Применение ПЛИС в системах защиты информации

К:Википедия:Страницы на КУ (тип: не указан)

Использование программируемых логических интегральных схем широко применяется в различных вариантах реализации систем защиты информации. ПЛИС относится к аппаратным методам ускорения работы реализуемых алгоритмов шифрования. Наиболее широкое распространение в этой сфере получили ПЛИС типа FPGA (программируемые пользователем вентильные матрицы).

Подобного рода схемы пользуются спросом во многом благодаря быстродействию и возможности быстрой замены скомпрометированного или устаревшего алгоритма шифрования, сочетая в себе гибкость чисто программных методов и мощности аппаратных реализаций, таких как ASIC

Производительность

Большинство криптографических операций ПЛИС выполняет быстрее, чем обычные программы. Чем больше в алгоритме фиксированных параметров, тем более эффективно будет работать устройство. Параметрами для криптографических операций могут быть, например, ключи, конечное и начальное поле, различные коэффициенты. Быстродействие достигается за счет большого количества логических элементов и автоматическому распараллеливанию используемых алгоритмов.

Возведение в степень в поле <math>GF(2^m)</math> требует <math>m/2</math> операции при реализации на обычных интегральных схемах, на ПЛИС возведение осуществляется за одну операцию. Такое возведение в степень по модулю, широко используемое при шифровании на открытых ключах, можно реализовать на FPGA со скоростью 1000 транзакций в секунду.

Сравнение реализации шифра AES

Реализация	Скорость
DSP Т. TMS320C6201	112,3 Мбит/с
Pentium III	718,4 Мбит/с
FPGA Virtex XCV-1000BG560-6	12 Гбит/с
ASIC Amphion CS5240TK	25,6 Гбит/с

Интегральные схемы специального назначения работают быстрее программируемых пользователем вентильных матриц, но практически не используются в системах защиты информации. ASIC программируются при изготовлении и не имеют возможности перепрограммирования.

Криптографические приложения

Основной целью большинства работ по исследованию реализации указанных алгоритмов является достижение эффективного использования ресурсов кристалла и максимально возможной скорости шифрования данных. Благодаря возможности перепрограммирования FPGA «на лету», на её базе создаются криптографические системы, в которых изменение алгоритма шифрования необходимо после каждого сеанса. ПЛИС такого типа применяются в реализации DES, 3DES, Blowfish, CAST, IDEA и др. Так же ПЛИС широко используются в задачах генерации случайных чисел.

Возможность перепрограммирования

Записанные на микросхему алгоритмы шифрования/дешифрирования могут перестать быть актуальными по причине нахождения уязвимости , утверждения новых стандартов или изменения протоколов. Решения на основе FPGA позволяют модифицировать микросхемы в самой системе.

Масштабируемость

Масштабируемость определяется количество вариантов соотношения цена/производительность для конкретной архитектуры. Ввиду большого количество конфигураций ПЛИС, выбираемых разработчиком, вариантов соотношения цена/производительность очень много. Пользователь сам выбирает последовательную и параллельную реализацию для отдельных операций в составе компонента. Однократные действия осуществляются последовательно, для основных операций требуется большая производительность, достигаемая параллельной реализацией.

Сравнение реализаций различных шифров на разных кристаллах

Характеристика алгоритма	Алгоритм
	AES	DES	ГОСТ 28147-89	IDEA	RSA
Тип шифрования	Симметричный, блочный				Ассимметричный
Длина блока, бит	128	64	64	64
Число раундов	10	16	32	8
Размер ключа	256	56	256	128	1024
Операции	Табличная замена байтов, циклический сдвиг, перемешивание столбцов, поразрядное сложение по модулю 2	Подстановка, перестановка, XOR	Сложение по модулю <math>2^{32}</math>, XOR, циклический сдвиг	Умножение по модулю <math>2^{16}+1</math>сложение по модулю <math>2^{16}</math> XOR	Возведение в степень по модулю
Частота	347,6 МГц	19,4 МГц	126 МГц	33 МГц	13,21 МГц
Скорость	44,5 Гб/с	4,25 Гб/с	748 Мб/с	528 Мб/с	12,81 Кб/с
Кристалл ПЛИС	Xilinx Virtex 5	Xilinx Virtex 5-Е	Altera Arria IIGX EP2AGX125	Xilinx XC4000	Altera Cyclone IV EP4CE115F29C7

Уязвимости

С точки зрения активного криптоанализа аппаратный метод имеет некоторые уязвимости. Большинство из них легко устранимы, что делает ПЛИС FPGA с достаточно высокой вероятностью безопасным и надежным методом реализации систем защиты информации.

Черный ящик

Если криптосистема представляет собой ПЛИС, и аналитик имеет свободный доступ к входам и выходам, то набрав необходимую статистику и, используя карту Карно, он может извлечь внутреннюю логику ПЛИС и скомпрометировать шифр. Этот способ будет действенным, если аналитик обладает достаточными вычислительными мощностями и имеет свободный доступ к системе. В настоящее время это не является реальной угрозой из-за сложности и размеров современных ПЛИС. Реализуемые потоковые или блочные шифры имеют слишком длинные ключи, чтобы искать их методом перебора.

Readback

Для большинства устройств типа FPGA предусмотрена специальный функция «readback», предназначенная для чтения конфигурации схемы для в целях облегчения отладки. Злоумышленник может попробовать использовать её через JTAG или интерфейс программирования. Предотвратить доступ к конфигурации можно при помощи битов безопасности. Тем не менее, использование специальных регистров не гарантирует полной защищенности и, используя аппаратные сбои и деактивировав биты безопасности, аналитик может получить доступ к конфигурации. В большинстве случаев уязвимость устраняется увеличением количества битов безопасности и встраиванием ПЛИС в безопасную среду, в которой при обнаружении вмешательство вся конфигурация удаляется или устройство самоуничтожается.

Физическое вмешательство

Физическим вмешательством является исследование дизайна чипа с целью получения информации об используемых алгоритмах и ключах путём зондирования точек внутри чипа. Атака нацелена на те части ПЛИС, которые недоступны через обычные линии ввода/вывода. Потенциально это может быть достигнуто путём визуального осмотра с помощью оптических микроскопов или механических датчиков. В настоящее время в системах защиты информации используются такие вентильные матрицы, которые можно исследовать только при помощи концентрации ионного пучка. В качестве контрмеры может служить нейтрализация остаточного напряжения путём использования противоположного тока или фиктивных циклов в схеме.

Получение доступа к статистической памяти

ПЛИС хранит часть данных в энергозависимой статистической памяти с произвольным доступом. Согласно исследованиям, SRAM не полностью освобождает содержимое при отключении питания, природа этого явления связана с физическими свойствами полупроводников. Главным образом это объясняется электромиграцией, инжекцией горячих носителей и ионными загрязнениями. Используя IDDQ тестирование, аналитик может следить за состоянием ячеек SRAM, в которых хранятся параметры алгоритмов. При включении питания наблюдаются аномалии, благодаря которым можно получить необходимую информацию. Этот метод успешно работает для взлома отдельных ячеек SRAM памяти, так же используемой в ПЛИС. Такого рода атаки очень дорогостоящие и редко используются в виду сложности.

Восстановление перемычек FPGA

Определив порядок соединения элементов на микросхеме криптоаналитик может получить данные о методе шифрования и скомпрометировать шифр. Связи между комплектующими ПЛИС устанавливаются путём подачи на слои микросхемы напряжения при программировании, поэтому, чтобы получить данные о перемычках, нужно удалить слой за слоем или использовать кросс-секционирование. При анализе одной ячейки таким методом данные в остальных ячейках могут уничтожиться. Анализ одной ячейки может достигать двух месяцев, поэтому на деле он не применяется. Так как при отключении питания информация не теряется, связь между компонентами можно определить путём сверления отверстий в месте предполагаемых перемычек. Уязвимость устраняется встраиванием ПЛИС в безопасную среду, в которой при обнаружении вмешательство вся конфигурация удаляется или устройство самоуничтожается.

Использование дополнительных каналов

Любая физическая реализация криптосистемы может иметь каналы, пропускающие ненужную или нежелательную информацию. Примерами таких каналов могут быть линии электропитания или электромагнитное излучение. Анализируя потребляемую ПЛИС мощность при выполнении криптографических операции можно определить области, которые коррелируют с ключом или другими нужными криптоанатилику параметрами. Метод применяется для взлома программных средств или ASIC, но нет никаких препятствий для использования его при попытках взломать ПЛИС.

Источники

• [www.emsec.rub.de/media/crypto/veroeffentlichungen/2015/02/09/FPGA_trojans.pdf Protecting against Cryptographic Trojans in FPGAs] // Field-Programmable Custom Computing Machines (FCCM), 2015 IEEE 23rd Annual International Symposium on. — 2015.
• Thomas Wollinger and Christof Paar [eprint.iacr.org/2003/119.pdf How Secure Are FPGAs in Cryptographic Applications]. — 2003.
• Deshpande, A.M. [www.researchgate.net/publication/224577826_FPGA_implementation_of_AES_encryption_and_decryption FPGA implementation of AES encryption and decryption] // Control, Automation, Communication and Energy Conservation, 2009. INCACEC International Conference on. — 2009.
• [www.cs.ucsb.edu/~sherwood/pubs/DT-08-rcsec.pdf Managing Security in FPGA-Based Embedded Systems] // Design & Test of Computers, IEEE (Volume:25 , Issue: 6 ). — 2008.
• И.Тарасов, к.т.н. [www.electronics.ru/files/article_pdf/2/article_2788_434.pdf ПЛИС Xilinx и цифровая обработка сигналов] // Электроника. — 2011. — № 3. — С. 70 - 74.
• Mike Nelson [www.xilinx.com/publications/archives/xcell/Xcell57.pdf Why You Should Use FPGAs in Data Security].
• [www.xilinx.com/products/technology/design-security.html Xilinx official site, Design security solutions]
• [www.allhdl.ru/plis.php Описание ПЛИС известных фирм]

Отрывок, характеризующий Применение ПЛИС в системах защиты информации

– Господин, позвольте вас попросить с дороги, – сказал он ему, – здесь нельзя.
Солдаты неодобрительно покачивали головами, глядя на Пьера. Но когда все убедились, что этот человек в белой шляпе не только не делал ничего дурного, но или смирно сидел на откосе вала, или с робкой улыбкой, учтиво сторонясь перед солдатами, прохаживался по батарее под выстрелами так же спокойно, как по бульвару, тогда понемногу чувство недоброжелательного недоуменья к нему стало переходить в ласковое и шутливое участие, подобное тому, которое солдаты имеют к своим животным: собакам, петухам, козлам и вообще животным, живущим при воинских командах. Солдаты эти сейчас же мысленно приняли Пьера в свою семью, присвоили себе и дали ему прозвище. «Наш барин» прозвали его и про него ласково смеялись между собой.
Одно ядро взрыло землю в двух шагах от Пьера. Он, обчищая взбрызнутую ядром землю с платья, с улыбкой оглянулся вокруг себя.
– И как это вы не боитесь, барин, право! – обратился к Пьеру краснорожий широкий солдат, оскаливая крепкие белые зубы.
– А ты разве боишься? – спросил Пьер.
– А то как же? – отвечал солдат. – Ведь она не помилует. Она шмякнет, так кишки вон. Нельзя не бояться, – сказал он, смеясь.
Несколько солдат с веселыми и ласковыми лицами остановились подле Пьера. Они как будто не ожидали того, чтобы он говорил, как все, и это открытие обрадовало их.
– Наше дело солдатское. А вот барин, так удивительно. Вот так барин!
– По местам! – крикнул молоденький офицер на собравшихся вокруг Пьера солдат. Молоденький офицер этот, видимо, исполнял свою должность в первый или во второй раз и потому с особенной отчетливостью и форменностью обращался и с солдатами и с начальником.
Перекатная пальба пушек и ружей усиливалась по всему полю, в особенности влево, там, где были флеши Багратиона, но из за дыма выстрелов с того места, где был Пьер, нельзя было почти ничего видеть. Притом, наблюдения за тем, как бы семейным (отделенным от всех других) кружком людей, находившихся на батарее, поглощали все внимание Пьера. Первое его бессознательно радостное возбуждение, произведенное видом и звуками поля сражения, заменилось теперь, в особенности после вида этого одиноко лежащего солдата на лугу, другим чувством. Сидя теперь на откосе канавы, он наблюдал окружавшие его лица.
К десяти часам уже человек двадцать унесли с батареи; два орудия были разбиты, чаще и чаще на батарею попадали снаряды и залетали, жужжа и свистя, дальние пули. Но люди, бывшие на батарее, как будто не замечали этого; со всех сторон слышался веселый говор и шутки.
– Чиненка! – кричал солдат на приближающуюся, летевшую со свистом гранату. – Не сюда! К пехотным! – с хохотом прибавлял другой, заметив, что граната перелетела и попала в ряды прикрытия.
– Что, знакомая? – смеялся другой солдат на присевшего мужика под пролетевшим ядром.
Несколько солдат собрались у вала, разглядывая то, что делалось впереди.
– И цепь сняли, видишь, назад прошли, – говорили они, указывая через вал.
– Свое дело гляди, – крикнул на них старый унтер офицер. – Назад прошли, значит, назади дело есть. – И унтер офицер, взяв за плечо одного из солдат, толкнул его коленкой. Послышался хохот.
– К пятому орудию накатывай! – кричали с одной стороны.
– Разом, дружнее, по бурлацки, – слышались веселые крики переменявших пушку.
– Ай, нашему барину чуть шляпку не сбила, – показывая зубы, смеялся на Пьера краснорожий шутник. – Эх, нескладная, – укоризненно прибавил он на ядро, попавшее в колесо и ногу человека.
– Ну вы, лисицы! – смеялся другой на изгибающихся ополченцев, входивших на батарею за раненым.
– Аль не вкусна каша? Ах, вороны, заколянились! – кричали на ополченцев, замявшихся перед солдатом с оторванной ногой.
– Тое кое, малый, – передразнивали мужиков. – Страсть не любят.
Пьер замечал, как после каждого попавшего ядра, после каждой потери все более и более разгоралось общее оживление.
Как из придвигающейся грозовой тучи, чаще и чаще, светлее и светлее вспыхивали на лицах всех этих людей (как бы в отпор совершающегося) молнии скрытого, разгорающегося огня.
Пьер не смотрел вперед на поле сражения и не интересовался знать о том, что там делалось: он весь был поглощен в созерцание этого, все более и более разгорающегося огня, который точно так же (он чувствовал) разгорался и в его душе.
В десять часов пехотные солдаты, бывшие впереди батареи в кустах и по речке Каменке, отступили. С батареи видно было, как они пробегали назад мимо нее, неся на ружьях раненых. Какой то генерал со свитой вошел на курган и, поговорив с полковником, сердито посмотрев на Пьера, сошел опять вниз, приказав прикрытию пехоты, стоявшему позади батареи, лечь, чтобы менее подвергаться выстрелам. Вслед за этим в рядах пехоты, правее батареи, послышался барабан, командные крики, и с батареи видно было, как ряды пехоты двинулись вперед.
Пьер смотрел через вал. Одно лицо особенно бросилось ему в глаза. Это был офицер, который с бледным молодым лицом шел задом, неся опущенную шпагу, и беспокойно оглядывался.
Ряды пехотных солдат скрылись в дыму, послышался их протяжный крик и частая стрельба ружей. Через несколько минут толпы раненых и носилок прошли оттуда. На батарею еще чаще стали попадать снаряды. Несколько человек лежали неубранные. Около пушек хлопотливее и оживленнее двигались солдаты. Никто уже не обращал внимания на Пьера. Раза два на него сердито крикнули за то, что он был на дороге. Старший офицер, с нахмуренным лицом, большими, быстрыми шагами переходил от одного орудия к другому. Молоденький офицерик, еще больше разрумянившись, еще старательнее командовал солдатами. Солдаты подавали заряды, поворачивались, заряжали и делали свое дело с напряженным щегольством. Они на ходу подпрыгивали, как на пружинах.
Грозовая туча надвинулась, и ярко во всех лицах горел тот огонь, за разгоранием которого следил Пьер. Он стоял подле старшего офицера. Молоденький офицерик подбежал, с рукой к киверу, к старшему.
– Имею честь доложить, господин полковник, зарядов имеется только восемь, прикажете ли продолжать огонь? – спросил он.
– Картечь! – не отвечая, крикнул старший офицер, смотревший через вал.
Вдруг что то случилось; офицерик ахнул и, свернувшись, сел на землю, как на лету подстреленная птица. Все сделалось странно, неясно и пасмурно в глазах Пьера.
Одно за другим свистели ядра и бились в бруствер, в солдат, в пушки. Пьер, прежде не слыхавший этих звуков, теперь только слышал одни эти звуки. Сбоку батареи, справа, с криком «ура» бежали солдаты не вперед, а назад, как показалось Пьеру.
Ядро ударило в самый край вала, перед которым стоял Пьер, ссыпало землю, и в глазах его мелькнул черный мячик, и в то же мгновенье шлепнуло во что то. Ополченцы, вошедшие было на батарею, побежали назад.
– Все картечью! – кричал офицер.
Унтер офицер подбежал к старшему офицеру и испуганным шепотом (как за обедом докладывает дворецкий хозяину, что нет больше требуемого вина) сказал, что зарядов больше не было.
– Разбойники, что делают! – закричал офицер, оборачиваясь к Пьеру. Лицо старшего офицера было красно и потно, нахмуренные глаза блестели. – Беги к резервам, приводи ящики! – крикнул он, сердито обходя взглядом Пьера и обращаясь к своему солдату.
– Я пойду, – сказал Пьер. Офицер, не отвечая ему, большими шагами пошел в другую сторону.
– Не стрелять… Выжидай! – кричал он.
Солдат, которому приказано было идти за зарядами, столкнулся с Пьером.
– Эх, барин, не место тебе тут, – сказал он и побежал вниз. Пьер побежал за солдатом, обходя то место, на котором сидел молоденький офицерик.
Одно, другое, третье ядро пролетало над ним, ударялось впереди, с боков, сзади. Пьер сбежал вниз. «Куда я?» – вдруг вспомнил он, уже подбегая к зеленым ящикам. Он остановился в нерешительности, идти ему назад или вперед. Вдруг страшный толчок откинул его назад, на землю. В то же мгновенье блеск большого огня осветил его, и в то же мгновенье раздался оглушающий, зазвеневший в ушах гром, треск и свист.
Пьер, очнувшись, сидел на заду, опираясь руками о землю; ящика, около которого он был, не было; только валялись зеленые обожженные доски и тряпки на выжженной траве, и лошадь, трепля обломками оглобель, проскакала от него, а другая, так же как и сам Пьер, лежала на земле и пронзительно, протяжно визжала.


Пьер, не помня себя от страха, вскочил и побежал назад на батарею, как на единственное убежище от всех ужасов, окружавших его.
В то время как Пьер входил в окоп, он заметил, что на батарее выстрелов не слышно было, но какие то люди что то делали там. Пьер не успел понять того, какие это были люди. Он увидел старшего полковника, задом к нему лежащего на валу, как будто рассматривающего что то внизу, и видел одного, замеченного им, солдата, который, прорываясь вперед от людей, державших его за руку, кричал: «Братцы!» – и видел еще что то странное.
Но он не успел еще сообразить того, что полковник был убит, что кричавший «братцы!» был пленный, что в глазах его был заколон штыком в спину другой солдат. Едва он вбежал в окоп, как худощавый, желтый, с потным лицом человек в синем мундире, со шпагой в руке, набежал на него, крича что то. Пьер, инстинктивно обороняясь от толчка, так как они, не видав, разбежались друг против друга, выставил руки и схватил этого человека (это был французский офицер) одной рукой за плечо, другой за гордо. Офицер, выпустив шпагу, схватил Пьера за шиворот.
Несколько секунд они оба испуганными глазами смотрели на чуждые друг другу лица, и оба были в недоумении о том, что они сделали и что им делать. «Я ли взят в плен или он взят в плен мною? – думал каждый из них. Но, очевидно, французский офицер более склонялся к мысли, что в плен взят он, потому что сильная рука Пьера, движимая невольным страхом, все крепче и крепче сжимала его горло. Француз что то хотел сказать, как вдруг над самой головой их низко и страшно просвистело ядро, и Пьеру показалось, что голова французского офицера оторвана: так быстро он согнул ее.
Пьер тоже нагнул голову и отпустил руки. Не думая более о том, кто кого взял в плен, француз побежал назад на батарею, а Пьер под гору, спотыкаясь на убитых и раненых, которые, казалось ему, ловят его за ноги. Но не успел он сойти вниз, как навстречу ему показались плотные толпы бегущих русских солдат, которые, падая, спотыкаясь и крича, весело и бурно бежали на батарею. (Это была та атака, которую себе приписывал Ермолов, говоря, что только его храбрости и счастью возможно было сделать этот подвиг, и та атака, в которой он будто бы кидал на курган Георгиевские кресты, бывшие у него в кармане.)
Французы, занявшие батарею, побежали. Наши войска с криками «ура» так далеко за батарею прогнали французов, что трудно было остановить их.
С батареи свезли пленных, в том числе раненого французского генерала, которого окружили офицеры. Толпы раненых, знакомых и незнакомых Пьеру, русских и французов, с изуродованными страданием лицами, шли, ползли и на носилках неслись с батареи. Пьер вошел на курган, где он провел более часа времени, и из того семейного кружка, который принял его к себе, он не нашел никого. Много было тут мертвых, незнакомых ему. Но некоторых он узнал. Молоденький офицерик сидел, все так же свернувшись, у края вала, в луже крови. Краснорожий солдат еще дергался, но его не убирали.