Técnicas de ofuscación basadas en FPGA para la seguridad del hardware

Construir y mantener una planta de fabricación de chips es caro y requiere mucha pasta. Por eso, muchas empresas que diseñan chips han optado por un modelo sin fábrica, lo que significa que diseñan chips pero no los fabrican. En su lugar, confían en otras empresas para que los construyan. Sin embargo, esta cadena de suministro global puede ser riesgosa porque los fabricantes no siempre son de fiar. En los últimos años, se han desarrollado diferentes métodos para proteger el hardware de amenazas de seguridad que vienen de usar estos fabricantes no confiables. Una forma efectiva de añadir seguridad es a través de técnicas de ofuscación basadas en hardware reconfigurable, como los Field-Programmable Gate Arrays (FPGAS).

Este artículo analiza en detalle estas técnicas de ofuscación basadas en FPGA. Evalúa su efectividad contra ataques conocidos, cuánto consumo de energía adicional requieren y otros factores relacionados. También compara estos métodos con otras técnicas, discutiendo sus pros y contras. El objetivo es proporcionar información útil para investigadores que estudian la seguridad del hardware.

#Introducción

Los Circuitos Integrados (ICs) han sido usados durante muchos años en varios dispositivos, desde smartphones hasta equipos militares. Los avances en tecnología han llevado al uso de ICs en nuevas áreas como el Internet de las Cosas (IoT). Hay una creciente necesidad de ICs de alto rendimiento, y la industria de semiconductores está viendo un aumento en la demanda de productos como chips de memoria y microprocesadores. Sin embargo, estos ICs requieren procesos de fabricación complejos que solo unas pocas empresas pueden realizar.

Los costos de construir y mantener una planta de fabricación están subiendo, haciendo que el modelo sin fábrica sea cada vez más popular. Esto permite a las empresas diseñar ICs sin tener que invertir fuertemente en equipo de fabricación. Sin embargo, compartir diseños con fundiciones no confiables plantea riesgos de seguridad, incluyendo la ingeniería inversa, la inserción de hardware malicioso y productos falsificados. Las pérdidas por estas amenazas pueden ser severas, llevando a daños en la seguridad de los datos y pérdidas financieras.

Para protegerse contra estos riesgos, se han desarrollado varias técnicas. Algunas de estas técnicas incluyen el Bloqueo lógico, la Fabricación Dividida y métodos de ofuscación que utilizan diseños reconfigurables. Las técnicas de ofuscación aprovechan la flexibilidad de los FPGAs para proteger diseños digitales de amenazas potenciales durante la fabricación.

#Antecedentes

A medida que las empresas buscan formas de asegurar sus diseños, a menudo recurren a técnicas de ofuscación basadas en reconfigurables. Estas técnicas pueden ayudar a proteger contra diversas amenazas de seguridad durante los procesos de fabricación e implementación. Históricamente, dispositivos como los FPGAs se han usado como soluciones independientes, pero recientemente se ha reconocido su capacidad de reconfiguración como una valiosa forma de ofuscación.

La evolución de los dispositivos reconfigurables comenzó a principios de los años 80 con la introducción del primer FPGA. A lo largo de los años, estos dispositivos se han vuelto más complejos, permitiendo una amplia gama de diseños digitales. Los FPGAs modernos ahora vienen con varias características, incluyendo memoria integrada y capacidades de procesamiento de señales digitales. Esta complejidad también trae nuevas oportunidades para la seguridad a través de la ofuscación.

#Lógica Reconfigurable: El Cambio Hacia la Seguridad

La estructura estándar de un FPGA consiste en bloques lógicos, interconexiones y bloques de entrada/salida (I/O). Estos elementos trabajan juntos para implementar funciones lógicas específicas. Con el tiempo, los diseños han evolucionado para permitir la reconfiguración parcial, habilitando a los diseñadores a modificar solo ciertas partes de un circuito mientras mantienen la operación. Esta flexibilidad es clave para mejorar el rendimiento y la seguridad.

Dos desarrollos significativos en este campo son el surgimiento de arquitecturas híbridas que combinan FPGAs con Circuitos Integrados de Aplicación Específica (ASICs) y la introducción de FPGAs embebidos (eFPGAs). Estos avances permiten a los diseñadores integrar lógica reconfigurable en sus diseños sin crear placas separadas. Como resultado, diseños digitales cada vez más complejos pueden implementarse mientras se mejora la seguridad a través de técnicas de ofuscación.

#Técnicas de Ofuscación Existentes

Han surgido varios métodos de ofuscación basados en reconfigurables para proteger diseños de ataques. Muchas de estas técnicas utilizan Tablas de Búsqueda (LUTs) como un componente fundamental. La LUT permite mapear puertas internas a configuraciones flexibles, lo que dificulta los intentos de ingeniería inversa.

La ofuscación puede ocurrir en varias etapas del proceso de diseño. Ya sea en el Nivel de Transferencia de Registro (RTL) o en niveles más altos de abstracción, los diseñadores pueden elegir el enfoque adecuado según las necesidades de su proyecto. La efectividad de diferentes técnicas puede variar dependiendo de la energía, rendimiento y sobrecostos de área. A través de una evaluación cuidadosa, los diseñadores pueden seleccionar la mejor estrategia para sus requisitos específicos.

#Análisis de Seguridad y Modelos de Amenaza

Cuando se trata de seguridad, es importante considerar las amenazas potenciales que pueden comprometer los diseños. Los modelos de amenaza pueden dividirse en dos categorías: ataques guiados por oráculo y ataques sin oráculo. Los ataques guiados por oráculo dependen de tener acceso a una versión correcta del diseño, mientras que los ataques sin oráculo no necesitan este acceso y se centran en el análisis estructural del diseño.

Desarrollos recientes han identificado varios ataques contra técnicas de ofuscación basadas en reconfigurables. Algunos ataques buscan extraer la intención del diseño, mientras que otros apuntan a componentes específicos del sistema para obtener información o evadir protecciones. Al entender estos modelos de amenaza, los diseñadores pueden evaluar mejor la efectividad de sus técnicas de ofuscación.

#Comparaciones de Seguridad

La seguridad de varios métodos de ofuscación inspirados en FPGA puede evaluarse en función de su efectividad contra ataques conocidos. Si bien estas técnicas ofrecen protecciones potenciales, también vienen con diversos compromisos en términos de rendimiento y sobrecostos de área. Algunos métodos pueden ser más resistentes a ciertos ataques, mientras que son menos eficientes en otros aspectos.

Métricas como la relación de puertas con el tamaño del bitstream pueden proporcionar información sobre la seguridad ofrecida por diferentes técnicas. Una relación más grande generalmente indica mejor seguridad, pero es esencial considerar objetivos de diseño específicos y requisitos de rendimiento también.

#Desafíos y Tendencias Futuras

A pesar de los avances en técnicas de ofuscación basadas en reconfigurables, aún quedan varios desafíos. La falta de criterios estandarizados para evaluar la seguridad dificulta comparar diferentes métodos de manera efectiva. Además, se necesita más trabajo para validar estas técnicas en escenarios del mundo real y en implementaciones de silicio.

A medida que el campo continúa evolucionando, es probable que más investigación lleve a nuevas metodologías y técnicas de ofuscación mejoradas. Combinar lógica reconfigurable con enfoques de ASIC puede brindar beneficios de seguridad adicionales. Las herramientas de código abierto también se volverán cada vez más importantes, permitiendo a los investigadores colaborar y mejorar los métodos existentes.

#Conclusión

Las técnicas de ofuscación inspiradas en FPGA representan una vía prometedora para mejorar la seguridad del hardware. Al aprovechar la flexibilidad de la lógica reconfigurable y entender las amenazas potenciales, los diseñadores pueden crear sistemas digitales más seguros. A medida que la investigación continúa, abordar los desafíos existentes será crucial para avanzar en este campo y fomentar un paisaje electrónico más seguro.