硬件安全模块的设计及应用

摘要

随着通信技术的快速发展，数据通信越来越频繁，随之而来的信息安全问题就成为了一个亟待解决的难题。通信数据主要通过数据加密技术进行保护，然而数据加密算法并不是严格保密的，因此对密钥的保护成为了保证数据安全的关键。并且如今被广泛采用的OpenSSL软件只能提供软件加密方式，其加解密速度并不能满足日益增长的数据处理请求，因此使用具备更快的数据加解密速度并提供密钥安全管理功能的硬件数据加密设备至关重要。 在解决这两个问题的前提下，为增强系统安全性、数据处理效率和系统使用便利性，本文分析了现有密码机设计方案，针对加密芯片、密钥管理、身份验证和日志系统进行了改进，设计了一种基于Linux系统的硬件安全模块（Hardware Secure Module，HSM），为企业或个人的数据通信提供高效的数据加密处理和安全的密钥管理服务。其中，加密芯片采用具备多通道技术的S686芯片作为主控，提升数据并行处理效率；密钥管理系统增加数据库防篡改技术、数据覆写技术和低级格式化技术，保证了密钥存储及密钥销毁的安全性；增加了白名单系统和日志系统，分别用于实现服务器的身份验证和记录详细的系统工作日志信息，以保证系统安全性并提供系统错误追踪能力。本文首先分析了系统需求，并根据需求研究了TCP/IP协议、epoll和线程池模型、生产者消费者模型、双缓冲技术、密钥管理技术等相关技术，提出了合理的设计方案。然后根据功能需求对系统进行了框架设计，将其划分为网络通信模块、数据处理模块、加密卡模块和设备管理模块，并从性能和安全性方面对各个模块进行实现，详细介绍了各个模块的实现原理和过程。 最后使用Linux系统下的吞吐量检测工具sar、UVM验证平台等测试方法对硬件安全模块的各个模块进行了功能测试、性能测试和可靠性测试，完整的硬件安全模块测试结果显示其SM4加解密速度达到了640M/S，平均响应时间远低于预计性能指标0.5秒，密钥管理机制、日志管理系统等功能运行正常，能够长时间稳定高效运行。因此本文设计的硬件安全模块满足高并发、低延迟和密钥安全保护的要求，具有一定的实际应用价值。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 选题背景及意义

1.2 研究进展和现状

1.3 本文主要研究内容和研究创新点

1.4 本文各章节安排

第二章 HSM系统相关技术概述

2.1 网络通信技术

2.2 生产者/消费者模型及双缓冲技术

2.3 门限密钥共享

2.4 本章小结

第三章 HSM系统设计及模块组成

3.1 硬件安全模块的模块划分

3.2 网络通信模块

3.3 数据处理模块

3.4 加密卡模块

3.5 设备管理模块

3.6 本章小结

第四章 HSM系统验证和测试

4.1 网络通信模块测试

4.2 加密卡模块测试

4.3 HSM系统整体测试

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附录