Ingeniería inversa

A medida que el diseño asistido por computadora (CAD) se ha vuelto más popular, la ingeniería inversa se ha convertido en un método viable para crear un modelo virtual 3D de una pieza física existente para su uso en CAD 3D , CAM , CAE u otro software . ^{[ 16 ]} El proceso de ingeniería inversa implica medir un objeto y luego reconstruirlo como un modelo 3D. El objeto físico se puede medir utilizando tecnologías de escaneo 3D como CMM , escáneres láser , digitalizadores de luz estructurada o escaneo CT industrial (tomografía computarizada). Los datos medidos por sí solos, generalmente representados como una nube de puntos , carecen de información topológica y de la intención del diseño. La primera se puede recuperar convirtiendo la nube de puntos en una malla de caras triangulares . La ingeniería inversa tiene como objetivo ir más allá de producir dicha malla y recuperar la intención del diseño en términos de superficies analíticas simples cuando sea apropiado ( planos , cilindros , etc.), así como posiblemente superficies NURBS para producir un modelo CAD de representación de límites . La recuperación de dicho modelo permite modificar un diseño para satisfacer nuevos requisitos, generar un plan de fabricación, etc.

El modelado híbrido es un término comúnmente utilizado cuando se implementan conjuntamente NURBS y modelado paramétrico . La combinación de superficies geométricas y de forma libre puede proporcionar un método potente de modelado 3D . Las áreas de datos de forma libre se pueden combinar con superficies geométricas exactas para crear un modelo híbrido. Un ejemplo típico sería la ingeniería inversa de una culata, que incluye elementos fundidos de forma libre, como camisas de agua y áreas mecanizadas de alta tolerancia. ^{[ 17 ]}

Las empresas también utilizan la ingeniería inversa para incorporar geometrías físicas existentes a entornos de desarrollo de productos digitales, crear un registro digital en 3D de sus propios productos o evaluar los de la competencia. Se emplea para analizar el funcionamiento de un producto, sus funciones, sus componentes, estimar costes, identificar posibles infracciones de patentes , etc.

La ingeniería de valor , una actividad relacionada que también utilizan las empresas, consiste en descomponer y analizar productos. Sin embargo, el objetivo es encontrar oportunidades para reducir costes.

La ingeniería inversa de placas de circuitos impresos consiste en recrear los datos de fabricación de una placa específica. Esto se realiza principalmente para identificar un diseño y conocer sus características funcionales y estructurales. También permite descubrir los principios de diseño que sustentan un producto, especialmente si esta información no está fácilmente disponible.

Las placas de circuito impreso (PCB) obsoletas suelen ser objeto de ingeniería inversa, especialmente cuando desempeñan funciones críticas como alimentar maquinaria u otros componentes electrónicos. La ingeniería inversa de estas piezas antiguas permite reconstruir la PCB si realiza alguna tarea crucial, así como encontrar alternativas que cumplan la misma función o actualizar la PCB antigua. ^{[ 18 ]}

La ingeniería inversa de PCB sigue en gran medida la misma serie de pasos. Primero, se crean imágenes dibujando, escaneando o fotografiando la PCB. Luego, estas imágenes se transfieren a un software de ingeniería inversa adecuado para crear un diseño rudimentario de la nueva PCB. La calidad de estas imágenes, necesaria para una ingeniería inversa adecuada, es proporcional a la complejidad de la PCB. Las PCB más complejas requieren fotografías bien iluminadas sobre fondos oscuros, mientras que las PCB relativamente simples se pueden recrear simplemente con un dimensionamiento básico. Cada capa de la PCB se recrea cuidadosamente en el software con el objetivo de producir un diseño final lo más parecido posible al inicial. Finalmente, se generan los esquemas del circuito utilizando una herramienta apropiada. ^{[ 19 ]}

En 1990, el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) definió la ingeniería inversa (de software) (SRE) como «el proceso de analizar un sistema en estudio para identificar sus componentes y sus interrelaciones, y crear representaciones del sistema en otra forma o con un mayor nivel de abstracción», donde el «sistema en estudio» es el producto final del desarrollo de software. La ingeniería inversa es un proceso de examen únicamente, y el sistema de software en cuestión no se modifica, lo que constituiría una reingeniería o reestructuración. La ingeniería inversa puede realizarse desde cualquier etapa del ciclo de vida del producto, no necesariamente desde el producto final funcional. ^{[ 11 ]}

La ingeniería inversa consta de dos componentes: la redocumentación y la recuperación del diseño. La redocumentación consiste en la creación de una nueva representación del código informático para facilitar su comprensión. Por otro lado, la recuperación del diseño implica el uso de la deducción o el razonamiento a partir del conocimiento general o la experiencia personal con el producto para comprender completamente su funcionalidad. ^{[ 11 ]} También puede considerarse como "retroceder a través del ciclo de desarrollo". ^{[ 20 ]} En este modelo, el resultado de la fase de implementación (en forma de código fuente) se somete a ingeniería inversa para volver a la fase de análisis, invirtiendo así el modelo tradicional en cascada . Otro término para esta técnica es comprensión de programas . ^{[ 8 ]} La Conferencia de Trabajo sobre Ingeniería Inversa (WCRE) se celebra anualmente para explorar y ampliar las técnicas de ingeniería inversa. ^{[ 12 ] [ 21 ]} La ingeniería de software asistida por ordenador (CASE) y la generación automatizada de código han contribuido enormemente al campo de la ingeniería inversa. ^{[ 12 ]}

La tecnología de protección contra manipulaciones de software, como la ofuscación, se utiliza para disuadir tanto la ingeniería inversa como la reingeniería de software propietario y sistemas basados ​​en software. En la práctica, surgen dos tipos principales de ingeniería inversa. En el primer caso, el código fuente del software ya está disponible, pero se descubren aspectos de alto nivel del programa, que pueden estar mal documentados o documentados pero ya no son válidos. En el segundo caso, no hay código fuente disponible para el software, y cualquier esfuerzo por descubrir un posible código fuente se considera ingeniería inversa. El segundo uso del término es más familiar para la mayoría de las personas. La ingeniería inversa de software puede utilizar la técnica de diseño de sala limpia para evitar la infracción de derechos de autor.

En relación con esto, las pruebas de caja negra en ingeniería de software tienen mucho en común con la ingeniería inversa. El evaluador generalmente tiene la API , pero su objetivo es encontrar errores y características no documentadas atacando el producto desde fuera. ^{[ 22 ]}

Otros propósitos de la ingeniería inversa incluyen la auditoría de seguridad, la eliminación de la protección contra copias (" crackeo "), la elusión de las restricciones de acceso que suelen estar presentes en la electrónica de consumo , la personalización de sistemas integrados (como los sistemas de gestión del motor), las reparaciones o adaptaciones internas, la habilitación de funciones adicionales en hardware "limitado" de bajo coste (como algunos conjuntos de chips de tarjetas gráficas) o incluso la mera satisfacción de la curiosidad.

Varias herramientas UML se refieren al proceso de importar y analizar el código fuente para generar diagramas UML como "ingeniería inversa" .

Si bien UML es un enfoque para la "ingeniería inversa", los avances más recientes en las actividades de estandarización internacional han dado como resultado el desarrollo del Metamodelo de Descubrimiento de Conocimiento (KDM). Este estándar proporciona una ontología para la representación intermedia (o abstracta) de las construcciones de lenguajes de programación y sus interrelaciones. KDM, un estándar del Object Management Group (en proceso de convertirse también en un estándar ISO), ha comenzado a afianzarse en la industria con el desarrollo de herramientas y entornos de análisis que permiten la extracción y el análisis de código fuente, binario y de bytes. Para el análisis de código fuente, la arquitectura granular de los estándares KDM permite la extracción de flujos de sistemas de software (mapas de datos, control y llamadas), arquitecturas y conocimiento de la capa de negocio (reglas, términos y procesos). El estándar permite el uso de un formato de datos común (XMI), lo que posibilita la correlación de las distintas capas de conocimiento del sistema para un análisis detallado (como la causa raíz y el impacto) o un análisis derivado (como la extracción de procesos de negocio). Aunque los esfuerzos por representar las construcciones del lenguaje pueden ser interminables debido a la cantidad de lenguajes, la continua evolución de los lenguajes de software y el desarrollo de nuevos lenguajes, el estándar permite el uso de extensiones para admitir el amplio conjunto de lenguajes, así como su evolución. KDM es compatible con UML, BPMN, RDF y otros estándares, lo que permite la migración a otros entornos y, por lo tanto, aprovechar el conocimiento del sistema para iniciativas como la transformación de sistemas de software y el análisis de la capa de negocio empresarial.

Los protocolos son conjuntos de reglas que describen los formatos de los mensajes y cómo se intercambian: la máquina de estados del protocolo . Por consiguiente, el problema de la ingeniería inversa de protocolos se puede dividir en dos subproblemas: la ingeniería inversa del formato de los mensajes y la ingeniería inversa de la máquina de estados.

Tradicionalmente, los formatos de mensajes se han descifrado mediante un tedioso proceso manual, que implicaba el análisis de cómo las implementaciones de protocolo procesan los mensajes, pero investigaciones recientes han propuesto varias soluciones automáticas. ^{[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]} Por lo general, los enfoques automáticos agrupan los mensajes observados en clústeres utilizando diversos análisis de agrupamiento , o bien emulan la implementación del protocolo rastreando el procesamiento de los mensajes.

Se ha trabajado menos en la ingeniería inversa de máquinas de estados de protocolos. En general, las máquinas de estados de protocolo se pueden aprender mediante un proceso de aprendizaje fuera de línea , que observa pasivamente la comunicación e intenta construir la máquina de estados más general que acepte todas las secuencias de mensajes observadas, y aprendizaje en línea , que permite la generación interactiva de secuencias de sondeo de mensajes y la escucha de las respuestas a dichas secuencias. En general, se sabe que el aprendizaje fuera de línea de máquinas de estados pequeñas es NP-completo , ^{[ 29 ]} pero el aprendizaje en línea se puede realizar en tiempo polinomial. ^{[ 30 ]} Un enfoque automático fuera de línea ha sido demostrado por Comparetti et al. ^{[ 28 ]} y un enfoque en línea por Cho et al. ^{[ 31 ]}

Otros componentes de los protocolos típicos, como el cifrado y las funciones hash, también pueden ser objeto de ingeniería inversa de forma automática. Por lo general, los métodos automáticos rastrean la ejecución de las implementaciones del protocolo e intentan detectar búferes en la memoria que contienen paquetes sin cifrar. ^{[ 32 ]}

La ingeniería inversa es una forma invasiva y destructiva de analizar una tarjeta inteligente . El atacante utiliza productos químicos para eliminar capa tras capa de la tarjeta y toma fotografías con un microscopio electrónico de barrido (MEB). Esta técnica puede revelar la totalidad del hardware y el software de la tarjeta inteligente. El principal problema para el atacante es ordenar todo correctamente para descubrir cómo funciona. Los fabricantes de la tarjeta intentan ocultar claves y operaciones mezclando posiciones de memoria, por ejemplo, mediante la codificación del bus. ^{[ 33 ] [ 34 ]}

En algunos casos, incluso es posible conectar una sonda para medir voltajes mientras la tarjeta inteligente aún está operativa. Los fabricantes de la tarjeta emplean sensores para detectar y prevenir este ataque. ^{[ 35 ]} Este ataque no es muy común porque requiere una gran inversión de esfuerzo y equipo especializado que generalmente solo está disponible para los grandes fabricantes de chips. Además, la recompensa de este ataque es baja, ya que a menudo se utilizan otras técnicas de seguridad, como las cuentas fantasma. Todavía no está claro si los ataques contra tarjetas con chip y PIN para replicar datos de cifrado y luego descifrar PIN constituirían un ataque rentable contra la autenticación multifactor.

La ingeniería inversa completa se lleva a cabo en varias etapas importantes.

El primer paso tras tomar imágenes con un microscopio electrónico de barrido (SEM) es unirlas, lo cual es necesario porque cada capa no puede capturarse con una sola toma. Un SEM necesita recorrer el área del circuito y tomar varios cientos de imágenes para cubrir toda la capa. El proceso de unión de imágenes toma como entrada varios cientos de fotografías y genera como salida una única imagen correctamente superpuesta de la capa completa.

A continuación, es necesario alinear las capas unidas, ya que, tras el grabado, la muestra no puede colocarse siempre en la misma posición con respecto al microscopio electrónico de barrido (SEM). Por lo tanto, las versiones unidas no se superpondrán correctamente, como en el circuito real. Normalmente, se seleccionan tres puntos correspondientes y se aplica una transformación en función de ellos.

Para extraer la estructura del circuito, es necesario segmentar las imágenes alineadas y unidas, lo que resalta los circuitos importantes y los separa del fondo poco interesante y de los materiales aislantes.

Finalmente, se pueden seguir los cables de una capa a la siguiente y reconstruir la lista de conexiones del circuito, que contiene toda la información del mismo.

La ingeniería inversa se utiliza a menudo para copiar tecnologías, dispositivos o información de otras naciones, obtenidos mediante tropas regulares en el campo de batalla o a través de operaciones de inteligencia . Se empleó frecuentemente durante la Segunda Guerra Mundial y la Guerra Fría . A continuación, se presentan algunos ejemplos conocidos de la Segunda Guerra Mundial y la posguerra:

• Bidones de gasolina : Las fuerzas británicas y estadounidenses en la Segunda Guerra Mundial notaron que los alemanes tenían bidones de gasolina con un diseño excelente. Realizaron ingeniería inversa para fabricar copias de esos bidones, que se conocieron popularmente como "bidones de gasolina".
• Nakajima G5N : En 1939, la compañía estadounidense Douglas Aircraft Company vendió su prototipo de avión de pasajeros DC-4E a Imperial Japanese Airways , que secretamente actuaba como tapadera de la Armada Imperial Japonesa , la cual deseaba un bombardero estratégico de largo alcance , pero se había visto obstaculizada por la inexperiencia de la industria aeronáutica japonesa con aviones pesados ​​de largo alcance. El DC-4E fue transferido a Nakajima Aircraft Company y desmantelado para su estudio; como tapadera, la prensa japonesa informó que se había estrellado en la bahía de Tokio . ^{[ 36 ] [ 37 ]} Las alas, los motores y el tren de aterrizaje del G5N fueron copiados directamente del DC-4E. ^{[ 38 ]}
• Panzerschreck : Los alemanes capturaron un bazooka estadounidense durante la Segunda Guerra Mundial y lo sometieron a ingeniería inversa para crear el Panzerschreck, de mayor tamaño.
• Tupolev Tu-4 : En 1944, tres bombarderos estadounidenses B-29 que realizaban misiones sobre Japón se vieron obligados a aterrizar en la Unión Soviética . Los soviéticos, que no contaban con un bombardero estratégico similar, decidieron copiar el B-29. En tres años, desarrollaron el Tu-4, una copia casi perfecta. ^{[ 39 ]}
• Radar SCR-584 : copiado por la Unión Soviética después de la Segunda Guerra Mundial, es conocido por algunas modificaciones: СЦР-584, Бинокль-Д.
• Cohete V-2 : Los Aliados occidentales capturaron documentos técnicos del V-2 y tecnologías relacionadas al final de la guerra. Los estadounidenses centraron sus esfuerzos de ingeniería inversa mediante la Operación Paperclip , que condujo al desarrollo del cohete PGM-11 Redstone . ^{[ 40 ]} Los soviéticos utilizaron ingenieros alemanes capturados para reproducir documentos y planos técnicos y trabajaron con hardware capturado para crear su clon del cohete, el R-1 . Así comenzó el programa de cohetes soviético de posguerra, que dio lugar al R-7 y al inicio de la carrera espacial .
• El misil K-13/R-3S ( nombre en clave de la OTAN AA-2 Atoll), una copia soviética de ingeniería inversa del AIM-9 Sidewinder , fue posible después de que un AIM-9B taiwanés (ROCAF) impactara un MiG-17 del EPL chino sin explotar en septiembre de 1958. ^{[ 41 ]} El misil quedó alojado en el fuselaje y el piloto regresó a la base con lo que los científicos soviéticos describirían como un curso universitario sobre desarrollo de misiles.
• Misil Toophan : En mayo de 1975, las negociaciones entre Irán y Hughes Missile Systems para la coproducción de los misiles BGM-71 TOW y Maverick se estancaron debido a desacuerdos sobre la estructura de precios. La posterior revolución de 1979 puso fin a todos los planes de dicha coproducción. Posteriormente, Irán logró aplicar ingeniería inversa al misil y ahora produce su propia copia, el Toophan.
• China ha aplicado ingeniería inversa a muchos ejemplos de hardware occidental y ruso, desde aviones de combate hasta misiles y vehículos HMMWV , como el MiG-15, 17, 19, 21 (que se convirtió en el J-2, 5, 6, 7) y el Su-33 (que se convirtió en el J-15). ^{[ 42 ]}
• Durante la Segunda Guerra Mundial, criptógrafos polacos y británicos estudiaron las máquinas de cifrado de mensajes " Enigma " alemanas capturadas en busca de vulnerabilidades. Posteriormente, simularon su funcionamiento en dispositivos electromecánicos, denominados " bombas ", que probaban todas las configuraciones posibles del codificador de las máquinas "Enigma" para descifrar los mensajes cifrados enviados por los alemanes.
• También durante la Segunda Guerra Mundial, científicos británicos analizaron y neutralizaron una serie de sistemas de radionavegación cada vez más sofisticados utilizados por la Luftwaffe para realizar misiones de bombardeo nocturno guiado. Las contramedidas británicas contra el sistema fueron tan efectivas que, en algunos casos, los aviones alemanes fueron guiados por señales para aterrizar en bases de la RAF , ya que creían haber regresado a territorio alemán.

Los conceptos de ingeniería inversa también se han aplicado a la biología , específicamente a la tarea de comprender la estructura y función de las redes reguladoras de genes . Estas regulan prácticamente todos los aspectos del comportamiento biológico y permiten a las células llevar a cabo procesos fisiológicos y respuestas a perturbaciones. Por lo tanto, comprender la estructura y el comportamiento dinámico de las redes de genes es uno de los desafíos primordiales de la biología de sistemas, con repercusiones prácticas inmediatas en diversas aplicaciones que van más allá de la investigación básica. ^{[ 43 ]}

Existen varios métodos para la ingeniería inversa de redes reguladoras de genes mediante el uso de métodos de biología molecular y ciencia de datos. Generalmente se han dividido en seis clases: ^{[ 44 ]}

• Los métodos de coexpresión se basan en la idea de que si dos genes presentan un perfil de expresión similar, pueden estar relacionados, aunque no se puede inferir causalidad simplemente a partir de la coexpresión.
• Los métodos de análisis de motivos de secuencia examinan los promotores de genes para encontrar dominios de unión de factores de transcripción específicos . Si se predice que un factor de transcripción se une al promotor de un gen específico, se puede hipotetizar una conexión reguladora.
• Los métodos de inmunoprecipitación de cromatina (ChIP, por sus siglas en inglés) investigan el perfil genómico de unión al ADN de factores de transcripción seleccionados para inferir sus redes génicas posteriores.
• Los métodos de ortología transfieren el conocimiento de la red genética de una especie a otra.
• Los métodos bibliográficos emplean minería de texto e investigación manual para identificar conexiones de redes genéticas putativas o probadas experimentalmente.
• Los métodos basados ​​en complejos transcripcionales aprovechan la información sobre las interacciones proteína-proteína entre factores de transcripción, extendiendo así el concepto de redes genéticas para incluir complejos reguladores transcripcionales.

A menudo, la fiabilidad de las redes genéticas se comprueba mediante experimentos de perturbación genética seguidos de modelado dinámico, basado en el principio de que la eliminación de un nodo de la red tiene efectos predecibles en el funcionamiento de los nodos restantes. ^{[ 45 ]} Las aplicaciones de la ingeniería inversa de redes genéticas abarcan desde la comprensión de los mecanismos de la fisiología vegetal ^{[ 46 ]} hasta la identificación de nuevas dianas para la terapia anticancerígena. ^{[ 47 ]}

La ingeniería inversa se aplica principalmente a la comprensión de un proceso o artefacto cuyo modo de construcción, uso o procesos internos no han sido aclarados por su creador.

Los artículos patentados no necesitan ser sometidos a ingeniería inversa para su estudio, ya que la esencia de una patente radica en que los inventores divulgan públicamente información detallada y, a cambio, reciben protección legal para la invención en cuestión. Sin embargo, un artículo fabricado bajo una o más patentes también podría incluir tecnología no patentada ni divulgada. De hecho, una motivación común para la ingeniería inversa es determinar si el producto de un competidor infringe patentes o derechos de autor .

En Estados Unidos, incluso si un artefacto o proceso está protegido por secretos comerciales , la ingeniería inversa del artefacto o proceso suele ser legal si se ha obtenido legítimamente. ^{[ 48 ]}

El análisis jurídico ha demostrado que la ingeniería inversa puede calificar como uso legítimo cuando la intención es estudiar cómo funciona un sistema o realizar investigaciones de seguridad, siempre que la propiedad intelectual no se redistribuya ^{[ 49 ].} Sentencias judiciales como la de Sega Enterprises Ltd. v. Accolade, Inc. han aclarado aún más que la ingeniería inversa para obtener acceso a elementos funcionales no protegidos del software puede ser lícita según la doctrina de derechos de autor de EE. UU. ^{[ 50 ].}

La ingeniería inversa de software informático suele estar sujeta tanto al derecho contractual como al incumplimiento de contrato , así como a cualquier otra ley pertinente. Esto se debe a que la mayoría de los acuerdos de licencia de usuario final la prohíben específicamente, y los tribunales estadounidenses han dictaminado que, si existen tales cláusulas, prevalecen sobre la ley de derechos de autor que la permite expresamente (véase Bowers v. Baystate Technologies ^{[ 51 ] [ 52 ]} ). Según la Sección 103(f) de la Ley de Derechos de Autor del Milenio Digital ( 17 USC § 1201 (f) ), una persona que posea legalmente un programa puede realizar ingeniería inversa y eludir su protección si es necesario para lograr la "interoperabilidad", un término que abarca ampliamente otros dispositivos y programas que pueden interactuar con él, utilizarlo y transferir datos desde y hacia él de forma útil. Existe una exención limitada que permite que el conocimiento así obtenido se comparta y utilice con fines de interoperabilidad. ^{[ a ]}

La Directiva 2009/24/UE sobre la protección jurídica de los programas informáticos, que sustituyó a una directiva anterior (1991), ^{[ 53 ]} rige la ingeniería inversa en los países de la Unión Europea . ^{[ 54 ] [ b ]}