栏目导航
高安全等级密码模块设计架构解决方案
来源:米乐体育官方下载地址 发布时间:2023-10-18 18:38:02随着金融、大数据等行业的普及和发展,对密码设备的依赖与日俱增,并且业内在数据安全领域提出了多方面更高的要求,例如密码模块的物理安全、抗非入侵式攻击、抗环境失效等,迫切地需要更高安全等级的密码模块来支撑行业的实际应用需求。依托安全二级密码模块,提出了新的高安全等级密码模块,在既有功能和安全技术设计的基础上,新增了物理安全、实体鉴别、环境失效性、非入侵式攻击缓解 4 个重要的安全技术。该模块设计对数据安全要求极高的行业和领域具备极其重大的实用意义。
密码模块作为基础密码设备,在金融、电力、大数据等行业中为各类安全应用提供身份认证算法加速、敏感安全参数管理和保护等服务。目前市面上的商用密码模块按照国家密码管理局提出的有关标准 进行研发,大多满足安全一级或安全二级的规范要求,仅提供基本的安全功能。 由于标准对高安全等级密码模块规定了更多的新功能和新机制,技术方面的要求较高,因此国内在该研究领域仍处于起步阶段,且安全技术设计的相关论述较少。然而随着对数据安全有极高要求的行业的发展,业内对高安全等级的密码模块的需求与日俱增,面临巨大的市场空缺。因此,研究怎么样通过种种设计和技术路径来满足高安全等级的要求就显得迫在眉睫。 本文首先简要介绍高安全等级密码模块的设计架构,其次分别从高安全等级特有的物理安全 、实体鉴别、环境失效性检测(Environmental FailureTesting,EFT)、非入侵式攻击缓解技术这 4 个方面详细说明高安全等级密码模块的设计和工作原理。本文的研究不但可以填补高安全等级密码模块安全技术设计方面的空白,也可以指导研发具有实用价值的商用密码模块,满足相关行业的技术需求和市场需求。
高等级密码模块中:(1)主控单元由带的中央处理器(Central Processing Unit,CPU)实现,实现对密钥的管理和对应用层下发命令的解析和响应;(2)PCI-E 总 线 接 口 单 元 由 大 规 模现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)实现,是数据进出密码模块的主要传输通道;(3)密码运算单元基于效率和性能的考虑,由两颗专用密码算法芯片组成,分别实现 SM1 算法和 SM2 算法,另由逻辑器件实现哈希算法 SM3 和对称分组密码算法 SM4;(4)存储单元由双倍速率内存(Double Data Rate synchronous Dynamic Random-access Memory,RAM)和闪存(FLASH)组成,分别存储密码模块运算过程中的数据和板载芯片的可执行程序;(5)EFT 单元负责实现 EFT 功能,由电压和温度两部分所组成,分别实现对电压和温度的感知和响应;(6)功能单元中,由开盖销毁装置、按键销毁按钮实现紧急状况下的关键安全参数置零功能,状态LED灯指示密码模块的实时状态,USBKey 接口供身份鉴别的 UKey 使用,另有多片物理噪声源用于产生质量合格的随机数。
设计密码模块处于主机应用层之下,受应用层各种安全应用程序的调用。其软件架构由安全服务接口、设备驱动程序、嵌入式软件3部分所组成,如图 2 所示。
该软件架构中:安全服务接口提供密码模块的功能接口,由应用程序直接调用;设备驱动程序为密码模块的宿主设备提供驱动能力;嵌入式软件,运行于密码模块的主控单元,响应和执行应用层的调用指令。
密钥是密码模块的核心资源,完善的密钥管理体系是密码模块的核心功能。在高安全等级密码模块中,密钥管理采用了技术合理、安全性高的 3 层密钥结构体制,如图 3 所示。
在分层密钥保护体系中:保护密钥位于最上层,大多数都用在加密保护其下层的用户密钥对和密钥加密密钥;用户密钥对和密钥加密密钥位于中间层,用户密钥对除用于非对称密码运算外,还作为保护密钥保护其下层的对称会话密钥;密钥加密密钥主要用作保护密钥,保护其下层的对称会话密钥,且会话密钥处于层次化密钥结构中的最底层,是仅在一次会话中使用的对称密钥。不论何种密钥,除公钥外的所有密钥都不能以明文形式存在于密码卡外部。通过上述层层保护的原则,满足了密钥管理中的“分层结构,逐层保护”的安全原则。
(1)选用经过国密局认证的对称和椭圆曲线算法(EllipticCurve Cryptography,ECC)专算芯片。该类芯片的抗攻击能力高,能保证芯片内部包括密钥数据、算法代码等敏感信息的安全。
(2)高安全等级密码模块将所有重要的元器件均放置在电路板的正面,并采用硬质金属材料的外壳对电路板正反两面进行全包裹,防止外部的窥探,并防止外部通过探针做测量。金属外壳可采用铝合金 6063,如图 4 所示,在国家标准 GB/ T 3190-2020《变形铝及铝合金化学成分》中规定其成分范围,是 AL-Mg-Si 系中等强度的可热处理强化合金,Mg 和 Si 是主要合金元素,其硬度为 95 HB,在抵御外部的撬、钻、击打等常规拆破行为中表现较好。
同时,该外壳内部的四周设计有一圈金属丝网,如图 5 所示。在外壳压合时,可以紧紧贴合电路板,消除外壳与电路板之间的微小缝隙,在某些特定的程度上有防止电磁干扰和抵御非入侵攻击中电磁分析攻击的作用。
(3)高安全等级密码模块在进行印制电路板(Printed Circuit Board,PCB)排版时,将重要的总线信号和专用算法芯片的数据信号设计在了印制版的里层,可有很大效果预防外部将 PCB 表面涂层刮开直接用探针探测电信号的行为。
(4)如图 6 所示,高安全等级密码模块固定外壳的螺母采用私有的非标设计,只有使用厂家特制的工具才能开启,且在螺丝上方使用金属薄片进行遮盖,并在金属薄片表面粘贴有拆卸存迹的全息封条,可以清楚地指示密码模块外壳是否曾被拆卸开启过。
(5)高安全等级密码模块设计有拆卸响应电路,主要由机械检测电路和触发通知电路两部组成。机械检测电路采取多单元并联模式工作。为保证检测拆卸动作的可靠性和准确性,防止撬起某个部位逃避检测的行为,在密码模块的 3 个角上设置了机械检测电路,任意一点的检测电路检测到拆卸行为后均可以触发通知电路工作。这 3 个点位分别检测不同位置的金属外壳上盖与模块印制版之间的垂直间距,能够迅速地判断上盖的拆卸情况,并通过触发通知电路向 CPU 发出报警信号,使其知晓应该对未受保护的关键安全参数进行置零。拆卸响应电路的设计原理如图 7 所示。
高安全等级密码模块在使用 UKey 进行身份认证时,第一步是要对 UKey 进行实体鉴别,以确认插入的 Ukey 是与该密码模块一一对应的实体,防止外部使用相同型号的 UKey 进行混淆和攻击。在本密码模块的安全技术设计的具体方案中,采用数字签名技术规范要求中的两次传递单向鉴别机制 。具体鉴别过程如图 8 所示。
(1)创建操作员时模块调用身份认证 UKey的智能密码钥匙密码应用接口规范(smart token cryptography application interface specification,SKF)[7] 接口产生非对称密钥对,私钥保存于 UKey中,公钥导出到模块内保存。(2)有必要进行实体鉴别时,将操作员身份认证 UKey 定为声称方 A,密码模块定为验证方 B。(3)B 使用随机数生成器产生 32 字节随机数Rb,并调用 A 的接口将Rb送入 A 以备后续签名使用,密钥指定为第一步操作生成的私钥。(4)A 收 到 Rb 后, 产 生 32 字 节 的 随 机 数Ra,将 Ra 与 Rb 进行拼接,并进行一次 hash 运算,将 hash 运算的结果进行签名,密钥为第一步操作生成的私钥。签名完毕后,A 连同 RbRasign(RbRa) 一同送出给 B。(5)B 获取 A 送出的签名数据后,对随机数RbRa 进行 hash 运算,将得到的 hash 值使用第一步操作中获得的公钥对签名数据来进行验签操作,若验签通过,再比较数据中包含的随机数 Rb 是否等于之前产生的 Rb。(6)若上一步操作中的两个操作均通过,则表明实体鉴别成功。
高安全等级密码模块具有 EFT 功能,包括检测温度和检测电压两部分。具体检测 4 种异常环境状况:低温、高温、大负电压、大正电压。下面分别介绍温度和电压异常状况下,EFT 的设计原理和生效机制。
密码模块在关键器件如可编程逻辑器件、专用算法芯片等附近布置多片温度传感器,对密码模块内部的环境和温度进行多点监测。设置好密码模块的工作时候的温度区间,当环境和温度不在该范围内,则认为环境失效,密码模块主动断电。具体的工作原理是模块上电后,处理器周期性地主动读取各片温度传感器的温度寄存器,以获取它们附近环境的实际温度。若任意一片温度传感器的温度不在工作范围内,则处理器做一次记录。当连续多次记录到该现象时,表明环境和温度持续处于正常工作范围之外,工作环境确实失效,此时处理器告知开关电路切断密码模块的电源,以达到置零模块内未受保护的关键安全参数的目的。一旦开关电路切断密码模块的电源,电源指示灯也会熄灭。温度失效性检测技术的设计原理如图 9 所示。
PCI-E 接口的输入电源分两路:一路通过一个模数转换器Analog-Digital conversion,A/D)接入CPU;一路则接入开关电路,并通过开关电路对密码模块进行供电。设置好密码模块电压的正常工作范围后,CPU 周期性地对输入的电压进行仔细的检测,若连续多次检测到电压处于正常范围之外,则表明工作环境确实失效。此时,CPU 记录好环境失效的日志后告知开关电路断开电源供应,使得后端的电路掉电,以置零密码模块内未受保护的关键安全参数。可通过观察模块的侧面板上电源指示灯来确认模块的上、下电情况:当模块正常工作时,电源灯长亮;一旦电源管理模块切断密码模块的电源,电源指示灯会熄灭。电压失效性检测技术的设计原理如图 10所示。
在算法层面,由于对称密码算法 SM4 没有基于密钥的分支运算,因此对称算法对计时攻击天然免疫,故无须针对上述算法做专门的计时攻击防护设计。
针对 SM2 公钥密码算法,点乘计算采用安全点乘算法,能有效防御计时攻击和简单能量攻击。安全点乘算法如下所示:
该方法一次扫描 1 位密钥位,每次进行 1 次点加运算和 1 次倍点运算,能轻松实现任意相同长度的密钥位运算都没时间区别。
针对 SM4 算法,采用掩码技术,通过随机化密码模块所处理的中间值,使密码模块的能量消耗不依赖于此中间值,消除密码设备能量消耗的数据相关性。采用如下文所述的思路进行操作。
引入随机掩码,实现全寄存器掩码以及掩码 S盒。例如一共生成 16 个各不相同的掩码 S 盒,第一轮使用编号为 1~4 的掩码 S 盒,第二轮使用编号为 5~8 的掩码 S 盒,第三轮使用编号为 9~12 的掩码 S 盒,第四轮使用编号为 13~16 的掩码 S 盒,第五轮又重复使用编号为 1~4 的掩码 S 盒,以此类推。这样使 SM4 算法在加解密的每一个运算步骤均有掩码参与,达到每一个运算步骤结果均与原算法无关的目的。
假设单个 S 盒的输入为,输出为,则有。假设掩码为,则查表变换输入为,输出。为得到真实的输出B,则需要生成一个对应的 S 盒,使得。因此有,生成算法:
标准 SM2 数字签名算法流程如图 11 所示,在签名过程中,设待签名的消息为 M;它的数字签名为 (r,s);签名者 A 的公私钥分别为是长度为 v 比特的密码杂凑算法;G 为椭圆曲线的一个基点,其阶为素数。
目前,已有文献提出了对 SM2 签名算法的差分攻击方法和错误攻击方法。差分攻击方法的攻击点一般选在与用户私钥直接相关的地方,如模乘处,已知签名值 r,若了解芯片的模乘实现细节便可进行差分能量攻击,逐比特攻破。而错误攻击的主要威胁来自弱曲线和基于格的错误攻击,它们的攻击点均在随机数 k 处,并通过获得 k 值或k 值的局部信息来获取密钥。针对 SM2 算法特性,为抵御相关攻击,采用安全点乘、大数模乘公式变换和掩码技术。抗攻击的优化方案如下文所述。
步骤 1:原签名流程的第三步为生成一组 256 bits随机数 k,应保证每次加密过程中使用的随机数都不相同,更新过程严格随机化,避免随机数间特殊更新情况出现。在此步骤后增加一个备份操作,使。
步骤 2:原签名流程的第四步为,在此步骤后增加一个比较操作,若现在的随机数k=k´,则继续算法,若,则退出算法。
步骤 4:另外,为避免攻击者在 k 备份之前便修改 k 值,或者在算法运行过程中跳过某一步直接进行下一步运算,可引入一个计数器,每一步骤后让计数器自加 1,并判断该计数器值是否为当前步骤数,若是则继续运算,若不是则退出运算。 在本方案中,使用安全点乘法对条件分支语句进行了无差别处理,攻击者不能通过直接观察能量消耗曲线来获取密钥有关信息,进而达到抗简单能量分析(Simple Power Analysis,SPA)攻击的目的。在算法流程中增加一个 k 值备份操作,大幅度提升了对密钥 k 的攻击难度,进而达到抵抗针对弱曲线和基于格的错误攻击的目的。在含有私钥的大数模乘和点乘处执行步骤 3 所示的公式变换,变换后的计算步骤里不再含有易受攻击的,从而有效抵抗差分能量分析(Differential Power Analysis,DPA)的攻击 。5.3电磁分析攻击缓解技术对于对称密码算法 SM4,高安全等级密码模块电磁分析防护方案的最大的目的是增加噪声,降低信噪比,同时采取掩码技术,增加电磁分析所需的电磁迹数目,使攻击者在有限的计算资源下难以开展攻击。此外,其设计的具体方案与抗能量分析攻击缓解技术相同。对于 SM2 算法,高安全等级密码模块对点乘运算每一步所执行的操作相同,即对条件分支语句进行了无差别处理,攻击者不能通过直接观察电磁消耗曲线来获取密钥有关信息,进而达到抗 SPA 攻击的目的。在含有私钥的大数模乘和点乘处增加一个加法掩码,使各条电磁消耗曲线上此时刻的电磁消耗曲线随机化,掩盖了私钥和电磁消耗曲线之间的相关性,使统计分析方法失效,从而有效抵抗 DPA 攻击。 此外,为了尽可能地减少工作时向外部泄露的电磁辐射量,密码模块设计了电磁屏蔽性较好的全封闭金属外壳,同时在金属外壳的内边缘设计有金属丝网,逐步加强电磁辐射的屏蔽性。且该金属外壳的结构设计上无任何缝隙,使得外部探针没办法进入密码模块的专算芯片或者逻辑器件附近直接进行电磁辐射探测。
本文介绍了高安全等级密码模块所一定要满足的安全要求,并阐述了针对这些要求所做的安全技术设计。这些有明确的目的性的设计使得高安全等级密码模块自身的安全性得到了保证,并使得高安全等级模块能够很好的满足各类用户的安全需求。相较于安全二级的模块,高安全等级模块能更好地确保用户在日常使用的过程中的数据安全性和通信安全性,如果出现安全威胁,能够保护系统核心数据的安全,抵御对总系统的入侵和破坏,因此能提供更为安全的密码服务。
周 健,男,硕士,工程师,主要研究方向为嵌入式系统模块设计、保密通信、商用密码模块应用设计;秦 放, 男, 硕 士, 高 级工程师,主要研究方向为嵌入式系统模块设计、信号处理、密码算法优化。
声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。举报投诉
对抗高低频率攻击· MMU存储器管理单元,可灵活设置SYS\APP模式
服务三个方面出发,对设备、终端、业务系统、网络接入、人员管理提供全方位的
。这些显著优势又反过来推动了汽车领域半导体产品的发展,尤其是高度复杂的半导体器件和高性能车载内存与存储。总体而言,随着汽车行业加速推出完全无人驾驶汽车,提高驾驶员与乘客的
区域边界:应用下一代防火墙:部署在数据中心出口,对丌同分校接入到数据中心的数据进行
有了法律依据,等保2.0时代已经到来,网络运营者过等保慢慢的变成了大趋势。法律规定网络运营者应当按照网络
危险易爆炸环境,防火防爆切莫大意!电气设备的使用一定要满足防爆的要求。而辨别防爆电气设备最直观的方法是看设备上是否有“Ex”标志。 在日常
,并具有高精度和同类更佳精度的磁场电流传感器ACS37601样片,可用于电动汽车中的动力牵引、辅助逆变器以及电池管理系统(BMS
/实体访问、个人隐私信息泄露、传输信息被非法窃听、截取或者篡改、服务端存储数据泄露等,这一些因素都会产生巨大的
认证的坚固耐用型交流滤波电容器 TDK集团(东京证券交易所代码:6762)推出新的交流滤波电容B32354S* 系列,为其面向交流滤波应用的爱普科斯(EPCOS) 金属化
载,积累了深厚的技术力量和丰富的项目经验,形成了深度的场景定制能力。公司将结合热点场景应用需求,分享海泰方圆多场景
保护是指对国家秘密信息、法人或其他组织和公民专有信息、公开信息以及信息系统存储、传输、处理这些信息的
防范的第一道防线,在人们的生产生活中有着至关重要的作用。为了适应各类周界的
防范应用,使用户得到满足对周界报警系统简单、稳定、可靠的要求,艾礼安推出了激光对射周界报警
VCS(Visual Cryptography Scheme)是一种新型的
近日,卡莱特云平台(ColorlightCloud)系统获得公安部颁发的“信息系统
COAST借助LeddarTech“Cocoon”激光雷达优化自动驾驶
COAST选择LeddarTech的固态激光雷达(LiDAR)技术作为最可靠的
保护制度2.0国家标准的发布,是具有里程碑意义的一件大事,标志着国家网络
设计技术方面的要求》(以下称等保2.0)于5月13日正式对外发布,将在2019年12月1日正式实施。
的认证手段,就非常必要了。 锦佰安和他的SecID二次认证产品 锦佰安科技(锦佰安信息技术有限公司)是国内领先的身份识别综合
百度Apollo携手全球最大汽车电子和人工智能物联网芯片公司恩智浦半导体(NXP Semiconductors)共同发布中国首款芯片级ECU信息
可以储存、整理和加密敏感数据 Cyclonis Password Manager是一款免费且易于使用的
漏洞导致大半个美国断网、摄像头偷窥、智能锁被破解,这些事件都给物联网
敲响警钟。 在今年杭州云栖大会上,阿里云Link正式对外发布LinkSecurity产品,向客户提供低成本、软硬结合、多
1 引言 传统编译码芯片如VD5026,VD5027,MCI45026,MCI45027等已经在防盗、
系统得到普遍的应用,这些芯片简单易用,但具有很大的缺陷:编码量少而极易重码;
Chain的电池管理系统。恩智浦提供多种符合ISO26262标准的器件,主控单元MPC574xP
达到ASIL-C,SBC(System Basic Chip)系统基础芯片FS45/65
系统提供商ESCRYPT有限公司(“ESCRYPT”),今日宣布共同协作开发具有
Maxim Integrated Products, Inc. 推出DeepCover系列的最新
以单片机为主控单元,结合键盘、LCD显示、AT24C02存储、遥控等外围电路,使
摘要:LED照明的应用已经从传统的便携产品背光拓展至室内照明、室外照明及手电筒等应用 中心
强化防盗版功能 意法半导体(纽约证券交易所代码:STM),发布AuKey整体