基於證據的硬件逆向工程教育課程倡議

核心概念

面對日益增長的對硬件安全專家的需求，本文分析了當前硬件安全和硬件逆向工程教育的現狀，發現現有課程存在不足，並提出改進建議，主張將硬件逆向工程教育納入課程指南，以滿足社會和行業的需求。

摘要

導言
本綜述旨在探討當前硬件安全和硬件逆向工程教育的現狀，以找出建立有效培訓計劃的有效方法。
研究背景
硬件逆向工程教育的需求
隨著數位設備供應鏈安全重要性的日益增加，對網絡安全專家的需求也隨之高漲。硬件逆向工程 (HRE) 是確保數位半導體信任度的關鍵技術。儘管行業需求強勁，但全球學術機構開設的專門硬件安全課程卻寥寥無幾。
硬件逆向工程教育的課程指南
現有的網絡安全課程指南對於硬件逆向工程教育的建議較少，缺乏可操作的課程指南。
研究方法
本綜述採用系統性文獻回顧的方法，通過 Semantic Scholar 和 Web of Science 等電子文獻數據庫檢索相關文獻，篩選出符合納入標準的學術課程及其相關出版物。
研究結果
現有課程概述
本綜述共發現了 13 門來自 9 所機構的硬件安全和硬件逆向工程課程。
課程內容
現有課程主要涵蓋以下四個主題：

密碼學和 IT 安全
超大規模集成電路 (VLSI)
攻擊和防禦
硬件逆向工程 (HRE)
然而，只有少數課程將硬件逆向工程作為核心內容，大多數課程側重於非侵入性或半侵入性攻擊和防禦。
課程結構和材料
所有課程都強調實踐經驗，通常將理論講座與實踐項目相結合。課程使用的材料種類繁多，成本也各不相同，包括數位環境、模擬硬件、商用設備和定制硬件等。
課程有效性評估
現有課程的評估方法缺乏一致性和嚴謹性，大多數評估依賴於學生自我報告，而這種方法的可靠性有限。
討論和建議
課程內容和教學特點
建議將硬件逆向工程教育納入現有網絡安全課程體系中，並提供具體的課程設置建議。
課程有效性和評估方法
建議課程指南應包含評估標準，以促進基於具體證據設計新的課程。
結論和展望
硬件逆向工程對於保護全球半導體供應鏈至關重要，但目前針對硬件逆向工程的教學指南仍然有限。本綜述基於對現有課程的系統性回顧，提出了一些建議，以設計在時間和預算限制下可行的硬件逆向工程培訓計劃，並評估其有效性。未來的研究需要將這些建議正式納入網絡安全課程指南中。

統計資料

我們收集了 68 份回覆，參與者的經驗從無 (3 名參與者) 到三年以上 (30 名)、4-6 年 (10 名)、7-9 年 (2 名) 到至少十年 (18 名) 不等。
五名參與者沒有報告工作年限。
參與者使用李克特量表（1=不重要，5=非常重要）對四種學習環境在獲取專業知識方面的重要性進行了評分。
獨立學習被認為是最重要的（平均值= 4.07，標準差= 1.01），其次是在職學習（平均值= 3.79，標準差= 1.45）、研討會（平均值= 3.38，標準差= 1.12）和學術界（平均值= 2.91，標準差= 1.28）。
參與者還對影響進入硬件逆向工程領域難度的四個因素進行了評分（1=完全沒有，5=極其）。
最大的障礙是導師的缺乏（平均值= 3.51，標準差= 1.2），其次是缺乏負擔得起的工具（平均值= 3.19，標準差= 1.33）和教育項目（平均值= 3.17，標準差= 1.3）。

從以下內容提煉的關鍵洞見

An Evidence-Based Curriculum Initiative for Hardware Reverse Engineering Education

by René... 於 arxiv.org 11-11-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.05588.pdf

深入探究

隨著硬件安全威脅的不斷演變，如何才能確保硬件逆向工程教育與時俱進？

為了應對不斷演變的硬件安全威脅，硬件逆向工程教育需要從以下幾個方面與時俱進：
1. 及時更新課程內容：

緊跟最新攻擊技術： 課程需要涵蓋最新的硬件攻擊手段，例如側信道攻擊、故障注入攻擊、硬件木馬等，並結合實際案例進行講解。
引入新興防禦策略： 課程應包含最新的硬件安全防禦技術，例如物理不可複製函數（PUF）、邏輯加密、安全設計流程等，並鼓勵學生探索創新防禦方案。
關注新興技術領域： 課程需要關注新興技術領域的硬件安全問題，例如物聯網、人工智能、雲計算等，培養學生應對未來挑戰的能力。
2. 注重實踐操作能力培養：

提供真實案例分析： 課程可以引入真實的硬件攻擊案例，讓學生親自動手分析攻擊原理、尋找漏洞，並嘗試提出解決方案。
搭建實驗環境和平台： 為學生提供必要的實驗設備和平台，例如邏輯分析儀、示波器、FPGA開發板等，讓學生在實踐中掌握硬件逆向工程技術。
鼓勵參與安全競賽： 鼓勵學生參加硬件安全相關的競賽，例如CTF比賽、設計競賽等，在競爭中提升實戰能力。
3. 加強與業界合作：

邀請業界專家授課： 邀請來自芯片設計、安全評估等領域的業界專家分享經驗，讓學生了解行業最新動態和需求。
建立實習和就業渠道： 與相關企業建立合作關係，為學生提供實習和就業機會，促進學術界和工業界的交流與合作。
4. 推動開源社區建設：

開發和分享教學資源： 鼓勵教師開發和分享硬件逆向工程相關的教學資源，例如實驗指導書、開源工具等，促進知識共享。
參與開源項目和社區： 鼓勵學生參與開源硬件和安全相關的項目和社區，例如RISC-V、OpenTitan等，在實踐中學習和貢獻。
通過以上措施，硬件逆向工程教育可以不斷適應新的安全形勢，培養出更多具備實戰能力的硬件安全人才。

有些人認為，教授硬件逆向工程技術可能會被惡意行為者利用，從而弊大於利。你怎麼看？

教授硬件逆向工程技術的確存在被惡意行為者利用的風險，但这就像一把雙刃劍，關鍵在於如何使用。我認為利大於弊，理由如下：
1. 提升整體安全水平：

知己知彼，百戰不殆： 只有深入了解攻擊者的技術手段，才能更好地防禦攻擊。教授硬件逆向工程技術，可以幫助安全人員更好地理解攻擊原理，從而設計出更安全的硬件產品。
培養更多安全人才： 面對日益嚴峻的硬件安全形勢，我们需要培養更多具備專業知識和技能的安全人才。教授硬件逆向工程技術，可以為安全行業輸送新鮮血液。
2. 風險可控：

嚴格控制教學內容： 在教授硬件逆向工程技術時，需要嚴格控制教學內容，避免涉及敏感信息和技術，並強調技術的道德和法律界限。
加強學生的安全意識： 在教學過程中，需要加強學生的安全意識教育，引導學生正確使用所學知識，杜絕惡意行為。
建立健全的法律法規： 完善相關法律法規，明確硬件逆向工程的合法使用範圍，並對惡意利用行為進行嚴厲打擊。
3. 開放透明是最佳防禦：

促進技術交流和共享： 將硬件逆向工程技術納入正規教育體系，可以促進技術交流和共享，讓更多人了解和掌握相關知識，共同提升安全防禦能力。
推動安全研究和發展： 開放的環境更有利於安全研究和發展，促進新技術和新方法的出現，從而更好地應對未來的安全挑戰。
總之，教授硬件逆向工程技術存在一定的風險，但只要採取適當的措施，風險是可控的。同時，這項技術的普及和發展，將極大地提升整體的硬件安全水平，利大於弊。

如果將硬件視為一種語言，那麼硬件逆向工程的過程是否可以被看作是一種翻譯的過程？如果是的話，這對我們理解硬件安全有什麼啟示？

的確，將硬件視為一種語言，那麼硬件逆向工程的過程就可以被看作是一種翻譯的過程。

硬件描述語言： 就像人類使用語言來表達思想，工程師使用硬件描述語言（HDL）來描述電路的功能和結構。HDL，例如Verilog 或 VHDL，可以被視為硬件的“源代码”。
硬件逆向工程： 硬件逆向工程的目標是理解硬件的功能，即使沒有原始設計文件。這就像將一種我們不理解的語言翻譯成我們熟悉的語言。
不同抽象層級的“翻譯”： 硬件逆向工程需要在不同的抽象層級間進行“翻譯”。例如，从晶体管的物理布局“翻译”成逻辑门电路，再“翻译”成HDL代码，最终理解其功能。
這種“翻譯”的视角，为我们理解硬件安全提供了以下启示：
1. 硬件安全需要多層次防禦：

底層防禦： 可以通過混淆電路設計、增加分析難度等方式，提高逆向工程的門檻。
邏輯層面防禦： 可以采用邏輯加密、版權保護等技術，防止未經授權的訪問和修改。
功能層面防禦： 可以設計安全機制，例如安全啟動、身份驗證等，保護硬件的功能和數據安全。
2. 硬件逆向工程的局限性：

“語義”理解的挑戰： 就像翻譯過程中可能會丟失原文的細微含義，硬件逆向工程也難以完全理解設計者的意圖和設計思路。
時間和資源的限制： 硬件逆向工程通常需要耗費大量的时间和资源，尤其对于复杂的芯片而言，完全逆向的成本非常高。
3. 硬件安全的動態發展：

攻防对抗的演进： 硬件安全和逆向工程技术都在不断发展，新的攻击手段和防御技术层出不穷，如同语言的演变，需要不断学习和适应。
总而言之，将硬件视为一种语言，有助于我们更好地理解硬件逆向工程的本质和挑战，以及如何构建更安全的硬件系统。