أثر الحوسبة الكينتومية على أمن النظام المدمج في المستقبل

Understanding Embedded Systems: The Invisible Computers All Around Us

إن النظم المدمجة هي وحدات حاسوبية متخصصة مصممة لتنفيذ مهام مخصصة في إطار نظام آلي أو كهربائي أكبر، وعلى عكس الحواسيب العامة الغرض التي يمكن أن تؤدي مجموعة واسعة من التطبيقات، فإن نظاماً مدمجاً يُستخدم في مهمة محددة، وكثيراً ما تكون له قيود حسابية حقيقية، وهذه النظم في كل مكان: في أجهزة التحكم الدقيقة التي تدير نظامك المكابح للسيارات، تُستخدم فيها أجهزة الاستشعار في الأجهزة الآلية الصناعية.

إن الطابع المقيد لقوى التجهيز المحدودة للنظم والذاكرة وميزانيات الطاقة - يرغم المهندسين على إعطاء الأولوية للكفاءة على الأمن، إذ لا تزال العديد من الأجهزة القديمة تعمل بدون حماية أساسية مثل الحذاء المأمون، أو التخزين المشفر، أو تحديث البرمجيات الثابتة، ونظراً إلى التقدم الكبير الذي تحقق، فإن الافتراضات الخفية التي تشكل حتى أحدث تصميمات الأمن التي تجسدت، يجب أن تشكك الآن في عملية الانتشار المزدوج.

كمبيوتر الكمي: من بيتس إلى كوبيتس

ويعالج الحاسوب الكلاسيكي المعلومات باستخدام أجزاء موجودة في إحدى ولايتين: صفر أو ١ كمبيوتر الكمي، على النقيض من ذلك، يستغل مبادئ الميكانيكيات الكمية - التخدير، والتشابك، والتدخل - استخدام القطع الكمية، أو الكعشاب، ويمكن أن توجد كمية كبيرة من الحواسب في صورة تقريبية من صفر وواحد في آن واحد، ويمكن أن تتداخل هذه الصيغ الفورية المتعددة التي تنطوي عليها مع ذلك.

أما الإعمال العملي لجهاز كمي واسع النطاق ومحتمل للخطأ، فهو يشكل تحديا هندسيا هائلا، أما الأجهزة الحالية التي يشار إليها في كثير من الأحيان بنظم الكمي المتوسط النطاق، فهي عرضة للأخطاء ومحدودة في عدد الكبريت، ومع ذلك، فإن التقدم المحرز في هذا المجال ما زال يتسارع، فالشركات مثل نظام IBM، وGogle، وEonQ، إلى جانب العديد من الأخطاء الهيكلية الوطنية التي تخترق المدار(48).

Algorithm and Its Cryptographic Implications

أما أكثر الخوارزمية شهرية من حيث الآثار المباشرة على التكرير فهي خوارزمية " سور " التي وضعها بيتر سورور في عام ١٩٩٤، ويمكن أن يُستخدم خوارزمية " الشور " بصورة فعالة في استخدام المتجانسات الكبيرة وقطع الأخشاب المفصومة التي يعتقد أنها صعبة على الحواسيب التقليدية، مما يجعل أمن الاختراقات العامة الواسعة الانتشار، بما في ذلك

وبالنسبة للنظم المدمجة، فإن الآثار المترتبة على ذلك هي آثار صارخة، إذ تستخدم وكالة الفضاء الأوروبية ولجنة التنسيق الأوروبية في كل مكان: ففي مصافحة اليدين TLS/SSL من أجل تأمين الاتصالات، وفي التوقيعات الرقمية لتوثيق البرمجيات الثابتة، وفي التحقق من الهوية المستند إلى شهادات، وفي بروتوكولات التبادل الرئيسية مثل اللجنة الأوروبية لحقوق الإنسان، وإذا كانت هذه المواد البدائية في كثير من الأحيان، يمكن للمهاجم أن يُنبِّرِّثُ التوقيعات الرقمية، وبيانات حساسة جداً، وأجهزة الإيكولوجية المُخَلة، وُصَّة، وُ أجهزةًاًاً.

Algorithm: A Symmetric-Key threat

)٣( إذا كان المعلمون من الفئة " ألف " ، فإن الخوارزمية التي تعتبر من النوع " ألف " ، تشكل خطرا على عمليات " الشفرة " ، مثل " ألف " ، فإن الخوارزمية " توفر سرعة كمية كبيرة من أجل مشاكل البحث غير المنظم)٢(، وهذا يعني عمليا أن البحث عن قوة فاسدة لا يزال مستمرا)٤(.

مؤسسة كريبتوغرافية للنظم المدمجة

وتستخدم النظم المدمجة نموذجا أمنيا مطبقا يدمج البدائيات البدائية على مستوى المعدات والبرمجيات الثابتة والتطبيقية، وعلى مستوى المعدات، تؤدي المهام غير القابلة للاشتعال من الناحية المادية والعناصر المضمونة مرساة أساسية للثقة، وعلى مستوى البرمجيات المأمونة، تستخدم سلاسل الحذاء الرقمية التوقيعات الرقمية للتحقق من سلامة كل عنصر من عناصر البرمجيات قبل أن تقوم بعملية الاختراع.

لماذا وكالة الأمن الإقليمي ووكالة حماية البيئة

وقد أصبحت وكالة الأمن الإقليمي والجماعة الاقتصادية الأوروبية الخيارين المعياريين لعمليات المفتاح العام في البيئات المدمجة لأنها تتيح تبادلاً صالحاً بين الأمن واستهلاك الموارد، بينما يُعد اتفاق مركز التقييم الإقليمي، الذي يُستخدم في حسابياً للجيل الرئيسي، مفهوماً جيداً ومدعماً على نطاق واسع عبر سلسلة الأدوات.

غير أن الاعتماد على هذه الخوارزميات يؤدي إلى حدوث نقطة فشل واحدة، فإذا أصبح الخوارزمية الخاصة بشور عملية، فإن كل نظام مختلط يستخدم وكالة الأمن القومي أو الجماعة الاقتصادية الأوروبية لمجموع ثقتها سيعرض للخطر بأثر رجعي، وهذا خطر بوجه خاص بالنسبة للأجهزة التي لها فترات طويلة ودورات تحديث غير متكررة، ويمكن للمهاجم أن يسجل الاتصالات المشفرة اليوم ويخزنها لاحقاً

تحليل مفصل للتهديدات: ما هي الكسرات الحاسوبية الكهرمائية

ويمكن تصنيف أثر الحوسبة الكمية على أمن النظام المدمج إلى عدة ناقلات تهديد، ويستهدف كل ناقل وظيفة كشافية محددة تقوم على أساس ممتلكات أمنية حرجة.

البيانات في الاستراحة وفي المرور العابر

كما أن البيانات التي تُجرى في مكان ما في النظم المدمجة - مثل بارامترات التشكيل، ووثائق التفويض، ومفاتيح التشفير المخزنة في الذاكرة الوميضية، والمعدات المستخرجة عن بعد والتي كثيرا ما تكون محمية بواسطة التشفير المتناظر (أي إي إس-128) أو عن طريق ملف المفاتيح المشبوهة بالتشفير العام، وإذا كانت طبقة المفاتيح العمومية المحتوية على مفاتيح التخزين المحمية يمكن استخلاصها، كما أن تكون سرية جميع البيانات المخزنة.

التوثيق والهوية

ويمكن أن توثق النظم المدمجة بعضها البعض باستخدام التوقيعات الرقمية أو بروتوكولات الاستجابة للتحديات، ففي نظم السيارات، على سبيل المثال، تستخدم وحدات المراقبة الإلكترونية رسائل موقعة لتوثيق أوامر الدخول إلى حافلة كندا، وفي الرقابة الصناعية، يقوم المتحكمون في المنطق المبرمج بتوثيق تحديثات البرمجيات عن طريق توقيعات من جيش المقاومة الرواندية، ويمكن للمهاجمين من الأجهزة الكمية التي يمكن أن تُرسل إشارات مضللة أن ترسل

النزاهة والأمن

سلاسل الأحذية الآمنة تعتمد على سلسلة من التوقيعات الرقمية التي يتم التحقق منها كقوات للأجهزة، وقاعدة الثقة هي عادة مفتاح عام مدمج في الذاكرة فقط أو فتيل قابل للبرمجة لمرة واحدة، وإذا كان يمكن للمهاجم أن ينتج توقيعا صالحا لحامل الأحذية الخبيث أو الكينال، فإنها يمكن أن تضر تماما بسلسلة الأحذية.

سيناريوهات الهجوم العالمية الحقيقية

يمكن أن يُحدث نظام التواقيع على شبكة مُوقعة، إذا كان نظام التوقيع مُستنداً إلى نظام إي سي إس أي إس إس أي، حاسوب كمي يمكن أن يُحدث بشكل صحيح عن طريق تحديثات مُخدرات تُغيّر خامات تسليم المخدرات، وبالمثل، فإن وحدة الاتصالات الخاصة بمركبات التفريغ (V2X) ذاتية تستخدم توقيعات رقمية للتحقق من إشارات المرور.

الصناعات والاستخدامات في الحالات المعرضة للخطر

وفي حين أن كل نظام مدمج يواجه قدرا من المخاطر، فإن بعض الصناعات والتطبيقات أكثر تعرضا بسبب دورات نشرها الطويلة، أو الطبيعة الحرجة للسلامة، أو الاعتماد على البنية التحتية العامة.

السيارات

وتحتوي المركبات الحديثة على أكثر من 100 وحدة للمراقبة الإلكترونية، وكل وظيفة من وظائف إدارة توقيت المحركات إلى نشر حقائب الطائرات، ويعود الاتجاه نحو استخدام المركبات المحددة بالبرمجيات والمحدثات فوق الجو إلى أن كل وحدة من وحدات النقد الأوروبية يجب أن تثق في صحة التحديثات والقيادات، ويظل معيار فريق الخبراء التابع للاتحاد الأفريقي، والعديد من عمليات التنفيذ التي يقوم بها مكتب الأخلاقيات يعتمد على التوقيعات القائمة على أساس الجماعة الاقتصادية الأوروبية من أجل تأمين الاتصالات وسلامة المعدات الثابتة.

الأجهزة الطبية

إن أجهزة الصنع الطبي المزروعة والمضخات الانسولينية والمحفزات العصبية - المشغلات العاملة عن طريق الاتصال اللاسلكي مع أجهزة التحكم الخارجية لأغراض الرصد والتشكيل، إن أمن هذه الأجهزة هو حرفيا مسألة حياة ووفاة، إذ يستخدم العديد من الأجهزة الجديدة مركز الرعاية البيئية لتوثيق الأجهزة وفحصها عن بعد، ويمكن أن يتيح الهجوم الكمي لغيرها السيطرة على جهاز كهرباء أو تغيير مضخ في الأنسولين.

IoT and Critical Infrastructure

وتستخدم شبكات المراقبة الصناعية والتحكم الإشرافي واقتناء البيانات أجهزة مراقبة متنقلة (الوحدات الشعبية، ووحدات النقل، ووحدات المحطات النائية) التي كثيرا ما يتم نشرها منذ عقود، ويعتمد الكثير من هذه النظم على التوقيعات القائمة على أساس وكالة الأمن الإقليمي من أجل تحديثات البرمجيات وتأمين الاتصالات، وقد تعتبر قطاعات الطاقة والمياه والنقل جزءا من الهياكل الأساسية الحيوية الوطنية، وقد يؤدي وجود حل وسط كبير في هذه النظم إلى تعطيل الخدمات الأساسية إلى الملايين.

Consumer Electronics

وتستعمل أجهزة منزلية ذكية، وأجهزة مجهزة ذات صلة، جميع الأجهزة المجهزة المدمجة، وتتواصل عبر أجهزة السحب باستخدام جهاز TLS. وفي حين أن الخطر المباشر الذي قد يتعرض له فرد من المطبعة الذكية قد يبدو منخفضا، فإن الخطر الكلي الذي يتهدد خصوصية المستهلك واحتمالات استخدام شبكات أحذية واسعة النطاق يمكن أن يتيح للجهاز الجماهيري الالتحاق بالشبكات المغلقة أو المراقبة الجماعية للنشاط المنزلي.

التشفير بعد الكوانت: الطريق إلى الأمام

وتشير عملية التبريد بعد الكواشف إلى الخوارزميات البكائية التي يعتقد أنها مؤمنة ضد كل من الخصوم الكلاسيكية والكمية، وتستند هذه الخوارزميات إلى مشاكل رياضية يصعب حلها بالنسبة للحواسيب الكمية، مثل مشاكل التذاكر، والمشاكل القائمة على الرموز، والمعادلات المتعددة الأطياف، والتوقيعات القائمة على أساس المقياس المقياس المقياس التراكمي.

جهود توحيد المعايير الوطنية

The UIST[S. National Institute of Standards and Technology (NIST) has been leading a multi-year process to evaluate and standardize post-quantum cryptographic algorithms. In 2024, NIST finalized standards for three key algorithms: [FLT:]CRYSTALS-Kyber[FLT:]

Lattice-Based, Code-Based, and Hash-Based Approaches

([FLT:]) يعتمد نظام التبريد القائم على أساس الترميز على أساس المقياس المرجعي، على وجود نظامين أساسيين معتمدين على: (LFT:) و(LFT) معتمدين على نظامي أمني معتمدين على أساس المقياس (LWE) و(SISBO)

تحديات التكامل في النظم المدمجة

In[tegrating PQC into embedded systems is not a simple drop-in replacement. Key sizes for many PQC algorithms are significantly larger than their Classal counterparts. For example, a Kyber-768 public key is 1184 bytes, compared to 32 bytes for an ECC public key.

الخطوات العملية لتأمين النظم المدمجة اليوم

وفي حين أن توافر الحواسيب الكميّة ذات الصلة بالبكاء على نطاق واسع ليس وشيكاً، فإن الوقت اللازم للعمل الآن، إذ يجب على صناعة النظم المدمجة أن تعتمد نهجاً استباقياً ومطبقاً لضمان الانتقال السلس.

الخلية المشفرة

وينبغي تصميم نظم لدعم قدرة البرمجيات المفتوحة على تحديث البدائيات المشفرة أو استبدالها دون إعادة تصميم كاملة للمعدات، ويمكن تحقيق ذلك من خلال بنية البرمجيات النموذجية، ومكتبات التبريد المستخرجة (مثلاً، Mbed TLS أو WolfSSL التي تدعم التفاوض بشأن الخوارزمية) واستخدام نماذج التبريد الهجينة التي تجمع بين فترة الانتقال التقليدية والفترة الزمنية

طرائق الأمن في إطار برامجيات البرمجيات ذات الإطارات الصلبة وبيئات التنفيذ المؤمنة

وينبغي أن تستغل النظم المدمجة السمات الأمنية القائمة على المعدات مثل العناصر الآمنة، وطرائق المنبر المشمول بالوصاية، وبيئات التنفيذ المؤمنة لحماية المواد الرئيسية والقيام بعمليات التبريد في بيئة معزولة، كما أن العديد من المراكب الحديثة تتضمن نظما فرعية أمنية مكرسة يمكن أن تعالج مفاتيح أكبر من PQC وعمليات أكثر تعقيدا.

الرصد المستمر والتحديثات الجارية

وينبغي أن تدعم الأجهزة آليات تحديثية مأمونة تعمل على أساس البرمجيات، تسمح باستكمال الوحدات البكائية وشهادات إعادة الثقة في الميدان، وهذه القدرة ضرورية لنشر مقاييس جديدة للبرمجيات التي تستخدمها شركة PQC عند توحيدها، وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يساعد الرصد الأمني المستمر والكشف عن الشذوذ في تحديد العلامات المبكرة للوسائل التقليدية أو الكميائية التي ينبغي أن تتضمن مجموعة مستحدثة من أدوات الحماية.

خاتمة

إن تقاطع نظام الحاسوب الكمي وأمن النظام المدمج يمثل أحد أخطر التحديات التي تواجه صناعة التكنولوجيا، إذ أن الخوارزميات البكائية جداً التي تحمي بلايين الأجهزة من الزرع الطبي إلى أجهزة التحكم الأساسية الحيوية - التي تشكل عرضة للتأثر من الناحية الاصطناعية بدرجة كافية، بينما يظل الجدول الزمني المحدد للوصول إلى هذه الآلة غير مؤكد، فإن دورة الانتشار الطويلة تعني وجود نظم متطورة