密码软件与实现与密钥安全之密钥安全方案-526互联

基于寄存器的密钥安全方案

原理

确保密钥数据只以明文形态储存在cpu寄存器上

安全目标

1.密钥长期储存寄存器

特权资源，不被用户态访问；
除加解密任务外不访问该寄存器

2.密钥初始化
3.加解密计算过程

安全性分析

基于寄存器的对称密码算法实现采用多重安全措施，有效抵御冷启动攻击，将密钥长期存储在特权寄存器中，并通过原子操作、系统补丁等手段避免泄露到内存。方案防范只读DMA攻击，但对于读写DMA和内核态软件攻击存在一定潜在风险，同时通过无密钥相关跳转提高了对侧信道攻击的防御。

基于寄存器的公钥密码算法实现方案

1)初始化:进行口令派生算法计算 AES 主密，并将AES 主密钥安全存储在特权寄存器中。
2)RSA 私钥解密:在从内存中接收到 RSA 计算请求时，从外部读取加密的 RSA 密钥在 CPU 中将RSA私行解密，并将明文形态的 RSA私钥临时存放在寄存器上。
3)RSA计算:在通用寄存器上完成 RSA 计算过程。

难点：仅用寄存器完成涉及大量中间变量的RSA计算
1.全寄存器

Montgomery乘法

2.寄存器 + 内存加密

加密内存空间的构建
Montgomery乘法实现
模幂实现
RSA实现

基于寄存器的密钥安全方案对比

基于Cache的密钥安全方案

原理

利用Cache代替内存进行计算和储存（Cache As RAM），确保敏感数据只以明文形态出现在寄存器和Cache中

密钥架构步骤

1.从用户输入的口令中导出主密钥并复制到每个 CPU 核的调试寄存器中。
2.从硬盘将加密的私钥读入内存。
3.需要进行私钥操作时，将主密钥从调试寄存器中载入 Cache。
4.加密的私钥被载入 Cache。
5.私钥被主密钥解密来进行密码计算。
6.如果在签名时需要 DRBG（随机数发生器），那么DRBG种子先被解密，再生成随机比特，并更新DRBG 内部状态。随后敏感信息被擦除。

基于Cache的安全计算环境构建

1.从被TRESOR机制保护的调试寄存器载人主密钥。
2.由AES主密钥初始化AES 计算上下文。
3.加密的私钥被主密钥解密。
4.使用私钥构造私钥上下文。
5.进行所请求的私钥操作，其中，在计算 ECDSA时，DRBG子需要被解密来生成随机比特，然后更新。
6.输出被写回内存

系统实现

CAR技术实现

1.执行保护环境

struct CACHE CRYPTO ENV{
  unsigned char masterKey[128/8];
  AES CONTEXT aes;
  union {
    RSA rsaCtx;
    ECDSA{
      ECDSA KEY ecdsaKey;
      unsigned char mallocBuffer[DMEM SIZE];
  } ecdsaCtx;
  }pkcontext;
  DRBG drbg;
  PRECOMPUTATION TABLE table;
  unsigned char CacheStack[CSTACK SIZE];
  unsigned long privKeyId;
  unsigned char input[MAX IN LENGTH];
  unsigned char output[MAX OUT LENGTH];
}CacheCryptoEnv;

2.L1 D-Cache使用
计算过程中，保证整个CacheCryptoEnvironment都在L1 D-Cache中。
3.栈切换

4.原子性