Laitteiston nopeutumisen rooli salauksessa

Salausalgoritmit ovat laskennallisesti intensiivisiä, erityisesti kun käsitellään suuria määriä dataa tai käsitellään tuhansia tapahtumia sekunnissa. Modernit mikroprosessorit integroivat erityisiä laitteistokiihdyttimiä salaustoimintojen pois lataamiseen CPU:sta, vähentäen latenssia ja energiankulutusta ja parantaen samalla merkittävästi läpimenoa. Tämä laitteistotason tuki on ratkaisevan tärkeää reaaliaikaisille sovelluksille, kuten videoneuvotteluille, suojatuille verkkoselauksille (TLS), täyden levyn salaukselle ja tietokannan salaukselle pilviympäristössä.

AES-NI ja siihen liittyvät ohjeet

Intel.S Advanced Encryption Standard New Ohjeet (AES-NI) on yksi yleisimmistä omaksutuista laitteiston kiihtyvyys ominaisuuksia x86 prosessorit. Esitetty 2010, AES-NI tarjoaa kuusi uutta ohjeita, jotka suorittavat AES kierrosta . Salaus, salaus, ja avain laajennus . Yksi kello sykli. Vertailuarvot osoittavat, että AES-NI voi nopeuttaa AES toimintaa kertoimella 10-15 verrattuna ohjelmisto vain implementations. AMD seurasi vastaava tuki sen Piledrin arkkitehtuuri. Nämä ohjeet ovat nyt vakio useimmissa palvelimen, työpöydällä, ja mobiiliprosessorit molemmat myyjät.

AES:n lisäksi Intel tarjoaa myös SHA-laajennuksia (SHA-NI) eheydentarkastuksissa ja digitaalisissa allekirjoituksissa käytettäviin hash-toimintoihin. ARM.s Crypto Extension (osa ARMv8-A:ta) sisältää vastaavanlaisen laitteistotuen AES:lle, SHA-1, SHA-256, ja modulaarisen aritmeettisen laskennan julkisen avaimen toiminnoille. RISIC-V-prosessorit, joita käytetään yhä enemmän IoT:ssä ja reunalaitteissa, ovat salauslaajennuseritelmiä (Scalar Crypto), jotka standardoivat AES:n, SHA:n ja muiden alkeellisten aineiden kiihdytyksen.

Hardware Satunnaislukugeneraattorit (HRNG)

Kaikki salausprotokollat riippuvat arvaamattomista satunnaisista numeroista avaingeneraattoreille, nonces- ja alustusvektoreille. Ohjelmistopohjaiset pseudosatunnaislukugeneraattorit (PRNG-generaattorit) ovat alttiita ennustettavuudelle, ellei niitä ole kylvetty kunnolla. HRNG-laitteet, joita kutsutaan joskus todellisiksi satunnaislukugeneraattoreiksi (TRNG-generaattorit), sadonkorjuuentropia fyysisistä ilmiöistä, kuten lämpömelusta, kellon jitteristä tai kvanttivaikutuksista. Nämä on integroitu mikroprosessoriin ja ne täyttävät NIST SP 800-90A/B/C -standardit. Esimerkiksi Intel. RDRAND[ ja RDSEED[ -ohjeet tarjoavat korkea-läpiviennin satunnaiset satunnaiset lähteet suoraan sirulta.

Luotetut teloitusympäristöt

Perustava muutos prosessorin suunnittelussa on tietoturvalle herkän koodin ja datan erottaminen erillisiin suoritusympäristöihin. Luotetut suoritusympäristöt (TEE) tarjoavat laitteiston avulla varustetun eristämisen, joka suojaa sovelluksia vahingoittuneilta käyttöjärjestelmiltä tai hypervisoreilta. Teees on nyt olennainen osa mobiililaitteita, pilvipalvelimia ja autojärjestelmiä.

Intel Software Guard Extensions (SGX)

Intel SGX sallii sovellusten luoda salattuja muistialueita, joita kutsutaan erillisalueiksi. Prosessori valvoo pääsyä niin, että jopa etuoikeutetut ohjelmistot eivät voi lukea tai kirjoittaa erillisaluemuistia. Alueen sisällä oleva koodi toimii eheydellä ja luottamuksellisuudella, jolloin SGX soveltuu digitaalisen oikeuksien hallinnan (DRM) suojaamiseen, salausavaimiin ja luottamuksellisiin pilvityömäärään. SGX on kuitenkin kohdannut toistuvia sivukanavahyökkäyksiä (esim. Foreshadow, SGAxe), jotka ovat osittain heikentäneet sen tietoturvatakuita. Intel on vastannut SGX2:n ja mikrokoodien kaltaisiin muutoksiin, mutta teknologia on edelleen aktiivisessa tutkimuksessa koventaakseen.

ARM TrustZone

ARM.s TrustZone, saatavilla Cortex-A-prosessorit vuodesta 2004, jakaa järjestelmän ... normaaliin maailmaan...ja ....ja turvallinen maailma.Kodistaja vaihtaa maailmojen välillä monitoritilassa, ja bussitason signaalit estävät normaalimaailman oheislaitteita pääsemästä käsiksi suojattuun muistiin. TrustZone käytetään laajasti älypuhelimissa tallentaa biometrisiä malleja, maksuvaltuutuksia ja DRM-avaimia. Nykyaikaiset toteutus, kuten Qualcomm.S Secure Processing Unit (SPU) ja Apple...

AMD Secure Encrypted Virtualisation (SEV)

AMD SEV salaa virtuaalisen koneen (VM) muistin avoimesti käyttäen oma tietoturvaprosessori (AMD Secure Processor). Jokainen VM saa oman salausavaimensa, joten edes hypervisor ei voi purkaa vierasmuistia. SEV-ES (Salattu tila) suojaa CPU-rekistereitä ja SEV-SNP (Secure Nested Paging) lisää eheydentarkistusta estääkseen toistohyökkäykset. Tämä teknologia on laajalti käytössä pilvipalvelujen kuten Azure ja Google Cloud tarjota luottamuksellisia laskentaympäristöjä.

Turvallinen avaimen säilytys ja tarjoaminen

Salaus on vain yhtä vahva kuin salausavaimien suojaus itse. Mikroprosessorit sisältävät nyt erityisiä turvallisia säilytys- ja toimitusmekanismeja, joilla estetään avainten tunkeutuminen ulos.

Luotettavan alustan moduuli (TPM) 2.0

TPM on omistettu siru- tai firmware-pohjainen moduuli (FTPM), joka turvallisesti tuottaa, tallentaa ja hallinnoi salausavaimia. TPM 2.0, jota Trusted Computing Group (TCG) standardisoi, tukee useita salausalgoritmeja (RSA, ECC, SHA-256) ja tarjoaa sertifiointivalmiuksia järjestelmän eheyden todentamiseksi. Modernit prosessorit usein integroida fTPM suoraan piirisarjaan tai firmware, vähentää kustannuksia ja parantaa nopeutta. Esimerkiksi AMD.s Platform Security Processor (PSP) ja Intel....

Turvalliset liitekilvet kulutuslaitteissa

Apple.Secure Enclave Processor (SEP) on oma mikroohjain, jolla on oma turvallinen saapas, ROM ja salattu muisti. Se hallinnoi Touch ID, Face ID ja Apple Pay -tapahtumia, jotka käsittelevät avainmateriaalia ja biometrisiä tietoja paljastamatta niitä pääkäyttöjärjestelmälle. SEP käyttää AES-moottoria, ellipsinmuotoinen kaaren salaus (ECC) ja omistettua TRNG-muistia. Samoin Google. Titan M -turvasiru Pixel-puhelimissa tarjoaa turvallisen suoritusympäristön Android-varmennetulle Bootille, lukitse näytöntunnistus ja sertifikaatti. Nämä erillisalueet on eristetty laitteistopalomuureilla eikä sovellusprosessorin avulla.

Uhkaukset ja vastatoimet

Kun mikroprosessorit tulevat tehokkaampi, hyökkääjät kehittää uusia menetelmiä poimia salaisuuksia laitteistosta. Sivukanava hyökkäykset, vika ruiskutus, ja kvanttilaskenta uhkia vaativat ennakoivaa suunnittelua muutoksia.

Sivukanavahyökkäykset

Cryptographic operations vuodot tietoa kautta ajoitus vaihtelut, virrankulutus, sähkömagneettiset päästöt, tai välimuisti väite. Spectre ja Meltdown (2018) osoitti, että spekulatiivinen toteutus modernin CPU voisi vuotaa arkaluonteisia tietoja ytimen muistia tai muita prosesseja. Mitigations ovat sisältäneet mikrokoodi päivitykset, ohjelmistoesteet (LENCE, spekulointi valvonta rekisterit) ja laitteiston uudelleensuunnittelun kuten Intel.[]Speculative Store ohitus Disable[] ja ARM. uudemmat hyökkäykset kuten ]Plundervolt[[] (jänniteskaalaus) ja Rowhammer[ (DRAM häiriö virheet virheet) osoittavat, että fyysisen tason hyökkäyksiä edelleen elinkelpoisia. Chip valmistajat nyt sisältävät jännite- ja taajuusvalvontalaitteiston, virhevalvonta koodi (ECC) caches, ja satunnaisen toteutuksen viiveet tällaisten uhkien.

Kryptografian jälkeinen aika (PQC)

Kvanttitietokoneet, kerran riittävän tehokas, rikkoo RSA ja ECC käyttämällä Shor. Mikroprosessorin myyjät ovat jo yhteistyössä NIST.s Post-Quantum Cryptografia Standardization projekti integroida uusia algoritmeja kuten []CRYSTALS-Kyber[] (avain closination) ja []CRYSTALS-Dilitium[ (digitaalinen allekirjoitusten). Intel on ilmoittanut suunnitelmat lisätä oma-aloitteinen tuki PQC ohjeet tulevaisuudessa Xeon prosessorit. ARM ja RISC-V ovat myös määrittelevät salaus laajennuksia, jotka sisältävät lattice-pohjainen ja hash-pohjainen primitives.

Sääntelyn noudattamista ja toimialan standardeja koskevat vaatimukset

Säänneltyjen toimialojen mikroprosessorien on noudatettava standardeja, kuten FIPS 140-3 (USS), Common Criteria (ISO/IEC 15408), ja paikallisia tietosuojalakeja, kuten GDPR tai CCPA. Esimerkiksi FIPS 140-3 Taso 2 ja edellä vaativat väärentämisen kannalta selviä pinnoitteita ja varmaa avainnostoa. Hardware-toimittajat toimittavat usein prosessorinsa sertifioitavaksi; Apple A-sarjan ja M-sarjan sirut, Intel Xeon Scalable ja AMD EPYC kaikilla on FIPS 140-2 tai 140-3 -sertifikaatteja salausmoduuleilleen. TCG julkaisee myös ohjeita ja GlobalPlatform -organisaatio sertifioi TEE-toteutukset mobiililaitteille. Yritysten olisi varmistettava, että niiden valitsemat prosessorit pitävät yllä aktiivisia sertifiointeja, jotta ne eivät noudattaisi vaatimuksia.

Tulevaisuuden näkymät

Mikroprosessorin suunnittelupolku osoittaa kohti syvempää tietoturvan integrointia piitasolla. Homomorfinen salaus, joka mahdollistaa salattujen tietojen laskemisen ilman salauksen purkamista, on edelleen liian hidas käytännön käyttöön mutta hyötyy erityisestä kiihdytintutkimuksesta. Täysin homomorfinen salaus (FHE) kiihdyttimet prototyypina FPGA:issa ja ASIC:issä, ja tulevat suorittimet voivat sisältää erikoisyksikköjä lattice-pohjaisiin laskelmiin. Toinen suuntaus on [ luottamukselliset tietojenkäsittely[], jossa koko järjestelmän muisti on salattu ja etäsertifikaatti varmistaa koneoppimisen malleja ja inferenssitietoja, kuten Intel TDX:ssä ja AMD SEV-SENP:ssä. Edge AI -prosessorit, kuten NVIDIA (Jetson) ja Google (Coral), integroidaan turvalliset osat, joilla varmistetaan tietokoneen oppimismallien luotettavuus ja tieto.

Viime kädessä mikroprosessoriteollisuus on siirtymässä kohti designin avulla turvallista filosofiaa, jossa salaus ja tietosuoja eivät ole valinnaisia pult-on ominaisuuksia vaan arkkitehtonisia perusominaisuuksia. Kyberuhkien kehittyessä mikroprosessorien kyky tukea kehittynyttä salausta ja yksityisyysprotokollia säilyy kilpailukykyisenä erottajana ja teknisenä välttämättömyytenä jokaiselle kytketylle laitteelle.

Lisätietoja erityisistä täytäntöönpanoista on Intel.s Ohjelmiston turvallisuusohje [, ARM.s -Platform Security Architecture[]- ja NIST.s []-post-Quantum Cryptografiaprojekti[.[]