO). – IEEE, 2017. – Pp. 112-116. DOI: http://doi.org/10.1109/RTUWO.2017.8228516 Индексируется в web of science: https://www.webofscience.com/wos/woscc/full-record/WOS:000426920700019 Индексируется в Scopus; https://www.scopus.com/record/display.uri?eid=2-s2.0-85046405922&origin=recordpage Индексируется в IEEEXplore: https://ieeexplore.ieee.org/document/8228516 4. Satybaldina D.Zh., Zolotarev V.V., Ovechkin V.V.,Sailaukyzy Zh., Khassenova Z., Egamberdiyev E.U. Specifics of Applying Multi-threshold Decoding Methods to Correct Errors in Fading Communication Channels // Journal of Electrical Systems. - 2024. - Vol. 20. - No. 10s. https://journal.esrgroups.org/jes/article/view/5966 Индексируется в Scopus (Percentile 2023: 20%). 5. Сайлауқызы Ж., Хасенова З., Эгамбердиев Э.У. Көп шекті декодтау арқылы өшетін радиоарнаны бағалауды талдау // М. Тынышбаев атындағы Қазақ көлік және коммуникациялар академиясының хабаршысы. -2025. - № 1 (136). - С. 260–268. https://doi.org/10.52167/1609-1817-2025-136-1-260-268. 6. Золотарёв В.В., Овечкин Г.В., Овечкин В.В. Эгамбердиев Э.У. Дивергентное каскадное многопороговое декодирование сверточных кодов // Радиотехника, - 2018 г. -№5 – С. 23-29. http://www.radiotec.ru/article/20840 ISSN 0033-8486. Включен в перечень ВАК РФ. Включен в состав базы Russian Science Citation Index (RSCI) на платформе Web of Science. 7. Эгамбердиев Э.У., Сатыбалдина Д.Ж., Сайлауқызы, Ж. Параллельная реализация систем коррекции ошибок для каналов радиосвязи на основе PyOpenCL // Свидетельство о государственной регистрации прав на программу на ЭВМ, №56400 от «3» апреля 2025 года. 8. Эгамбердиев Э.У., Сатыбалдина Д.Ж. Реализация протокола Диффи-Хеллмана с использованием физически неклонируемых функций для корпоративной системы видеонаблюдения на основе беспроводных веб-камер // Свидетельство о государственной регистрации прав на программу на ЭВМ, №58390 от «21» мая 2025 года. 9. Zolotorev V.V., Ovechkin G.V., Satybaldina D.Zh., Tashatov N.N., Egamberdiyev E.U. A new decoding algorithm for divergent convolutional codes // IV Международная научно-практическая конференция “Интеллектуальные информационные и коммуникационные технологии - средство осуществления третьей индустриальной революции в свете стратегии “Казахстан - 2050” ” - 2017.- С. 283-286.
Отзыв зарубежного консультанта
Заключение комиссии по этической оценке исследований
Решение диссертационного совета
Защита диссертации: https://www.youtube.com/watch?v=Bjr-a_4C25U
