Модуль аппаратной безопасности

Модули аппаратной безопасности могут обеспечивать индикацию вмешательства, например, визуальными признаками вскрытия или средствами логирования и оповещения, а также конструктивной защитой, делающей вскрытие невозможным без повреждения устройства, либо автоматическим реагированием на попытки вмешательства, например, удалением ключей при обнаружении атак^[4]. Каждый такой модуль обычно включает один или несколько безопасных криптопроцессоров, предотвращающих физическое вскрытие, подслушивание шины и несанкционированный доступ; может сочетать различные чипы в общем корпусе с защитой от вскрытия. Большинство существующих модулей аппаратной безопасности в первую очередь предназначены для управления секретными ключами. Многие HSM поддерживают безопасное резервное копирование ключей вне устройства: ключи могут сохраняться в зашифрованном виде на жёстком диске или другом носителе либо экспортироваться на отдельное устройство, например смарт-карту или иной токен безопасности^[5].

Модули аппаратной безопасности применяются для авторизации и аутентификации в реальном времени на объектах критической инфраструктуры и, как правило, выполнены с поддержкой стандартных моделей высокой доступности: кластеризации, автоматического переключения и резервирования ключевых компонентов.

Некоторые HSM позволяют запускать внутри защищённого корпуса специальные пользовательские модули, что бывает необходимо для реализации уникальных алгоритмов или бизнес-логики в контролируемой среде. Такие модули могут быть написаны на языке C, .NET, Java или других языках программирования.

Ввиду особой роли в обеспечении безопасности приложений и инфраструктуры, универсальные модули аппаратной безопасности и (или) их криптографические компоненты обычно сертифицируются в соответствии с международными стандартами — такими, как Common Criteria (например, профиль защиты EN 419 221-5, «Криптографический модуль для доверенных сервисов») или FIPS 140 (на данный момент — версия 3, FIPS 140-3). Хотя высший уровень сертификации безопасности по FIPS 140 — уровень 4, большинство модулей имеют сертификацию уровня 3. В системе Common Criteria максимальный уровень EAL (Evaluation Assurance Level) — EAL7, но большинство HSM имеют уровень EAL4+. Для систем обработки платежей безопасность HSM дополнительно подтверждается соответствием требованиям Совета по стандартам безопасности платёжных карт (PCI SSC)^[6].

Модули аппаратной безопасности применяются во всех случаях, где необходима работа с цифровыми ключами. Как правило, речь идёт о ключах высокой ценности — компрометация такого ключа наносит существенный ущерб владельцу.

Основные функции HSM:

• безопасная генерация криптографических ключей внутри устройства;
• безопасное хранение ключей (по меньшей мере мастер-ключей и наиболее чувствительных данных) внутри устройства;
• управление ключами;
• работа с криптографическим и секретным материалом, например — дешифрование или формирование электронной подписи;
• безопасное удаление криптографических и иных чувствительных данных, хранившихся в устройстве.

Также HSM используются для управления ключами прозрачного шифрования данных в базах данных и ключами для устройств хранения — например, жёстких дисков и магнитных лент.

Некоторые HSM также выступают аппаратными криптографическими ускорителями. Хотя по производительности операций с симметричными ключами специализированные ускорители часто быстрее, HSM способны обеспечивать от 1 до 10 000 подписей по алгоритму RSA (1024 бита) в секунду, заметно разгружая центральный процессор при операциях с открытым ключом. С 2010 года NIST рекомендует использовать для RSA ключи длиной 2048 бит^[7], поэтому производительность при больших длинах ключа становится особенно важной. Для решения этой задачи многие HSM поддерживают криптографию на эллиптических кривых (ECC), обеспечивающую высокий уровень безопасности при меньшей длине ключа.

В инфраструктуре открытых ключей (PKI) модули аппаратной безопасности используются центрами сертификации (CA) и регистрационными центрами (RA) для генерации, хранения и обработки пар асимметричных ключей. В таких случаях необходимы следующие свойства устройств:

• высокий уровень логической и физической защиты;
• схема авторизации пользователей по частям секрета;
• полный аудит и ведение журналов;
• безопасное резервное копирование ключей.

При этом производительность устройств для PKI обычно менее критична, поскольку основные задержки определяются процедурами регистрации.

Специализированные HSM применяются в платёжной индустрии. Модули поддерживают как универсальные, так и специализированные для платёжных систем функции. Обычно стандартные API отсутствуют.

Типичные задачи:

• проверка совпадения ПИН-кода пользователя с эталонным значением;
• подтверждение операций по банковским картам с использованием контрольных кодов/безопасных вычислений и взаимодействие, например, с банкоматом или POS-терминалом;
• работа со смарт-картами (EMV), поддержка крипто-API;
• повторное шифрование блока ПИН для пересылки другому серверу авторизации;
• безопасное управление ключами;
• поддержка протоколов управления сетью POS и банкоматов;
• поддержка обмена ключами/данными в формате де-факто стандартов host-host (API);
• генерация и печать «PIN-mailer»;
• генерация данных для магнитной полосы карты (PVV, CVV);
• генерация набора ключей карты и поддержка персонализации смарт-карт.

Крупнейшие организации, разрабатывающие и поддерживающие стандарты HSM для банковской сферы, — Совет по стандартам безопасности платёжных карт (PCI SSC), ANS X9 и ISO.

В ресурсоёмких приложениях, использующих HTTPS (SSL/TLS), целесообразно использовать HSM-ускорители SSL для переноса RSA-вычислений (многочисленных умножений больших целых чисел) с центрального процессора на внешний модуль. Типовая производительность составляет от 1 до 10 000 операций RSA-1024 в секунду^[8][9]. Производительность при больших длинах ключей приобретает всё большее значение.

Растущее число регистратур применяет HSM для хранения ключевого материала, используемого при подписывании крупных зон DNS. OpenDNSSEC — открытое программное обеспечение для управления подписанием файлов зон DNS.

27 января 2007 года ICANN и Verisign при поддержке Министерства торговли США начали внедрение расширений безопасности DNS (DNSSEC) для корневых зон DNS^[10]. Подробности о корневой подписи доступны на сайте Root DNSSEC^[11].

Технология блокчейн основана на осуществлении криптографических операций. Защита приватных ключей критически важна для безопасности процессов, связанных с асимметричной криптографией в блокчейне. Часто приватные ключи хранятся в криптовалютных кошельках, таких как аппаратные устройства на иллюстрации.

В ряде научных публикаций подчёркивается синергия между модулями аппаратной безопасности и блокчейном, которая проявляется главным образом в задачах безопасного хранения приватных ключей и подтверждения идентичности, в частности — для блокчейн-решений в сфере мобильных сервисов^[12][13].