修補 FPGA：位元流修改的安全隱患

Q: 除了本文中討論的對策之外，還有哪些其他方法可以保護 FPGA 設計免受位元流操縱攻擊？

除了文中提到的方法之外，還有其他一些方法可以保護 FPGA 設計免受位元流操縱攻擊： 強化位元流加密和驗證： 使用更強的加密演算法： 採用更先進、更難以破解的加密演算法來加密位元流，例如 AES-256 或更進階的輕量級加密演算法。 動態金鑰生成： 在每次配置 FPGA 時動態生成加密金鑰，防止攻擊者重複使用截獲的金鑰。 基於物理不可複製函數（PUF）的驗證： 利用 PUF 的獨特性為每個 FPGA 設備生成唯一的金鑰，增加偽造和複製位元流的難度。 運行時監控和防護： 位元流完整性檢查： FPGA 可以定期或在特定事件觸發時檢查位元流的完整性，例如使用雜湊函數或錯誤檢測碼。 電路行為監控： 監控電路關鍵部分的行為，例如時序、功耗或電磁輻射，並在檢測到異常時觸發警報或安全措施。 動態重配置： 定期或隨機地重新配置 FPGA，使攻擊者難以在長時間內保持惡意電路處於活動狀態。 供應鏈安全： 可信平台模組（TPM）： 使用 TPM 儲存和管理加密金鑰，並驗證 FPGA 的身份和配置。 安全啟動和安全更新： 確保只有經過授權的固件和位元流才能載入到 FPGA 中。 供應鏈追蹤和審計： 建立安全的供應鏈，追蹤 FPGA 從製造到部署的整個生命週期，並定期進行安全審計。

Q: 如果攻擊者無法訪問原始 FPGA 設計的任何資訊，那麼本文提出的攻擊的難度會有多大？

如果攻擊者無法訪問原始 FPGA 設計的任何資訊，那麼本文提出的攻擊的難度將會顯著增加，但並非完全不可能。 難度增加的原因： 缺乏目標資訊： 攻擊者需要花費大量的時間和精力來逆向工程位元流，以理解電路的功能和結構，才能找到插入惡意電路的合適位置。 佈局和佈線的挑戰： 在沒有原始設計資訊的情況下，攻擊者很難找到可用的資源來放置和佈線惡意電路，同時還要確保不會影響原始電路的時序和功能。 調試和驗證的困難： 由於缺乏原始設計的參考，攻擊者難以驗證惡意電路是否按預期工作，並且難以調試可能出現的問題。 攻擊者仍然可以採取的策略： 側信道攻擊： 攻擊者可以利用側信道資訊，例如功耗、電磁輻射或時序資訊，來推斷電路的結構和功能，並找到攻擊點。 盲注攻擊： 攻擊者可以嘗試將惡意電路插入到位元流的隨機位置，並觀察其對電路行為的影響。這種方法成功率較低，但如果攻擊者有足夠的時間和資源，仍然有可能成功。 利用已知漏洞： 攻擊者可以利用 FPGA 架構或設計工具中的已知漏洞來繞過安全措施或插入惡意電路。 總之，雖然缺乏原始設計資訊會顯著增加攻擊的難度，但並非完全不可能。因此，即使是對於封閉原始碼的 FPGA 設計，也需要採取適當的安全措施來防範位元流操縱攻擊。

Q: 開發更安全的 FPGA 設計的倫理含義是什麼，特別是在安全與開放性之間取得平衡方面？

開發更安全的 FPGA 設計具有重要的倫理含義，特別是在安全與開放性之間取得平衡方面。 安全與開放性之間的權衡： 開放性促進創新和協作： 開放原始碼的 FPGA 設計和工具可以促進創新，並允許研究人員和開發人員共同努力，改進安全性和功能。 安全需要保護敏感資訊： 然而，公開所有設計細節可能會被惡意行為者利用，他們可以分析程式碼以尋找漏洞，並開發攻擊方法。 平衡點： 在安全性和開放性之間找到平衡點至關重要。這可能涉及到公開部分設計資訊，同時對關鍵的安全組件進行保護，例如加密演算法或安全協議的實現。 倫理考量： 負責任的披露： 在公開 FPGA 設計中的漏洞時，開發人員應遵循負責任的披露原則，讓供應商有時間修復漏洞，然后再公開披露。 雙重用途技術： FPGA 是一種雙重用途技術，可以用於民用和軍用目的。開發人員應意識到其工作的潛在影響，並採取措施防止其技術被用於惡意目的。 公平與平等： 安全技術的發展應促進公平和平等，確保所有人都能平等地獲得安全保障，而不受其技術能力或資源的限制。 建議措施： 採用負責任的開發實踐： 開發人員應遵循安全編碼實踐，並使用安全分析工具來識別和修復程式碼中的漏洞。 促進安全研究： 鼓勵和支持對 FPGA 安全性的研究，以開發新的防禦措施和應對新興威脅。 建立行業標準和最佳實踐： 制定和推廣 FPGA 設計和部署的安全標準和最佳實踐，以提高整個行業的安全態勢。 總之，開發更安全的 FPGA 設計需要在安全性和開放性之間取得平衡，並仔細考慮倫理含義。通過負責任的開發實踐、安全研究和行業合作，可以創建更安全、更值得信賴的 FPGA 生態系統。

核心概念

即使對底層設計進行最少的逆向工程，FPGA 位元流也可能被惡意修改，從而危及硬體安全並導致資料洩露。

摘要

研究論文摘要

參考資訊： Endres Puschner, Maik Ender, Steffen Becker, and Christof Paar. 2024. Patching FPGAs: The Security Implications of Bitstream Modifications. In Proceedings of the 2024 Workshop on Attacks and Solutions in Hardware Security (ASHES ’24), October 14–18, 2024, Salt Lake City, UT, USA. ACM, New York, NY, USA, 11 pages. https://doi.org/10.1145/3689939.3695779

研究目標： 本文旨在探討在 FPGA 位元流保護不足的情況下，設計操縱所帶來的潛在威脅，並提出一種通用的方法，在無需對整個位元流進行逆向工程的情況下，將複雜的操縱電路整合到現有的位元流中。

方法： 作者提出了一個五步法：1）部分位元流逆向工程，2）設計修改電路，3）將修改電路放置到現有電路中，4）對修改電路進行佈線，以及 5）將修改後的電路與原始位元流合併。他們使用 OpenTitan 設計在 Xilinx 7 系列 FPGA 上進行了四個案例研究，以驗證他們的方法。

主要發現： 研究結果表明，即使在對底層設計進行最少的逆向工程的情況下，也可以成功地將複雜的操縱電路（例如邏輯分析儀、kleptographic 木馬、指令替換木馬和指令序列木馬）整合到現有的 FPGA 位元流中。

主要結論： 作者得出結論，當位元流保護不足時，FPGA 設計容易受到惡意修改，並強調需要開發有效的對策來保護 FPGA 設計免受此類攻擊。

重要性： 這項研究對於了解 FPGA 位元流操縱攻擊的威脅具有重要意義，並為開發更強大的位元流保護機制提供了寶貴的見解。

局限性和未來研究： 未來的工作可以集中於探索針對所提出的攻擊的對策，並研究將這種方法應用於其他類型的 FPGA 或 ASIC 的可行性。

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arxiv.org

统计

OpenTitan 基礎設計包含 51756 個 LUT、22839 個 FF、2401 個 RAM 區塊、1307 個 CARRY4 和 1742 個 MUXFX 執行個體。
修改後的位元流與原始位元流之間的差異位元數從 3803 位到 30958 位不等，具體取決於案例研究的複雜性。
自動修改步驟的執行時間從 83 秒到 502 秒不等，具體取決於案例研究的複雜性。

引用

“我們建議僅當可以可靠地排除位元流操縱攻擊時，才使用 FPGA 作為信任錨。”
“我們的研究結果強調了開發有效對策的緊迫性，以應對當前 FPGA 位元流保護措施的不足。”

从中提取的关键见解

Patching FPGAs: The Security Implications of Bitstream Modifications

by Endres Pusch... 在 arxiv.org 11-19-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.11060.pdf

Patching FPGAs: The Security Implications of Bitstream Modifications

更深入的查询

除了本文中討論的對策之外，還有哪些其他方法可以保護 FPGA 設計免受位元流操縱攻擊？

除了文中提到的方法之外，還有其他一些方法可以保護 FPGA 設計免受位元流操縱攻擊：

強化位元流加密和驗證：

使用更強的加密演算法：  採用更先進、更難以破解的加密演算法來加密位元流，例如 AES-256 或更進階的輕量級加密演算法。
動態金鑰生成：  在每次配置 FPGA 時動態生成加密金鑰，防止攻擊者重複使用截獲的金鑰。
基於物理不可複製函數（PUF）的驗證： 利用 PUF 的獨特性為每個 FPGA 設備生成唯一的金鑰，增加偽造和複製位元流的難度。


運行時監控和防護：

位元流完整性檢查： FPGA 可以定期或在特定事件觸發時檢查位元流的完整性，例如使用雜湊函數或錯誤檢測碼。
電路行為監控：  監控電路關鍵部分的行為，例如時序、功耗或電磁輻射，並在檢測到異常時觸發警報或安全措施。
動態重配置：  定期或隨機地重新配置 FPGA，使攻擊者難以在長時間內保持惡意電路處於活動狀態。


供應鏈安全：

可信平台模組（TPM）：  使用 TPM 儲存和管理加密金鑰，並驗證 FPGA 的身份和配置。
安全啟動和安全更新：  確保只有經過授權的固件和位元流才能載入到 FPGA 中。
供應鏈追蹤和審計：  建立安全的供應鏈，追蹤 FPGA 從製造到部署的整個生命週期，並定期進行安全審計。

如果攻擊者無法訪問原始 FPGA 設計的任何資訊，那麼本文提出的攻擊的難度會有多大？

如果攻擊者無法訪問原始 FPGA 設計的任何資訊，那麼本文提出的攻擊的難度將會顯著增加，但並非完全不可能。
難度增加的原因：

缺乏目標資訊： 攻擊者需要花費大量的時間和精力來逆向工程位元流，以理解電路的功能和結構，才能找到插入惡意電路的合適位置。
佈局和佈線的挑戰：  在沒有原始設計資訊的情況下，攻擊者很難找到可用的資源來放置和佈線惡意電路，同時還要確保不會影響原始電路的時序和功能。
調試和驗證的困難：  由於缺乏原始設計的參考，攻擊者難以驗證惡意電路是否按預期工作，並且難以調試可能出現的問題。
攻擊者仍然可以採取的策略：

側信道攻擊：  攻擊者可以利用側信道資訊，例如功耗、電磁輻射或時序資訊，來推斷電路的結構和功能，並找到攻擊點。
盲注攻擊：  攻擊者可以嘗試將惡意電路插入到位元流的隨機位置，並觀察其對電路行為的影響。這種方法成功率較低，但如果攻擊者有足夠的時間和資源，仍然有可能成功。
利用已知漏洞：  攻擊者可以利用 FPGA 架構或設計工具中的已知漏洞來繞過安全措施或插入惡意電路。
總之，雖然缺乏原始設計資訊會顯著增加攻擊的難度，但並非完全不可能。因此，即使是對於封閉原始碼的 FPGA 設計，也需要採取適當的安全措施來防範位元流操縱攻擊。

開發更安全的 FPGA 設計的倫理含義是什麼，特別是在安全與開放性之間取得平衡方面？

開發更安全的 FPGA 設計具有重要的倫理含義，特別是在安全與開放性之間取得平衡方面。
安全與開放性之間的權衡：

開放性促進創新和協作： 開放原始碼的 FPGA 設計和工具可以促進創新，並允許研究人員和開發人員共同努力，改進安全性和功能。
安全需要保護敏感資訊：  然而，公開所有設計細節可能會被惡意行為者利用，他們可以分析程式碼以尋找漏洞，並開發攻擊方法。
平衡點：  在安全性和開放性之間找到平衡點至關重要。這可能涉及到公開部分設計資訊，同時對關鍵的安全組件進行保護，例如加密演算法或安全協議的實現。
倫理考量：

負責任的披露：  在公開 FPGA 設計中的漏洞時，開發人員應遵循負責任的披露原則，讓供應商有時間修復漏洞，然后再公開披露。
雙重用途技術：  FPGA 是一種雙重用途技術，可以用於民用和軍用目的。開發人員應意識到其工作的潛在影響，並採取措施防止其技術被用於惡意目的。
公平與平等：  安全技術的發展應促進公平和平等，確保所有人都能平等地獲得安全保障，而不受其技術能力或資源的限制。
建議措施：

採用負責任的開發實踐：  開發人員應遵循安全編碼實踐，並使用安全分析工具來識別和修復程式碼中的漏洞。
促進安全研究：  鼓勵和支持對 FPGA 安全性的研究，以開發新的防禦措施和應對新興威脅。
建立行業標準和最佳實踐：  制定和推廣 FPGA 設計和部署的安全標準和最佳實踐，以提高整個行業的安全態勢。
總之，開發更安全的 FPGA 設計需要在安全性和開放性之間取得平衡，並仔細考慮倫理含義。通過負責任的開發實踐、安全研究和行業合作，可以創建更安全、更值得信賴的 FPGA 生態系統。