基于密码协处理器的信息安全系统架构设计

摘要：阐述密码技术的应用，这是保障数据安全的重要手段。密码协处理器提供芯片级的密码技术应用方案，相比传统服务器密码机的密码硬件设备，具有性能与安全方面的优势。为了保障密码计算和密钥使用安全，需要设计一套基于密码协处理器的密码应用模型，并规划密钥的使用规则。基于密码协处理器，探讨一种新的密码应用架构的设计，它更安全、更有效地提供密码服务和管理密钥，从而应用最新的密码学技术，实现密码协处理器的安全特性。

引言

密码技术作为网络与信息安全保障的核心技术和基础支撑，在身份鉴别、信息加密、安全隔离、完整性保护和操作抗抵赖等方面发挥着不可替代的作用。传统的密码应用通常通过专用的密码设备(服务器密码机、签名验签服务等)来满足特定的安全需求和性能需求。但随着密码应用的普及，在需要大量密码计算的场景中，专用密码设备在性能、成本等方面可能成为业务发展瓶颈。因此，许多应用正在倾向于使用集成度更高的密码解决方案，如密码协处理器，来提供既安全又灵活的密码学服务。

研究背景

密码协处理器是一种专门设计的硬件芯片，用于执行密码学相关的运算，如加密、解密、数字签名和数字验证等。这些芯片通常安全性能优良，能够安全地存储和管理密钥，提供高效的密码运算能力，并可防止对敏感信息的未经授权访问。以下是几个典型的密码协处理器产品。

(1)IntelSGX。IntelSGX提供一种硬件保护的可信执行环境，用于执行加密和解密操作。这种环境独立于操作系统，提供隔离的空间以保护敏感数据和密钥免受外部攻击和泄露，从而增强了密码计算的安全性。IntelSGX实现了一种形式的密码协处理器，可以安全地存储和使用密钥，以及执行密码学运算。

(2)华为鲲鹏TEE。华为鲲鹏BoostKit机密计算是基于TrustZone技术的TEE方案，TrustZone是一种基于ARM标准架构进行的安全扩展，新引入了一个额外的可信执行环境(TrustedExecutionEnvironment，TEE)，而原有的执行环境(RichExecutionEnvironment，REE)相对应TEE。这两个环境从芯片架构上进行了隔离，TEE通过密码协处理器提供可信密码模块。

(3)海光安全处理器。海光安全处理器实现可信根及TPCM的相关标准功能。国密硬件引擎密码协处理器CCP为安全处理器上密码运算提供加速，实现高效国密运算。

密码协处理器在密码应用中的特点

密码协处理器的优势在于其专为密码运算优化的性能、提高的安全性、易于集成和扩展以及更有效的机房空间利用。然而，其问题包括密钥管理、分发和更新的复杂性以及在大规模环境中的部署和维护挑战。

CPU协处理器在密钥管理中的优势

(1)性能提升：在处理大量密码计算请求时，相比传统的密码机，由于密码协处理器通常与主处理器紧密集成，数据在处理器之间的传输延迟可以显著减小，从而提高整体的处理速度。

(2)安全性提升：密码协处理器可以直接在服务器内，通过硬件对密钥和敏感数据进行加密保护，相比传统的密码机，规避了数据在网络传输过程中的安全性。

(3)投资优化：虽然包含密码协处理器的CPU初始投资可能会高于传统CPU，但从全局来看，相对传统服务器密码机，由于其高效的性能和低延迟，能够处理更多的请求，使得单位处理成本降低。

(4)机房空间利用优化：由于密码协处理器通常会内置在主处理器中，或者作为插件与主处理器直接相连，其占用的机房空间相对较小。相比于传统的密码机，这种紧凑的硬件设计可以更有效地利用有限的机房空间。

密码协处理器在密码应用中的存在的问题

尽管密码协处理器在性能和安全性方面具有一定的优势，但在密钥管理模式与部署方面仍然存在一些问题。

(1)密钥轮转问题：密钥需要定期更新以保持其安全性，但是更新过程可能会引入新的安全风险。例如，如果新的密钥被破解或丢失，需要有一种安全的方式来回滚到旧的密钥。此外，如何安全地进行密钥更新，同时确保新的和旧的密钥都可以用于解密老的数据。以上问题密码协处理器一般不提供完善的方案。

(2)硬件故障和密钥恢复问题：尽管密码协处理器可以提供对密钥的物理保护，但如果硬件发生故障，可能会导致密钥丢失。一旦密钥丢失，之前加密的所有数据都将无法恢复。因此，需要有一种安全的方式来备份和恢复密钥。

(3)密钥分发和同步问题：在分布式系统中，如何安全地分发和同步密钥是一个重要的问题。尽管密码协处理器可以安全地存储和处理密钥，但如果无法支持分布于多台服务器中的多个密码协处理器同步应用秘钥，系统密码应用的一致性就无法满足;若同步密钥过程中密钥被截取，系统的安全性就会被破坏。

(4)规模化部署的挑战：在大规模的云环境或分布式环境中，管理和维护大量的密码协处理器和密钥可能会带来挑战。例如，需要保证所有的密码协处理器都有最新的安全更新，所有的密钥都得到适当的管理和保护。

基于密码协处理器的密码应用架构设计

框架设计

设计基于安全处理器的密码服务应用模式，利密码协处理器构建的安全执行环境，实现与操作系统无关的，面向应用系统的密码应用架构。

框架由密码应用管理系统、密码套件、主机安全套件等部分组成，密码服务需依赖外部基础密码支撑，密码服务管理数据可上报至运行监控平台。整套设计依赖可信执行环境和密码协处理器，形成的可信的密码服务架构。密码协处理器以固件形式提供密码的安全计算，与CPU核心完全分开，实现与系统计算环境的隔离;基于密码协处理器实现密钥管理模块，为服务器提供基于密钥的加密计算能力和安全密钥存储服务。服务器在拥有密码协处理器之后，可以具备密码计算的本地化的能力，减少网络开销。

各组成模块简述如下

(1)服务器密码应用管理系统。统一配置、调度服务器密码协处理器;统一配置管理密码套件;统一配置、管理应用资源和身份基准值;对外获取证书、密钥等基础密码服务;向监管系统上报密码运行日志。

(2)密码套件。在服务器安装的密码服务套件，将密码协处理器提供的密码服务封装为标准的通用与典型密码服务接口便于应用调用;对接服务器密码应用管理系统，接受统一管理，上报管理数据;接受远程密钥调度，管理本地密码协处理器密钥的安全存储。

(3)主机安全套件。结合密码技术和自学习技术，利用堡垒锁、微隔离等技术，对应用系统和操作系统进行防护。

逻辑框架

(1)密码应用管理系统。密码套件从密码应用管理系统拉取管理指令、获取下发的应用密钥;密码应用管理系统从密码套件接收上报的密码运行数据，鉴定安全报告。

密码应用管理系统作为服务器的统一对外窗口，为各类应用从密钥管理系统获取应用密钥，从证书管理系统申请各类证书。

密码应用管理系统分析密码运行数据，生成密码应用状态，向主机安全套件安全参考。

(2)密码套件。密码套件封装标准SDF接口，向应用系统提供各类密码服务;向密码应用管理系统上传的密码运行数据和安全报告;接受密码应用管理系统指令管理安全处理器的安全密钥存储;代理密码套件无法独立完成的时间戳、电子签章等典型密码服务。

(3)服务器。通过密码套件接受密码应用管理系统管理，为密码套件提供安全的密码计算能力和安全密钥存储。。

(4)服务器安全套件。通过安全套件客户端对服务器实现实时检测，实现系统资产梳理，通过应用堡垒锁、系统堡垒锁、微隔离防火墙、主机隔离等方式保护操作系统和应用系统。

密码协处理器密钥管理设计

本设计主要使用6类密钥，其功能如下所述

1、密钥加密密钥是一对非对称密钥，用以封装加密密码协处理器产生的各类密钥，也可用来接收各类密钥的导入。证书系统使用该密钥为密码套件签发密钥加密证书。

2、密码套件身份密钥是一对非对称密钥，用以标识密码套件身份。证书系统利用该密钥为密码套件签发用以做身份鉴别的签名证书。

3、安全基准值签发密钥是一对非对称密钥，用以对密码套件和应用系统安全基准值进行签发与验，该密钥不可与身份密钥混用。证书系统利用该密钥为密码套件签发用以签发应用系统安全基准值。

4、应用非对称密钥是一组非对称密钥，包含应用签名密钥、应用非对称加密密钥、应用站密钥，应用非对称密钥为安装在服务器上的应用服务。证书系统利用这些密钥为应用签发证书。

(1)应用签名密钥。应用签名密钥的主要的使用场景是用以对应用系统产生的数据进行完整性签名，从而满足商用密码合规性要求中的数据完整性要求。

(2)应用非对称加密密钥。应用非对称加密密钥的主要的使用场景是用以数字信封加密和信源加密，从而满足商用密码合规性要求中的数据完整性要求。

5、应用对称加密密钥是为应用发放的主密钥，主要用来保护工作密钥。

6、工作密钥是用来加密数据的密钥，由应用对称加密密钥保护。

设计的创新性及先进性

密码套件与服务器

(1)应用与服务高度集成。传统密码应用需调用外部密码设备或服务，会消耗大量网络资源，计算性能也受网络稳定性的影响。使用密码协处理器的服务器密码计算不出设备，减少了网络负载，充分利用硬件资源的计算性能。

(2)本地化的应用完整性校验。在应用合规方面，对应用完整性校验一致是个实现成本比较高的难点，本设计通过密码套件与密码应用管理系统联动，在充分保障合规的同时，利用可信计算技术可实现应用完整性校验。

(3)简化密码应用。密钥套件在支持传统SDF接口的同时，可提供对应用屏蔽密钥使用与加密报文封装细节的专用接口，从而降低应用接入的开发门槛。

统一密码调度

本设计引入密码调度机制，有效地解决了应用多服务器部署情况下，密码计算负载和密钥协同的问题。

密码质量监管

应用系统通过密码套件直接在下服务器上实现本地化的密码服务，密码套件可以完整记录应用系统对密钥的调用记录，对数据加密的日志，对数据签名的日志、SSL链路建立的日志。

以上记录与日志汇总到密码应用管理系统，可以让系统具备全局的密码应用数据视图，方便本地管理，也可以将数据输出到专门的安全态势感知系统进行分析。

结语

随着信息技术的快速发展，数据安全已经成为一个至关重要的问题。其中，密码技术的应用，是保障数据安全的重要手段。密码协处理器为应用提供芯片级的密码技术应用方案，相比传统的服务器密码机等密码硬件设备，具有性能与安全方面的优势。为保障密码计算和密钥使用安全，需要设计一套基于密码协处理器的密码应用模型，并规划密钥的使用。本文的目标是，基于密码协处理器，设计一种新的密码应用架构，以更安全、更有效地提供密码服务和管理密钥。该将会基于最新的密码学技术，并充分利用密码协处理器的特性。

参考文献

[1]侯伟星,罗海林,付颖芳.基于海光CPU的硬件可信平台方案设计及实现[C].中关村可信计算产业联盟,公安部第三研究所.首批可信计算认证产品发布会论文集.《信息安全研究》杂志社,2023:45-49.

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[3]四川省密码行业协会.基于海光CPU内置安全处理器的可信计算解决方案[EB/OL].https://www.schcia.org.cn/488/17068/746801.[4]李振斌.可重构密码协处理器设计[D].湖南：国防科学技术大学,2016.

编辑：陈十九