安全な暗号プロセッサ

セキュア暗号プロセッサは、暗号操作を実行するための専用のコンピュータ オン チップまたはマイクロプロセッサであり、複数の物理的セキュリティ対策を備えたパッケージに組み込まれているため、ある程度の改ざん耐性があります。セキュアな環境で復号化されたデータをバスに出力する暗号プロセッサとは異なり、セキュア暗号プロセッサは、セキュリティが常に維持されるとは限らない環境では復号化されたデータや復号化されたプログラム命令を出力しません。

安全な暗号プロセッサの目的は、セキュリティサブシステムの要として機能し、サブシステムの残りの部分を物理的なセキュリティ対策で保護する必要性をなくすことです。^[1]

ハードウェア セキュリティ モジュール( HSM) には、1 つ以上のセキュアな暗号プロセッサチップが含まれています。^{[2] [3] [4]}これらのデバイスは、エンタープライズ サーバーで使用される高品質のセキュアな暗号プロセッサです。ハードウェア セキュリティ モジュールは、シングル チップの暗号プロセッサを最も安全なコンポーネントとして、複数のレベルの物理的セキュリティを実現できます。暗号プロセッサは、暗号化された形式を除いて、バス上のキーまたは実行可能命令を公開せず、プローブまたはスキャンの試行によってキーをゼロにします。暗号チップは、暗号化されたデータを保存および処理する他のプロセッサやメモリ チップとともに、ハードウェア セキュリティ モジュール内に埋め込まれることもあります。埋め込みを解除しようとすると、暗号チップ内のキーがゼロになります。ハードウェア セキュリティ モジュールは、盗難、すり替え、改ざんを防ぐためにロックされた金庫内で動作するコンピューター ( ATMなど) の一部である場合もあります。

最新のスマートカードは、おそらく最も広く導入されているセキュア暗号プロセッサの形式ですが、より複雑で多用途のセキュア暗号プロセッサが、ATM、TVセットトップボックス、軍事用途、高セキュリティのポータブル通信機器などのシステムに広く導入されています。^{[要出典]一部のセキュア暗号プロセッサは、セキュリティ境界内で}Linuxなどの汎用オペレーティングシステムを実行することもできます。 暗号プロセッサは、プログラム命令を暗号化された形式で入力し、その命令をプレーンな命令に復号します。次に、そのプレーンな命令は、復号化された命令がアクセスできない形で保存されている同じ暗号プロセッサチップ内で実行されます。 暗号プロセッサは、復号化されたプログラム命令を決して明らかにしないことで、サブシステムのデータバスに正当にアクセスできる技術者によるプログラムの改ざんを防止します。これはバス暗号化として知られています。 暗号プロセッサによって処理されるデータも、頻繁に暗号化されます。

Trusted Platform Module (TPM) は、安全な環境を実現することで、信頼できるコンピューティングの概念を一般的なPCにもたらす、安全な暗号プロセッサの実装です。^{[引用が必要]}現在の TPM 実装は、改ざん防止ブート環境と、永続的および揮発性のストレージ暗号化を提供することに重点を置いています。

組み込みシステム用のセキュリティ チップも提供されており、スマートカード プロセッサや TPM と同じレベルのキーやその他の秘密資料の物理的保護を提供しますが、パッケージはより小型で、よりシンプルで、より安価です。^{[要出典]これらは暗号化}認証デバイスと呼ばれることが多く、周辺機器、アクセサリ、消耗品の認証に使用されます。TPM と同様に、これらは通常、システムに組み込むことを目的としたターンキー集積回路であり、通常は PC ボードにはんだ付けされます。

安全な暗号プロセッサで使用されるセキュリティ対策:

• 改ざん検出および改ざん防止機能を備えた封じ込め。
• チップ内の導電性シールド層により、内部信号の読み取りを防止します。
• タイミングの遅延によって秘密情報が漏洩するのを防ぐための制御された実行。
• 改ざんがあった場合に秘密情報を自動的にゼロ化します。
• オペレーティング システムをロードする前に認証する信頼チェーン ブートローダー。
• アプリケーション ソフトウェアをロードする前に認証する信頼チェーン オペレーティング システム。
• 一方向の権限分離モデルを実装するハードウェア ベースの機能レジスタ。

安全な暗号プロセッサは有用であるが、特に十分な装備と決意を持った敵（政府諜報機関など）がプロジェクトに十分なリソースを費やすことをいとわない場合、攻撃に対して無敵というわけではない。^{[5] [6]}

セキュアな暗号プロセッサに対する攻撃の 1 つは、IBM 4758をターゲットにしたものです。^[7]ケンブリッジ大学のチームは、数学と特殊な暗号解読ハードウェアを組み合わせて、IBM 4758 から秘密情報を抽出することに成功したと報告しました。ただし、この攻撃は、攻撃者がデバイスのすべての API 機能に完全にアクセスできる必要があったため、実際のシステムでは実用的ではありませんでした。通常および推奨される方法では、統合アクセス制御システムを使用して権限を分割し、1 人が攻撃を仕掛けられないようにします。^[要出典]

彼らが悪用した脆弱性は 4758 にロードされたソフトウェアの欠陥であり、4758 自体のアーキテクチャではありませんでしたが、彼らの攻撃は、セキュリティ システムの安全性は最も弱い部分によってのみ決まるということを思い出させてくれます。つまり、4758 ハードウェアの強力な部分も、ロードされたソフトウェアの設計と仕様の欠陥によって役に立たなくなってしまったのです。

スマートカードは物理的な攻撃を受けやすいため、非常に脆弱です。さらに、バックドア対策の設計方法に投資しない限り、ハードウェアバックドアによってスマートカードやその他の暗号プロセッサのセキュリティが損なわれる可能性があります。^[8]

フルディスク暗号化アプリケーションの場合、特にブート PINなしで実装されている場合、オペレーティングシステムがTPMから暗号鍵を取得した後にデータ残留を利用してメモリの内容をダンプできると、暗号プロセッサはコールドブート攻撃^[9]に対して安全ではなくなります。

ただし、機密データがすべて暗号プロセッサのメモリにのみ保存され、外部ストレージには保存されておらず、暗号プロセッサがチップのボンディング パッドまたははんだバンプ上のキーや復号化されたデータまたは暗号化されていないデータを明らかにできないように設計されている場合、そのような保護されたデータにアクセスするには、暗号プロセッサ チップからパッケージングと金属シールド層をすべて取り除いた後、暗号プロセッサ チップを調べる必要があります。これには、デバイスの物理的な所有と、ほとんどの技術者を超えるスキルと機器の両方が必要になります。

その他の攻撃方法としては、秘密値に応じて変化する可能性のあるさまざまな操作のタイミングを注意深く分析したり、電流消費と時間をマッピングして、「0」ビットと「1」ビットの内部処理方法の違いを特定したりします。また、攻撃者は、障害を誘発するために、極端な温度、極端に高いまたは低いクロック周波数、または仕様を超える電源電圧を適用することもあります。暗号プロセッサの内部設計は、これらの攻撃を防ぐためにカスタマイズできます。

一部のセキュア暗号プロセッサにはデュアルプロセッサコアが搭載されており、必要に応じてアクセスできない暗号化キーを生成するため、回路がリバースエンジニアリングされたとしても、暗号化されたフラッシュメモリから起動されたソフトウェアやコア間で通信されたソフトウェアを安全に復号化するために必要なキーは明らかになりません。^[10]

最初のシングルチップ暗号プロセッサ設計は、パーソナルコンピュータソフトウェアのコピー防止を目的としており（米国特許4,168,396、1979年9月18日参照）、ビル・ゲイツの愛好家への公開書簡に触発されたものである。

ハードウェア セキュリティ モジュール(HSM) は、安全な暗号プロセッサの一種であり、^{[3] [4]} 、エジプト系アメリカ人のエンジニアであるMohamed M. Atallaによって1972 年に発明されました。^[12]彼は、「Atalla Box」と呼ばれる高度なセキュリティ モジュールを発明しました。これは、PINとATMメッセージを暗号化し、推測不可能な PIN 生成キーを使用してオフライン デバイスを保護しました。^[13] 1972 年に、彼はそのデバイスの特許を申請しました。 ^{[14]彼はその年に}Atalla Corporation (現在のUtimaco Atalla )を設立し、^[12]翌年、「Atalla Box」を商品化し、^[13]正式には Identikey システムとなりました。^[15]これは、カード リーダーおよび顧客識別システムであり、カード リーダーコンソール、2 つの顧客PIN パッド、インテリジェント コントローラー、および組み込みの電子インターフェイス パッケージで構成されていました。^[15]顧客が秘密のコードを入力すると、デバイスがマイクロプロセッサを使用して、出納係用の別のコードに変換します。^[16]取引中に、顧客の口座番号がカードリーダーによって読み取られます。^[15]これは成功し、高セキュリティモジュールの広範な使用につながりました。^[13]

アタラが市場を独占することを恐れた銀行やクレジットカード会社は、1970年代に国際標準の策定に着手した。^[13] 1970年代後半に発売されたIBM 3624は、以前のアタラシステムと同様のPIN認証プロセスを採用した。^{[17]アタラは、銀行セキュリティ市場における}IBMの初期の競合相手であった。^{[14] [18]}

1976 年 1 月の全米相互貯蓄銀行協会 (NAMSB) 会議で、アタラは Identikey システムのアップグレード版である Interchange Identikey を発表しました。このアップグレードでは、オンライン取引の処理 とネットワーク セキュリティへの対応機能が追加されました。銀行取引のオンライン化に重点を置いて設計されたIdentikey システムは、共有施設の運用にまで拡張されました。このシステムは、さまざまなスイッチングネットワークと一貫性と互換性があり、カード データ情報によって指示された64,000 の不可逆な非線形アルゴリズムのいずれかに電子的にリセットすることができました。Interchange Identikey デバイスは、1976 年 3 月にリリースされました。^[16]その後 1979 年、アタラは最初のネットワーク セキュリティ プロセッサ(NSP) を発表しました。^[19]アタラの HSM 製品は、2013 年現在、毎日2 億5000 万件のカード取引を保護し、 ^[12] 2014 年現在、世界の ATM 取引の大部分を保護しています。^[11]  

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