أساليب الأجهزة الهندسية العكسية

أجهزة الهندسة العكسية هي تخصص متعدد التخصصات يدمج الهندسة الكهربائية وعلم الحاسوب ومنهجية التحقيق، ويقوم الممارسون برسم منتج لكشف عن نوايا تصميمه واختيار العناصر والمنطق التشغيلي، ويخدم الميدان البحوث الأمنية، وصيانة النظام المتعاقب، والتحليل التنافسي، والابتكار، وتطرح هذه المادة الأساليب الأساسية المستخدمة في الهندسة العكسية للمعدات، تليها دراسات حالاتية مفصلة توضح تطبيقات العالم الحقيقي.

وتبدأ العملية عادة بالتفتيش المادي وتتقدم من خلال تحليل الإشارات واستخراج البرمجيات الثابتة، وتسفر كل طريقة عن رؤية مختلفة، ويجمع المهندسون الموسَّمون بينهم لبناء فهم كامل للجهاز.

التفتيش المتعمد والافتراضي

إن التشريد المادي هو الخطوة الأساسية، إذ يتم فتح الجهاز باستخدام أجهزة الدقة - أجهزة الرش، والمدافع الحرارية، والمفكك، وأكواب الارتطام - لتجنب الإضرار بالوصلات أو الكبسولات الهشّة، وعند الكشف، يتم تصوير المكونات الداخلية بأجهزة حامض الكهرومغناطيسي عالية الاستبانة أو مجهر رقمي، وتستخدم أجهزة حديثة كثيرة المعاطف المتوافقة، أو مركبات الصمام المضغوط التي تتطلب مواد كيميائية.

ويحدّد التفتيش البصري الدوائر المتكاملة الرئيسية والعناصر السلبية والوصلات والحبوب الهوائية، والعلامات على الرقائق مثل لوحات الصنع، وأرقام الأجزاء، والدلائل على المواعدة المتعلقة بالتشغيل، مثلاً، يشير رقم متسلسل مثل " BCM43438 " إلى رقاقة متطورة من الأشعة الويبية/المسح الضوئي للثدي.

PCB والتحليلات المواضيعية

وبعد أن أصبح مجلس الدائرة المطبوعة موضع تركيز، يتتبع المهندسون الناموسيات بين عناصر إعادة بناء الهيكل، وكثيرا ما يتم ذلك يدويا بمجموعة متعددة المستويات لأسلوب الاستمرارية، ولكن بالنسبة لوحات الكثافة، تكون الأساليب الآلية أعلى، ويظهر التصوير بالأشعة السينية لمركبات ثنائي الفينيل متعدد المستويات طبقات نحاس داخلي، وعبرات، وأدوات مساعدة مرئية، مثل أدوات البرمجيات.

وفي المختبرات الهندسية المهنية المعاكسة، يستخدم التأجيل: فكلورو البنزين مُربوط أو مُخدر كيميائياً حسب الطبقات، ويصور كل خطوة، ويعيد بناء الحزمة الدقيقة، ويكشف هذا عن طائرات الطاقة، والطائرات الأرضية، وأنماط تحديد خطوط الملكية، أما بالنسبة للشركة الدولية ذاتها، فإن التأخير والتصوير باستخدام مجهر البصري أو الإلكترونية يمكن أن يعيد بناء قائمة شاملة على أساسها.

تحليل الإشارات والبرمجيات

وكثيرا ما يكون تحليل البرمجيات هو أكثر المراحل مكافأة لأن منطق مراقبة البرمجيات يكشف عن سلوك الأجهزة بالتفصيل، ولاستخراج موانئ السطو أو قراءة الذاكرة مباشرة، وتشمل واجهات الأجهزة المشتركة بينات الوصل بيني وبينات الشاشة (JTAG) (E 1149.1)، ورقائق الأسلاك المتحركة، وأجهزة تحميل البرمجيات UART، على سبيل المثال، ربط محتويات الرافعة الخارجية (OBL).

وبعد الحصول على ثنائي ثابت، يُجرى تحليل للأدوات مثل بينوالك (لتحديد نظم الملفات)، أو غيدرا، أو إيدا برو، أو رادار-2، للتفكك والتفكيك، ويبحث المهندسون عن مفاتيح التبريد المدمجة في الخيوط، ورسائل أوارت ديبوغ، وروتينات الاستيعاب، ويترك العديد من أجهزة إيوتسكيب دوب يوارت نشطا، ويكشف عن نسيب.

Side-Channel Analysis

وتستغل الهجمات على الشاشة الجانبية الانبعاثات المادية من جهاز أثناء التشغيل، وأكثرها شيوعاً هي تحليل الطاقة وتحليل الكهرومغناطيسي، وفي تحليل بسيط للكهرباء، يسجل النسيج الحالي الذي يرسمه الشريحة أثناء تنفيذ التعليمات، وتستهلك التعليمات المختلفة كميات متميزة من الطاقة، مما يتيح للمهاجم أن يستوعب تسلسل التعليمات.

وتتطلب هذه الأساليب تجهيزا دقيقا: إطلاق أجهزة التنظيف ذات التردد العالي (مثلا، ليكروي أو تيكترونكس)، وكثيرا ما تكون مُعَدَّدة، وتستخدم على نطاق واسع لكسر عمليات التنفيذ البكتري في البطاقات الذكية والهبات والعناصر الآمنة، وتشمل التدابير المضادة موازنة القوى، والإقناع، والتدفئة المعدنية، ولكن الكثير من المستهلكين يفتقر إلى وسائل حماية قوية.

الحقن الافتراضي

فالحقن الافتراضي يُحدث تلالات متعمدة - مشتعلة أو ذرات على مدار الساعة أو نبضات الليزر - لإحداث انحراف في التعليمات أو بيانات الفساد، وكثيرا ما يكون الهدف هو تجاوز التوثيق أو التمكين من الوصلات البينية المزدوجة، كما أن الحقن الفولطية وتركيب الساعات هما تقنيات منخفضة التكلفة تتطلب مولداً كهربائياً للوظيفة ومبدلاً متحركاً متحركاً.

ويمكن أن تكشف الحقنة التي تُرتكب في خطأ مُتَبَع عن وظيفة مُخفَّفة، مثل أساليب الاختبار أو أوامر تحميل الأحذية، مثلاً، فإن إغراق دبوس مركز فيينا الدولي أثناء حذاء مأمون قبل التحقق من التوقيع يمكن أن يُسبِّب للمعالجة بالقفز إلى نقطة دخول غير آمنة.

دراسات حالة في الهندسة العكسية

وتبين دراسات الحالة التالية كيفية تطبيق الأساليب المذكورة أعلاه في الممارسة العملية بدءاً من البحوث الأمنية إلى الابتكار في المنتجات، ويظهر كل منها التفاعل بين التحليلات المادية والكهربائية والبرمجية.

Smartphone Secure Enclave Analysis

وفي عام ٢٠١٩، أجرى الباحثون في إحدى الجامعات العليا تحليلا ماديا عميقا لمعالجات آبل إيفون " إينكلاف " المتفانية التي تعالج التوثيق البيولوجي والمفاتيح البكائية، وبدأ الفريق بتعبئة " إي ١٢ " بواسطة حمض النتريك " ، وذلك لكشف الاختبارات التي قام بها المستعملون في وقت لاحق، واستولى على مقياس " " .

وتؤكد هذه القضية أهمية أمن الطبقات المادية، بل إن الرقائق الحديثة والمضمونة بشدة يمكن أن تقع على مهاجم مصمم ويحصل على أجهزة التصوير المقطعي، وعلى أحدث أجهزة الشاشة، كما تبين كيف تكتشف الهندسة العكسية الضعف وتقود إلى تحديثات البرمجيات الجاهزة.

IoT Smart Lock Replication

وقد سعى فريق من المهندسين من مصادر مفتوحة إلى بناء بديل متوافق لقفل " ميزانية " ذكي، اشتروا القفل وفككته لإيجاد وحدة مشغلة لاسلكية تابعة لشركة CU، تستخدم جهاز تحليل منطقي على دبابيس UART، وقد استولوا على تسلسل الأحذية واكتشفوا أن الجهاز دخل إلى جهاز قفل (تحديث عن أجهزة البرمجيات) عندما تم سحبه إلى أعلى.

وقد نجح هذا الجهد لأن الصانع ترك وصلات بينية مُغلقة يسهل الوصول إليها ويخزن أسراراً في سهول، ووثق الفريق نتائجها ونشر مخططاً، مما أتاح لأي شخص أن يطبع جهازاً بديلاً ويُضفي الضوء على البرمجيات المفتوحة، وتبين هذه الحالة كيف يمكن للهندسة العكسية أن تُضفي الطابع الديمقراطي على أجهزة الترميز عند عدم قيام المصنعين بتنفيذ عمليات القفل الأمني.

Automotive ECU Tuning and Security

وقد تُعدّ وحدات المراقبة الإلكترونية الآلية في كثير من الأحيان من حيث تصميمها على إدارة الأداء، والامتثال للانبعاثات، وبعد تعديل السوق، وتشمل هذه الحالات المعروفة جيدا وحدة إدارة محركات بوتش إي دي سي 17، التي تستخدم في العديد من سيارات الديزل، وتُعدّل شركات البحث عن الوقود وعقود الازدحام، وتُرسل وحدة البحوث عن طريق البذور عن طريق البذور المصغرة إلى موقعها.

وهذا النوع من الهندسة العكسية قانوني لتعديل المركبات الشخصية في العديد من الولايات القضائية بموجب أحكام الحق في العودة إلى الوراء، وقد أدى إلى ظهور صناعة تربوية متعددة البليار، غير أنه يثير أيضا شواغل أمنية: إذ يمكن للمهاجمين أن يستغلوا نفس التقنيات لكي يحقنوا نظم السلامة الخبيثة، وتبرز الحالة التوتر بين تكييف المستخدمين وأمن الفضاء الإلكتروني.

الجهاز الطبي

وفي المجال الطبي، قام الباحثون بتجهيز جهاز لاسلكي لا يُحتمل أن يُستخدم فيه جهازاً لاسلكياً من أجهزة الاستخلاص المزودة بأجهزة الاستخلاص، حيث تم تحديده بواسطة جهاز لاسلكي مجهز بأجهزة استجوابية مجهزة بموجات مصغرة، حيث تم تحديده بواسطة جهاز لاسلكي مجهز بالأجهزة اللاسلكية، حيث تم تحديده بجهاز لاختبار.

وقد أدى الكشف عن هذه المواد إلى تركيبة ثابتة في البرمجيات أضافت تشفيرها من طراز AES-128، وهذه الحالة تجسد إمكانات إنقاذ حياة الهندسة العكسية: تحديد أوجه الضعف في الأجهزة الحيوية للحياة قبل أن تتمكن الجهات الفاعلة الخبيثة من استغلالها، كما تبين ضرورة استخدام وصلات مؤمنة من الديوغ (مثل قطع القفل التي وضعتها شركة JTAG) وغازات مضادة للدواء.

الاعتبارات الأخلاقية والقانونية

ويضم قانون حقوق التأليف والنشر رقمي في الولايات المتحدة إعفاءات من البحوث الأمنية، والقابلية للتشغيل المتبادل، والإصلاح، ولكن هذه الإعفاءات محددة بدقة ومحدودة زمنياً، ويسمح التوجيه الصادر عن الاتحاد الأوروبي بشأن الأسرار التجارية بعكس هندسة المنتجات التي يتم الحصول عليها بصورة قانونية، شريطة ألا تنطوي على خرق للعقد، على أن تكون وثائق الإثبات أو حقوق التأليف والنشر ذات أساس ثابت، أو شروط الخدمة.

ومن الناحية الأخلاقية، يتحمل المهندسون المعاكسون مسؤولية الكشف عن مواطن الضعف بصورة مسؤولة، ويمكن للكشف الكامل (نشر المستغلات الكاملة) أن يعرض المستعملين للخطر إذا لم تكن هناك رقعات، كما أن الكشف عن الضعف المنسق، حيث يتم تبادل النتائج أولا مع الصانع مع مهلة 90 يوما، هو المعيار المقبول، وعلاوة على ذلك، ينبغي ألا تستخدم الهندسة العكسية أبدا لأغراض مهينة مثل استنساخ بطاقات الدفع أو عدم استخدام سمات الأمان في الأجهزة الطبية.

أدوات التجارة

وتتطلب الهندسة العكسية الفعالة للمعدات مختبرا مجهزا تجهيزا جيدا، وتشمل الأدوات الأساسية ما يلي:

  • Oscilloscopes] (مثل، Keysight InfiniiVision، RS RTO) for high-speed signal capture. Bandwith of at least 200 MHz is recommended for digital protocols like SPI and I2C.
  • Logic Analyzers (مثلاً، شركة Saleae Logic Pro 16، شركة Sigrok) لزيج قنوات رقمية متعددة في آن واحد، وهي تبسط حزمة البروتوكولات الخاصة بشركة UART، و CAN، وشركة I2C.
  • JTAG/SWD Debuggers (مثلاً، فريق الخبراء الحكوميين المشترك، و ST-Link، و Olimex ARM-USB-TINY-H) من أجل إلقاء وتلف البرمجيات الجاهزة، لدى العديد من المتحكمين في المايكرويين قضبان يجب أن تُتجاوز عن طريق الحقن أو تحليل الميكانيكي الجانبي.
  • Flash Programmers (مثل Dediprog, Xeltek, or open-source Bus Pirate) for reading/writing external memory frs (SPI flash, parallel NOR).
  • Desoldering and Reballing] equipment: hot air stations, soldering irons with fine tips, and ultrasonic Cleans for removing ICs for external reading.
  • Software tools]: Binwalk for firmware extraction, Ghidra or IDA Pro for disassembly, and scripts for Python-based analysis of binary blobs.
  • Side-channel equipment]: ChipWhisperer for power analysis and fault injection, and custom EM probes from companies like Langer or RF-Technik.

وهناك أداة كثيرا ما تُغفل الوثائق، إذ يُسجل كل فصائل عن النتائج، وقوائم الناموسيات، وخرائط الذاكرة، وعلامات الإشارة، للسماح بالتحقق والتكرار، ولا غنى عن مراقبة الإرسال (Git) ومذكرات المختبر.

مستقبل الهندسة المكشوفة

ومع تزايد تعقيد الأجهزة، فإن الأساليب الهندسية العكسية ستتطور، وتشمل التحديات الجديدة 3D ICs with stacked dies,رقائق داخل الطرود, والتغليف المتقدم مثل التغليف على مستوى الويب، وهذه تتطلب رسماً للأشعة السينية وتعلماً آلياً لتجزئة الهياكل الداخلية تلقائياً، أما فيما يتعلق بالبرمجيات الجاهزة للبرمجيات البرمجيات الجاهزة للبرمجيات المشفرة، فإن مخططات الهندسية المشفطة لا تزال في نهاية المطاف هي معايير.

وتوفر مبادرات المعدات المفتوحة المصدر، مثل مشروع " فتح تايتن " والعديد من عمليات التنفيذ المفتوحة المصدر للمبادرة، خط أساس شفاف يمكن دراسته دون اللجوء إلى الهندسة العكسية، ومع ذلك، فإن الأجهزة الاصطناعية - خاصة في الأجهزة الالكترونية الاستهلاكية، والسيارات، والقطاعات الطبية - المهارات المبينة أعلاه ستظل في ارتفاع الطلب على البحوث الأمنية والتشغيل المتبادل.

إن المعدات الهندسية العكسية ليست مجرد عملية تقنية، بل هي ممارسة حاسمة لفهم وتأمين الأجهزة التي تتخلل الحياة الحديثة، وبتطبيق الأساليب المبينة في هذه المادة واحترام الحدود الأخلاقية، يمكن للممارسين الكشف عن التهديدات الخفية، وتمكين الإصلاح، وتعزيز الابتكار.