Ein HSM im PCIe- Format

Ein Hardware-Sicherheitsmodul ( HSM ) ist ein physisches Computergerät, das Geheimnisse (insbesondere digitale Schlüssel ) schützt und verwaltet sowie Verschlüsselungs- und Entschlüsselungsfunktionen für digitale Signaturen , starke Authentifizierung und andere kryptografische Funktionen durchführt. [ 1 ] Diese Module sind üblicherweise als Steckkarte oder externes Gerät erhältlich, das direkt an einen Computer oder Netzwerkserver angeschlossen wird . Ein Hardware-Sicherheitsmodul enthält einen oder mehrere sichere Kryptoprozessorchips . [ 2 ] [ 3 ]

Design

HSMs können Funktionen zur Erkennung von Manipulationen aufweisen, wie z. B. sichtbare Anzeichen von Manipulationen oder Protokollierung und Alarmierung, oder Manipulationsresistenz, die Manipulationen erschwert, ohne das HSM funktionsunfähig zu machen, oder Manipulationsreaktionsfähigkeit, wie z. B. das Löschen von Schlüsseln bei Erkennung einer Manipulation. [ 4 ] Jedes Modul enthält einen oder mehrere sichere Kryptoprozessorchips, um Manipulationen und Bus-Probing zu verhindern , oder eine Kombination von Chips in einem Modul, das durch die manipulationssichere, manipulationsresistente oder manipulationsreaktive Verpackung geschützt ist. Die meisten bestehenden HSMs sind hauptsächlich für die Verwaltung geheimer Schlüssel ausgelegt. Viele HSM-Systeme verfügen über Möglichkeiten, die von ihnen verwalteten Schlüssel außerhalb des HSM sicher zu sichern. Schlüssel können in verschlüsselter Form gesichert und auf einer Computerfestplatte oder anderen Medien gespeichert oder extern mithilfe eines sicheren tragbaren Geräts wie einer Smartcard oder eines anderen Sicherheitstokens gesichert werden . [ 5 ]

HSMs werden zur Echtzeit-Autorisierung und -Authentifizierung in kritischen Infrastrukturen eingesetzt und sind daher typischerweise so konstruiert, dass sie Standardmodelle für hohe Verfügbarkeit unterstützen, einschließlich Clustering , automatisiertem Failover und redundanten, vor Ort austauschbaren Komponenten .

Einige der am Markt erhältlichen HSMs (Heat-Site Modules) können speziell entwickelte Module innerhalb ihrer sicheren Umgebung ausführen. Dies ist beispielsweise dann nützlich, wenn spezielle Algorithmen oder Geschäftslogik in einer sicheren und kontrollierten Umgebung ausgeführt werden müssen. Die Module können in nativem C , .NET, Java oder anderen Programmiersprachen entwickelt werden.

Zertifizierung

Aufgrund ihrer entscheidenden Rolle bei der Sicherung von Anwendungen und Infrastrukturen werden universelle HSMs und/oder die kryptografischen Module üblicherweise nach international anerkannten Standards wie Common Criteria (z. B. gemäß Schutzprofil EN 419 221-5, „Kryptografisches Modul für Vertrauensdienste“) oder FIPS 140 (derzeit Version 3, oft als FIPS 140-3 bezeichnet) zertifiziert. Obwohl die höchste erreichbare Sicherheitsstufe nach FIPS 140 Sicherheitsstufe 4 ist, verfügen die meisten HSMs über eine Zertifizierung nach Stufe 3. Im Common-Criteria-System ist die höchste EAL-Stufe (Evaluation Assurance Level) EAL7; die meisten HSMs sind EAL4+-zertifiziert. Bei der Verwendung in Finanzzahlungsanwendungen wird die Sicherheit eines HSM häufig anhand der vom Payment Card Industry Security Standards Council (PCI SSC) definierten HSM-Anforderungen validiert . [ 6 ]

Verwendung

Ein Hardware-Sicherheitsmodul kann in jeder Anwendung eingesetzt werden, die digitale Schlüssel verwendet. Typischerweise sind diese Schlüssel von hohem Wert – das heißt, eine Kompromittierung hätte erhebliche negative Auswirkungen für den Schlüsselbesitzer.

Die Funktionen eines HSM sind:

  • Sichere kryptografische Schlüsselerzeugung an Bord,
  • Sichere Speicherung kryptografischer Schlüssel an Bord, zumindest für die wichtigsten und sensibelsten Schlüssel, die oft als Hauptschlüssel bezeichnet werden.
  • Schlüsselmanagement
  • Verwendung von kryptografischem und sensiblem Datenmaterial, beispielsweise zur Durchführung von Entschlüsselungs- oder digitalen Signaturfunktionen,
  • Sichere Löschung von kryptografischen und anderen sensiblen Daten, die von dem System verwaltet wurden, an Bord.

HSMs werden auch zur Verwaltung transparenter Datenverschlüsselungsschlüssel für Datenbanken und Schlüssel für Speichermedien wie Festplatten oder Bänder eingesetzt .

Einige HSM-Systeme fungieren auch als Hardware - Beschleuniger für kryptografische Operationen. Bei symmetrischen Schlüsseloperationen erreichen sie in der Regel nicht die Leistung reiner Hardwarelösungen. Mit einer Leistung von 1 bis 10.000 1024-Bit- RSA -Signaturen pro Sekunde können HSMs jedoch die CPU bei asymmetrischen Schlüsseloperationen erheblich entlasten. Da das National Institute of Standards and Technology (NIST) ab 2010 die Verwendung von 2048-Bit-RSA-Schlüsseln empfiehlt [ 7 ] , ist die Leistung bei längeren Schlüssellängen wichtiger geworden. Um diesem Problem zu begegnen, unterstützen die meisten HSMs mittlerweile Elliptische-Kurven-Kryptografie (ECC), die eine stärkere Verschlüsselung mit kürzeren Schlüssellängen ermöglicht.

PKI-Umgebung (CA HSMs)

In PKI- Umgebungen können HSMs von Zertifizierungsstellen (CAs) und Registrierungsstellen (RAs) zur Generierung, Speicherung und Verwaltung asymmetrischer Schlüsselpaare verwendet werden. In diesen Fällen muss ein Gerät einige grundlegende Merkmale aufweisen, nämlich:

  • Logischer und physischer Schutz auf höchstem Niveau
  • Mehrteiliges Benutzerautorisierungsschema (siehe Geheimnisverteilung )
  • Vollständige Audit- und Protokollaufzeichnungen
  • Sichere Schlüsselsicherung

Andererseits ist die Geräteperformance in einer PKI-Umgebung im Allgemeinen weniger wichtig, sowohl im Online- als auch im Offline-Betrieb, da die Registrierungsstellenverfahren den Performance-Engpass der Infrastruktur darstellen.

HSMs für Kartenzahlungssysteme (Bank-HSMs)

In der Zahlungskartenindustrie werden spezialisierte HSMs eingesetzt. Diese unterstützen sowohl allgemeine Funktionen als auch spezielle Funktionen, die für die Transaktionsverarbeitung und die Einhaltung von Branchenstandards erforderlich sind. Sie verfügen üblicherweise nicht über eine standardisierte API .

Typische Anwendungsbereiche sind die Autorisierung von Transaktionen und die Personalisierung von Zahlungskarten, wofür Funktionen wie die folgenden erforderlich sind:

  • überprüfen, ob die vom Benutzer eingegebene PIN mit der dem Kartenaussteller bekannten Referenz-PIN übereinstimmt
  • Kredit-/Debitkartentransaktionen können durch Überprüfung der Kartensicherheitscodes oder durch Durchführung von Host-Verarbeitungskomponenten einer EMV -basierten Transaktion in Verbindung mit einem Geldautomatencontroller oder POS-Terminal verifiziert werden.
  • Unterstützung einer Krypto-API mit einer Smartcard (z. B. einer EMV-Karte )
  • Einen PIN-Block neu verschlüsseln, um ihn an einen anderen Autorisierungshost zu senden
  • Sichere Schlüsselverwaltung durchführen
  • Unterstützung eines Protokolls für das POS-Geldautomatennetzwerkmanagement
  • Unterstützung der De-facto-Standards für Host-zu-Host-Schlüssel- und Datenaustausch-API
  • einen „PIN-Mailer“ erstellen und drucken
  • Daten für eine Magnetstreifenkarte generieren (PVV, CVV )
  • Generieren eines Kartenschlüsselsatzes und Unterstützen des Personalisierungsprozesses für Smartcards

Die wichtigsten Organisationen, die Standards für HSMs im Bankensektor erstellen und pflegen, sind der Payment Card Industry Security Standards Council , ANS X9 und ISO .

SSL-Verbindungsaufbau

Leistungskritische Anwendungen, die HTTPS ( SSL / TLS ) verwenden müssen, profitieren von einem SSL-Beschleunigungs-HSM, da die RSA-Operationen, die typischerweise mehrere große Ganzzahlmultiplikationen erfordern, von der Host-CPU auf das HSM-Gerät verlagert werden. Typische HSM-Geräte können etwa 1 bis 10.000 1024-Bit-RSA-Operationen pro Sekunde ausführen. [ 8 ] [ 9 ] Die Leistung bei längeren Schlüssellängen gewinnt zunehmend an Bedeutung.

DNSSEC

Immer mehr Registrierungsstellen verwenden HSMs zur Speicherung des Schlüsselmaterials, das zum Signieren großer Zonendateien verwendet wird . OpenDNSSEC ist ein Open-Source-Tool zur Verwaltung der Signierung von DNS- Zonendateien .

Am 27. Januar 2007 begannen ICANN und Verisign mit Unterstützung des US-Handelsministeriums mit der Einführung von DNSSEC für DNS-Root-Zonen . [ 10 ] Details zur Root-Signatur finden Sie auf der Website von Root DNSSEC. [ 11 ]

Blockchain und HSMs

Eine quantenfähige Hardware-Wallet für Kryptowährungen

Die Blockchain- Technologie basiert auf kryptografischen Operationen. Der Schutz privater Schlüssel ist unerlässlich, um die Sicherheit von Blockchain-Prozessen zu gewährleisten, die asymmetrische Kryptografie nutzen. Die privaten Schlüssel werden häufig in einer Kryptowährungs-Wallet, wie der abgebildeten Hardware-Wallet, gespeichert.

Die Synergie zwischen HSMs und Blockchain wird in mehreren Publikationen erwähnt, wobei deren Rolle bei der Sicherung privater Schlüssel und der Identitätsprüfung, beispielsweise in Kontexten wie Blockchain-basierten Mobilitätslösungen, hervorgehoben wird. [ 12 ] [ 13 ]

Automotive HSMs

Automotive Hardware Security Modules (HSMs) sind eingebettete kryptografische Koprozessoren, die in elektronische Steuergeräte (ECUs) integriert sind , um fahrzeuginterne Systeme und Kommunikationsbusse vor Manipulation und Missbrauch zu schützen. [ 14 ]

Sie fungieren als Hardware- Vertrauensanker, indem sie kryptografische Schlüssel sicher generieren und speichern und sicherheitskritische Operationen wie sicheres Booten , Verschlüsselung, Entschlüsselung, Authentifizierung und Attestierung auslagern. [ 14 ] [ 15 ]

In modernen Steuergerätedesigns (ECUs) gehören HSMs zu den Hardware-Bausteinen, die neben sicheren Elementen, Trusted Platform Modules (TPMs) , One-Time Programmable Memorys (OTP), Read-Only Memorys (ROM) und Physical Unclonable Functions (PUFs) eine Hardware-Vertrauensbasis bilden können. Ihre Verwendung bietet dedizierte Hardwareunterstützung für kryptografische Operationen, bringt aber auch Kompromisse hinsichtlich Chipfläche, Stromverbrauch und Latenz mit sich. Daher werden sie typischerweise in mittelgroße und große Automotive-Domain-Controller integriert und nicht in kleinste Mikrocontroller. [ 15 ]

Automotive HSMs werden typischerweise von dedizierter Firmware und Softwarekomponenten begleitet, die den Zugriff auf kryptografische Dienste verwalten. Dazu gehören HSM-Firmware, sichere Bootloader, kryptografische Bibliotheken und Middleware, die dem Betriebssystem und der Anwendungssoftware Sicherheitsdienste bereitstellen. [ 16 ] In AUTOSAR -basierten Systemen kann die HSM-Firmware mit standardisierten Dienstschichten interagieren, um Anwendungen kryptografische Operationen zu ermöglichen. [ 17 ]

Siehe auch

Anmerkungen und Verweise

  1. ^ Sommerhalder, Maria (2023), „Hardware Security Module“, in: Mulder, Valentin; Mermoud, Alain; Lenders, Vincent; Tellenbach, Bernhard (Hrsg.), Trends in Data Protection and Encryption Technologies , Cham: Springer Nature Switzerland, S.  83–87 , doi : 10.1007/978-3-031-33386-6_16 , ISBN 978-3-031-33386-6
  2. ^ 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). S. 9. ISBN 9788192974279Die
  3. ^ Gregg, Michael (2014). CASP CompTIA Advanced Security Practitioner Study Guide: Exam CAS-002 . John Wiley & Sons . S. 246. ISBN 9781118930847Die
  4. ^ „Referenzdesign für intelligente Stromzähler mit elektronischer Manipulationserkennung“ . freescale. Archiviert vom Original am 14. Juni 2015. Abgerufen am 26. Mai 2015 .
  5. ^ „YubiHSM 2: Backup und Wiederherstellung – YubiHSM 2 Benutzerhandbuch“ . docs.yubico.com . Abgerufen am 19. Mai 2025 .
  6. ^"Official PCI Security Standards Council Site - Verify PCI Compliance, Download Data Security and Credit Card Security Standards". www.pcisecuritystandards.org. Archived from the original on 2 September 2019. Retrieved 1 May 2018.
  7. ^"Transitions: Recommendation for Transitioning the Use of Cryptographic Algorithms and Key Lengths". NIST. January 2011. Archived from the original on 1 May 2018. Retrieved 29 March 2011.
  8. ^F. Demaertelaere. "Hardware Security Modules"(PDF). Atos Worldline. Archived from the original(PDF) on 6 September 2015. Retrieved 26 May 2015.
  9. ^"Preparing to Issue 200 Million Certificates in 24 Hours - Let's Encrypt". Let's Encrypt. 10 February 2021. Archived from the original on 19 March 2022. Retrieved 19 May 2021.
  10. ^"ICANN Begins Public DNSSEC Test Plan for the Root Zone". www.circleid.com. Archived from the original on 23 September 2015. Retrieved 17 August 2015.
  11. ^"Root DNSSEC". Archived from the original on 10 September 2017. Retrieved 17 August 2015.
  12. ^Shbair, Wazen M.; Gavrilov, Eugene; State, Radu (May 2021). "HSM-based Key Management Solution for Ethereum Blockchain". 2021 IEEE International Conference on Blockchain and Cryptocurrency (ICBC). pp. 1–3. doi:10.1109/ICBC51069.2021.9461136. ISBN 978-1-6654-3578-9. S2CID 235637476. Archived from the original on 6 July 2022. Retrieved 13 August 2023.
  13. ^Pirker, Dominic; Fischer, Thomas; Witschnig, Harald; Steger, Christian (January 2021). "Velink - A Blockchain-based Shared Mobility Platform for Private and Commercial Vehicles utilizing ERC-721 Tokens". 2021 IEEE 5th International Conference on Cryptography, Security and Privacy (CSP). pp. 62–67. doi:10.1109/CSP51677.2021.9357605. ISBN 978-1-7281-8621-4. S2CID 232072116.
  14. ^ a b Marko Wolf und Timo Gendrullis (2009). Design, Implementation, and Evaluation of a Vehicular Hardware Security Module (PDF) .
  15. ^ a b Luis Cunha, João Sousa, José Azevedo, Sandro Pinto und Tiago Gomes (27. Mai 2025). „Sicherheit zuerst, Schutz danach: Eingebettete Sensoren der nächsten Generation für autonome Fahrzeuge“ . Electronics . 14 .{{cite journal}}: CS1 Wartung: Mehrere Namen: Autorenliste ( Link )
  16. ^ Claudius Pott, Philipp Jungklass, David Jacek Csejka, Thomas Eisenbarth und Marco Siebert (30. April 2021). „Firmware-Sicherheitsmodul“ . Hardware- und Systemsicherheit . 5 .{{cite journal}}: CS1 Wartung: Mehrere Namen: Autorenliste ( Link )
  17. ^ Nagarjuna Rao Kandimala und Michal Sojka (15. November 2012). Sicherheitsfunktionen in AUTOSAR (PDF) .