والسجلات هي عناصر أساسية في عمليات التشفير والتزيين القائمة على المعدات، وهي تعمل كمواقع تخزين صغيرة داخل وحدة مجهزة أو وحدة معدات مثبتة، مما يتيح الوصول السريع إلى البيانات والمفاتيح أثناء عمليات التشفير، وتشغل خلايا الذاكرة العالية السرعة في صميم وحدة التصوير المركزي أو المحركات المكبوتة المكرونة، مما ييسر الاسترجاع الفوري للعضلات التي تشكل أساس جميع البروتوكولات الأمنية الحديثة.

Understanding Registers in hardware Encryption

وفي تشفير المعدات، تحتفظ السجلات مؤقتا ببيانات، ومفاتيح التبريد، ونتائج وسيطة، وهذا الوصول السريع ضروري للحفاظ على التجهيز السريع، وهو أمر حاسم بالنسبة للتطبيقات الأمنية للبيانات في الوقت الحقيقي، ويطالب المشهد المبدئي الحديث بأن عمليات التشفير والتشفير لا تصبح أبدا عقبة، وتعالج السجلات ذلك بتوفير مجموعة من عناصر التخزين الكتابي المنخفض الارتداد في دورة واحدة يمكن قراءة واحدة.

ما هي السجلات في سياق التشفير؟

وتُبنى السجلات عادة من منحدرات أو مطاطات، وتقيم على نفس المنارة التي يموت بها المجهز، وتُنظم في أجهزة التبريد في ملفات أو هياكل متخصصة، وخلافاً للذاكرة الرئيسية أو المخبأ، فإن السجلات يمكن معالجتها مباشرة بواسطة التعليمات التي توضع ويمكن استخدامها في التعليمات الحسابية والمنطقية دون أي عمليات إضافية لتحميل الذاكرة.

وتستخدم الخوارزميات المشفرة مثل AES و RSA و ECC استخداماً كبيراً للسجلات لحمل الدولة الحالية، ومفاتيح مستديرة، وسهولة النسيج، وقطع الشفرات، لأن هذه الخوارزميات تنطوي على جولات متعددة من الإحلال، والتخزين، والخلط، تعمل السجلات بوصفها منطقة الحيازة المؤقتة لكل دولة وسيطة، وتُكتب وتُقرأ هذه القيم الوسيطة بشكل أسرع.

لماذا تشفير البرمجيات؟

كما أن التشفير القائم على البرمجيات، رغم المرونة، كثيرا ما يعاني من زيادة في رأس الأداء بسبب تبديل السياق، وارتفاع الذاكرة، والقيود التي يفرضها استخدام أجهزة التصوير المقطعي للأغراض العامة، وتزيل تشفير البرمجيات الخفية من عبء العمل المكبوت إلى وحدات مخصصة، مثل التعليمات الصادرة عن الوكالة الدولية للطاقة الذرية أو سجل البرمجيات الاحتياطية - حيث لا توفر سجلات مقاومة البرمجيات ذات الغرض.

وعلاوة على ذلك، ففي سيناريوهات مثل تشفير الأقراص (مثلاً، بيت لوكر، فيليفولت) أو بوابات شبكة خاصة افتراضية، فإن حجم البيانات هائل، إذ أن سجلات أجهزة تعجيل المعدات تسمح بالتجهيز بمعدلات خطية تصل إلى 100 غبار، وهو ما يتجاوز بكثير ما يمكن أن يحققه نظام وحدة احتواء المقطع للأغراض العامة، وهذا الفصل بين الشواغل التي تُستخدم في نظام CPU.

أنواع السجلات المستخدمة في التشفير

ولا تخدم جميع السجلات في محرك أبطالي نفس الغرض، إذ يستخدم المصممون عدة فئات، مصممة حسب مراحل محددة من عملية التشفير والتشفير، ويساعد فهم هذه التميزات في تقييم مدى قوة وكفاءة وحدة أمن المعدات.

سجلات الأغراض العامة

(أ) السجلات العامة الغرض هي مجموعات العمل لأي مجهز، بما في ذلك البرمجيات المشفوعة، وتخزن البيانات العابرة مثل مجموعة النسيج الحالي، والمبالغ الجزئية، والنتائج الوسيطة للعمليات الرياضية مثل التكاثر العنصري أو الأشعة السينية، وتحتفظ مصفوفة الدولة في مجموعة من سجلات التحويل العامة، وتُستخدم فيها نماذج للذاكرة.

السجلات الرئيسية

() سجلات المفاتيح ) هي عنصر أمني حرج، وهي تخزن مفاتيح التبريد أو المفاتيح المتعددة المستمدة من المفتاح الرئيسي داخل الحدود الآمنة للوحدة، وكثيراً ما تكون هذه السجلات مصممة بالحماية الخاصة: فهي لا يمكن كتابتها إلا أثناء توفيرها الرئيسي، ولا يمكن قراءة هذه المواد بواسطة أي تعليمات منصة للظل، وتُبرأ تلقائياً من فقدان القدرة أو التنفيذ.

سجلات التعليم

(أ) أن تكون سجلات التعليمات ] تحمل رمز التشغيل الحالي (النسخة) من الخوارزمية المشفرة التي يجري تنفيذها، وفي جهاز تسارع نمطي، تعمل آلة الدولة النهائية كجهاز مراقبة يبث التعليمات الدقيقة من الذاكرة القراء أو سجل التكوينات المميزة.

سجلات الشحن

() تستخدم سجلات السطو () على نطاق واسع في خوارزميات الشفرة التي تتطلب تناوباً قليلاً وتحويلاً، مثلاً في عملية الشيفتراوس التي تدور بواسطة أجهزة الدولة في كل صف من صفات مصفوفة الدولة، بدلاً من استخدام سجلات متعددة الأغراض العامة ذات المسارات المعقدة، يمكن لسجل التحول أن يؤدي دوراً واحداً في مسار واحد().

سجلات المركز والمراقبة

وفيما عدا مسارات البيانات، تشمل أجهزة التبريد status registers] التي تبين الحالة الراهنة للمحرك: مشغولة أو جاهزة أو خطأ أو استكمال عملية. [(FLT:2]) وتعترف سجلات المراقبة ] بأن البرامجيات تُصادر إجراءات الحرق، وطولها الرئيسي، وطريقة تشغيلها (ECB، CBC.

السجلات المتخصصة: سجلات البحث عن بوكس والخط

وتشتمل بعض التصميمات على سجلات S-Box() التي تخزن جداول استبدال مباشرة في الذاكرة القائمة على السجلات (التي غالباً ما تنفذ كصفائف صغيرة من الديموغرافيا دون الإقليمية ولكنها تُعامل كسجلات للوصول السريع) وفي نظام AES، فإن النظر في الأنابيب S-Box هو مسار حرج؛ إذ أن هذه البيانات في مراحل التذكرة المسجلة تحد من التأخير.

دور السجلات في التناقص

وأثناء عملية الفرز، تؤدي السجلات وظائف مماثلة في التشفير، وتخزين البيانات المشفرة، والمفاتيح، والنتائج الوسيطة، وهي تتيح للمعدات أن تعكس عملية التشفير بكفاءة، وتضمن سلامة البيانات وأمنها، غير أن الإلغاء يتطلب في كثير من الأحيان عمليات عكسية: لا بد أن تُستخدم في عمليات الحرق، أو في عمليات الاختراق، أو في إطار نظام إنفماكس للألومنيات الخاصة في منطقة إيز، أو في حالة الضبط.

وفي خوارزميات رئيسية متماثلة، كثيرا ما تكون مفاتيح الفرز المستخدمة من نفس الجدول الرئيسي ولكنها تطبق بالترتيب العكسي، ويمكن الوصول إلى السجلات الرئيسية التي تحمل مفاتيح الجولة الموسعة في تسلسل عكسي بواسطة مضاد مخصص أو يمكن تحميلها في مجموعة منفصلة من السجلات أثناء طريقة التشفير، وفي كثير من عمليات تنفيذ المعدات، تقلب إشارة المراقبة الوحيدة ترتيب مفاتيح التقريب بين العصيان.

أما بالنسبة للمشروبات غير المتناظرة مثل وكالة الأمن الوطني، فإن التشفير ينطوي على التكسير مع زيادة كبيرة في حجم القطاع الخاص، أما النتائج الوسيطة (منتجات التكرار المتعددة الوحدات) فهي ضخمة إلى 4096 قطعة، وتتطلب سجلات واسعة (تسعة 4096 قطعة) يجري تنفيذها كإضافة للشحنات، وتقترن هذه السجلات بمضاعفات وتكرس لعملية التكفير دون مثل هذه المعدات.

كما أن السجلات تحمي عملية التشفير من الهجمات على القنوات الجانبية، فعلى سبيل المثال، يمكن أن يُسرب تنفيذ البرامجيات غير المتفرغة معلومات التوقيت، ولكن سجلات المعدات التي تُنفّذ عمليات دائمة مثل استخدام عدد ثابت من دورات الساعة بصرف النظر عن مدخلات - يمكن أن تخفف من الهجمات التوقيتية، وتشمل بعض التصميمات المتقدمة سجلات تُحدث تأخيرات عشوائية في إجراء المزيد من تحليل القوة الخفية.

مزايا استخدام السجلات

السرعة

(أ) إن السرعة في الحصول على البيانات - على شكل دورة واحدة من ساعات العمل - يمكن أن تؤدي إلى تحسين سرعة التجهيز - في العمليات البكائية التي تنطوي على ملايين الجولات في الثانية، مما يوفر حتى دورة واحدة لكل جولة من الطلقات مكاسب هائلة من خلال الناتج، وعلى سبيل المثال، فإن السجل المتطور للمجموعات الاقتصادية في الفترة العشرين الحديثة يستكمل عمليات المسح المكثف للبرمجيات.

الأمن

Security] is greatly enhanced when keys are stored in registers within secure equipment. Registers that are not exposed to the system bus or main memory protect against cold boot attacks, memory dump attacks, and DMA-based extraction. Additionally, because registers can be designed with redundancy and error-correcting codes (ECC), they can resist injection attacks.

الكفاءة

(أ) الكفاءة ] manifests in both power and silicon area. Registers consume less power per access than memory blocks of the same capacity because they avoid complex addressing and row/column decoders. In battery-powered devices such as IoT sensors or mobile phones-using registers for cryptlicity rings reduces energy compactity consumption.

الطوارئ المحددة

وثمة ميزة أخرى هي [(FLT:0]) [التساهلية المحددة الأجل]، وبما أن الوصول إلى السجلات يكتمل دائما في عدد ثابت (في كثير من الأحيان بالضبط دورة واحدة) من ساعات العمل، فإن وقت التشفير يصبح قابلا للتنبؤ، وهذا أمر حاسم بالنسبة للنظم المتغيرة في الوقت الحقيقي مثل التشفير بالسيارات من نوع (C-FD) أو السيطرة الصناعية، حيث لا يمكن التسامح مع التأخيرات في استخدام المفاعلات.

التنفيذات العالمية الحقيقية

ويمكن النظر إلى استخدام السجلات في تشفير المعدات في العديد من المنتجات والمعايير، فعلى سبيل المثال، فإن Advanced Encryption Standard (AES)] يُعجَّل عادة في وحدات الاختراع الحديثة من خلال مجموعة التعليمات المتعلقة بأجهزة التكيُّف (AES-NI)، وهي تعليمات جديدة مثل AESENC تعمل مباشرة على سجلات منصة MMM، وهي تعمل على نحو مماثل.

وفي مجال وحدات الأمن في هادواير من شركات مثل ثاليس أو أو أوتيماكو، تُخصص ملفات كاملة للسجلات لعمليات الصيانة الرئيسية الخاصة وعمليات التبريد، وكثيرا ما تكون هذه السجلات معزولة ماديا في جزر منفصلة للسيليكون، متصلة عبر حافلة خاصة بالمحرك البدائي.() وتُسند هذه السجلات إلى وحدات أمنية أعلى من المستوى 2 تتطلب وحدات أمنية.

ومن الأمثلة الأخرى النظام الفرعي للأمن في نظام آبل الآمن للإنكلاف أو شركة ARM TrustZone، حيث تدير السجلات التشفير من أجل تخزين الأجهزة وبيانات القياس البيولوجي، ويمنع استخدام السجلات المكرّسة في هذه الجيوب نظام التشغيل الرئيسي من تعلم المفاتيح السرية على الإطلاق، ويضمن خصوصية المستعملين حتى في حالة وجود حل وسط في نظام تبادل المعلومات.

مقارنة مع التشفير الذي يقوم على البرمجيات

وفي حين أن التشفير القائم على البرامجيات يوفر المرونة اللازمة، فإن الخوارزميات يمكن استبدالها - ولا يمكن أن تضاهي الأداء الخام والضمانات الأمنية لتنفيذ المعدات بدعم من السجلات الغنية، ويجب أن يتنافس التشفير في البرمجيات مع التسلسل الهرمي للذاكرة: فالسجلات متاحة فقط مع وجود سجلات عامة الغرض لوحدة منع الحمل (التي تُستخدم عادة في الاختبار من 16 إلى 32 في X86) التي تتقاسم مع جميع العمليات الأخرى.

وعلاوة على ذلك، فإن تنفيذ البرامجيات معرض للهجمات التي تشنها أجهزة التتبع الجزئية (القسم، الملاط، الخ) لأن الدولة التي تسجلها يمكن أن تُستشف من التوقيت، ويمكن تصميم سجلات البرمجيات الصلبة مادياً لتجنب مسارات التسرب هذه، ومن ناحية أخرى، لا يمكن إعادة برمجتها لسجلات المعدات الحاسوبية الجديدة دون تغيير في النسيج، وهذا أمر يتسم بالمرونة الأمنية.

خاتمة

والسجلات حيوية في التشفير والتحلل القائمين على المعدات، مما يتيح إجراء عمليات التشفير السريع والمأمون والفعال، ويساعد فهم أدوارها في تصميم وحدات أمنية قوية وتحسين الأداء البدائي، ومن الآفاق العامة الغرض إلى سجلات أساسية ومتغيرات، يسهم كل نوع في الهدف العام المتمثل في حماية البيانات في فترة الراحة وفي المرور العابر، وبما أن متطلبات التشفير في المستقبل ستزداد مع تطور الحجم الكميائي.