| 摘要 密碼技術(shù)是解決信息安全問題的核心技術(shù)。密碼技術(shù)的運(yùn)用可以基于軟件密碼組件或硬件密碼組件。硬件密碼組件在自身安全性和實(shí)現(xiàn)安全功能方面比軟件密碼組件更具優(yōu)勢。本文論述硬件密碼組件的數(shù)學(xué)模型、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件結(jié)構(gòu),并比較硬件密碼組件與軟件密碼組件的優(yōu)劣。 關(guān)鍵詞 密碼 硬件密碼組件 軟件密碼組件 1 硬件密碼組件的概念 密碼技術(shù)是解決信息安全問題的核心技術(shù)。要實(shí)現(xiàn)信息的保密性、完整性、可控性和不可否認(rèn)性等安全要求,都離不開密碼技術(shù)的運(yùn)用。在具體的信息安全系統(tǒng)中,密碼技術(shù)的運(yùn)用可以基于軟件密碼組件(簡稱為SCM)或硬件密碼組件(簡稱為HCM)來實(shí)現(xiàn)。HCM從本質(zhì)上來說是一個(gè)包含某些敏感信息,能自主完成特定功能的黑盒子;外界不能訪問其中的敏感信息,亦不能干予其中正在執(zhí)行或即將執(zhí)行的運(yùn)算任務(wù)。黑盒子可以通過嚴(yán)格定義的接口和外界進(jìn)行交互,接口在黑盒子的完全控制之下。任何企圖通過物理手段探測黑盒子內(nèi)部的行為都將導(dǎo)致其中敏感信息的完全清除。 從抽象角度,可以用如下方式描述HCM。 符號(hào)和定義： X——敏感信息,其明文不能以任何形式出現(xiàn)在HCM之外;
E(X)——敏感信息X的秘文;
Fi(X,Y)——HCM用其保存的敏感信息X和外界輸入的信息Y完成某項(xiàng)功能,如簽名、加密和解密等其它特定功能。HCM的N項(xiàng)功能可以用集合{ Fi(X,Y) 1≤i≤N }表示。
Ui——某個(gè)HCM的用戶,其全部M個(gè)用戶可以用集合{ Ui 1≤i≤M }表示。
Zij——表示用戶Ui對(duì)HCM的功能Fj(X,Y)的權(quán)限信息。Zij=0表示用戶沒有權(quán)限,Zij=1表示用戶擁有權(quán)限。 則HCM可用一個(gè)五元函數(shù)G(E(X),Y,Fj,Ui,Zij)表示,其定義如下： 
從應(yīng)用角度來看,HCM是一個(gè)由軟硬件組成的安全計(jì)算系統(tǒng),其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)HCM總體上可以分為兩大部分,即軟件部分和硬件部分。在形式上,硬件部分體現(xiàn)為一個(gè)硬件實(shí)體,而軟件部分則是與此硬件實(shí)體相配套的驅(qū)動(dòng)程序、動(dòng)態(tài)庫等軟件包。硬件部分進(jìn)一步可細(xì)分為底層硬件電路、初始引導(dǎo)固件、操作系統(tǒng)或控制程序固件、密碼算法庫、內(nèi)部功能固件等幾部分。軟件部分由接口驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、用戶應(yīng)用編程接口和標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用編程接口組成。其中標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用編程接口是指按照某些業(yè)界接口標(biāo)準(zhǔn),如PKCS#11、CSP等進(jìn)一步對(duì)用戶應(yīng)用編程接口進(jìn)行封裝,以方便上層應(yīng)用系統(tǒng)的調(diào)用。標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用編程接口并非所有HCM所必需,所以用虛框表示。 
圖1 HCM的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2 硬件密碼組件與軟件密碼組件的對(duì)比 軟件密碼組件是指密碼技術(shù)的軟件實(shí)現(xiàn)。與HCM比較,SCM開發(fā)周期短,開發(fā)成本低,使用維護(hù)方便,這是其優(yōu)點(diǎn)。但在自身安全性和實(shí)現(xiàn)安全功能方面,HCM則具有優(yōu)勢,這主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。 (1) 完整性保護(hù) HCM的完整性和運(yùn)行時(shí)的保密性可以得到很好的保證,而SCM的完整性和運(yùn)行時(shí)的保密性則很難得到保證。HCM由硬件和硬件之上的固件組成,硬件中的密碼算法芯片一般采用反熔絲的FPGA或ASIC實(shí)現(xiàn),難以破讀或更改。固件則通過燒錄器寫入到Flash芯片,不能非法改寫。另外,HCM中的RAM空間由其專用,外部程序不能對(duì)其進(jìn)行訪問;SCM一般保存在計(jì)算機(jī)的硬盤上,運(yùn)行時(shí)調(diào)入系統(tǒng)內(nèi)存運(yùn)行。由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)本身的安全性不高,因此硬盤上或內(nèi)存中的SCM都可能被攻擊者、病毒程序或黑客程序篡改。另外,SCM運(yùn)行時(shí)占用的內(nèi)存空間雖然受到操作系統(tǒng)的保護(hù),但不能保證其不被其它進(jìn)程訪問,這樣SCM運(yùn)行時(shí)所需的敏感信息或運(yùn)行中產(chǎn)生的敏感信息就可能泄露。 (2) 對(duì)商用操作系統(tǒng)安全性的依賴 SCM運(yùn)行時(shí)需要操作系統(tǒng)提供的支持,而HCM本身構(gòu)成了完整的運(yùn)行環(huán)境,無需依賴操作系統(tǒng)等其它外部支持。由于操作系統(tǒng)往往存在某些漏洞,這些漏洞若被攻擊者利用,就可能會(huì)給SCM帶來嚴(yán)重的安全問題。 (3) 抵抗能量分析攻擊 進(jìn)行密碼運(yùn)算時(shí)總要消耗運(yùn)算設(shè)備一定的能量,攻擊者通過收集能量值,就可能計(jì)算出密碼運(yùn)算時(shí)所采用的密鑰值。特別是在進(jìn)行運(yùn)算量很大的RSA簽名時(shí),這種基于能量的攻擊更容易得到簽名私鑰。SCM對(duì)于這種攻擊是脆弱的;而HCM則可以通過特別措施來防止攻擊者收集能量值,從而抵御能量攻擊。 (4) 種子密鑰的保存 安全的保存種子密鑰對(duì)SCM是非常困難的。種子密鑰需要長期保存,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)安全至關(guān)重要。對(duì)于SCM來說,種子密鑰只能保存在計(jì)算機(jī)的硬盤上,顯然保存種子密鑰的明文是非常不安全的。一般采用的辦法是通過一個(gè)口令加密種子密鑰,然后保存種子密鑰的密文。每當(dāng)用戶使用種子密鑰時(shí),需要輸入口令。但這樣亦是不安全的,首先這就要求有用戶在場,才可使用種子密鑰,否則就不能使用。其次用戶往往會(huì)選擇容易記憶的簡單口令,這使其容易被攻擊者猜測。 (5) 安全地進(jìn)行密碼操作 在HCM中可以安全地進(jìn)行密鑰生成(公鑰密鑰對(duì)、會(huì)話密鑰)、加密、解密、簽名等操作,同時(shí)保證加解密密鑰和簽名私鑰的安全性;而在SCM中進(jìn)行這些操作時(shí),則存在泄露這些密鑰的可能性。 (6) 密碼算法實(shí)現(xiàn)的效率 在HCM中通過專用的密碼運(yùn)算器,如公鑰協(xié)處理器和專用對(duì)稱算法芯片可以大大提高對(duì)稱算法和非對(duì)稱算法的運(yùn)算速度;而SCM密碼運(yùn)算的速度則依賴于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率。這使得目前SCM中密碼算法的運(yùn)算速度往往低于HCM的實(shí)現(xiàn)速度。 (7) 逆向工程攻擊 SCM保存在計(jì)算機(jī)硬盤或內(nèi)存中,而一般的計(jì)算機(jī)對(duì)硬盤和內(nèi)存的保護(hù)是非常脆弱的,因此它容易受到逆向工程攻擊。 SCM的基本組成如圖2所示。SCM用到的數(shù)據(jù)包括敏感數(shù)據(jù)和一般數(shù)據(jù)。敏感數(shù)據(jù)是指密鑰、用戶PIN碼等數(shù)據(jù)。SCM的程序邏輯可分為密碼算法(對(duì)稱和非對(duì)稱的)、密碼協(xié)議(例如SSL、IPSEC等)以及其它程序控制邏輯。利用逆向工程的工具和技術(shù),攻擊者可以監(jiān)控程序的輸入和輸出,從而獲得用戶口令等敏感信息;其次攻擊者還可以掃描程序數(shù)據(jù)區(qū),得到密鑰、口令信息;另外攻擊者對(duì)程序的運(yùn)行邏輯進(jìn)行跟蹤,可以得到密碼算法和密碼協(xié)議的運(yùn)行軌跡,特別是如果算法和協(xié)議不是公開的,而是保密的,這時(shí)攻擊者可以得到重要信息。而且攻擊者還可以進(jìn)一步修改軟件執(zhí)行邏輯,制造“后門”。 |
66821730(技術(shù)支持)
