ハードウェアセキュリティモジュール

ハードウェアセキュリティモジュール（HSM ）は、秘密（最も重要なのはデジタルキー）を保護および管理し、デジタル署名、強力な認証、その他の暗号化機能の暗号化と復号化を実行する物理的なコンピューティングデバイスです。^{[1]これらのモジュールは、従来、プラグインカードまたは}コンピューターまたはネットワークサーバーに直接接続する外部デバイスの形で提供されています。ハードウェアセキュリティモジュールには、1つ以上の安全な暗号プロセッサチップが含まれています。^[2]^[3]

デザイン

HSM には、改ざんの目に見える兆候やログ記録と警告などの改ざんの証拠を提供する機能、HSM を動作不能にすることなく改ざんを困難にする耐改ざん性、または改ざん検出時にキーを削除するなどの改ざん応答性がある場合があります。^{[4]各モジュールには、改ざんや}バスプロービングを防止するための1 つ以上の安全な暗号プロセッサチップ、または改ざん証拠、耐改ざん性、または改ざん応答性のパッケージで保護されたモジュール内のチップの組み合わせが含まれています。既存の HSM の大部分は、主に秘密キーを管理するように設計されています。多くの HSM システムには、処理するキーを HSM の外部に安全にバックアップする手段があります。キーはラップされた形式でバックアップされ、コンピューターディスクまたはその他のメディアに保存されるか、スマートカードやその他のセキュリティトークンなどの安全なポータブルデバイスを使用して外部に保存されます。^[^要出典^]

HSM は重要なインフラストラクチャにおけるリアルタイムの認可と認証に使用されるため、通常はクラスタリング、自動フェイルオーバー、冗長な現場交換可能コンポーネントなどの標準的な高可用性モデルをサポートするように設計されています。

市場で入手可能な HSM のいくつかは、HSM の安全なエンクロージャ内で特別に開発されたモジュールを実行する機能を備えています。このような機能は、たとえば、特別なアルゴリズムやビジネスロジックを安全で制御された環境で実行する必要がある場合に役立ちます。モジュールは、ネイティブC 言語、.NET、Java、またはその他のプログラミング言語で開発できます。

認証

アプリケーションとインフラストラクチャのセキュリティ保護において重要な役割を果たすため、汎用 HSM および/または暗号モジュールは、通常、Common Criteria (例: Protection Profile EN 419 221-5、「Cryptographic Module for Trust Services」を使用) またはFIPS 140 (現在は第 3 バージョン、FIPS 140-3 と呼ばれることが多い) などの国際的に認められた標準に従って認定されています。取得可能なFIPS 140セキュリティ認定の最高レベルはセキュリティレベル 4 ですが、ほとんどの HSM はレベル 3 認定を受けています。Common Criteria システムでは、最高の EAL (評価保証レベル) は EAL7 で、ほとんどの HSM は EAL4+ 認定を受けています。金融決済アプリケーションで使用される場合、HSM のセキュリティは、Payment Card Industry Security Standards Councilによって定義された HSM 要件に照らして検証されることがよくあります。^[5]

用途

ハードウェアセキュリティモジュールは、デジタルキーを使用するあらゆるアプリケーションで使用できます。通常、キーの価値は高いため、キーが侵害された場合、キーの所有者に重大な悪影響が生じます。

HSM の機能は次のとおりです。

オンボードの安全な暗号鍵生成、
少なくとも最上位レベルの最も機密性の高い鍵（マスターキーと呼ばれることが多い）については、オンボードの安全な暗号鍵ストレージを使用する。
鍵管理、
暗号化および機密データ素材の使用、例えば、復号化またはデジタル署名機能の実行、
管理されていた暗号化データやその他の機密データ資料をオンボードで安全に削除します。

HSM は、データベースの透過的なデータ暗号化キーや、ディスクやテープなどのストレージデバイスのキーを管理するためにも導入されています。^{[引用が必要]}

一部のHSMシステムはハードウェア暗号化アクセラレータでもあります。通常、対称キー操作ではハードウェアのみのソリューションのパフォーマンスに勝るものはありません。ただし、1秒あたり1〜10,000の1024ビットRSA署名のパフォーマンス範囲により、HSMは非対称キー操作のCPU負荷を大幅に軽減できます。米国国立標準技術研究所（NIST）は2010年から2,048ビットRSAキーの使用を推奨しているため、^[6]より長いキーサイズでのパフォーマンスが重要になっています。この問題に対処するため、ほとんどのHSMは現在、より短いキー長でより強力な暗号化を実現する楕円曲線暗号（ECC）をサポートしています。

PKI 環境 (CA HSM)

PKI環境では、認証局(CA) と登録局(RA)が HSM を使用して非対称キーペアを生成、保存、処理することがあります。このような場合、デバイスには次のような基本的な機能が必要です。

論理的かつ物理的な高レベルの保護
マルチパートユーザー認証スキーマ（秘密共有を参照）
完全な監査とログトレース
安全なキーのバックアップ

一方、登録機関の手順がインフラストラクチャのパフォーマンスのボトルネックとなるため、PKI 環境でのデバイスのパフォーマンスは、オンライン操作とオフライン操作の両方において、一般的にそれほど重要ではありません。

カード決済システム HSM (銀行 HSM)

特殊な HSM は、ペイメントカード業界で使用されています。HSM は、汎用機能と、トランザクションの処理および業界標準への準拠に必要な特殊な機能の両方をサポートします。通常、標準API は備えていません。

一般的なアプリケーションは、トランザクションの承認と支払いカードのパーソナライズであり、次のような機能が必要です。

ユーザーが入力したPINがカード発行会社が知っている参照PINと一致することを確認する
カードのセキュリティコードをチェックしたり、ATM コントローラやPOS 端末と連携してEMVベースのトランザクションのホスト処理コンポーネントを実行したりして、クレジット/デビットカードのトランザクションを検証します。
スマートカード（ EMVなど）による暗号APIをサポートする
PINブロックを再暗号化して別の認証ホストに送信する
安全な鍵管理を実行する
POS ATMネットワーク管理のプロトコルをサポートする
ホスト間キーのデファクトスタンダードをサポート | データ交換 API
「PINメーラー」を生成して印刷する
磁気ストライプカードのデータを生成する（PVV、CVV）
カードキーセットを生成し、スマートカードのパーソナライゼーションプロセスをサポートします。

銀行市場における HSM の標準を作成および維持する主要な組織は、Payment Card Industry Security Standards Council、ANS X9、およびISOです。

SSL接続の確立

HTTPS ( SSL / TLS )を使用する必要があるパフォーマンスが重要なアプリケーションでは、通常複数の大きな整数乗算を必要とするRSA操作をホストCPUからHSMデバイスに移動することにより、SSLアクセラレーションHSMの使用によるメリットが得られます。一般的なHSMデバイスは、1秒あたり約1～10,000回の1024ビットRSA操作を実行できます。^[7]^[8]より長いキーサイズでのパフォーマンスがますます重要になっています。

ドメイン名

大規模なゾーンファイルの署名に使用されるキーマテリアルを保存するために HSM を使用するレジストリが増えています。OpenDNSSECは、 DNSゾーンファイルの署名を管理するオープンソースツールです。

2007年1月27日、ICANNとVerisignは米国商務省の支援を受けて、 DNSルートゾーンにDNSSECを導入し始めました。^[9]ルート署名の詳細については、ルートDNSSECのWebサイトをご覧ください。^[10]

ブロックチェーンとHSM

ブロックチェーン技術は暗号化操作に依存しています。非対称暗号化を使用するブロックチェーンプロセスのセキュリティを維持するには、秘密鍵を保護することが不可欠です。秘密鍵は、多くの場合、画像のハードウェアウォレットのような暗号通貨ウォレットに保存されます。

HSMとブロックチェーンの相乗効果はいくつかの論文で言及されており、例えばブロックチェーン駆動型モビリティソリューションなどの文脈において、秘密鍵の保護と身元の検証における役割が強調されている。^[11]^[12]

参照

注釈と参考文献

^ Sommerhalder, Maria (2023), Mulder, Valentin; Mermoud, Alain; Lenders, Vincent; Tellenbach, Bernhard (編)、「ハードウェアセキュリティモジュール」、データ保護と暗号化テクノロジの動向、Cham: Springer Nature Switzerland、pp. 83–87、doi : 10.1007/978-3-031-33386-6_16、ISBN 978-3-031-33386-6
^ Ramakrishnan, Vignesh; Venugopal, Prasanth; Mukherjee, Tuhin (2015). Proceedings of the International Conference on Information Engineering, Management and Security 2015: ICIEMS 2015. Association of Scientists, Developers and Faculties (ASDF). p. 9. ISBN 9788192974279。
^ グレッグ、マイケル (2014)。CASP CompTIA 高度セキュリティ実践者学習ガイド: 試験 CAS-002。ジョンワイリー & サンズ。p. 246。ISBN 9781118930847。
^ 「電子改ざん検出スマートメーターリファレンスデザイン」。フリースケール。 2015年5月26日閲覧。
^ 「公式 PCI セキュリティ標準協議会サイト - PCI コンプライアンスの確認、データセキュリティおよびクレジットカードセキュリティ標準のダウンロード」www.pcisecuritystandards.org 。2018年 5 月 1 日閲覧。
^ 「移行：暗号化アルゴリズムとキーの長さの使用の移行に関する推奨事項」。NIST。2011 年 1 月。2011 年3 月 29 日閲覧。
^ F. Demaertelaere. 「ハードウェアセキュリティモジュール」(PDF) 。Atos Worldline。2015年 9 月 6 日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。2015 年5 月 26 日閲覧。
^ 「24時間以内に2億枚の証明書を発行する準備 - Let's Encrypt」。Let 's Encrypt 。 2021年5月19日閲覧。
^ 「ICANN、ルートゾーンのパブリック DNSSEC テスト計画を開始」www.circleid.com 。2015 年 8 月 17 日閲覧。
^ ルート DNSSEC
^ Shbair, Wazen M.; Gavrilov, Eugene; State, Radu (2021 年 5 月)。「Ethereum ブロックチェーン向け HSM ベースのキー管理ソリューション」。2021 IEEE ブロックチェーンおよび暗号通貨に関する国際会議 ( ICBC)。pp. 1–3。doi :10.1109/ ICBC51069.2021.9461136。ISBN 978-1-6654-3578-9. S2CID 235637476. 2022年7月6日にオリジナルからアーカイブ。2023年8月13日閲覧。
^ ドミニク・ピルカー、トーマス・フィッシャー、ハラルド・ウィッチニグ、クリスチャン・シュテガー（2021年1月）。「Velink - ERC-721トークンを利用した民間および商用車向けのブロックチェーンベースの共有モビリティプラットフォーム」。2021 IEEE第5回暗号化、セキュリティ、プライバシーに関する国際会議（CSP）。pp. 62–67。doi ：10.1109 /CSP51677.2021.9357605。ISBN 978-1-7281-8621-4. S2CID 232072116。