نقش شتاب سخت افزار در رمزگذاری

الگوریتم های رمزگذاری به طور محاسباتی فشرده هستند، به ویژه هنگامی که حجم زیادی از داده ها یا پردازش هزاران تراکنش در ثانیه انجام می شود، میکروپرپرندگان مدرن شتاب دهنده های سخت افزاری اختصاصی را برای بارگیری عملیات رمزنگاری از CPU، کاهش تأخیر و مصرف انرژی در حالی که به طور قابل توجهی بهبود می یابد این پشتیبانی سطح سخت افزار برای برنامه های زمان واقعی مانند کنفرانس ویدئویی، مرور امن وب (STL)، رمزگذاری کامل و در محیط های داده های رمزگذاری ابر ضروری است.

AES-NI و دستورالعمل های مرتبط

دستورالعمل های پیشرفته رمزگذاری استاندارد اینتل (AES-NI) یکی از ویژگی های شتاب سخت افزاری به طور گسترده در پردازنده های x86 است که در سال 2010 معرفی شد، AES-NI شش دستورالعمل جدید را ارائه می دهد که دستورالعمل های AES را اجرا می کند - رمزگذاری، رمزگشایی و توسعه کلیدی - در یک چرخه ساعت، نشان می دهد که AES-NI می تواند عملیات AES را با یک عامل پیاده سازی استاندارد 10، سرعت بخشد.

فراتر از AES، اینتل همچنین افزونه های SHA (SHA-NI) را برای توابع هش مورد استفاده در بررسی های یکپارچگی و امضاهای دیجیتال ارائه می دهد.انتشار Crypto Extension ARMv8-A) شامل پشتیبانی سخت افزاری مشابه از AES، SHA-1، SHA-256 و محاسبه ماژولار برای عملیات عمومی کلید است. RISC-V، به طور فزاینده ای در دستگاه های IoT و لبه استفاده می شود، دارای یک مشخصات گسترده رمزنگاری (سرعت اولیه) و هشی است.

ژنراتورهای عددی تصادفی (HRNGs)

تمام پروتکل های رمزنگاری به اعداد تصادفی غیر قابل پیش بینی برای نسل کلیدی، Nonces و بردارهای اولیه (IPLT:2) مبتنی بر نرم افزار، ژنراتورهای عددی شبه-random (PRNGs) به دستورالعمل های پیش بینی کننده آسیب پذیر هستند، اگر به درستی بذر نکنند، گاهی اوقات به عنوان ژنراتورهای عددی تصادفی واقعی (TRNG)، برداشت از پدیده های فیزیکی مانند سر و صدا حرارتی، ساعت مثلث، یا نمونه های کوانتومی (F پیش بینی شده به طور مستقیم با استفاده از مقادیر پایین از مقادیر پایین از مقادیر پایین از مقادیر پایین از مقادیر پایین از مقادیر عددی = 90-F-F-F-F-F-F-F-F-F-F-F-F-F-F-F-F-F-F-F-F-F-F-F-F-F-F-F-F-F-F پیش بینی شده است.

محیط های امن (TEEs)

یک تغییر اساسی در طراحی پردازنده، جدایی کد و داده های حساس به امنیت در محیط های اعدام مجزا است. محیط های اعدام اعتماد شده (TEEs) انزوای سخت افزاری را فراهم می کند که از برنامه های کاربردی از سیستم عامل های به خطر افتاده یا hypervisors محافظت می کند. TEEs در حال حاضر به دستگاه های تلفن همراه، سرورهای ابر و سیستم های خودرو یکپارچه هستند.

افزونه های Kaspersky Software Guard Extensions (SGX)

اینتل SGX اجازه می دهد تا برنامه ها برای ایجاد مناطق حافظه رمزگذاری شده به نام enclaves. این پردازنده کنترل دسترسی را اجرا می کند تا حتی نرم افزار ممتاز نمی تواند حافظه enclave را بخواند یا بنویسد.کد داخلی با یکپارچگی و محرمانه بودن اجرا می شود و SGX برای محافظت از مدیریت حقوق دیجیتال (DRM)، کلید های رمزگذاری و ابر محرمانه، با این حال، SGX با استفاده از تکنولوژی های امنیتی (مانند SAGE2، SAGES.

ARM TrustZone

TrustZone ARM که از سال ۲۰۰۴ در پردازنده های Cortex-A موجود است، سیستم را به یک "جهان عادی" (سیستم عامل غنی) و "دنیای امن" (TEE) تقسیم می کند که سوئیچ های پردازنده بین جهان ها از طریق یک حالت مانیتور، و سیگنال های سطح اتوبوس از دسترسی به حافظه امن جلوگیری می کند.Zone به طور گسترده ای در گوشی های هوشمند برای ذخیره سازی رمزنگاری، و رمزگذاری های امنیتی (EnRM) مانند کلیدهای مدرن، و ذخیره سازی مدرن، و پارتیشن های اطمینان (S) استفاده می شود.

AMD امن رمزگذاری مجازی سازی (SEV)

AMD SEV حافظه مجازی (VM) را به طور شفاف با استفاده از یک پردازنده امنیتی اختصاصی (AMD Secure Processor) رمزگذاری می کند، هر VM کلید رمزگذاری خود را به دست می آورد، بنابراین حتی Hypervisor نمی تواند حافظه مهمان را رمزگشایی کند. SEV-ES (Encrypted State) از ثبت CPU محافظت می کند و SEV-SNP (Sure Nested P) اضافه می کند تا از طریق ارائه دهندگان ابر، سیستم های کامپیوتری مانند ارائه دهندگان سیستم های ابری، سیستم های کامپیوتری و ارائه دهندگان ابر، از سیستم های کامپیوتری مانند اینترنت، سیستم های کامپیوتری مانند اینترنت، سیستم های ابری استفاده کند.

ذخیره سازی و تنظیم کلید

رمزگذاری تنها به اندازه محافظت از کلیدهای رمزنگاری قوی است. میکروپرپرها در حال حاضر شامل ذخیره سازی امن و مکانیسم های ارائه برای جلوگیری از نفوذ کلیدی هستند.

ماژول پلتفرم اعتماد شده (TPM) 2.0

TPM یک ماژول اختصاصی چیپ یا سیستم عامل (fTPM) است که به طور ایمن تولید، فروشگاه ها و مدیریت کلیدهای رمزنگاری شده TPM 2.0، استاندارد شده توسط گروه محاسبات معتبر (TCG)، پشتیبانی از الگوریتم های رمزنگاری چندگانه (RSA، ECC، SHA-256) و ارائه قابلیت های گواهی برای تأیید یکپارچگی سیستم مدرن اغلب دیسک های FUK را به طور مستقیم به فرایندهای اطمینان سیستم عامل های امنیتی (IPS، و نرم افزار های امنیتی ضروری) ادغام می کنند.

امن Enclaves در دستگاه های مصرف کننده

پردازنده امن Enclave اپل (SEP) یک میکروکنترلر اختصاصی با بوت امن خود، ROM و حافظه رمزگذاری شده است. آن را مدیریت Touch ID، Face ID و Apple Pay معاملات، دستکاری مواد کلیدی و داده های بیومتریک بدون افشای آنها به سیستم عامل اصلی است. SEP استفاده از یک موتور AES، منحنی elliptic (ECC)، و یک پردازنده رمزگذاری شده توسط Google، به طور مشابه، قفل کردن قفل نرم افزار رمزگذاری شده در سیستم عامل اصلی، و امن در تلفن های نرم افزار Google.

تهدیدات و اقدامات متقابل

از آنجایی که میکروپرپرها قوی تر می شوند، مهاجمان روش های جدیدی برای استخراج اسرار از حملات سخت افزاری، حملات کانال جانبی، تزریق خطا و تهدیدات محاسباتی کوانتومی نیاز به تغییرات طراحی فعال دارند.

حمله های جانبی-Channel

عملیات رمزنگاری اطلاعات را از طریق تغییرات زمان بندی، مصرف برق، انتشار الکترومغناطیسی یا ذخیره سازی (EnLTtdown 2018) نشان داد که اجرای دقیق در CPU های مدرن می تواند داده های حساس نگهداری شده در حافظه هسته یا سایر فرآیندها را افشا کند.

رمزنگاری پس از زایمان (PQC)

کامپیوترهای کوانتومی، یک بار به اندازه کافی قدرتمند، RSA و ECC را با استفاده از الگوریتم Shor تجزیه می کنند. Microprocessor فروشندگان در حال حاضر با پروژه استاندارد رمزنگاری پس از NIST همکاری می کنند تا الگوریتم های جدید مانند CRYSTALS-Kyber [درجه 1] را اضافه کنند و [F1] کلید پشتیبان دیجیتال (FSTAS) را پشتیبانی می کنند.

استانداردهای سازگاری و صنعت

ریزپرندگان مورد استفاده در صنایع تنظیم شده باید مطابق با استانداردهای مانند FIPS 140-3 (U.S.EE)، شکاف های رایج (ISO / IEC 15408)، و قوانین حفاظت از داده های محلی مانند GDPR یا CCPA، به عنوان مثال، FIPS 140-3 سطح 2 و بالاتر نیاز به پوشش های واضح و امن کلید سازی، فروشندگان سخت افزار اغلب پردازنده های خود را برای صدور گواهینامه های کاربردی اپل و گواهی نامه های MPY، و TCEX خود را تایید می کنند.

آینده چشم انداز آینده

مسیر طراحی میکروپرپر به سمت ادغام عمیق تر امنیت در سطح سیلیکون. [۲] رمزگذاری Homomorphic، که اجازه می دهد محاسبات بر روی داده های رمزگذاری شده بدون رمزگشایی، هنوز هم برای استفاده عملی بسیار کند، اما مزایای حاصل از تحقیقات شتاب دهنده اختصاصی (FHE) شتاب دهنده های کاملاً همومورفیک (FHE) در نمونه اولیه در FPGA ها و ASIC ها قرار دارند و CPU های آینده ممکن است شامل واحدهای تخصصی برای ذخیره سازی دقیق (F) باشند.

در نهایت، صنعت ریزپر به سمت فلسفه "امنیت از طراحی" حرکت می کند که در آن رمزگذاری و حریم خصوصی داده ها ویژگی های اختیاری نیست بلکه ویژگی های معماری اساسی است.

برای جزئیات بیشتر در مورد پیاده سازی های خاص، راهنمای اینتل را ببینید ، و NIST ، پروژه رمزنگاری ARM و NIST [FLT: [F6] [F]