معالج تشفير آمن

المعالج التشفيري الآمن عبارة عن شريحة حاسوبية مخصصة أو معالج دقيق لتنفيذ عمليات التشفير ، مُدمج في غلاف مزود بإجراءات أمنية مادية متعددة ، مما يمنحه درجة من مقاومة العبث . على عكس المعالجات التشفيرية التي تُخرج البيانات المُفكّكة على ناقل في بيئة آمنة، فإن المعالج التشفيري الآمن لا يُخرج البيانات المُفكّكة أو تعليمات البرنامج المُفكّكة في بيئة لا يُمكن فيها الحفاظ على الأمن بشكل دائم.

يتمثل الغرض من معالج التشفير الآمن في العمل كحجر الزاوية لنظام فرعي أمني، مما يلغي الحاجة إلى حماية بقية النظام الفرعي بإجراءات أمنية مادية. ^{[ 1 ]}

تحتوي وحدة أمان الأجهزة (HSM) على شريحة واحدة أو أكثر من معالجات التشفير الآمنة . ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} تُعد هذه الأجهزة معالجات تشفير عالية الأمان تُستخدم مع خوادم المؤسسات. يمكن أن تحتوي وحدة أمان الأجهزة على مستويات متعددة من الأمان المادي، حيث تُعتبر شريحة معالج التشفير المفردة المكون الأكثر أمانًا فيها. لا يكشف معالج التشفير عن المفاتيح أو التعليمات القابلة للتنفيذ على ناقل البيانات، إلا في شكل مُشفّر، ويقوم بتصفير المفاتيح عند محاولة فحصها أو مسحها. قد تكون شريحة (أو شرائح) التشفير مُدمجة داخل وحدة أمان الأجهزة مع معالجات أخرى وشرائح ذاكرة لتخزين ومعالجة البيانات المُشفّرة. أي محاولة لإزالة الغلاف الخارجي ستؤدي إلى تصفير المفاتيح الموجودة في شريحة التشفير. قد تكون وحدة أمان الأجهزة أيضًا جزءًا من جهاز كمبيوتر (مثل جهاز الصراف الآلي ) يعمل داخل خزنة مُقفلة لردع السرقة والاستبدال والتلاعب.

تُعدّ البطاقات الذكية الحديثة على الأرجح أكثر أشكال معالجات التشفير الآمنة انتشارًا، على الرغم من أن معالجات التشفير الآمنة الأكثر تعقيدًا وتعددًا في الاستخدامات تُستخدم على نطاق واسع في أنظمة مثل أجهزة الصراف الآلي ، وأجهزة استقبال البث التلفزيوني ، والتطبيقات العسكرية، ومعدات الاتصالات المحمولة عالية الأمان. بل إن بعض معالجات التشفير الآمنة قادرة على تشغيل أنظمة تشغيل عامة مثل لينكس داخل نطاقها الأمني. تُدخل معالجات التشفير تعليمات البرنامج بصيغة مشفرة، ثم تفك تشفيرها إلى تعليمات عادية، تُنفذ بعد ذلك داخل شريحة معالج التشفير نفسها حيث تُخزن التعليمات التي تم فك تشفيرها بشكل لا يمكن الوصول إليه. وبفضل عدم كشف تعليمات البرنامج التي تم فك تشفيرها، يمنع معالج التشفير التلاعب بالبرامج من قِبل الفنيين الذين قد يكون لديهم وصول مشروع إلى ناقل بيانات النظام الفرعي. يُعرف هذا بتشفير الناقل . كما تُشفّر البيانات التي يعالجها معالج التشفير في كثير من الأحيان.

وحدة النظام الأساسي الموثوقة (TPM) هي تطبيق لمعالج تشفير آمن يُتيح مفهوم الحوسبة الموثوقة لأجهزة الكمبيوتر الشخصية العادية من خلال توفير بيئة آمنة . وتركز تطبيقات TPM الحالية على توفير بيئة تمهيد مقاومة للتلاعب، وتشفير تخزين دائم ومتطاير.

تتوفر أيضًا رقائق أمان للأنظمة المدمجة توفر نفس مستوى الحماية المادية للمفاتيح والمواد السرية الأخرى التي يوفرها معالج البطاقات الذكية أو وحدة TPM، ولكن بحجم أصغر وتعقيد أقل وتكلفة أقل. يُشار إليها غالبًا بأجهزة المصادقة المشفرة ، وتُستخدم لمصادقة الأجهزة الطرفية والملحقات والمواد الاستهلاكية. ومثل وحدات TPM، فهي عادةً عبارة عن دوائر متكاملة جاهزة للاستخدام، مصممة للتضمين في النظام، وعادةً ما تُلحم على لوحة دوائر مطبوعة.

التدابير الأمنية المستخدمة في معالجات التشفير الآمنة:

• نظام احتواء مزود بخاصية كشف العبث وإثبات العبث .
• طبقات درع موصلة في الشريحة تمنع قراءة الإشارات الداخلية.
• تنفيذ مُتحكم به لمنع أي تأخيرات زمنية قد تكشف أي معلومات سرية.
• مسح تلقائي للأسرار في حالة التلاعب بها.
• برنامج تحميل سلسلة الثقة الذي يقوم بمصادقة نظام التشغيل قبل تحميله.
• نظام تشغيل سلسلة الثقة الذي يقوم بمصادقة برامج التطبيقات قبل تحميلها.
• سجلات القدرات القائمة على الأجهزة ، والتي تطبق نموذج فصل الامتيازات أحادي الاتجاه .

على الرغم من فائدة معالجات التشفير الآمنة، إلا أنها ليست محصنة ضد الهجمات، لا سيما من قبل خصوم مجهزين تجهيزًا جيدًا ومصممين (مثل وكالة استخبارات حكومية) على استعداد لإنفاق موارد كافية على المشروع. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

استهدف هجومٌ على معالج تشفير آمن جهاز IBM 4758. ^{[ 7 ]} أفاد فريقٌ من جامعة كامبريدج بنجاح استخراج معلومات سرية من جهاز IBM 4758، باستخدام مزيج من الرياضيات وأجهزة فك التشفير المتخصصة . مع ذلك، لم يكن هذا الهجوم عمليًا في الأنظمة الواقعية لأنه يتطلب من المهاجم الوصول الكامل إلى جميع وظائف واجهة برمجة التطبيقات (API) للجهاز. تستخدم الممارسات المعتادة والموصى بها نظام التحكم في الوصول المتكامل لتقسيم الصلاحيات بحيث لا يتمكن أي شخص من شن الهجوم بمفرده.

على الرغم من أن الثغرة التي استغلوها كانت خللاً في البرنامج المحمل على جهاز 4758، وليس في بنية جهاز 4758 نفسه، إلا أن هجومهم بمثابة تذكير بأن نظام الأمان لا يكون آمناً إلا بقدر أضعف حلقاته: فقد أصبحت الحلقة القوية في جهاز 4758 عديمة الفائدة بسبب عيوب في تصميم ومواصفات البرنامج المحمل عليه.

تُعدّ البطاقات الذكية أكثر عرضةً للاختراق بشكل ملحوظ، نظرًا لسهولة استهدافها بالهجمات المادية. إضافةً إلى ذلك، يمكن أن تُقوّض الثغرات الأمنية في الأجهزة أمان البطاقات الذكية ومعالجات التشفير الأخرى ما لم يتم الاستثمار في أساليب تصميم مضادة لهذه الثغرات. ^{[ 8 ]}

في حالة تطبيقات تشفير القرص الكامل ، وخاصة عند تنفيذها بدون رقم تعريف شخصي للتمهيد ، لن يكون معالج التشفير آمنًا ضد هجوم التمهيد البارد ^{[ 9 ]} إذا كان من الممكن استغلال بقايا البيانات لتفريغ محتويات الذاكرة بعد أن يسترجع نظام التشغيل مفاتيح التشفير من وحدة TPM الخاصة به .

مع ذلك، إذا كانت جميع البيانات الحساسة مخزنة فقط في ذاكرة معالج التشفير وليس في وحدة تخزين خارجية، وكان معالج التشفير مصممًا بحيث لا يمكنه الكشف عن المفاتيح أو البيانات المشفرة أو غير المشفرة على نقاط توصيل الشريحة أو نقاط اللحام ، فلن يكون الوصول إلى هذه البيانات المحمية ممكنًا إلا عن طريق فحص شريحة معالج التشفير بعد إزالة أي طبقات تغليف أو حماية معدنية منها. وهذا يتطلب حيازة الجهاز فعليًا، بالإضافة إلى مهارات ومعدات تتجاوز ما يمتلكه معظم الفنيين.

تتضمن أساليب الهجوم الأخرى تحليلًا دقيقًا لتوقيت العمليات المختلفة التي قد تتباين تبعًا للقيمة السرية، أو رسم خريطة لاستهلاك الطاقة الحالي مقابل الزمن لتحديد الاختلافات في طريقة معالجة البتات "0" داخليًا مقارنةً بالبتات "1". أو قد يُطبّق المهاجم درجات حرارة قصوى، أو ترددات ساعة عالية أو منخفضة للغاية، أو جهد تغذية يتجاوز المواصفات لإحداث عطل. ويمكن تعديل التصميم الداخلي لمعالج التشفير لمنع هذه الهجمات.

تحتوي بعض معالجات التشفير الآمنة على نواتين للمعالجة ، وتُولد مفاتيح تشفير غير قابلة للوصول عند الحاجة، بحيث حتى في حالة الهندسة العكسية للدوائر، فلن تكشف عن أي مفاتيح ضرورية لفك تشفير البرامج التي يتم تشغيلها من ذاكرة فلاش مشفرة أو التي يتم نقلها بين النوى بشكل آمن. ^{[ 10 ]}

كان أول تصميم لمعالج التشفير أحادي الشريحة مخصصًا لحماية نسخ برامج الكمبيوتر الشخصي (انظر براءة الاختراع الأمريكية رقم 4,168,396، 18 سبتمبر 1979) وقد استلهم من رسالة بيل غيتس المفتوحة إلى الهواة .

اخترع المهندس المصري الأمريكي محمد محمد عطا الله وحدة أمان الأجهزة (HSM)، وهي نوع من معالجات التشفير الآمنة، [ ^{3 ] [ 4 ] في} عام 1972. ^{[ 11 ] [ 12 ]} وقد ابتكر وحدة أمان عالية تُعرف باسم "صندوق عطا الله" تقوم بتشفير أرقام التعريف الشخصية (PIN ) ورسائل أجهزة الصراف الآلي ، وتحمي الأجهزة غير المتصلة بالإنترنت باستخدام مفتاح لتوليد أرقام التعريف الشخصية (PIN) يصعب تخمينه. ^{[ 13 ]} وفي عام 1972، سجل براءة اختراع للجهاز. ^{[ 14 ]} وفي العام نفسه، أسس شركة عطا الله (التي تُعرف الآن باسم أوتيماكو عطا الله )، ^{[ 12 ]} وقام بتسويق "صندوق عطا الله" في العام التالي، ^{[ 13 ]} رسميًا باسم نظام Identikey. ^{[ 15 ]} وكان عبارة عن قارئ بطاقات ونظام تعريف للعملاء ، يتكون من وحدة تحكم قارئ البطاقات ، ولوحتي إدخال أرقام التعريف الشخصية (PIN) للعملاء ، ووحدة تحكم ذكية، وحزمة واجهة إلكترونية مدمجة. ^{[ 15 ]} سمح هذا النظام للعميل بإدخال رمز سري، يقوم الجهاز بتحويله، باستخدام معالج دقيق ، إلى رمز آخر للصراف. ^{[ 16 ]} أثناء عملية الدفع ، يقرأ قارئ البطاقات رقم حساب العميل . ^{[ 15 ]} حقق النظام نجاحًا كبيرًا، وأدى إلى الاستخدام الواسع لوحدات الأمان العالية. ^{[ 13 ]}

خوفًا من هيمنة نظام أتالا على السوق، بدأت البنوك وشركات بطاقات الائتمان العمل على معيار دولي في سبعينيات القرن الماضي. ^{[ 13 ]} وقد اعتمد جهاز IBM 3624 ، الذي طُرح في أواخر سبعينيات القرن الماضي، عملية تحقق من الرقم السري مشابهة لنظام أتالا السابق. ^{[ 17 ]} وكان نظام أتالا من أوائل المنافسين لشركة IBM في سوق أمن الخدمات المصرفية. ^{[ 14 ] [ 18 ]}

في مؤتمر الرابطة الوطنية لبنوك الادخار التعاوني (NAMSB) في يناير 1976، كشفت شركة أتالا عن نسخة مطورة من نظام Identikey الخاص بها، أطلق عليها اسم Interchange Identikey. أضافت هذه النسخة إمكانيات معالجة المعاملات عبر الإنترنت والتعامل مع أمن الشبكة . صُمم نظام Identikey مع التركيز على نقل المعاملات المصرفية إلى الإنترنت ، وتم توسيعه ليشمل عمليات المرافق المشتركة. تميز النظام بالاتساق والتوافق مع مختلف شبكات التحويل ، وكان قادرًا على إعادة ضبط نفسه إلكترونيًا إلى أي من 64000 خوارزمية غير خطية لا رجعة فيها، وفقًا لبيانات البطاقة . تم إطلاق جهاز Interchange Identikey في مارس 1976. ^{[ 16 ]} وفي وقت لاحق من عام 1979، قدمت أتالا أول معالج لأمن الشبكة (NSP). ^{[ 19 ]} تحمي منتجات HSM من أتالا 250 مليون معاملة بطاقة يوميًا اعتبارًا من عام 2013، ^{[ 12 ]} وتؤمن غالبية معاملات أجهزة الصراف الآلي في العالم اعتبارًا من عام 2014. ^{[ 11 ]} 

• أمن الحاسوب
• تمزيق العملات المشفرة
• FIPS 140-2
• تسريع الأجهزة
  • مُسرِّع SSL/TLS
• وحدات أمان الأجهزة
• هندسة الأمن
• بطاقة ذكية
• الحوسبة الموثوقة
• وحدة النظام الأساسي الموثوقة
• بيئة تنفيذ موثوقة
• تيتان إم