High-Level-Sicherheitsmodul (HSM)

Grundidee eines High-Level-Sicherheitsmoduls

Die Grundidee eines HSM ist ein physikalisch geschütztes IT-System mit einem gepufferten RAM. In diesem RAM werden die sicherheitsrelevanten Informationen gespeichert. Die verschiedenen Sicherheitsdienstleistungen des HSM werden über eine festgelegte externe Schnittstelle bereitgestellt.

Der physische Schutz soll verhindern, dass ein Angreifer die Inhalte des RAMs auslesen oder verändern kann. Ein Beispiel dafür ist eine komplex aufgebaute, flexible Leiterplatte mit vielen Layern und unterschiedlich verlaufenden Leiterbahnen. Diese umgeben den Prozessor und das RAM, in dem sich die sicherheitsrelevanten Daten befinden.

Zusätzlich wird der physische Schutz durch eine Sensorik überwacht. Wird ein möglicher Angriff erkannt, kann sofort eine Löschschaltung aktiviert werden. Diese löscht den Inhalt des RAMs aktiv und sicher. Damit die Löschschaltung und die Sensorik jederzeit funktionieren, verfügt das HSM über eine interne Stromversorgung. Auch diese Stromversorgung wird von der Sensorik überwacht. Geht die Energie der internen Stromversorgung zur Neige, wird aus Sicherheitsgründen noch rechtzeitig der Löschvorgang ausgelöst.

Die Sensorik soll dabei verschiedene Arten von Angriffen erkennen. Dazu gehören beispielsweise das Durchleuchten, Überhitzen und Unterkühlen, mechanische Attacken auf das RAM oder chemische Attacken gegen den physischen Schutz. Auch Manipulationen des ordnungsgemäßen Betriebs über Spannung und Frequenzen sollen erkannt werden. Den physischen Schutz eines HSM zu überwinden, ist, wenn überhaupt möglich, nur mit speziellem Werkzeug und einem sehr hohen zeitlichen und finanziellen Aufwand möglich.

An dieser wichtigen Sicherheitsfunktion wird auch deutlich, warum ein verlässlicher und sicherer Backup-Prozess notwendig ist. Die sicherheitsrelevanten Daten müssen im Notfall wiederhergestellt werden können. Dadurch bleibt die eigentliche Anwendung mit den besonders sensiblen sicherheitsrelevanten Informationen verfügbar.

Auch bei der Leistung unterscheiden sich HSMs von Smartcards und TPMs. Die verwendete CPU ist in einem HSM normalerweise sehr leistungsfähig. Häufig wird die Leistung zusätzlich durch spezielle Kryptografie-Beschleuniger erhöht. Auch die Kommunikation mit dem HSM ist sehr schnell.

Für verschiedene Einsatzbereiche bieten HSM-Hersteller außerdem Cluster-Lösungen an. Diese ermöglichen eine Lastverteilung und/oder eine hohe Verfügbarkeit. In solchen Fällen werden mehrere HSM in einem IT-System parallel und redundant eingesetzt.

Die wesentlichen Vorteile von HSMs gegenüber Smartcards, Sicherheitschips und TPMs sind damit vor allem die hohe Leistungsfähigkeit und die physische Sicherheit.

Anwendungsfelder für High-Level-Sicherheitsmodule

Ein Hardware-Sicherheitsmodul für das Hoch-Sicherheitsumfeld wird in der Praxis meist als High-Level-Sicherheitsmodul (HSM) umgesetzt. Die Sicherheitsfunktionen eines HSM eignen sich insbesondere für Master-Keys und Schlüssel von globaler Bedeutung.

HSMs kommen in verschiedenen Bereichen zum Einsatz. Dazu gehört die Public-Key-Infrastruktur, beispielsweise für die Zertifikatsausstellung, Zeitstempeldienste und optional die Schlüsselgenerierung. Auch im Bankenumfeld werden HSMs eingesetzt, etwa zur Autorisierung von Bezahltransaktionen und Geldabhebungen mit Kredit- und Debitkarten oder zur Speicherung von Wallets, zum Beispiel für Bitcoins.

Weitere Anwendungsbereiche sind die Cyber-Sicherheit für Netzbetreiber, beispielsweise im Bereich EC-Cash mit Mineralölunternehmen, sowie die Industrie. Dort können HSMs unter anderem für die Schlüsselgenerierung von Autoschlüsseln, die Abrechnung in Maut-Systemen, die Authentifikation im Mobilfunknetz oder die digitale Signatur von Rechnungen und Dokumenten in Archivierungssystemen eingesetzt werden.

Auch im behördlichen Umfeld finden HSMs Anwendung. Beispiele dafür sind IT-Sicherheitsdienste des neuen Personalausweises oder die Speicherung von Schlüsseln für die Verschlüsselung.

Level an IT-Sicherheit eines High-Level-Sicherheitsmoduls (HSM)

Das Level an IT-Sicherheit eines High-Level-Sicherheitsmoduls (HSM) ist entsprechend hoch. Die Wirkung gegen Angriffe auf die sicherheitsrelevanten Daten eines HSM kann nur mit einem Aufwand von weit über 10 Mio. EUR umgesetzt werden. Aus diesem Grund werden in High-Level-Sicherheitsmodulen auch Master-Keys und Schlüssel von globaler Bedeutung gespeichert.