Обзор возможностей реконфигурируемых устройств для применения в компьютерной безопасности

Обзор возможностей реконфигурируемых устройств для применения в компьютерной безопасности

The possibilities of FPGA-based reconfigurable digital equipment for information security tools creation are investigated. The common properties and characteristics of programmable devices are discussed.

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2010
Автор: Гильгурт, С.Я.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України 2010
Назва видання:Збірник наукових праць Інституту проблем моделювання в енергетиці ім.Г.Є.Пухова НАН України
Онлайн доступ:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/27227
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Обзор возможностей реконфигурируемых устройств для применения в компьютерной безопасности / С.Я. Гильгурт // Збірник наукових праць Інституту проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України. — К.: ІПМЕ ім. Г.Є. Пухова НАН України, 2010. — Вип. 55. — С. 117-123. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-27227
record_format dspace
spelling irk-123456789-272272011-09-29T12:33:52Z Обзор возможностей реконфигурируемых устройств для применения в компьютерной безопасности Гильгурт, С.Я. The possibilities of FPGA-based reconfigurable digital equipment for information security tools creation are investigated. The common properties and characteristics of programmable devices are discussed. 2010 Article Обзор возможностей реконфигурируемых устройств для применения в компьютерной безопасности / С.Я. Гильгурт // Збірник наукових праць Інституту проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України. — К.: ІПМЕ ім. Г.Є. Пухова НАН України, 2010. — Вип. 55. — С. 117-123. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. XXXX-0067 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/27227 004.274:004.056 ru Збірник наукових праць Інституту проблем моделювання в енергетиці ім.Г.Є.Пухова НАН України Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
description The possibilities of FPGA-based reconfigurable digital equipment for information security tools creation are investigated. The common properties and characteristics of programmable devices are discussed.
format Article
author Гильгурт, С.Я.
spellingShingle Гильгурт, С.Я.
Обзор возможностей реконфигурируемых устройств для применения в компьютерной безопасности
Збірник наукових праць Інституту проблем моделювання в енергетиці ім.Г.Є.Пухова НАН України
author_facet Гильгурт, С.Я.
author_sort Гильгурт, С.Я.
title Обзор возможностей реконфигурируемых устройств для применения в компьютерной безопасности
title_short Обзор возможностей реконфигурируемых устройств для применения в компьютерной безопасности
title_full Обзор возможностей реконфигурируемых устройств для применения в компьютерной безопасности
title_fullStr Обзор возможностей реконфигурируемых устройств для применения в компьютерной безопасности
title_full_unstemmed Обзор возможностей реконфигурируемых устройств для применения в компьютерной безопасности
title_sort обзор возможностей реконфигурируемых устройств для применения в компьютерной безопасности
publisher Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України
publishDate 2010
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/27227
citation_txt Обзор возможностей реконфигурируемых устройств для применения в компьютерной безопасности / С.Я. Гильгурт // Збірник наукових праць Інституту проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України. — К.: ІПМЕ ім. Г.Є. Пухова НАН України, 2010. — Вип. 55. — С. 117-123. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
series Збірник наукових праць Інституту проблем моделювання в енергетиці ім.Г.Є.Пухова НАН України
work_keys_str_mv AT gilʹgurtsâ obzorvozmožnostejrekonfiguriruemyhustrojstvdlâprimeneniâvkompʹûternojbezopasnosti
first_indexed 2025-07-03T01:40:09Z
last_indexed 2025-07-03T01:40:09Z
_version_ 1836588005156978688
fulltext 117 © С.Я. Гильгурт их пространственного существования приводит по сравнению с традиционно используемыми в практике траекторных измерений простыми пространственно-временными сигналами к существенному увеличению их пространственной базы и является предпосылкой их сжатия и реализации высокой точности измерений, пропускной и разрешающей способности. Если же для повышения точности измерений и разрешающей способности использовать широкополосные простые пространственно- временные сигналы, то они не обеспечат требуемого значения пропускной способности (последовательный обзор пространства). И помимо этого, при равной ширине спектров пространственных частот простых и сложных сигналов функция неопределенности простых сигналов описывается функцией типа sinсх, а сложных – sinс2х, что открывает дополнительные возможности совершенствования измерительных радиосистем с шумоподобными пространственно-временными сигналами. 1. Коростелев А.А. Пространственно-временная теория радиосистем -М.: Радио и связь, 1987. – 320 с. 2. Фалькович С.E., Хомяков Э.Н. Статистическая теория измерительных радиосистем. - М.: Радио и связь, I98I. – 288 с. 3. Рудякова А.Н., Липинский А.Ю., Данилов В.В. Макет экспериментальной установки для исследования пространственно-временного интегрирования. - Донецк: Технологические процессы и оборудование, ДНУ, 2008, - С. 50-55. 4. Трифонов А.П., Шинаков Ю.С. Совместное различие сигналов и оценка их параметров на фоне помех - М.: Радио и связь, 1986. – 264 с. 5. Винокуров В.И., Ваккер Р.А. Вопросы обработки сложных сигналов в корреляционных системах - М.: Советское радио, I972. – 216 с. Поступила 23.12.2009р. УДК 004.274:004.056 С.Я. Гильгурт, канд.техн.наук, ИПМЭ им. Г.Е. Пухова НАНУ, г. Киев ОБЗОР ВОЗМОЖНОСТЕЙ РЕКОНФИГУРИРУЕМЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В КОМПЬЮТЕРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ The possibilities of FPGA-based reconfigurable digital equipment for information security tools creation are investigated. The common properties and characteristics of programmable devices are discussed. Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) [1 – 8], соз- данные первоначально для решения задач контроля, управления, цифровой обработки сигналов, а также для макетирования и отработки сложных 118 устройств с последующей их реализацией на СБИС, в последнее время все более широко используются для выполнения ресурсоемких вычислений. В настоящей статье проанализированы возможности и особенности современной программируемой логики, представляющие интерес для соз- дания на ее основе средств информационной безопасности. Предпринята попытка в общем виде оценить состояние дел в данной области. Анализ последних достижений и публикаций свидетельствует об интенсивном развитии в настоящее время элементной базы цифровых реконфигурируемых устройств. Лавинообразное появление новых изделий, реализация в ПЛИС принципиально иных принципов и подходов приводят к острой нехватке своевременной информации, особенно аналитической, доступной разработчикам. Целью настоящей статьи является исследование и анализ технологи- ческих и функциональных возможностей средств современной программи- руемой логики, которые могут быть задействованы при решении задач информационной безопасности. 1. Происхождение ПЛИС Первые ПЛИС – программируемые логические матрицы (ПЛМ) – появились более 30 лет назад с целью снизить расходы на разработку электронных устройств, изготавливаемых относительно небольшим тиражом. Большие интегральные микросхемы (БИС), которые начали в то время широко использоваться, отличались высокой ценой и недостаточной гибкостью. ПЛМ представляли собой матрицы логических элементов "и", "или" и инверторов. Связи между элементами программировались путем пережигания плавких перемычек, как в постоянных запоминающих устройствах (ПЗУ). В результате ПЛМ превращалась в комбинационную схему, выполняющую необходимую логическую функцию [1]. В дальнейшем программируемые ИС развивались: появились изделия с ультрафиолетовым стиранием, электрически перепрограммируемые схемы. В результате они становились все более удобными в применении. Росла также их логическая емкость. В современных ПЛИС, произошедших от первых логических матриц, для хранения конфигурации используется энергонезависимая электрически перепрограммируемая флэш-память. Такие устройства чаще всего исполь- зуются для создания сложных комбинационных схем. В зарубежной литературе этот класс изделий известен как CPLD – complex programmable logic device. Но для синтеза сложных вычислительных схем намного чаще используется другой класс программируемых микросхем – ПЛИС с статической памятью – СППЛИС, которые своим происхождением обязаны технологии полузаказных микросхем на базовых матричных кристаллах (БМК). В англоязычной литературе эти изделия называют FPGA – field- programmable gate array [2]. 119 На сегодняшний день существует множество фирм-производителей ПЛИС, и их число постоянно растет. Тем не менее, бесспорными лидерами в данной области по-прежнему остаются Xilinx (http://www.xilinx.com) и Altera (http://www.altera.com). В структурном плане ПЛИС также интенсивно развивались [4]. Сегодня они содержат в своем составе не только логические элементы, но и триггеры, мультиплексоры, коммутационные схемы, тактовые шины, встроенные блоки памяти и буферные каскады. На современных ПЛИС можно синтезировать цифровые устройства очень высокой сложности. Уже производятся изделия, содержащие более десяти миллионов эквивалентных логических элементов. При этом цена программируемой логики в пересчете на один элемент постоянно снижается. Самые последние на сегодняшний день семейства СППЛИС изготав- ливаются по 45-нм и 40-нм К-МОП технологическому процессу и содержат помимо упомянутых выше компонентов такие аппаратно реализованные устройства, как: • RISC-процессоры, совместимые с архитектурой PowerPC; • блоки цифровой обработки сигналов, состоящие из умножителя 25x18 разрядов, 48-битного аккумулятора, предсумматора и регистров конвейери- зации; • контроллеры памяти DDR, DDR2 и DDR3, обеспечивающие скорость передачи данных до 12,8 Гбит/с; • 8-канальные модули PCI Express 1-го поколения (2,5 Гбит/с); • 4-канальные модули PCI Express 2-го поколения (5,0 Гбит/с); • контроллеры физического уровня Ethernet 10/100/1000 Мбит/с; • специализированные дифференциальные приемо-передающие модули со скоростью обмена 1,4 Гбит/сек, 6,5 Гбит/ сек и 11,3 Гбит/сек; • блоки мониторинга напряжений питания и температуры внутри кристалла. В целях защиты проекта от копирования каждый кристалл содержит уникальный идентификационный номер; поддерживается шифрование конфигурационной последовательности по алгоритму AES с 256-битным ключом. 2. Дальнейшее развитие программируемой логики Продолжая разговор о дополнительном оборудовании ПЛИС, следует отметить следующую тенденцию. В последние годы некоторые произ- водители программируемой логики стали включать в состав своей продукции помимо поля программируемых элементов крупные полнофункциональные блоки. В результате такие изделия, строго говоря, уже не могут считаться микросхемами ПЛИС в общепринятом смысле. Например, фирма Lattice Semiconductor (http://www.latticesemi.com) вы- пускает так называемые FPSC (Field Programmable System Chip) – семей- ство микросхем, содержащих помимо программируемой логики встроенные 120 ядра, являющиеся, по сути, целыми заказными микросхемами, выполняю- щими специализированные функции. В частности, таким образом в них реализованы узлы шинного интерфейса, высокоскоростного интерфейса и высокоскоростного трансивера. Распространенным решением также является совмещение на одном кристалле с реконфигурируемым полем микропроцессорного ядра и блока оперативной памяти большой емкости. К такого рода устройствам относятся, например, изделия типа FPSLIC (Field Programmable System Level Integrated Circuits) фирмы Atmel (http://www.atmel.com) – одного из крупнейших производителей программируемой логики. Помимо структурной трансформации в настоящее время наблюдается также технологическое размывание традиционных принципов построения микросхем ПЛИС. Например, фирма Actel (http://www.actel.com), тоже крупный произво- дитель программируемой логики, производит микросхемы FPGA с энергонезависимой flash-памятью конфигурации. И даже однократно программируемые (по технологии antifuse) микросхемы этого класса. Этот же производитель поставляет нетрадиционные изделия класса CPLD, обладаю- щие также некоторыми свойствами микросхем FPGA (семейство MachXO), что придает им больше гибкости и функциональности. К технологическим особенностям продукции этой фирмы относится также высокий уровень защищенности конфигурирующей информации от несанкционированного доступа, а также – от альфа- и нейтронного излуче- ния. Отдельного внимания заслуживает технология Fusion все той же компании Actel, позволяющая объединить в одной микросхеме помимо логических блоков FPGA и flash-памяти также аналоговые устройства. Дальнейшее развитие данной технологии, теоретически, может создать серьезные предпосылки для возрождения гибридного направления, активно развивавшегося в вычислительной технике около 30 лет назад. Интересными представляются изделия фирмы Achronix Semiconductor (http://www.achronix.com) В отличие от большинства ПЛИС, работающих на частотах в две-три сотни мегагерц, микросхемы этого производителя (семейство Achronix-Ultra) функционирует с частотой до 2,2 ГГц, что является рекордным значением для изделий программируемой логики. Этот же производитель поставляет изделия (семейство Achronix-Xtreme) с частотой около 1 ГГц, но устойчивые к радиационному излучению и предназначенные для работы в широком температурном диапазоне – от - 260°С до +130°С. Но наиболее существенными следует признать нововведения, отличающие изделия следующих двух фирм. Фирма MathStar (http://www.mathstar.com) производит FPOA (Field Programmable Object Arrays), в которых логические элементы объединены в объекты, обладающие некоторой законченной функциональностью, и 121 подразделяются на два вида: основные и периферийные. К первой группе относятся арифметико-логические устройства, умножители и регистровые файлы, которые работают на частоте 1 ГГц и предназначены собственно для вычислений. Объекты второй группы представляют собой дополнительную память и средства ввода/вывода. Наличие у всех объектов единого интерфейса позволяет варьировать число и расположение каждого из них. Как следствие, пользователь взаимодействует с реконфигурируемыми ресурсами на уровне объектов, а не на уровне логических элементов, что существенно упрощает процесс проектирования, но, с другой стороны, уменьшает гибкость системы. Компания CPUºTech (http://www.cputech.com) предлагает разработчикам программируемые логические многоядерные схемы FPMC (Field Program- mable Multicore Chip). Элементарными единицами в этих изделиях также являются не логические элементы, как в традиционных микросхемах ПЛИС, а набор функционально законченных компонентов, каждый из которых представляет собой блок вычислений, либо устройство ввода/вывода, либо модуль памяти, либо контроллер памяти, либо элемент коммуникаций. Рассмотрим теперь, какого рода задачи могут быть решены на базе реконфигурируемых устройств. По природе решаемых задач весь широкий круг приложений, в которых используются ПЛИС, можно очень условно разделить на две группы: • логико-управляющие задачи; • ресурсоемкие вычисления. Остановимся на этих направлениях подробнее. 3. Решение логических и управляющих задач Сложные логические операции и управление были первыми задачами, для решения которых, собственно, и создавались ПЛИС. Их многообразие, разный уровень сложности, а также подробное освещение в литературе делает нецелесообразным останавливаться на их рассмотрении в настоящей работе. Тем не менее, в качестве иллюстрации возможностей ПЛИС в данной области представляется показательным приведенный ниже пример реализа- ции на программируемой логике ускоренной обработки XML-запросов. В настоящее время в информационных системах сбора и обработки больших объемов данных для хранения информации в электронном виде стандартом де-факто является формат XML (Extensible Markup Language) [9]. Для навигации по XML-дереву и обращения к его элементам разработан специальный язык – XPath (XML Path Language). Суть задачи в упрощенном виде может быть сформулирована следую- щим образом. На сервере хранится большой документ в формате XML. От удаленных пользователей поступает интенсивных поток XPath-запросов. Необходимо для каждого запроса в реальном масштабе времени по известному алгоритму вычислить путь адресации, выбрать из имеющейся базы необходимые данные и сформировать результирующий XML-документ. 122 Данный процесс можно разделить на два последовательных этапа – синтаксический анализ и фильтрацию. Известное решение данной проблемы основано на кластеризации запросов, то есть на их группировке по сходным признакам с целью сузить область поиска в пространстве элементов. Но реализация данного подхода на кластерной архитектуре приводит к интенсивным обменам между процесс- сорными элементами. Возникает противоречие: параллельная по своей природе задача обработки большого количества независимых запросов становится тесносвязанной, из-за чего теряются все преимущества класте- ризации. Ситуация выглядит совершенно иначе при решении той же задачи на программируемой логике [10]. Для реализации вышеупомянутого подхода в реконфигурируемой структуре ПЛИС синтезируются цифровые автоматы (ЦА), на состояния которых отображаются элементы пользовательских запросов. Собственно кластеризация осуществляется накапливанием многих запросов в одном ЦА путем анализа элементов XPath-сообщений и обнаружения схожих путей адресации. За счет однообразия, а также использования априорно известной информации о запросах, анализ и кластеризацию удается выполнить до начала процесса фильтрации. В результате, синтаксический анализатор (parser) и фильтр (filter), представляющий собой большую комбинационную схему, могут функционировать как две независимые ступени конвейера. Следует заметить, что схема фильтра, синтезируемая в ПЛИС, оптими- зируется специальными программными средствами под конкретный XML- документ, хранящийся на сервере. Таким образом достигается беспреце- дентная степень адаптации вычислительной структуры к решаемой задаче, принципиально невозможная для микропроцессорных систем. Как следствие, в практических разработках удается достичь ускорения более чем на порядок по сравнению с традиционными подходами [10]. В качестве отдельного комментария к приведенному выше примеру реализации сложной информационно-логической задачи на ПЛИС заметим, что и аппарат цифровых автоматов, и сложные комбинационные схемы являются типичными приложениями для синтеза на программируемой логике. 4. Вычислительные задачи Вследствие постоянного совершенствования ПЛИС и роста их логической емкости становится возможным создание на их основе все более производительных вычислительных средств, способных выполнять сложные, наукоемкие математические расчеты. На сегодняшний день с применением программируемой логики успешно реализуются архитектуры, типичные для суперЭВМ – лидеров мирового компьютеростроения. Особенно эффективны при синтезе на ПЛИС локально связанные структуры – гиперкуб, решетка, дерево. Сюда же следует отнести 123 также кольцевые и тороидальные схемы, а также комбинированные подходы, такие как пирамида, решетка кластеров и др. С другой стороны, программируемая логика служит прекрасной элементной базой для организации специфических вычислений, в частности, нейросетевых, для реализации алгоритмов нечеткой логики и т.п. Отдельного упоминания заслуживает возможность широкого выбора принципов организации вычислений, например, использование систем остаточных классов, арифметики рациональных дробей, различных систем счисления и много другого. Без особых сложностей на ПЛИС аппаратно реализуются некоторые функции и алгоритмы с большим числом нестандартных операций, например, с применением специфической битовой обработки. На многопроцессорных вычислительных средствах подобные операции реализуются крайне неэффективно. После того, как были рассмотрены два класса приложений, эффективно реализуемых на ПЛИС, следует обратить внимание на один важный момент, который в большинстве публикаций обходится вниманием. Параметры современных реконфигурируемых микросхем позволяют загружать в них цифровые структуры, позволяющие исполнять функции обоих этих классов одновременно. Более того, простота реконфигурации устройств на базе программируемой логики дает возможность не только быстро переключаться между решением различных задач на одном и том же оборудовании, но и оперативно изменять соотношение между количеством ресурсов, выделен- ных в каждый момент времени для выполнения управленческих функций и для решения вычислительных алгоритмов. Выводы по результатам настоящей работы могут быть сформулированы следующим образом. Высокие технологические и функциональные возможности современных ПЛИС делают эту элементную базу перспективной для решения широкого круга логических, управленческих и вычислительных задач, что позволяет создавать на их основе эффективные системы информационной безопасности. 1. Scott Hauck The roles of FPGA's in the IEEE, vol. 86, No 4, April 1998. 2. Соловьев В.В. Проектирование цифровых систем на основе программируемых логических интегральных схем. – М.: Горячая линия – Телеком, 2001. – 636 с. 3. Бибило П.Н. Синтез логических схем с использованием языка VHDL. – М.: СОЛОН - Р, 2002. – 384 с. 4. Грушвицкий Р.И., Мурсаев А.Х., Угрюмов Е.П. Проектирование систем на микросхемах программируемой логики. СПб.: БХВ-Петербург, 2002. – 608 с. 5. Сергиенко А.М. VHDL для проектирования вычислительных устройств. – К.: ЧП «Корнейчук», ООО «ТИД «ДС», 2003. – 208 с. 6. Стешенко В.Б. ПЛИС фирмы Altera: элементная база, система проектирования и языки описания аппаратуры. М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2002. – 576 с. 7. Зотов В.Ю. Проектирование встраиваемых микропроцессорных систем на основе 124 © Ю.М.Коростіль, М.О.Нікулін ПЛИС фирмы Xilinx в САПР WebPACK ISE. – М.: Горячая линия-Телеком, 2006. – 520 с. 8. Реконфигурируемые вычислительные системы: Основы и приложения. / А.В. Палагин, В.Н. Опанасенко. – К.: «Просвіта», 2006. – 280 с. 9. Самсонов В.Е., Солодкин Г.И., Точицкий Л.И. Проблемы создания автоматизиро- ванных информационных систем для органов территориального управления // Инфор- матика. – 2005. – №1. – С. 103–111. 10. Abhishek Mitra, Marcos R. Vieira, Petko Bakalov, Walid Najjar, Vassilis J. Tsotras Boosting XML Filtering with a Scalable FPGA-based Architecture // 4th Biennial Conference on Innovative Data Systems Research (CIDR) January 4-7, 2009, Asilomar, USA. Поступила 18.01.2010р. УДК 621.372 Ю.М.Коростіль, М.О.Нікулін ДОСЛІДЖЕННЯ НЕЧІТКОЇ МОДЕЛІ НАДІЙНОСТІ ТРАНСПОРТНОЇ СИСТЕМИ ТА ОСНОВНІ ІНФОРМАЦІЙНІ КОМПОНЕНТИ Для побудови моделі надійності (MN) при використанні можливостей нечіткої логіки, необхідно реалізувати ряд етапів її формування, які щонайменше відображають формування всіх необхідних компонент такої моделі та відображають процеси синтезу таких компонент в одну модель. У зв’язку з тим, що для різних компонент існують різні варіанти їх реалізації в рамках одного і того ж підходу, то необхідно визначити для відповідних етапів один вибраний варіант реалізації компоненти моделі MN. Оскільки, різні варіанти одних і тих же компонент між собою відрізняються і така відмінність може мати різну міру і різний характер, то на кожному етапі необхідно розглянути аргументи, що обумовлюють доцільність вибору того або іншого варіанту реалізації відповідної компоненти. Переважно, окремі компоненти деякої моделі, в тому числі і моделі MN, розглядаються як окремі моделі та розширюються в рамках своїх задач таким чином, щоб охопити максимально можливу кількість параметрів, що віднесені до відповідного технічного об’єкту та моделі. В даному випадку будемо розглядати наступні компоненти моделі надійності: - Компонента, що виявляє недопустимі відхилення значень параметрів, які контролюються, яку будемо називати підсистемою діагностики, що модифікована до умов, які характерні для моделі надійності; - Компонента, що розв’язує задачу прогнозування текучого стану транспортної системи (GTS); - Компонента, що визначає методи протидії ситуаціям або факторам, що

Схожі ресурси