FPGAs: Una tecnología que crece día a día en la ciberseguridad

Los FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays) emergen como una solución rápida y flexible para abordar problemas complejos y se destacan el en escenario de la ciberseguridad por sus características.

Las herramientas tradicionales muchas veces no son suficientes para garantizar una protección efectiva, sobre todo ante las amenazas cada vez más sofisticadas. Los FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays), entonces, están emergen como una solución capaz de abordar problemas complejos con rapidez y flexibilidad.  Pero ¿qué son exactamente los FPGAs, y cómo pueden transformar la manera en que defendemos nuestros sistemas digitales?

¿Qué es un FPGA?

Un FPGA es un circuito integrado reconfigurable que puede programarse para ejecutar tareas específicas a nivel de hardware. A diferencia de los microprocesadores o microcontroladores, que operan ejecutando instrucciones de software sobre una arquitectura fija, los FPGAs permiten configurar su arquitectura interna para realizar funciones específicas. Esto los hace excepcionalmente versátiles y eficientes en tareas que requieren procesamiento paralelo o baja latencia.

Arquitectura Interna de una FPGA

La arquitectura interna de una FPGA se compone de varios elementos clave:

Imagen 1: Aquitectura interna de una FPGA, elementos clave.

1. Bloques Lógicos Configurables (CLBs): Estos son los «ladrillos» básicos de la FPGA. Contienen elementos lógicos como puertas AND, OR, XOR, etc., que pueden ser conectados de diversas maneras para implementar funciones lógicas complejas.
2. Bloques de Entrada/Salida (IOBs): Estos bloques se encargan de la interfaz entre la FPGA y el mundo exterior. Permiten conectar la FPGA a otros dispositivos y circuitos.
3. Matriz de Interconexión Programable: Esta es una red de rutas que conecta los CLBs y los IOBs. La configuración de esta matriz determina cómo se conectan los diferentes elementos de la FPGA.

Su capacidad de ser reprogramados, incluso después de ser desplegados, los convierte en una herramienta valiosa para una variedad de aplicaciones tecnológicas, hoy día si bien los FPGAs son utilizados comúnmente en el área aeroespacial para procesar señales de radar y realizar tareas de detección de objetos y seguimiento, o bien en el ámbito militar, videojuegos, diversas industrias y la instrumentación científica para adquirir y procesar datos de alta velocidad, también se encuentra incluida la ciberseguridad donde aporta interesantes usos de aplicación.

El potencial de los FPGAs en ciberseguridad

La ciberseguridad exige soluciones capaces de analizar grandes volúmenes de datos, identificar patrones sospechosos y responder en tiempo real. Los FPGAs se destacan en este escenario debido a sus características únicas:

• Aceleración criptográfica: Los FPGAs pueden implementar algoritmos criptográficos como AES, RSA o SHA con un rendimiento superior al de las soluciones basadas en software. Esto los hace ideales para proteger datos sensibles en tiempo real.
• Análisis de tráfico en redes: Su capacidad para procesar datos en paralelo permite analizar tráfico de red y detectar patrones de ataque con baja latencia. Esto es crucial para sistemas de detección de intrusos (IDS) y firewalls avanzados.
• Mitigación de ataques: En entornos industriales y de IoT, los FPGAs pueden identificar y bloquear ataques antes de que comprometan el sistema.
• Prototipos de hardware seguro: Los FPGAs son una plataforma perfecta para desarrollar y probar arquitecturas de hardware seguras antes de llevarlas a producción como ASICs (circuitos integrados de aplicación específica).
• Ejecución de algoritmos de inteligencia artificial: Pueden acelerar modelos de machine learning que detectan actividades maliciosas o anómalas, combinando velocidad y precisión.

Ejemplos en la Práctica

Análisis de Fuerza Bruta: En investigaciones de ciberseguridad, los FPGAs son utilizados para probar claves criptográficas mediante ataques de fuerza bruta. Su capacidad de realizar millones de operaciones simultáneas reduce drásticamente el tiempo necesario para estas pruebas.

Protección de Infraestructuras Industriales: En diferentes industrias este tipo de tecnologías son utilizadas para la Inspección de productos en líneas de ensamblaje, sistemas de control de motores, redes de sensores industriales, y también las infraestructuras IoT que conviven en las infraestructuras industriales.

Protección de Sistemas Críticos: Infraestructuras críticas como plantas de energía o sistemas financieros pueden beneficiarse de los FPGAs para asegurar que los algoritmos de control sean inmutables y resistentes a ataques.

Protección contra Malware: Un FPGA puede ser configurado también para analizar archivos entrantes y detectar patrones de malware en tiempo real complementando el uso de software especializados.

Si a estas alturas te ves tentado por jugar con este tipo de dispositivos es importante que sepas que existen diversas opciones según tu nivel de conocimientos y el uso para el que deseas aplicarlos, veamos algunas opciones disponibles:

• Cmod S7-25: Si estás comenzando en el mundo de las FPGAs o necesitas una plataforma sencilla para proyectos básicos, Cmod S7-25 es una FPGA de bajo costo y tamaño reducido, ideal para proyectos de aprendizaje y prototipado rápido. Utiliza un chip FPGA de la serie 7 de Xilinx y cuenta con una variedad de periféricos básicos como botones, LEDs, conectores para sensores y actuadores.
• Nexys Video: Si tus proyectos involucran procesamiento de video, visión artificial o interfaces gráficas. Diseñada específicamente para aplicaciones de procesamiento de video, la Nexys Video incluye un chip FPGA de alta performance y una variedad de interfaces de video, como HDMI, VGA y cámaras.
• Pynq Z1: Si necesitas una plataforma versátil para proyectos que combinen el procesamiento de alto nivel con la aceleración de hardware, como inteligencia artificial o aprendizaje automático, la Pynq Z1 combina la potencia de un FPGA Xilinx con un procesador ARM Cortex-A9, lo que la convierte en una plataforma de desarrollo versátil, otro dato interesante es que ofrece una interfaz de programación de alto nivel basada en Python facilitando su uso para desarrolladores sin experiencia en hardware.

Retos en su implementación

Aunque los FPGAs ofrecen ventajas significativas, su implementación también enfrenta retos:

• Costo inicial: La programación y configuración de un FPGA requiere experiencia y tiempo.
• Curva de aprendizaje: Los diseñadores deben dominar lenguajes de descripción de hardware como VHDL o Verilog.
• Consumo de energía: Aunque eficientes, pueden consumir más energía que otras soluciones específicas como ASICs.

A pesar de estos desafíos, en el futuro de los FPGAs en ciberseguridad puede suponerse que habrá avances en herramientas de programación y que tendrán una accesibilidad crecientes, por lo que jugarán un papel clave en la defensa de sistemas digitales.

Conclusión

Los FPGAs por su flexibilidad, velocidad y potencia son aliados indispensables frente a amenazas cada vez más complejas. A medida que las organizaciones busquen soluciones innovadoras para proteger sus activos, es probable que veamos una adopción creciente de esta tecnología en diversos sectores. En el campo de la ciberseguridad, sin dudas los FPGAs son una herramienta que vale la pena explorar.

Fuente: www.welivesecurity.com