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您必须了解的HSM知识!
发布时间:2022-03-23 00:09:10   阅读次数:

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什么是硬件安全模块HSM 解释

硬件安全模块是专门设计用于安全存储和使用加密密钥的计算设备。让我们分解一下 HSM 是什么,它们是如何工作的,以及为什么它们对公钥基础设施如此重要。


什么是 HSM,它有什么作用?为什么有这么多公司使用 HSM?HSM 在企业环境中的实际用途是什么?


让我们把它一一列举出来。


什么是硬件安全模块 (HSM)?HSM 定义和解释

如果您用来加密数据的密钥被暴露,加密数据就不安全——这就是 HSM 可以节省时间的地方。硬件安全模块 (HSM)是防篡改和防入侵的硬件组件,组织用于保护和存储其加密密钥,同时仍可供授权用户使用。它们的目的是控制对贵公司敏感私钥的访问并限制风险。


HSM 使您的员工无需直接访问即可使用您组织的私钥。基本上,您的软件(例如,托管在 Web 服务器上)可以执行加密功能和身份验证,而无需将您的私钥副本加载到您的 Web 服务器上的内存中(它可能容易受到攻击)。加密功能都在 HSM 的安全环境范围内完成。在这个安全的小气泡内执行这些操作,可以通过将私钥隐藏在安全位置来防止敏感数据受到损害。


为了更好地理解这个概念,可以将 HSM 想象成自动售货机。自动售货机在隔离的内部环境中存储饮料和食品。它旨在接受用户输入(即您的项目选择)并生成输出(即弹出美味的小吃),您无法访问自动售货机的内部或更改其功能。


同样,HSM 接受用户输入并生成输出(例如签名证书或软件),而用户(或应用程序)无需查看、访问或更改您的加密密钥。这是因为它的功能是在其安全环境的范围内执行的,并且没有任何密钥可以以可读格式从 HSM 中完全导出、提取或删除。因此,就像自动售货机一样,您可以使用它来获得所需的输出,但您无法查看或访问设备的内部工作原理以及使其成为可能的所有单独组件。


使用 HSM 如何帮助您的业务

您可能想知道为什么需要使用硬件安全模块。我的意思是,当您可以简单地使用 Web 服务器的内置功能时,为什么还要经历设置 HSM 的麻烦和成本呢?


HSM 提供的密钥存储比使用传统 Web 服务器获得的密钥存储安全得多。当公司使用其 Web 服务器运行许多应用程序时,这可能会导致网络犯罪分子可以利用的漏洞。HSM 是具有有限用途和攻击向量的设备。这就是为什么:

  • 公共证书颁发机构和注册机构使用这些设备来创建、存储和管理它们的敏感密钥对。(注意:他们通常将根 CA 离线存储,以使其尽可能安全。)


  • 拥有私有 PKI 的公司使用这些设备来使用和存储他们用来签署 PKI 证书、软件代码和文档的密钥。


使用 HSM 可以帮助您保护您的私人代码签名密钥并避免像 HashiCorp 今年早些时候面临的暴露问题。4 月 22 日,HashiCorp 通知客户,他们用于签署官方产品下载和更新的 GPG 私钥由于第三方(Codecov)安全事件而暴露。


基本上,情况的症结在于未经授权的用户利用了一个漏洞,使他们能够从 Codecov 的持续集成 (CI) 环境中导出敏感数据。HashiCorp 的 CI 环境——其中包含公司的 GPG 私钥和其他“敏感机密”——属于暴露的 CI 环境。如果 HashiCorp 将他们的密钥存储在安全的 HSM 中而不是 CI 中,那么它就不会被暴露。


HSM 如何提高 IT 和数据安全性

HSM 在 PKI 和一般网络安全方面还有许多其他用途和用途。您可以使用 HSM 来:

  • 在整个生命周期内存储和保护您的所有加密密钥。HSM 通常是独立的网络连接设备,与您的服务器分开。这有助于在所有生命周期阶段(从生成一直到最终销毁或撤销)确保您的密钥安全。


  • 为您的 PKI 生成密码学强度最高的密钥。HSM 具有内置的真随机数生成器 (TRNG),可提供随机性和不可预测性。


  • 通过“归零”保护您的密钥的安全性。由于 HSM 是防篡改设备(适用于逻辑和物理攻击),它们的构建目的是擦除或销毁所有存储的加密数据以防止泄露。


  • 保护您组织的加密操作和服务。将这些功能(例如签署 PKI 证书、应用程序和文档)限制为仅在 HSM 的安全、独立环境中发生有助于防止密钥泄露。


  • 通过负载平衡提高服务器性能。HSM 设备是精简的独立设备,可以承担执行操作的责任,否则会使您的服务器陷入困境。一些 HSM 可以通过卸载加密操作来充当 Web 流量加速器。


  • 保护您的密钥免受可能导致妥协的不安全提取。“包装”或加密您的加密密钥,以防止以纯文本格式提取它们。


  • 保护您的开发、测试和生产环境的密钥。HSM 保护与您的内部生产和测试环境相关的软件和系统使用的私有 PKI 密钥,因此这些系统可以使用它们而无需直接访问它们。(注意:为每个环境使用单独的 HSM 以避免数据安全风险——切勿在多个环境中使用相同的 HSM)。


  • 确保遵守数据安全法规并简化审计流程。HSM 通常是经过验证的硬件组件,可确保合规性,因为它们符合特定的行业标准。他们还提供防篡改日志,通知您:

    • 他们用来执行什么加密操作


    • 执行这些操作的时间


    • 谁负责授权这些操作。


硬件安全模块选项:物理设备与基于云的 HSM

拥有安全加密存储选项对所有企业来说都很重要,尤其是当他们的需求随着业务的增长而发展时。好消息是 HSM 在物理尺寸和应用方面各不相同。一些 HSM 是小型插卡或 USB 设备,而其他 HSM 是公司存储在安全位置的大型外部设备和设备。


对于许多企业来说,硬件安全模块的成本可能非常高。SecurityToday.com 2018 年的一篇文章称,部署单个 HSM 的成本可能高达 40,000 美元,而且该价格不包括其他相关成本,例如额外的硬件、支持和维护。因此,自己做所有事情可能不是一个可行的选择。


但是,仅仅因为您的公司买不起这些设备中的一种或多种,并不意味着您仍然无法享受使用 HSM 的优势。一些供应商(例如 Thales 和 Amazon Web Services)现在提供基于云的 HSM 产品和服务。


在使用云 HSM 时,有几种不同的选择:

  • 租用存储在异地数据中心的专用物理 HSM 设备。


  • 付费访问 HSM 供应商的设备或设备的功能。


  • 为访问供应商的共享 HSM 中的虚拟环境付费。


这里的想法是,您不必购买需要在现场保护的昂贵物理设备,而是可以“租用”专用物理设备或支付访问由第三方供应商控制的功能的费用,成本更低.


正如您可以想象的那样,每种方法都有优点和缺点,但您最终需要决定哪种方法最适合您的组织或业务。请务必仔细阅读服务水平协议 (SLA),以确保它们是您所需要的。


当然,也有一种方法可以让你吃蛋糕——这意味着你可以使用 HSM,而无需购买或租用。当您与托管 PKI (mPKI) 服务提供商合作时,这是可能的。例如,DigiCert 是一个 mPKI 提供商,其平台是使用 HSM 构建的。当您使用他们的平台时,您可以在后端利用他们的安全 HSM,而无需购买或租用这种昂贵的硬件。


硬件安全模块与可信平台模块:HSM 和 TPM 是否相同?

如果您认为 HSM 听起来很像受信任的平台模块或 TPM,那么有几个很好的理由。

  • HSM 和 TPMS 都是防篡改硬件组件


  • 这两种设备都是硬件信任根的示例,可保护全球消费者和企业日常使用的服务和加密工具。


但是这两个设备是一样的吗?不可以。TPM 是单个设备中特定于设备的组件,而 HSM 是具有更广泛应用程序的外部设备,用于处理与组织网络中的许多或所有设备和应用程序相关的操作。


TPM 基本上是物理连接到各个设备主板的计算机芯片,以保护其 PKI 密钥,同时将它们与设备的 CPU 内存分开。它们有助于确保设备完整性并为设备的加密操作提供隔离环境。


另一方面,HSM 是不限于单个机器的硬件设备。它们旨在供您组织中的应用程序和服务器大规模使用。


谁使用 HSM,为什么它们对您组织的数字安全很重要?

美国国家标准与技术研究院 (NIST) 特别出版物“密钥管理建议:第 2 部分 — 密钥管理组织的最佳实践”(SP-800-57 第 2 部分,第 1 版)将硬件安全模块描述为关键的密钥管理组件。它们是使安全密钥存储和加密操作成为可能的物理基础设施的一部分。


几乎所有行业的组织都在使用 HSMS,其中一些包括:

  • 证书颁发机构(公共和私有 CA)

  • 政府和公共部门组织

  • 云服务提供商和供应商

  • 银行、信用卡公司和其他金融机构

  • 区块链平台和实体

  • 汽车制造商

  • 娱乐服务提供商

  • 物联网设备开发商和制造商


就行业而言,这是相当分散的,对吗?这种变化的部分原因是硬件安全模块有两种主要类型(我们将稍后探讨),用于组织的各种用途。 


HSM 做什么:组织环境中的 HSM 用例和应用程序

硬件安全模块通常用于安全地存储加密密钥和支付相关信息。然而,就当前和未来的应用而言,它们的用途跨越了整个领域。以下是您目前可以找到全球使用的 HSM 的一些方法:

  • 保护护照相关系统的数字身份

  • 保护根 CA 密钥(用于公共和私有 CA)

  • 验证用户身份信息

  • 在组织环境中实现大规模加密操作

  • 保护区块链签名中的根密钥

  • 为各个行业(汽车、制造、医疗设备和游戏机)的互联技术创建强大的证书

  • 保护流媒体服务的数字水印属性


两种类型的硬件安全模块:通用型HSM和支付型HSM

通用型硬件安全模块(HSM)

通用 HSM 是所有类型的组织用作其组织整体网络安全的一部分的那些。这些设备通常使用供应商中立的 API 来促进应用程序的通信和加密服务。这是因为通用 HSM 依赖于公钥加密标准 #11 (PKCS#11),这是一组标准,概述了应用程序和 HSM 如何为加密操作进行交互和通信。(这实现了不同制造商的应用程序和设备之间的互操作性。)


他们还必须满足地理或行业安全验证和可信度要求和标准,例如:

  • FIPS 140-2 验证要求。美国联邦机构必须使用符合 FIPS 140-2(理想情况下至少为 3 级)验证要求的设备。


  • 信息技术安全评估的通用标准 (CC)。通用标准是全球最广泛认可的 IT 安全产品标准之一。


  • eIDAS 保护配置文件 EN 419 221-5。这些法规可信度要求基于通用标准,并且是整个欧盟的许多政府实体所要求的。


  • HIPAA 安全规则。技术保障包括加密作为处理涵盖数据的组织的“可寻址”实施规范。尽管没有特别提到 HSM,但它们是保护加密和解密过程所需的私钥的最安全方法。


支付型硬件安全模块(HSM)

正如您可能从名称中猜到的那样,第二类 HSM 专注于支付行业并且更加专业。与通用 HSM 一样,支付 HSM 也是防篡改硬件组件,使企业能够存储和保护密钥和数据。但是,这些密钥与金融应用程序和交易相关,并执行存储客户 PIN 等工作。


支付 HSM 旨在满足许多不同的标准并使用各种接口。它们还需要与通用 HSM 对应的不同协议和认证,其中一些包括支付卡行业 PTS 硬件安全模块 (PCI PTS HSM)模块化安全要求和FIPS 140-2 验证要求(3 级或更高),以及各种区域安全要求。


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使用 HSM 保护 PKI 时要牢记的 5 个实用性

我们谈到了通用 HSM 在组织环境中的一些用途。现在,让我们探索一些实际应用。


1. 在第一天将 HSM 纳入您的私有 PKI

硬件安全模块提供基础安全性并信任您的 PKI 需求。这就是为什么它应该从一开始就成为您组织的公钥基础设施的一部分,而不是稍后才添加。(从技术上讲,您可以稍后将 HSM 添加到您的私有 PKI 架构中——但是,它确实需要大量额外的工作和配置,您可以通过将设备作为初始 PKI 的一部分来避免这些工作。)

  • 将密钥存储在服务器上的软件中会使这些敏感资产面临暴露和泄露的风险。

  • 在开始时使用 HSM 会创建一个安全记录,使您的 PKI 可审计。

  • 从一开始就结合 PKI 可为您的私有 CA 可扩展性提供有益于您成长中的组织。


2. 使您的身份验证工件和流程更安全

HSM 允许您存储组织的加密密钥并创建启用用户、设备和软件身份验证所需的 PKI 证书。此外,身份验证过程本身可以发生在 HSM 的内部环境中。这通过不需要直接访问、复制或移动密钥来保证密钥的安全。


3. 通过加密卸载提高服务器性能

您可以使用硬件安全模块进行加密卸载(例如 SSL/TLS)。SSL/TLS 卸载的目的是通过将这些功能转移到另一台设备(例如负载平衡器)来减轻您的 Web 服务器上因加密和解密流量而产生的负担。


如果您选择将私钥存储在 HSM 而不是 Web 服务器中,则可以将与该流量相关的加密功能转移到您的 HSM。


4. 加密可提取的加密密钥以提高安全性

开放 Web 应用程序安全项目 (OWASP) 的密钥管理备忘单指定,如果您选择离线或在 HSM 等设备中保护您的加密密钥,您应该使用密钥加密密钥或 KEK 对其进行加密。


5. 使用拥有自己HSM的mPKI 解决方案或服务

如果您想避免与私有 PKI 的 HSM 内部管理相关的成本和责任,请选择使用 HSM 构建平台的 mPKI 提供商。这样做可以让您的授权用户远程使用您组织的 HSM 存储的密钥,而无需访问或触摸这些密钥。例如,用户可以对 EV 代码签名证书进行签名,而无需承担手头可能丢失或被盗的单个令牌的必要风险。


最后的想法:要使 HSM 有效,您必须确保它们的安全

虽然 HSM 是出色的安全工具,但它们要求您采取措施确保它们(以及其中包含的密钥)的安全。这包括物理安全措施以及数字访问。


第一个方面需要将您的硬件安全模块存储在安全的物理位置(例如安全的数据中心或服务器机房)。您的 HSM 绝不应存储在未经授权的个人可以访问的开放或不安全的位置。  


HSM 需要强大的访问控制、策略和流程,以确保您的加密密钥安全并确保只有授权用户才能使用它。这样,未经授权的员工或邪恶的外部方(即网络犯罪分子)就不会使用您的加密密钥对您的数据、应用程序或证书进行数字签名。


还要确保监视您的 HSM 事件日志。这样,您就知道谁试图访问或使用您的加密密钥以及他们如何使用它们。


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