基本介紹
- 中文名：硬體安全模組
- 領域：硬體
設計,安全性,使用,PKI套用場景 (證書頒發機構硬體),卡交易套用場景 (銀行硬體安全模組),SSL連結建立,DNSSEC,
設計
HSM提供篡改留證（tamper evidence/proof）、篡改抵抗（tamper evidence）兩種方式的防篡改功能，前者設計使得篡改行為會留下痕跡，後者設計使得篡改行為會令HSM銷毀密鑰一類的受保護信息。每種HSM都會包括一個或多個安全協處理器，用於阻止篡改或匯流排探測。
許多HSM系統提供可靠的密鑰備份機制，使機密數據可以通過智慧卡或其他設備安全地處理或轉移。
由於HSM通常是公鑰基礎設施（PKI）或網上銀行一類關鍵基礎設施的一部分，一般會同時使用多個HSM以實現高可用性。一些HSM具備雙電源、無需停機更換配件（如冷卻風扇）等設計，以確保在數據中心等環境中的高可用性要求。
少數HSM可以讓用戶在其內部處理器上運行專門開發的模組。在一些場景下，這種設計相當實用，例如用戶可以在這種安全、受控的環境下運行一些特殊的算法或者業務邏輯，哪怕攻擊者取得了計算機的完全控制許可權，存儲在HSM（連線到計算機）中的程式也無法被提取或篡改。一般HSM允許用戶使用C、.NET、Java等程式語言開發這種專用程式。值得注意的是，用戶自定義的程式與HSM本身的程式之間存在隔離，這使程式的存在不會影響到HSM本身的安全。
安全性
考慮到硬體安全模組（HSM）在應用程式與基礎設施的安全中扮演的關鍵角色，此類密碼學模組通常都會經過Common Criteria、FIPS 140等受到國際承認的認證。這將為用戶提供產品設計與實現上的保障，同時確保相應的密碼學算法能按預期方式正確工作。FIPS 140安全認證最高認證等級為Level 4（整體），僅有極少數HSM成功通過這一等級的認證，大部分設備處於Level 3等級。
使用
硬體安全模組可在任何涉及到密鑰的場景下使用。通常來說，這些密鑰具有較高的價值，一旦泄露會導致嚴重的後果。
硬體安全模組的功能通常包括：
- 板載密碼學安全密鑰生成
- 板載密碼學安全密鑰存儲與管理
- 加密且敏感資料的使用
HSM也用於資料庫透明加密的密鑰管理。
對於密鑰在內的敏感信息，HSM同時提供邏輯層面與物理層面的保護，以防止未經授權的訪問或者可能的入侵。
儘管HSM主要用於處理公鑰密碼學使用的密鑰對（可能以數字證書的形式存在，如X.509格式證書），一些情況下也處理對稱密碼學使用的對稱密鑰或者任意類型的數據。
PKI套用場景 (證書頒發機構硬體)
在PKI場景下，證書頒發機構（CA）及註冊機構（RA）可能使用HSM生成、儲存、使用密鑰對。此時，設備必須具備以下的基本特性：
- 高等級的邏輯及物理安全保護
- 需要多用戶同時參與的授權方案 (參見Blakley-Shamir方案)
- 日誌記錄及審計
- 密鑰安全備份
另一方面，由於線上或線下的PKI操作一般都需要註冊機構人工審核（DV驗證除外），處理速度瓶頸在於人工流程，因此該場景下設備性能相對次要。
卡交易套用場景 (銀行硬體安全模組)
用於卡交易系統的HSM一般會比用於CA的HSM更加輕量，同時通常也不會提供標準API。此類設備主要可被分為以下兩類：
ATM、POS終端中的HSM用於：
- 當用戶使用卡時，加密輸入的PIN碼
- 載入密鑰到受保護的記憶體區域
授權與自定義模組用於：
- 使用線上數據驗證加密的PIN數據塊
- 與ATM控制器共同使用，以便通過檢查CVV2碼或調用EMV卡內組件，驗證借記卡/信用卡的交易合法性
- 支持智慧卡（例如EMV卡）的安全操作API
- 重複加密PIN數據塊以便傳送至其它授權設備
- 支持POS ATM網路管理協定
- 支持基於de facto標準的設備間密鑰/數據交換API
- 生成並列印包含PIN的密碼卡
- 生成磁條卡數據 (PVV,CVV)
- 生成卡密鑰集並支持智慧卡的自定義處理過程
PCI安全標準委員會是負責制定並維護卡交易系統HSM標準的主要機構。
SSL連結建立
需要使用HTTPS（SSL/TLS）的性能敏感套用，通過使用帶SSL加速功能的HSM, 可以獲得一定的性能提升。SSL的RSA操作需要進行大整數乘法等操作，不同於通用CPU，HSM通過針對這些操作的特化設計，能以更高的效率完成這些操作。一般HSM每秒可完成1~10,000次的1024位RSA操作。隨著RSA密鑰長度不斷增加，因此而導致的速度下降已經成為一個重要問題。對此，有些HSM已經支持同等安全程度僅需更短密鑰的橢圓曲線密碼學（ECC） 。特定型號的HSM的操作速度已經可以達到20,000次每秒。
DNSSEC
越來越多的域名註冊商開始使用HSM來存儲簽名DNS區域檔案使用的密鑰。OpenDNSSEC是一個可在HSM環境下管理DNS區域檔案簽名的開源工具。
