Table of Contents

Understanding FPGA-Based Cryptography

إن صفائف البوابات القابلة للبرمجة في الميدان هي أجهزة شبه موصلة يمكن أن يتكون منها زبون أو مصمم بعد التصنيع، مما يتيح إنشاء دوائر منطقية محددة بالمعدات تكون على النحو الأمثل لعبء عمل محدد، وخلافا لدوائر متكاملة محددة الغرض، يمكن إعادة تشكيل أجهزة تجهيز المركبات ذات القدرة على التكفير المادي حتى بعد نشرها، مما يجعلها مناسبة بشكل فريد لتلبية الاحتياجات الأمنية المتغيرة.

وتشمل التشفيرات في نظام FPGA برمجة اللبنات المنطقية القابلة للبرمجة، والموارد المترابطة، وتجهيز الإشارات الرقمية لتنفيذ عمليات التشفير والتشفير والهرع والتوقيعات الرقمية وعمليات التبادل الرئيسية، ولغات وصف البرمجيات ذات البرمجيات ذات الصبغة العالية، مثل VHDL وVilog، إلى جانب التوليف العالي المستوى (HLSth) الموازية،

ونظراً لأن المنطق يُنقَل فوراً في السيليكون، فإن تنفيذ هذه المبادرة يمكن أن يُشدد على الحدود البدائية ضد الهجمات التي تستغل مواطن الضعف في البرامجيات، ويمكن التخفيف من الهجمات على القنوات الجانبية من خلال تنفيذ الدوائر الثابتة أو توليد الضوضاء أو تقنيات المنطق المزدوج النطاق التي لا يمكن استخدامها إلا على مستوى الأجهزة، ويمكن أن تحقق وحدات التخزين القائمة على أساس النظام المالي الموحد من سلامة البرمجيات الصنعية، وتُوفِّر عناصر مؤمنة الحيوية في مجال التخزين.

أهم الملاءمات الأمنية الأساسية لمؤسسة FPGA-Based Security

والانتقال من التكرير البرمجي الخالص إلى الأمن الذي تحظى به المؤسسة هو أمر يُعزى إلى الأداء الملموس، والتساهل، ومتطلبات الحماية المادية، وتوضح الخصائص التالية سبب اختيار هذه الشركات لتطبيقات أمنية أكثر طلباً عبر الصناعات.

تجهيز المواظبـة ورفعها

وعلى عكس وحدات البرمجيات المشابهة التي تنفذ جولات التبريد، يمكن أن تبطل هذه الطلقات الشفرية وأن تضاعف وحدات التجهيز لمعالجة مجموعات البيانات المتعددة في وقت واحد، وبالنسبة لمعيار التشفير المتقدم، يمكن أن يحقق تصميم متعدد النقطات من خلال إنتاج البرمجيات المتعددة الترددات من خلال إصدار لوائح منطقية منفصلة لكل جولة من مراحل الفرز.

Reconfigurability and Crypto-Agility

فالطبيعة الميدانية التي يمكن برمجتها لنظم الحماية من أجل التجارة الخارجية تتيح للمنظمات الاستجابة بسرعة لمواطن الضعف التي تم اكتشافها حديثاً، أو تحديث المراسم، أو اعتماد خوارزميات ما بعد الكواتم، ويمكن تحديث وحدة الفرز التي تنفذ في إطار مجموعة من برامج العمل من خلال مجرى مضيق ثابت دون استبدال الجهاز المادي، مما يتيح إمكانية التكفير الضرورية لنظم الإنقاذ الطويلة الأجل في الفضاء الجوي، والحركة المغلقة، وكذلك القيام بدور في تشكيلة.

الأمن المادي والمساعدة

عندما يتم تجهيز المفاتيح البدائية في البرامجيات فقط، فإنها غالبا ما تكون في الذاكرة الرئيسية، مما يجعلها عرضة للهجمات ذاتية الخردة أو نقل الذاكرة المباشرة الخبيثة، وفي إطار نظام FPGA، يمكن تخزين المفاتيح في تصميمات مصممة على أساس البطاريات، أو مشفرة في الذاكرة ذاتية الحماية الرئيسية التي توفرها أجهزة الكشف عن البصمات.

انخفاض معدلات الطوارئ

وتتطلب نظم الزمن الحقيقي مثل المكابح الآلية، والفيون، ومراقبي السلامة الصناعية عمليات تبريد ذات صبغة ثابتة ومعروفة، ولا تتطلب حلولا للبرمجيات بشأن نظم التشغيل المتعددة المسارات تأخيرا متغيرا بسبب الجدول الزمني والتوقف عن المناولة، ويظهر المجهزون الأمنيون القائمون على نظام FPGA توقيتا محددا لأن البيانات تنتقل عبر خط ثابت دون وجود فوات ضوئية أو تحويلات زمنية أساسية.

كفاءة الطاقة للنظم المدمجة

ويمكن أن تحقق هذه المبادئ التوجيهية أداء أفضل بكثير لكل واط لحجم العمل الوبائي من المجهزين للأغراض العامة، وبإلغاء التعليمات التي تُقدم على دفع رسوم رمزية، يمكن لتصميم مجهز جيداً من طراز FPGA أن يحسب نفس عدد العمليات المشفرة باستخدام جزء من قوة أجهزة تكييف البرمجيات التي تعمل بالأجهزة المزودة ببطارية والتي تعمل بالبطارية والتي تعمل بأجهزة جذابة من طراز Lattice Semichconductor.

سيناريوهات التطبيق العالمي الحقيقي

وقد أدت مرونة وأداء هذه المبادئ التوجيهية إلى اعتمادها في مجموعة متنوعة من النظم ذات المركز الأمني، بدءاً من الدفاع الوطني إلى المعاملات اليومية على الإنترنت، ويستغل كل طلب مزيجاً مختلفاً من المزايا المبينة أعلاه.

الاتصالات العسكرية وخدمة الفضاء الجوي

وكثيرا ما تستخدم أجهزة البث اللاسلكي ومحطات الاتصالات الساتلية المحددة بالبرمجيات البرمجية لتنفيذ التصنيفات من النوع 1 والصور الموجية المعتادة، كما أن القدرة على رفع مستوى الخوارزميات البرمجية من خلال تحديث مسارات صغيرة في الميدان لا تقدر بثمن بالنسبة للبعثات التي يتعذر فيها استبدال المعدات المادية، وبوسع أجهزة الترددات الفوقية أن تنفذ بروتوكولات مكافحة القذف، وأجهزة الفرز المكثفة، وقابلية المنخفضة للاختبار

مسرعات مركز البيانات

في حالة وجود مُقدّمين لأجهزة الإرسال وأجهزة البيانات ذات النطاق الفائق، فإنّ هذه البيانات المُتَحدّدة من خلال أجهزة الإرسال المُتَعَدّدة، مثل تلك التي تستند إلى مُنصّات (AMD Alveo) أو (Intel Agilex)،

وحدات الأمن ذات البرمجيات الجاهزة

"العمليات الـ "إتش إس إم إس" هي أجهزة مُخصصة لإدارة المفاتيح الرقمية، و القيام بعمليات التبريد، و إنفاذ سياسات الوصول، باستخدام "إف بي جي" كمحرك تجهيز أساسي يسمح لـ "إس بي إس 140-2" أو "إف بي إس" بـ140-3"

IoT and Edge Device Protection

Inge computing nodes and IoT gateways often operate in physically exposed environments, making them targets for tampering. FPGAs with integrated hard processor systems can secure boot, authenticate sensor data, and establish encrypted links to the cloud without add a separate security IC. Low-power FPGAs from Lattice Semiconductor or Microchip provide a compelling solution overoperated

السلامة في الأرواح والمناصب

المركبات الحديثة تحتوي على أكثر من 100 وحدة مراقبة إلكترونية متصلة بـ (الآي سي) و (لين) و (إثيرينت) السيارات و حافلات أخرى

5 زاي أمن الشبكات

5 زاي - تحتاج محطات قاعدية وعناصر الشبكة الأساسية إلى تجهيزات مشفوعة بمقياسات عالية جداً للبيانات مع وجود قيود شديدة على درجة الاحترار، وتنشر هذه المحطات في 5 جيات من الهياكل الأساسية لمعالجة تشفير حركة الطائرات المستعملة، وحماية السلامة من الإشارة إلى طائرات المراقبة، والإدارة الرئيسية لتوثيق الأجهزة، وتسمح مرونة متعهدي شبكات التعبئة بتحديث الخوارزميات الأمنية مع تطور معايير البرمجيات 5G، دون استبدال معدات البناء الباه.

Cryptographic Algorithms on FPGAs

ويمكن رسم أي مقياس تقريباً أو مقياس للتماثل أو مقياس للحمض على نسيج FPGA، وقد أصبحت بعض العمليات تصميمات مرجعية لوضع المعايير والتعليم، مما يوفر أساساً لنظم الإنتاج.

  • (ب) يمكن تصميمات تركيبات الـ (Gpelined GCM) أن تصل إلى أكثر من 100 Gbps على مستوى مرتفع من الأسر، مع بعض التنفيذ، من خلال تصميمات متزامنة من هذا النوع.
  • RSA and Elliptic Curve Cryptography (ECC):] Modular exponentiation and point multiplication benefit from FPGA DSP blocks for large-integer arithmetic. Curve25519 and NIST P-256 curves are common in secure boot implementations and TLS key exchange.
  • (ب) استخدام الهاشم في نزاهة الرسائل والتوقيعات الرقمية، ويمكن أن تستغل عمليات تنفيذ نظام " كيكاك " (SHA-3) التوازي على مستوى قليل في التسرع السريع، وتحقيق نواتج تفوق قيمتها البرمجيات.
  • (ب) Post-Quantum Cryptography (PQC): The NIST PQC competition has finalized a set of key algorithms including CRYSTALS-Kyber, CRYSTALS-Dilithium, Falcon, and SPHINCS+.
  • Light weight Ciphers:] Algorithms such as PRESENT, SPECK, and Ascon are designed for resource-constrained environments. Small FPGAs and even low-density CPLDs can implement them for IoT authentication, providing equipment-accelerated security with minimal gate counts and power consumption.

اعتبارات التصميم وتدفق العمل الإنمائي

ويتطلب إيجاد حل أمني قوي لهذه الفئة أكثر من كتابة مدونة قواعد السلوك المتعلقة بالتشغيل الضاربي، ويجب على المصممين أن يتصدوا لمجموعة من التحديات المتعلقة بالهندسة، ودورة الحياة، والتصديق، لضمان استيفاء المنتج النهائي لاحتياجاته الأمنية.

لغة وصف البرامجيات ذات الصبغة العالية المستوى

فالأدوات التقليدية للأجهزة البشرية (VHDL, Verilog, SystemVerilog) توفر رقابة متقنة على التوقيت واستخدام الموارد ولكنها تتطلب خبرة واسعة في مجال المعدات، وقد تؤدي أدوات التوليف الرفيعة المستوى من نظام AMD (Vitis HLS) و " Intel " (HLS Compiler) إلى ترجمة الأوصاف القياسية لبرمجيات C/C++++ إلى نظام RTL، مما يؤدي إلى تطوير سريع للتأثير على القدرة على التكيف.

إدارة دورة الحياة الأمنية

ويجب تزويد وحدة أمنية قائمة على أساس FPGA بمواد أولية مشفوعة بالبريد أثناء التصنيع، وتحديثها في الميدان، ثم إلغاء التشغيل في نهاية المطاف، كما أن ممارسات سلسلة الإمداد الآمنة حاسمة لمنع التلاعب بالطرق السريعة، التي يمكن أن تستحدث أماكن خلفية أو تشكيلات ضعيفة، إذ يقدم العديد من البائعين التحميل المشفّر الذي تقوم فيه شركة FPGA بفك التشفير في تشكيلتها باستخدام جهاز كشف غير مرخص به في إطار برنامج " NFuse " .

تجاوز تعقيدات التصميم وتكاليفه

ويمكن أن تكون مجالس تنمية مجموعة البرمجيات الحرة والمرخصة بالتجميع ومناسبات التحقق باهظة التكلفة، وفي حين أن تكلفة الوحدة التي تنطوي على نتائج عالية قد تكون أعلى من حل البرامج فقط، فإن التكلفة الإجمالية للملكية كثيرا ما تنخفض عند استخدام مدخرات الطاقة وإزالة القواعد الأمنية المكرّسة للتجديد في السوق، فإن المصممين يخففون من التعقيد عن طريق إعادة استخدام أدوات برنامج البرمجيات المشفوعة المصدر، واعتماد إعادة تشكيل جزئية.

التحقق والتقييم

وتستلزم تصميمات هذه الفئة من المواد التحقق الدقيق من خلال الاختبارات الوظيفية، ويجب على المصممين أن يتأكدوا من أن التنفيذ خال من القنوات الجانبية للتوقيت، وأن المواد الرئيسية لا يمكن تسريبها من خلال مسارات غير مقصودة، وأن تُتخذ التصميمات بطريقة صحيحة تحت هجمات الحقن الخاطئة، وأن أدوات التحقق الرسمية يمكن أن تثبت خصائص مثل التنفيذ المستمر وعزلة الذاكرة، وأن الاختبارات المستندة إلى الضبط باستخدام نماذج لقياس الارتداد القصوى تساعد على ضمان استمرار التصميم.

معايير ومصادقة على الأمن الذي تستند إليه الجبهة الشعبية من أجل الديمقراطية

(ب) يتطلب نشر نظام التبريد القائم على أساس FPGA في الصناعات الخاضعة للتنظيم الالتزام بالمعايير التي تحكم التنفيذ البدائي وأمن المعدات، ويستوفى معيار FIPS 140-3 الذي تحتفظ به هيئة الرصد الوطنية شروط نماذج التبريد، بما في ذلك الأمن المادي والإدارة الرئيسية والبيئة التشغيلية.() ويمكن أن تحقق الوحدات القائمة على نظام التحقق من المواد الكيميائية 140-3 المصدق عليها من المستويات الأمنية 2 إلى 4، رهناً بآليات الحماية المأمونة التي تم تنفيذها.

مقارنة أمن مجموعة البرمجيات الحرة والمفتوحة المصدر لنهج أخرى للبرمجيات الصلبة

ومن المفيد وضع هذه البرامج إلى جانب برامج الأمن الأخرى في مجال المعدات لفهم الأماكن التي توجد فيها كل طرد، والمقايضة، وكل منابرها يجلب مواطن قوة مختلفة إلى مجموعة المواد الأمنية، ويتوقف الاختيار على المتطلبات المحددة للتطبيق.

  • ASICs:] Provide the highest performance and lowest unit cost at scale, but are inflexible once fabricated. Algorithm updates require a newرق, making them unsuitable for applications where threats evolved faster than equipment refresh cycles. FPGAs offer a middle ground with field programmability, accepting slightly lower performance for orders of magnitude.
  • Trusted Platform Modules (TPMs):] Dedicated microcontrollers that implement a fixed set of functions such as key storage, measurements, and attestation. FPGAs can subsume TPM functionity while add custom acceleration for the host system, providing a more integrated security solution. However, TPMs are standardized well-cost and
  • Secure Microcontrollers and Secure Elements:] Low-cost, low-power devices with hardened crypto instruction sets, they suit constrain IoT nodes where throughput requirements are modest. FPGAs are chosen when those nodes need higher throughput, more complex algorithms, or the ability to updateptographic implementations.
  • (ب) أن يُعدّل وحدة البرامجيات التابعة للاتحاد العالمي لحفظ الطبيعة (الفريق العامل المعني بتهيئة بيئة التنفيذ المشمول بالوصاية (TEEs): ) نظام المعلومات SGX، وجهاز إدارة الموارد البشرية، وجهاز رصد الأرض، وجهاز رصد الأرض، وجهاز الإطلاق الحساس، وأجهزة التخمين، التي لا تزال تعتمد على تركيب أجهزة التصنيع الدقيقة، وبرمجيات البرمجيات الخفية التي ثبتت أنها غير معرضة للهجمات الجانبية.

التحديات والحدود

وبالرغم من مزايا هذه الحلول الأمنية القائمة على أساس المبادرة، فإنها تواجه تحديات عديدة يتعين على المصممين التصدي لها، كما أن منحنى التعلم لتصميم المعدات هو أكثر حدة من تطوير البرامجيات، مما يتطلب خبرة في المنطق الرقمي وإغلاق التوقيت، وهو أمر نادر في أوساط الهندسة الأمنية الأوسع نطاقا، ويعني تعقيد برامج هذه الهيئة أن أخطاء التصميم يمكن أن تُحدث مواطن ضعف يصعب كشفها في الاختبار، كما أن أمن البتروجين هو في حد ذاته مصدر قلق:

الاتجاهات الناشئة والاتجاهات المستقبلية

وتشير اتجاهات البحث والصناعة إلى توسيع دور هذه المنظمات في مجال الأمن التقليدي والجيل القادم، وهناك عدة تطورات تستحق الرصد لأنها ستشكل مستقبل التصنيف القائم على أساس المبادرة.

(ب) مع استعداد المنظمات لتنفيذ نظام " إف تي " كمي، فإن المعجلات القائمة على أساس التراكم في كيبر وديليثيوم هي عوامل قابلة للتشغيل في مرحلة مبكرة، حيث أن عدد الميسرات التي تُستخدم في إطار برنامج " كيبر " و " ديليثيوم " يُنشر لمعالجة الزيادة في أحجام رئيسية والتعقيدات الخبيثة دون تحميل المجهزين الرئيسيين.

(ب) قد يسمح التشفير المكثف والحساب السري، إجراء تحسينات كاملة في البنية الأساسية للبيوتادايين السداسي الكلور، بما يتيح إمكانية حساب البيانات المشفرة، ولكن مطالبها الحاسوبية الضخمة تجعل من غير العملي حالياً بالنسبة للعديد من التطبيقات.

AI-Enhanced Anomaly Detection:] FPGAs already serve as inference motors for neural networks. In security contexts, they can run light weight machine learning models directly on network traffic patterns to detect intrusions or side-channel leakage anomalies in realload. The same tool that terminateds TLS can inspectry

يمكن أن تؤدي حركة المعدات المفتوحة المصدر إلى إنتاج مجموعة من الأدوات التي تستخدمها هيئة المنافسة الحرة والمفتوحة المصدر (SymbiFlow, nextpnr) وإلى وضع نواة من أجهزة تصنيع البرمجيات ذات الصبغة المنخفضة التي تعمل على إنتاج البرمجيات الحرة والمتمثلة في إنتاج المواد الانشطارية.

(ب) نظراً إلى نضج شبكات 5G، ستقوم هذه الشبكات بدور متزايد في تأمين البنية التحتية الحاسوبية الحوسبة التي تدعم التطبيقات المنخفضة السرعة، وتحتاج برامج الحاسوب المتعددة الأطراف إلى التعجيل بتقنية حركة المرور على طائرات المستخدمين وإرسال إشارات المراقبة، ويمكن أن توفر المرونة اللازمة لشبكة المركبات.

خاتمة

إن التكفير والحلول الأمنية التي تقوم بها القوات ستشكل أرضية استراتيجية متوسطة بين قابلية البرامج للبرمجيات و أداء المعدات الثابتة الأداء، وقدرتها الفريدة على تعجيل الخوارزميات من خلال التوازي الهائل، والتكيف مع التهديدات الجديدة من خلال إعادة التشكيل، وحماية المفاتيح على مستوى السليكون، تجعلها حجر الزاوية في البنية التحتية الحديثة الآمنة.