Кіріспе

Шифрлауға арналған құрылғы. Қауіпсіз криптопроцессор – шифрлау операцияларын жүргізуге арналған, бірнеше физикалық қауіпсіздік шараларымен қамтамасыз етілген және белгілі бір деңгейде бұзуға төзімділік беретін микрочип немесе микропроцессордағы арнайы компьютер. Қауіпсіз криптопроцессорлар шифрланбаған деректерді немесе шифрланбаған бағдарламалық нұсқауларды қауіпсіздіктің үнемі сақталуына кепілдік берілмейтін ортада шығармайды. Қауіпсіз криптопроцессордың мақсаты – қауіпсіздік кіші жүйесінің негізгі тасы болып табылу, кіші жүйенің қалған бөлігін физикалық қауіпсіздік шараларымен қорғау қажеттілігін жою.

Мысалдар

Жабдықтық қауіпсіздік модулі (ЖЖМ) бір немесе бірнеше қауіпсіз криптопроцессорлық чиптерді қамтиды. Бұл құрылғылар кәсіптік серверлермен қолданылатын жоғары деңгейдегі қауіпсіз криптопроцессорлар болып табылады. Жабдықтық қауіпсіздік модулі физикалық қауіпсіздіктің бірнеше деңгейіне ие болуы мүмкін, ал ең қауіпсіз компоненті – бір чиптік криптопроцессор. Криптопроцессор кілттерді немесе орындалатын нұсқауларды шифрланған түрде ғана жібереді, ал сынап немесе сканерлеу арқылы әрекеттенсе, кілттерді нөлдейді. Крипточиптер басқа процессорлармен және шифрланған деректерді сақтайтын және өңдейтін жад чиптерімен бірге жабдықтық қауіпсіздік модуліне орналастырылуы мүмкін. Егер құрылысты бұзуға тырысса, крипточиптегі кілттер нөлге теңеледі. Жабдықтық қауіпсіздік модулі ұрлық, ауыстыру және бұрмалаудың алдын алу үшін құлыпталған сейф ішінде жұмыс істейтін компьютердің (мысалы, банкоматтың) бөлігі болуы мүмкін. Қазіргі заманғы смарт-карталар қауіпсіз криптопроцессордың ең көп тараған түрі болып табылады, бірақ автоматтандырылған банкоматтар, теледидар приставкалары, әскери қолданыстар және жоғары қауіпсіздікті портативті байланыс құралдары сияқты жүйелерде күрделірек және әмбебап қауіпсіз криптопроцессорлар да кеңінен қолданылады. Кейбір қауіпсіз криптопроцессорлар тіпті Linux сияқты жалпы мақсаттағы операциялық жүйелерді қауіпсіздік шекарасында іске асыруға қабілетті. Криптопроцессорлар бағдарламалық нұсқауларды шифрланған түрде қабылдайды, оларды шифрдан шығарып, қарапайым нұсқауларға айналдырады, содан кейін шифрланған нұсқаулар қол жетімді емес түрде сақталатын сол криптопроцессорлық чипте орындайды. Шифрланған бағдарламалық нұсқауларды ешқашан ашпау арқылы криптопроцессор субжүйелік деректер шинасына заңды түрде қол жеткізе алатын техниктердің бағдарламаларды бұрмалауына жол бермейді. Бұл шина шифрлау деп аталады. Криптопроцессормен өңделген деректер де көбінесе шифрланады. Сенімді платформа модулі (TPM) – қауіпсіз криптопроцессордың жүзеге асырылуы, ол қауіпсіз ортаны құру арқылы сенімді есептеуді қарапайым компьютерлерге әкеледі. Қазіргі TPM жүзеге асырулары бұзылмауға қарсы жүктеу ортасын және тұрақты және уақытша сақтауды шифрлауды қамтамасыз етуге бағытталған. Сондай-ақ, кілттер мен басқа құпия материалдарды смарт-карта процессоры немесе TPM сияқты физикалық жағынан қорғауға мүмкіндік беретін, бірақ кішірек, аз күрделі және арзан қауіпсіздік чиптері де бар. Олар көбінесе криптографиялық аутентификация құрылғылары деп аталады және шеткі құрылғыларды, аксессуарларды және/немесе тұтыну материалдарын аутентификациялау үшін қолданылады. TPM сияқты, олар әдетте жүйеге енгізілген, әдетте компьютерлік платаға дәнекерленген кілт-қолға дайын интегралдық схемалар болып табылады.

Қауіпсіздік деңгейі

Қауіпсіз криптопроцессорлар пайдалы болғанымен, шабуылға толығымен төтеп бере алмайды, әсіресе жақсы жабдықталған және нық қадам басқан қарсыластар (мысалы, үкіметтік барлау агенттігі) жобаға жеткілікті ресурстар жұмсауға дайын болса. Бір шабуыл қауіпсіз криптопроцессордың IBM 4758 үлгісіне жасалған. Кембридж университетінің командасы математикалық әдістер мен арнайы кодты бұзуға арналған аппараттық құралдарды қолданып, IBM 4758 компьютерінен құпия ақпаратты сәтті шығарып алғанын хабарлады. Дегенмен, бұл шабуыл нақты жүйелерде қолдануға ыңғайсыз болды, себебі шабуылшыға құрылғының барлық API функцияларына толық қол жеткізу қажеттілігі туындады. Кәдімгі және ұсынылатын тәжірибеде интегралдық кіруді басқару жүйесі билікті бөлу үшін қолданылады, сондықтан ешбір адам шабуылды жүзеге асыра алмайды. Олардың пайдаланған осалдығы 4758 аппараттық архитектурасында емес, 4758-ге жүктелген бағдарламалық жасақтамадағы қателік болды. Бірақ олардың шабуылы қауіпсіздік жүйесінің өзінің ең әлсіз буынындай ғана қауіпсіз екенін еске салады: 4758 аппараттық құралының берік бөлігі, оған жүктелген бағдарламалық жасақтаманың дизайны мен спецификациясындағы кемшіліктердің салдарынан күшін жойды. Смарт-карталар физикалық шабуылға көбірек ұшырайтындықтан, олар айтарлықтай осал. Сонымен қатар, аппараттық «артқы есіктер» смарт-карталар мен басқа да криптопроцессорлардың қауіпсіздігін төмендетуі мүмкін, егер «артқы есіктерді» болдырмауға бағытталған жобалау әдістеріне инвестиция жасалмаса. Толық дискіні шифрлеу қолданбаларында, әсіресе жүктеу PIN-ы қолданылмаған жағдайда, егер операциялық жүйе TPM-нен криптографиялық кілттерді алғаннан кейін деректердің қалдығын пайдаланып жад мазмұнын көшіруге болады, онда криптопроцессор «суық бут» шабуылына қарсы қауіпсіз болмайды. Алайда, егер барлық құпия деректер криптопроцессордың жадында ғана сақталса және сыртқы жадта сақталмаса, сондай-ақ криптопроцессор чиптегі біріктіру жадыларында немесе дәнекерлеу тіреулерінде кілттерді немесе шифрланған немесе шифрланбаған деректерді ашу мүмкін болмаса, онда мұндай қорғалған деректерге криптопроцессор чипінен барлық қаптама мен металл қорғаныс қабаттарын алып тастағаннан кейін ғана криптопроцессор чипін тексеру арқылы қол жеткізуге болады. Бұл үшін құрылғының иесі болу және көптеген техникалық мамандардан артық білік пен жабдықтар қажет. Басқа шабуыл әдістері құпия мәнге байланысты өзгеруі мүмкін әртүрлі операциялардың уақытын мұқият талдауды немесе '0' биттерінің ішкі '1' биттерімен салыстырғандағы жұмыс істеу әдісіндегі айырмашылықтарды анықтау үшін тоқ тұтынуды уақытқа қатысты зерттеуді қамтиды. Сондай-ақ, шабуылшы температураның өте жоғары немесе төмен болуын, немесе салмақтың артық деңгейде болуын, немесе қуат көзінің спецификациядан асып түсуін пайдаланып, қателіктерді тудыруы мүмкін. Криптопроцессордың ішкі дизайны осы шабуылдарды болдырмау үшін бейімделуі мүмкін. Кейбір қауіпсіз криптопроцессорлар екі процессорлық ядроны қамтиды және қажет болған кезде қол жеткізуге болмайтын шифрлау кілттерін жасайды, сондықтан схемалар кері инженерияланған жағдайда да, шифрланған флэш-жадтан жүктелген немесе ядролар арасында байланысқан бағдарламалық жасақтаманы қауіпсіз түрде шифрлау үшін қажетті кілттер ашылмайды. Жеке компьютерлік бағдарламалық жасақтаманы көшіруден қорғау үшін жасалған алғашқы бір чипті криптопроцессор (1979 жылдың 18 қыркүйегіндегі АҚШ патенты 4,168,396) Билл Гейтстің хоббистерге арналған ашық хатынан шабыттанды.

Тарих

1972 жылы аппараттық қауіпсіздік модулі (HSM) – қауіпсіз криптопроцессордың бір түрі пайда болды. Ол PIN және банкомат хабарламаларын шифрлайтын, сондай-ақ офлайн құрылғыларды болжау мүмкін емес PIN кілті арқылы қорғайтын, "Аталла қорапшасы" деп аталған жоғары қауіпсіздік модулін ойлап тапты. 1972 жылы ол бұл құрылғыға патент алды. Сол жылы Atalla Corporation (қазіргі Utimaco Atalla) компаниясын құрды. Бұл карта оқу және клиентті сәйкестендіру жүйесі болды, оған карта оқу консолі, екі клиенттік PIN-пады, интеллектуалды контроллер және кіріктірілген электрондық интерфейс жиынтығы кірді. Транзакция кезінде карта оқу құрылғысы клиенттің шот нөмірін оқитын. Atalla банктік қауіпсіздік нарығында IBM-нің ерте бәсекелесі болды. 1976 жылғы қаңтарда Ұлттық өзара жинақ банктері қауымдастығының (NAMSB) конференциясында Atalla өзінің Identikey жүйесіне жаңарту жасап, оны Interchange Identikey деп атады. Ол онлайн транзакцияларды өңдеу және желілік қауіпсіздікті қамтамасыз ету мүмкіндіктерін қосты. Банктік операцияларды онлайнға көшіру мақсатында жасалған Identikey жүйесі ортақ пайдалану орталықтарында да қолданылды. Ол әртүрлі коммутациялық желілермен үйлесімді және карта деректеріне сәйкес 64 000 кері қайтарылмайтын сызықты емес алгоритмдердің кез келгеніне электрондық түрде қайта орнатуға қабілетті болды. Interchange Identikey құрылғысы 1976 жылғы наурызда шығарылды. 2013 жылғы мәліметтер бойынша Atalla-ның HSM өнімдері күніне 250 миллион карта транзакциясын қорғайды, ал 2014 жылғы мәліметтер бойынша әлемдегі банкомат транзакцияларының көп бөлігін қамтамасыз етеді.