软件与硬件密码模块安全性研究
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fips 140-2 标准
FIPS 140-2是美国联邦政府采用的一个密码学模块验证计划,
旨在确保政府部门和承包商使用的加密模块满足安全标准。
该标准
由美国国家标准与技术研究所(NIST)制定,并得到加拿大通讯安
全局(CSE)的认可。
FIPS 140-2的目的是确保政府和其他机构使
用的加密模块符合安全性要求,以保护敏感信息免受未经授权的访
问和攻击。
FIPS 140-2标准涉及四个安全等级(1到4级),每个等级都
有特定的安全要求和测试程序。
这些等级涵盖了从软件加密模块到
硬件安全模块的各种类型。
在进行认证时,加密模块必须通过一系
列的测试,包括功能测试、自检测试、代码审计和安全策略评估等。
FIPS 140-2标准对于加密模块的物理安全性、加密算法、认证、密钥管理等方面都有详细的规定。
它要求加密模块必须使用经过认
可的加密算法,如AES、3DES等,并确保密钥的生成和管理符合安
全标准。
此外,FIPS 140-2还要求加密模块必须具备抗攻击能力,
能够抵御物理和逻辑攻击。
总的来说,FIPS 140-2标准对于加密模块的安全性提出了严格
的要求,以确保政府和相关机构使用的加密技术能够抵御各种潜在的威胁和攻击。
这一标准的实施有助于提高敏感信息的安全性,保护国家和组织的利益。
单片机电子密码锁设计一、设计背景随着科技的不断发展,传统的机械锁已经不能满足人们对于安全性和便捷性的需求。
电子密码锁具有保密性好、操作方便等优点,逐渐取代了传统机械锁。
单片机作为一种集成度高、功能强大的微控制器,为电子密码锁的设计提供了良好的硬件基础。
二、系统总体设计本电子密码锁系统主要由单片机控制模块、键盘输入模块、显示模块、存储模块和开锁控制模块等部分组成。
单片机控制模块是整个系统的核心,负责处理输入信息、控制各个模块的工作以及进行密码的验证和存储。
键盘输入模块用于用户输入密码,通常采用 4×4 矩阵键盘,可实现数字 0 9 以及确认、取消等功能按键的输入。
显示模块用于显示系统的相关信息,如输入的密码、提示信息等。
常见的显示方式有液晶显示屏(LCD)和数码管显示。
存储模块用于存储设置的密码,以便系统在断电后仍能保存密码信息。
EEPROM 存储器具有掉电不丢失数据的特点,适合用于密码存储。
开锁控制模块在密码验证通过后,控制电磁锁或电机等执行机构完成开锁动作。
三、硬件设计1、单片机选型选择一款合适的单片机是系统设计的关键。
常用的单片机有 51 系列、STM32 系列等。
51 系列单片机价格低廉、开发简单,适合本设计的需求。
2、键盘接口电路采用行列式扫描的方式实现 4×4 矩阵键盘的接口电路。
通过单片机的 I/O 口依次扫描行线和列线,判断按键的按下状态。
3、显示电路如果选择液晶显示屏(LCD),则需要通过单片机的并行接口或串行接口与 LCD 控制器进行通信,实现字符和图形的显示。
数码管显示则相对简单,通过单片机控制数码管的段选和位选信号即可。
4、存储电路EEPROM 存储器通过 I2C 总线与单片机连接,单片机通过发送特定的指令和数据来实现对 EEPROM 的读写操作。
5、开锁控制电路使用继电器或三极管驱动电磁锁或电机,单片机输出高电平或低电平来控制开锁电路的通断。
四、软件设计1、主程序流程系统上电后,首先进行初始化操作,包括单片机内部资源的初始化、显示模块的初始化、存储模块的初始化等。
密码模块的分类密码模块主要根据其实现方式和所在环境的不同进行分类,以下是几种常见的密码模块类型:1. 硬件密码模块(Hardware Cryptographic Module, HCM):- 这种模块通常以专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(FPGA)或安全元件(如智能卡芯片、TPM芯片)的形式存在,其加密算法的实现固化在硬件内部,安全性较高,难以被篡改或攻击。
2. 软件密码模块(Software Cryptographic Module, SCM):- 软件密码模块是运行在通用操作系统(例如Linux、Windows 等)上的软件程序集合,它们实现各种密码操作。
由于软件环境易于修改,此类模块的安全性相较于硬件密码模块可能较弱,需要依赖于操作系统提供的安全机制以及自身的软件设计与实施来增强安全性。
3. 固件密码模块(Firmware Cryptographic Module):- 固件密码模块是嵌入在设备非易失性存储器中的加密算法实现,它介于硬件和软件之间,不易像软件那样随意更改,但又可以通过更新固件来升级或改变功能。
4. 混合软件密码模块(Hybrid Software Cryptographic Module):- 混合软件密码模块结合了硬件加速和软件实现的优点,部分关键操作在专用硬件上执行以提高速度和安全性,而其他非核心部分则通过软件完成。
5. 混合固件密码模块(Hybrid Firmware Cryptographic Module):- 这类模块可能将一部分加密操作固话在硬件固件中,同时另一部分使用可更新的固件代码或者配合软件组件共同完成密码运算任务。
每种类型的密码模块都需要遵循特定的安全标准和评估准则,确保密码服务的安全性和可靠性。
基于51单片机的电子密码锁设计与应用研究基于51单片机的电子密码锁设计与应用研究摘要:随着科技的不断发展,电子密码锁在我们的日常生活中被广泛应用。
本文以51单片机为核心,对电子密码锁进行了设计与研究。
通过对电子密码锁的原理、组成部分及其在实际应用中的优点进行了探讨,并详细介绍了设计过程和程序实现。
利用51单片机的高性能、低功耗和强大的扩展性,成功实现了电子密码锁的设计与应用。
实验结果表明,该电子密码锁具有良好的安全性和可靠性,可以满足人们对安全性的需求。
关键词:51单片机;电子密码锁;设计;应用;安全性引言随着信息技术和智能化的快速发展,电子密码锁作为一种安全可靠的门禁控制系统,已经在社会生活中得到广泛应用。
相比于传统的钥匙锁而言,电子密码锁具有更高的安全性、更方便的使用特点,成为现代化社会安全管理的重要组成部分。
51单片机作为一种常用的微控制器,具有高性能、低功耗、价格经济等优点,因此被广泛应用于电子密码锁的设计和研究中。
本文旨在通过基于51单片机的电子密码锁的设计与应用研究,探讨电子密码锁的工作原理、设计流程和实现方法,并对其在实际应用中的优势进行分析。
一、电子密码锁的原理与组成部分电子密码锁是一种基于数字电子技术的门禁控制系统,主要由输入模块、控制模块和输出模块组成。
1. 输入模块:输入模块主要用于输入开锁密码。
一般来说,输入模块可以使用按键、密码键盘、触摸屏等方式。
在本设计中,我们选择了密码键盘作为输入模块。
2. 控制模块:控制模块主要负责接收输入的密码并进行处理,判断是否正确并控制锁的开关状态。
51单片机就是一个常用的控制模块。
3. 输出模块:输出模块用于将控制模块的指令转化为实际操作,控制锁的开关或者报警功能。
一般来说,输出模块可以使用电磁铁、继电器、蜂鸣器等设备。
在本设计中,我们采用了电磁铁作为输出模块。
二、电子密码锁的设计过程1. 硬件设计电路连接:将密码键盘的输出与51单片机的输入口相连,将电磁铁与51单片机的输出口相连。
攻读博士学位期间本人拟从事的研究方向和研究计划一、拟开展的研究课题:云计算是一种方便的使用和服务模式,通过互联网按需访问资源池模型,可以快速和最少的管理工作为用户提供服务。
由于通过互联网访问资源,互联网的开放性对云计算的安全性也产生了很大的影响。
如:伪造电子签名、用户信息泄露、黑客攻击、木马攻击和病毒损毁资源等。
云计算的安全问题已经成为云计算领域中亟需解决的重要问题。
可信计算技术作为信息安全领域一个重要分支,关于可信计算的研究已经有了一定的发展,其可以为云计算提供一个安全的计算环境,对云计算中的数据和服务也可以提供必要的安全保障。
因此本人拟开展的研究课题为:可信云计算的关键技术研究。
1.1云计算云计算是一种分布式并行计算系统,由一组通过各种网络技术相互连接的虚拟化的计算资源组成,通过用户和服务商预先制定的服务协议,作为一个动态的计算资源实体来提供各种服务。
1.2云计算潜在的安全问题1.2.1 体系架构的安全性研究云计算的安全问题,首先应该从云计算平台的体系结构着手。
1)基础设施层,这一层主要包括计算资源和存储资源,也可以作为服务提供给用户,即IaaS(Infrastructure as a service)。
这一层需关注物理安全、存储安全和网络安全。
由于用户在这一层会选择:操作系统、存储空间、网络组件等计算资源,这就要求服务提供商的软件系统性能是否可靠,网络环境是否安全,接入认证是否健全等。
2)平台层,作为整个云计算系统的核心,主要包括并行程序设计和开发环境、结构化海量数据的分布式存储管理系统、海量数据分布式文件系统以及实现云计算的其他系统管理工具。
平台即服务称之为PaaS(Platform as a service)。
这一层主要关注系统安全和管理安全,由于用户可以使用平台提供的资源开发和定制自己的产品,平台内服务器众多,用户数据被分离存储在不同的网络位置,极易受到黑客的攻击。
平台自身的安全性也是非常重要的。
国产商用密码技术的应用推广密码技术是网络空间安全的重要基础,在计算机和网络系统中发挥了不可替代的安全作用。
推广国产密码技术、应用商用密码算法,是建设我国网络空间安全基础设施的必要措施之一。
全面推广国产密码技术、深入应用商用密码算法,有如下三方面工作需要完成:(1)密码算法标准化。
目前我国已经制定并公开发布了完整的密码算法体系:分组密码算法SM4、流密码算法ZUC、杂凑算法SM3、公钥密码算法SM2(包括加解密、数字签名和密钥协商)和标识密码算法SM9。
而且,其中部分密码算法已经成为国际标准。
(2)制定配套的密码应用标准。
在数字证书、通信协议、应用接口等方面,形成配套标准,实现商用密码应用标准体系。
(3)形成多元化的密码产品生态。
各种不同形式的硬件、固件和软件密码产品,满足应用系统的不同需求;尤其是软件密码产品,更具有技术灵活性、实施部署更容易,在成本上也更具优势。
在商用密码算法和密码应用标准方面,我国已经发展多年。
然而,在密码产品多元化方面,一方面由于历史原因,我国商用密码长久以来只支持合规的硬件产品,近年来合格软件密码产品已经开放、但是软件密码产品发展仍然较弱;另一方面也由于软件密码产品面临着更大的技术挑战,尤其是密钥安全,所以在软件密码产品(或者称为软件密码引擎、密码算法软件模块)方面,还有更多的技术难题需要克服。
国产密码算法软件引擎的安全挑战从密码学基本原理出发,密码算法公开,密码产品最重要的、最需要保护的数据就是密钥以及各种敏感参数。
按照GM/T 0028《密码模块安全技术要求》和GM/T 0039《密码模块安全检测要求》,密码模块尤其需要确保关键安全参数和敏感参数的安全,其中最重要的参数就是密钥。
密码算法的密钥以及各种敏感参数(例如,IV 和Nonce 等),通常都是由随机数产生获取;另一方面,确定性随机数发生器也通常是带有密钥的密码功能模块;二者相互联系、密不可分。
相比于硬件形式的常见密码算法实现(例如,密码机、密码卡、USB 令牌等),密码软件引擎面临着更大的安全挑战。
基于PLC的一种密码锁控制系统设计1. 引言1.1 研究背景基于PLC的密码锁控制系统设计将密码锁与PLC相结合,通过PLC对密码锁的电路进行精准控制,实现对密码锁开关、验证、报警等功能的智能化管理。
本研究旨在探讨基于PLC的密码锁控制系统设计方案,提高密码锁系统的安全性和便利性,为密码锁在各个领域的应用提供更加多样化和智能化的选择。
1.2 研究目的研究目的是设计基于PLC的一种密码锁控制系统,旨在提高密码锁的安全性和便利性,同时通过PLC技术实现对密码锁的智能控制。
具体目的包括:了解PLC的基本原理和密码锁的工作原理,为密码锁控制系统的设计提供理论支持;根据密码锁的特点和需求,设计一种基于PLC的密码锁控制系统方案,包括硬件和软件设计;通过实验验证系统的可靠性和稳定性,分析系统的优缺点,为进一步优化系统提供参考;展望未来,探讨基于PLC的密码锁控制系统在智能家居、物联网等领域的应用前景,为相关研究和应用提供借鉴。
通过本研究,旨在为密码锁的控制技术提供新思路和方法,促进密码锁领域的发展与应用。
2. 正文2.1 PLC的基本原理PLC(Programmable Logic Controller)是一种数字电子设备,用于控制自动化工业过程中的机器和设备。
PLC的基本原理是将输入信号处理后通过逻辑运算得到输出信号,从而控制设备的运行。
PLC系统由输入模块、中央处理器(CPU)和输出模块组成。
输入模块用于接收来自外部传感器和开关的信号,将这些信号传送给CPU进行处理。
CPU根据预先编写的程序进行逻辑计算,然后将输出信号发送给输出模块,控制执行器或其他设备的运行。
PLC的工作原理是基于梯形图逻辑控制,程序包括输入端子、逻辑元件和输出端子。
输入端子用于接收外部信号,逻辑元件用于进行逻辑运算,输出端子用于控制执行器或其他设备的动作。
PLC具有高可靠性、灵活性和可编程性的特点,能够快速响应不同的控制需求。
通过编写程序,可以实现不同的控制逻辑,从而实现自动化控制系统的功能。
一、概述在当今信息技术高度发达的时代,数字密码锁已成为人们生活中常见的安全保障措施之一。
随着FPGA(可编程逻辑门阵列)技术的不断成熟和普及,基于FPGA的数字密码锁设计与实现已经成为一个备受关注的研究方向。
本文将探讨基于FPGA的数字密码锁的设计原理、实现过程以及相关技术细节,为相关领域的研究和应用提供参考。
二、数字密码锁的基本原理1.数字密码锁的基本功能数字密码锁是一种利用密码验证来进行身份识别和门禁控制的设备。
其基本功能包括输入密码、密码验证和门禁控制等。
2.数字密码锁的工作原理数字密码锁通常由键盘、控制单元和执行单元等组成,其工作原理是用户通过键盘输入密码,控制单元接收并验证密码的正确性,然后执行单元根据验证结果控制门禁的开启或关闭。
三、基于FPGA的数字密码锁设计1.基于FPGA的数字密码锁的优势相比传统的基于单片机或嵌入式系统的数字密码锁,基于FPGA的数字密码锁具有更高的灵活性和可扩展性。
FPGA可以根据实际需求进行灵活的硬件逻辑设计,同时兼容多种通信协议和接口,使得其在数字密码锁设计中具有显著的优势。
2.基于FPGA的数字密码锁的设计原理基于FPGA的数字密码锁主要包括密码输入模块、密码验证模块和门禁控制模块。
密码输入模块负责接收用户输入的密码,密码验证模块根据预设的密码进行验证,门禁控制模块根据验证结果控制门禁的开启或关闭。
3.基于FPGA的数字密码锁的设计流程(1)确定需求:明确数字密码锁的功能和性能要求。
(2)硬件设计:设计数字密码锁的硬件逻辑,包括键盘接口、密码验证逻辑和门禁控制逻辑。
(3)软件设计:设计数字密码锁的用户界面和控制逻辑。
(4)综合与实现:将硬件和软件进行综合,实现数字密码锁的功能。
四、基于FPGA的数字密码锁的实现1.硬件设计(1)键盘接口设计:采用矩阵式键盘接口,利用FPGA内部的GPIO 接口进行连接。
(2)密码验证逻辑设计:采用逻辑门设计密码验证逻辑,包括密码存储、密码输入和密码比对等功能。
软件与硬件密码模块安全性研究作者:张玉国
来源:《中国科技纵横》2019年第19期
摘要:密码模块是保护数据信息的核心部件,密码模块保护数据信息的同时,其自身的安全性如何保证。
密码模块有哪些实现方式,能达到多高的安全级别,不同的实现方式有哪些优劣,本文从两种实现方式对密码模块的安全性做了简单的介绍。
关键词:密码模块;软件密码模块;硬件安全模块;PCIE密码卡
中图分类号:TP309 文献标识码:A 文章编号:1671-2064(2019)19-0045-03
0 引言
当今社会是一个信息化的社会,在保护计算机及电信安全系统的需求下,密码应用的需求日益增强,数据需要密码的保护来防止非授权的访问。
密码技术能够实现实体鉴别和不可抵赖等安全服务,但密码的安全性和可靠性直接取决于实现它们的安全密码模块。
在密码应用系统中,如何保护及使用敏感的密钥信息对整个密码应用系统的安全强度有着至关重要的影响。
一般由两种方式来使用敏感的密钥信息:软件密码模块在主机内存中使用密钥;硬件密码模块,密钥存储及使用均在扩展板卡或其他嵌入式密码设备中进行,该嵌入式设备要嵌入到服务器中使用,该类产品典型的形态有密码卡、安全UKEY。
除了软件密码模块和硬件密码模块,还有其他类型的模块,如固件密码模块,混合软件密码模块,混合固件密码模块,但对密钥的使用根本的区别在于:是否在内存中使用敏感的密钥信息。
1 软件密码模块的安全性分析
软件密码模块的边界为执行在可修改的运行环境中的纯软件部件,软件密码模块运行的环境多为计算平台及操作系统。
软件密码模块中的敏感的密钥信息对计算平台和操作系统是可见的,攻击者利用对计算平台及操作系统的熟悉程度,基于现有计算平台及操作系统的漏洞便可以实现达到获取敏感的密钥信息的目的,因此软件密码模块的高安全性对计算平台以及操作系统的安全性设计有着高度的依赖。
下面从两个攻击案例,来说明软件密码模块所面临的威胁。
1.1 攻击案例1:系统漏洞-内存窥视密钥信息
攻击基于OpenSSL软件密码模块实现的文件加密程序,获得文件加密程序所使用的密钥信息。
本案例是一个内存攻击的简单展示,展示的内容为获取目标进程的密钥信息。
目标程序“enc.exe”功能介绍:从口令衍生密钥,使用RC4加密需要保护的文件。
使用了OpenSSL软件安全中间件;
遵循PKCS#5文件加密标准;
被加密文件:abc.txt;
口令:123456;
衍生密钥:???????。
图1所示,攻击者编写了一段程序mematt_1.exe,使用ReadProcessMemory的方法,对enc.exe目标进程进行了内存窥视,比较容易地获取了目标进程中使用的密钥。
1.2 攻击案例2:CPU芯片漏洞-Meltdown
内存隔离是计算机系统安全的基础,例如:内核空间的地址段往往是标记为受保护的,用户态程序读写内核地址则会触发异常,从而阻止其访问。
在本文中,我们只简单描述这个叫Meltdown的硬件漏洞。
Meltdown是利用了现代处理器上乱序执行的副作用,使得用户态程序也可以读出内核空间的数据,包括个人私有数据和密码(或密钥)。
由于可以提高性能,现代处理器广泛采用了乱序执行特性。
利用Meltdown进行攻击的方法和操作系统无关,也不依赖于软件的漏洞。
地址空间隔离带来的安全保证被Meltdown无情的打碎了(半虚拟化环境也是如此),因此,所有基于地址空间隔离的安全机制都不再安全了。
在受影响的系统中,Meltdown可以让一个攻击者读取其他进程的数据,或者读取云服务器中其他虚拟机的数据,而不需要相应的权限。
Meltdown漏洞并非针对某个系统或者某个软件,而是针对计算机体系结构,该漏洞危害能够遍及大多数近代的CPU。
手機,个人PC,服务器,到云服务器以及虚拟机,都受到了这次漏洞的影响。
图2展示的是读取内核内存的实例,计算机基于内存隔离实现的内核空间数据的保护被完全破坏。
如果密钥出现在受保护的内核空间内,攻击者利用CPU漏洞窃取密钥信息是可实现的。
更详细的分析及影响可参考下面两处文章。
https:///Linux/2018-01/150307.htm
https:///zhipingxi/article/details/79307648
1.3 软件密码模块安全性总结
2.1以及2.2章节只用两个例子来说明,攻击者能够利用计算平台以及操作系统自身的一些漏洞,对软件密码模块实施攻击。
此类利用硬件或系统自身漏洞进行获取用户敏感信息的例子还有很多,这些案例也足以说明软件密码模块是无法从根本上保证敏感信息的安全性,因为软件密码模块最终都要在主机内存中运行。
如果被保护的密钥信息达到一定的安全级别,我们需要利用具有更高安全级别的硬件密码模块来实现敏感密钥信息的保护。
2 硬件密码模块的安全性分析
软件密码模块运行过程中,所使用的安全算法,密钥信息,权限控制都无一例外的会出现在主机内存中,这给了攻击者以可乘之机。
与软件密码模块不同,硬件密码模块的特点是:密钥由硬件密码模块保护,密码算法由硬件密码模块实现,密码运算在硬件密码模块内进行,操作过程中可以保证密钥只出现在硬件密码模块之内。
本文只以简单的方式对硬件密码模块做一下介绍,硬件密码模块有一整套复杂完善的安全机制来确保敏感数据的安全性,不做过多赘述。
2.1 硬件密码模块硬件组成
图3清楚的展示了一个硬件密码模块是由哪些功能模块组成的,这些功能模块可能被集成在一片芯片中,也有可能是集成在同一块电路板上。
对外接口形式可能是PCIE、PCI、USB、SD、TF或CPU卡,这取决于应用场合的需求。
另外,硬件密码模块多嵌入到服务器主板中对外提供密码服务。
主要功能模块介绍如下:(1)处理器模块。
硬件密码模块的主控程序运行在处理器模块内,主要实现硬件密码模块内的资源调度,用以响应来自服务器的安全业务请求。
(2)算法实现模块。
实现对称、非对称及摘要算法。
(3)随机源。
用于密钥的产生。
(4)存储模块。
用于敏感密钥信息的存储,敏感的密钥不会以明文的形式输出到硬件密码模块之外。
(5)权限控制模块。
用于实现密码模块的角色管理,如主管角色,用户角色,维护员角色等。
(6)接口实现模块。
实现硬件密码模块与服务器的通信,完成数据交互。
2.2 硬件密码模块调用方法
通过分析服务器与硬件密码模块的数据交互,来说明硬件密码模块能够实现对敏感密钥信息的保护。
以加密业务请求为例。
从图4能够看出,密钥存储在硬件密码模块之内,当硬件密码模块处理器接收到请求后,会根据硬件密码模块的当前状态,决定是否根据指定的密钥号在存储模块中读取密钥信息,最终调用算法模块来完成来自服务器的业务请求。
整个过程,密钥以及运算均控制在硬件密码模块边界之内,攻击者无法获取敏感的密钥信息。
如图5所示,加密返回信息有两种可能,成功与失败。
成功时,返回成功状态码及已加密好的数据;若失败,失败的原因有三种可能,硬件密码模块会将失败的原因返回给主机。
不管返回信息是哪一种可能,都不含有敏感的密钥信息。
2.3 硬件密码模块总结
文中的案例都比较简单,但足以说明攻击者无法窃取硬件密码模块内敏感的密钥信息。
硬件密码模块根据安全性设计方案,也分不同的安全级别。
为了达到更高的安全级别,需要从很多方面来进行更可靠的安全性设计,如:角色、服务及鑒别、软件/固件安全、物理安全、非入侵式安全、自测试、运行环境等各个方面。
相比于软件密码模块,硬件密码模块能够胜任高安全级别的密码应用需求。
3 结语
本文以软件密码模块和硬件密码模块为例分析了两种密码模块实现形式对密钥使用的主要区别,以及随之带来的两种密码模块的安全性差异。
每种密码模块都能满足相应的需求,最终的密码应用能够满足实际需求即可。
在密码应用场合,应结合信息资产的重要性,对密码系统中不同的功能模块对使用的密码模块做出合理选择,整个密码系统可以多种密码模块组成,最终是密码应用系统能够很好的保护需要保护的信息资产。
参考文献
[1] 魏怀鉴,鲍皖苏.密码模块安全性要求标准研究[J].微计算机信息,2006,22(24):104-106.。