הבנת תכנות רישום-הרמה בHarware Security

אבטחה קשה הפכה אבן הפינה של תשתיות דיגיטליות מודרניות, שבו התקפות יותר ויותר למקד את השכבות הפיזיות והקושחה של מכשירים.תכנות ברמת הרישום, התרגול של מניפולציה ישירה של הרישום הממומן של הזיכרון בתוך מעבד או היקפי, מציע את הצורה הגרפית ביותר של שליטה בחומרה.טכניקה זו אינה רק סקרנות ברמה נמוכה; היא מיומנות בסיסית ליישום, לאמת, להטמיע אבטחה קשה ואבטחה גבוהה יותר כי יש צורך לנווט את המנגנונים ספציפיים של אבטחה, אשר אינם יכולים לנטרים על ידי תכנות ברמה נמוכה, אשר יכול להגיע לשיטות אבטחה, על בסיס מדויק, על ידי הגדרות אבטחה, כלומר, כלומר, על ידי הגדרות אבטחה, על ידי הגדרות אבטחה, על ידי הגדרות אבטחה, על ידי הגדרות אבטחה מדויקות, על ידי הגדרות אבטחה, אשר יכולות להגדרה מדויקת, על ידי מנגנונים מדויקים, על ידי הגדרות אבטחה, על ידי הגדרות אבטחה, על ידי הגדרות אבטחה, על ידי מנגנונים מדויקים, על ידי הגדרות אבטחה, על ידי מנגנונים מדויקים, על ידי מנגנונים מדויקים, אשר יכול להגיע להגדרה זו, על ידי הגדרות אבטחה, על ידי הגדרות אבטחה, על ידי הגדרות אבטחה, על ידי מנגנונים מדויקים, על ידי מנגנונים מדויקים, על ידי מנגנונים מדויקים, על ידי מנגנונים מדויקים יותר, כי הוא לא

מה בדיוק הם הרישום ב-Hardware Context?

רשומות הן קטנות, מהירות אחסון אתרים שנבנו ישירות לתוך מעבד, מיקרובקר, או שבב היקפי.בניגוד זיכרון הראשי (RAM), רישומים הם משותפים הדוקים ליחידות התפקודיות של המכשיר. בהקשר של אבטחה, רישומים משמשים כמו לוח הבקרה עבור תכונות חומרה. לדוגמה, מצב יכול להצביע אם מעגל tamper-detection מופעל, בעוד תצורה יכול לרשום לוח הבקרה או מכווץ.

תכנות ברמת הרישום פירושו לכתוב או לקרוא מהמיקומים האלה באמצעות כתובות ספציפיות, לעתים קרובות באמצעות I / O (MMIO) או Port-mapped I / O. המתכנתים חייבים להתייעץ עם המדריך ההתייחסות של המכשיר כדי לדעת אילו סיביות שליטה אשר הפונקציה. רמה זו של גישה חיונית עבור אבטחה מאחר תכונות אבטחה רבות הן רק שליטה ברמת הרישום.

סוגי רישום לאבטחה

  • (FLT:0)Control Registers:FLT:1 Enable or disable חומרה מודולים כגון מנועים קריפטוגרפיים, לוגיקה מגיפה בטוחה, או ממשקי debug.
  • (ב) ,0) רשם: ⁇ 1: אספקת מידע בזמן אמת על מצב חומרה, כגון אם ⁇ בטוחה היא פעילה או אירוע חדירה התרחש.
  • (FLT:0) רשומות של קונפיגורציה: FLT:1 קביעת פרמטרים כמו אורך מפתח, חסימה סף, או הרשאות גישה למשאבים חומרה רגישים.
  • (FLT:0) מאגרי נתונים: ניכוי 1:1 או פלט עבור פעולות קריפטוגרפיים, לעתים קרובות דורש טיפול זהיר כדי למנוע דליפת חומר מפתח.

מכניזם אבטחה מפתח תלוי בשליטה ברמת הרישום

תכנות ברמת הרישום אינו תרגיל מופשט; הוא מאפשר ישירות מספר תכונות אבטחה קריטיות של חומרה.הבנת תכונות אלה מבהיר מדוע גישה ברמה נמוכה נותרה חיונית.

שרשרת Boot

מנעול מאובטח מסתמך על שרשרת של אמון שמתחילה בחומרה בלתי-נתחתמת.באט, המעבד קורא אתחול-ROM שמבדוק את החתימה של המטען הראשון של השלב הראשון.התנהגותו של ה-Motult נשלטת על ידי רישומים הקובעים את שורש האמון.לדוגמה, רישום חד פעמי יכול לאחסן חיס של מפתח הציבורי המשמש לאימות.

בסביבה הקרובה של הוצאות להורג (TEEs)

טכנולוגיות כמו ARM TrustZone או Intel SGX יוצרות סביבות הוצאה מבודדות עבור קוד רגיש ונתונים.המעבר בין העולם הרגיל לבין העולם הבטוח נשלט על ידי צג מאובטח שמציב ובודקים דגלים המבוססים על רישום.לדוגמה, ה-FLT:0 (סעיף סודי) בליבת ARM קובע כי הגישה באוטובוסים מופנית לעולם מאובטח.

Accelerators Cryptographics

חומרה מיוחדת עבור AES, RSA, או ECC פעולות לעתים קרובות כולל רישומים לאחסון מפתח, קלט טקסט פריך, ו phertext פלט. תכנות ברמת הרישום נדרש לטעון מפתחות לאחסון ייעודי שאינו נגיש לתוכנה לאחר טעינה, כדי לגרום הצפנה / פענוח פעולות, וכדי לנקות נתונים רגישים ניהול יישום מונע חשיפה באמצעות ערוצי צד כגון רישום כוח או לקרוא התקפות אבטחה רבות (למשל, לאחר רישום CCPS) יש צורך גישה ספציפית שליטה על ידי חומרה.

שליטה בנמל דביוג

ממשקי Debug כמו JTAG או SWD הם בלתי חוקיים לפיתוח אבל מסוכן עבור מכשירים פרוסים. תכנות ברמת הרישום מאפשר ליצרנים להשבית ממשקים אלה לצמיתות לאחר הייצור על ידי הגדרת קצת ספציפי ברישום שליטה.זה נקרא לעתים קרובות "משחרר" או "לצמצם את הפתיחת" והוא פגיעה נפוצה אם הרישום הוא לא נצפה.

גילוי תמים ותגובה

אמצעי אבטחה פיזיים כגון גלאי מתח glitch, צגים תדירות השעון, ואת חיישנים מוצפנים פלט אותות קריאה באמצעות רישום סטטוס. מערכת מעוצב היטב משתמשת להפריעות ברמת הרישום באופן מיידי אפס את המפתחות קריפטוגרפיים כאשר טמפינג מזוהה.התגובה חייבת להיות מתוכנתת ברמת הרישום כדי להבטיח כי לא עקבי מוצג על ידי שכבות ברמה גבוהה יותר.

התקפה Vectors Mitigated על ידי מודעות ברמת הרישום

התקפות חומרה רבות מצליחות כי מפתחי תוכנה מסתמכים על מופשטות שאינן חושפות מדינות רישום קריטיות.הבנת התנהגות ברמת הרישום עוזרת לסגור פערים אלה.

עקבו אחרי Unlocked Registers

אם רישום הבזק של המכשיר אינו נעול לאחר התצורה הראשונית, תוקף אשר מקבל ביצוע קוד יכול לנסח קושחה על ידי כתיבה לרשומות אלה.תואר תכנות ברמת הרישום מבטיח כי שליטה ביטים כמו "הגנה על" נקבעים לפני כל קוד לא מהימן פועל.זה הבסיס של ערכתחול רבים והתקפות כופר שנמשך בקושחה.

Side-Channel Exposure באמצעות אימפולסיבית הרשמה

אלגוריתמים קריפטוגרפיים המיושמות בחומרה עדיין דליפים מידע באמצעות צריכת חשמל או פליטות אלקטרומגנטיות. תכנות ברמת הרישום יכול להקטין את זה על ידי הבטחת כי פעולות הן קבועות-זמן ביחס לרישום דפוסי גישה.לדוגמה, קריאת רישום מצב המצביע על ערך קטן עשוי ליצור הבדל משמעותי.

סיקור Replay Attacks

בכמה ארכיטקטורות, רישומים אינם ברורים בין מצבי תוכנה שונים. An Attacker בסביבה שאינה מאובטחת יכול לקרוא ערכי שמאל מרישום אשר שימשו בתהליך מאובטח.com-level תכנות כי רישומים רגישים אינם ניתנים לאחר השימוש, תרגול זה בלתי אפשרי אם רק API ברמה גבוהה משמשים.

אתגרים וסיכון בתכנות אבטחה ברמת הרישום

הכוח של תכנות ברמת הרישום מגיע עם אחריות משמעותית.טעויות יכולות להיות קטסטרופליות, שכן הן פועלות ללא משמרות המסופקות על ידי מערכת הפעלה או יחידת הגנה על זיכרון.

מורכבות אדריכלית ושפלי מסמכים

מעבדים מודרניים מכילים מאות או אלפי רישומים, לעתים קרובות לא מתועדת היטב מעבר למדריכים.בתיעוד לא שלם או שגוי יכול להוביל לתצורה לא מכוונת.לדוגמה, כתיבה לרישום שמורה עשויה להתנהג אחרת על פני שינויים בחומרה, מה שגורם להנחה ביטחונית לפרוץ בשקט.מהנדסים חייבים לעבור סדאטה ועדכונים של ספקים.

יכולת לעומת אבטחה

קוד ברמת הרישום הוא ספציפי פלטפורמה.פתרון מנעול מאובטח עבור ARM Cortex-M אינו יכול להיות בשימוש על הליבה RISC-V ללא טקס שלם. בעיה זו של יכולת חסימה לעתים קרובות דוחפת צוותים באמצעות שכבות מופשטות של ספקים (HALs), אבל אלה HALs עשויים להמיט גישה ביקורתית לרישום אבטחה.

תנאי גזע ואירועים סינכרוניים

קריאה או כתיבת רישומים ללא סינכרוניזציה נכונה יכול להוביל למדינות מושחתות.לדוגמה, אם רישום סטטוס הוא מזוההה בעוד שהפרעה משנה את אותם הפיסות, ההיגיון עשוי לפעול על נתונים מסולקים. גישה ממוקדת מונעת על ידי אינטררופט דורשת פעולות אטומיות (למשל, באמצעות הוראות תשלום/שירותי תנאי) שלעתים קרובות מתעלמות בקוד ברמה של רישום.

בדיקות קשות

תכונות אבטחה ברמת הרישום קשות לבדיקת כיוון שהן כרוכות במדינות שאינן ניתנות להגדרה, כגון ביטים efuse שניתן רק לפוצץ פעם אחת.סימלה תנאים אלה דורשת חומרה מיוחדת (למשל, חיקויים או אבטיפוס FPGA) ובדיקת זריקות אשמה זהירה כדי לאמת כי תצורה של רישום נשאר בטוח בתנאים נדירים.

אירועים אמיתיים שבהם נקט רישום-רמה הוביל לברימדומים

כמה פרצות מגובשות היטב מדגישות את ההשלכות של התעלמות מאבטחת רמת הרישום.

  • (FLT:0PS3 Root Keyseur: 1FLT 1 Sony PlayStation 3 השתמש בהיפר-בידור שביטחונה התבססה על בדיקה רשומה.מפתח גילה כי על ידי מניפולציה של ערך רישום ספציפי (הההתראות "המומנה") המערכת כולה עלולה להיות נפגעת, מה שהוביל לריבית כלא נרחב.
  • (FLT:0)Debug Interface Left Open:FLT:1 , הרבה מכשירים IoT עם JTAG או SWD debug נמלים נגישים באמצעות סיכות פיזיות. An התוקף יכול לקרוא זיכרון ורישום ישירות אם הרישום התואם לא נקבע.
  • (FLT:0)Fi Firmware Write Protection:FLT:1 בחלק מהלוחות, את ה-BIOS CNTL ניתן לפתוח כדי לאפשר שינוי קושחה מקוד ברמת מערכת ההפעלה.זה היה מנוצל על ידי FLT:2LoxJFLT 3, כדי להתקין ערכות הגנה ממושכות (ההגדרה של SMMB WP) ולא היה זמין כברירת מחדל על ידי ברירת מחדל) אך לא היה זמין על ידי ברירת מחדל.

שיטות טובות ביותר לתכנות רישום-רמה בקונטקסטים של אבטחה

כדי לרתום את היתרונות תוך צמצום הסיכון, לאמץ את התרגילים האלה:

  1. (ב) קראו את המדריך ל'תורה' ב''', להבין כל שדה, כולל פיסות שמורות שחייבות תמיד להיות כתובות בעלות ערך ספציפי כדי להימנע מהתנהגות בלתי מוגדרת.
  2. (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  3. (FLT:0)Lock Down Registerseur.FLT:1 מודולים חומרה רבים מספקים רישום מנעול המונע עוד כותב לרשום הגדרות.
  4. (FLT:0) ,Implement Register Auditing.FLT:1) קורא מעת לעת את רישום האבטחה הקריטי והשוואה לערכים הצפויים.A mismatch יכול להצביע על זריקה שגויה או כשל בחומרה.
  5. (FLT:0)Zeroize רשומות רגישות.IRLT:1) לאחר פעולות קריפטוגרפיים, לכתוב אפסים לרישום נתונים שהחזיקו מפתחות או ערכים ביניים.אל תסמכו על חומרת רכב אלא אם צוין.
  6. (FLT:0) טבעות הגנה על האו"ם (FLT:1) ב CPUs עם רמות פריווילגיה (למשל, ARM EL3 או x86 SMM), להציב קוד אבטחה ברמת הרישום במצב המיוחס ביותר למנוע תוכנה פחות מועדפת משינוי הגדרות.
  7. (FLT:0) ניהול טיהור פורמלי (FLT:103) עבור רשומות אולטרה-ביקורתיות (למשל, אלה השולטים במדיניות הביטחון), לשקול שיטות פורמליות או לפחות סימולציה נרחבת כדי להוכיח כי כל רצפי הגישה הם בטוחים.

כיוונים עתידיים: אבטחת מידע ברמת רישום בעידן של SoCs ו-Heterogeneous Computing

(כ- System-on-Chip) עיצובים משלבים עשרות פריפריה של ספקי IP שונים, פני השטח של ההתקפה מתרחבים.כל בלוק IP יש סט משלו של רישומים, והחיבורים (כגון AMBA AXI) מוסיפים רישומים אבטחה עבור בקרת גישה.

בנוסף, העלייה של חומרה בקוד פתוח ו- RISC-V פירושה שמהנדסי אבטחה יכולים כעת לבדוק את יישום רמת הרישום ישירות.שקיפות זו מאפשרת ביקורת טובה יותר ותכונות אבטחה מותאמות אישית, אך גם דורש הבנה עמוקה יותר של אינטראקציות ברמת הרישום.ה-FLT:0NIST SP800-193FLT:1 הנחיות עבור קושחית פלטפורמה מדגישות מחדש כי בסיס חומרה מבוסס אחריות חייב להיות רשום באמצעות תוכנית סטנדרטית עבור עיצוב קפדני.

מסקנה

תכנות ברמת הרישום אינו מהווה הפוגה של תכנות מערכת ברמה נמוכה; היא נותרה השיטה הסופית להשגת אבטחת חומרה. על ידי מתן שליטה ישירה על מנגנוני אבטחה כגון מנעול מאובטח, TEEs, מאיצים קריפטוגרפיים, ותגובה טמפר, זה מאפשר הגנה כי תוכנה לבדה לא יכולה לספק.עם זאת, אותו כוח מציג סיכונים משמעותיים: תיעוד מורכב, ספציפי, פוטנציאל להגדרה קטסטרופלית של מפתחי אבטחה, אפילו כדי להפחית את יכולת התקינה יותר, לחץ דם מאובטח יותר, לחץ על ידי התמקדות, כדי להפחית את המורכבות של פעולות מאובטח יותר, לחץ דם מאובטח, לחץ דם מאובטח, תוך כדי למנוע את המורכבות של אבטחה מאובטח יותר, לחץ דם מאובטח יותר, תוך כדי תקינים, כדי לחץ דם מאובטח יותר, כדי לחץ דם מאובטח, לחץ דם מאובטח, יש צורך להתמקד.