Brevet FR2901939A1 — publié le 20071207

ARCHITECTURES DE SECURITE AMELIOREES EN DEUX ET TROIS PARTIES PHYSIQUEMENT SEPAREES L'invention concerne notamment une architecture de sécurité améliorée et un équipement cryptographique. Sous l'expression équipement cryptographique on désigne un produit matériel et logiciel qui intègre des fonctions cryptographiques. Dans un équipement cryptographique, le cloisonnement des fonctions cryptographiques et la séparation rouge / noir constituent les points criti- lo ques qui sont analysés au moment de l'évaluation de sécurité. Le passage de cette évaluation conditionne l'obtention de l'agrément, qui autorise le déploie-ment de l'équipement dans une infrastructure cliente. Un premier problème technique est la définition de l'architecture de l'équipement cryptographique. L'architecture doit garantir un niveau de cloison-15 nement et de séparation adapté à l'agrément visé. La recommandation courante [Recommandation pour l'intégration des fonctions cryptographiques dans les systèmes d'information] favorise le cloisonnement physique des fonctions cryptographiques (un domaine cryptographique autonome) et la séparation physique des ressources de traitements 20 des données sensibles et flux non sensibles. Cette recommandation induit automatiquement une forte complexité matérielle et logicielle. Un second problème technique est l'optimisation des coûts de développement et de production. A niveau de sécurité fixé, l'objectif est d'obtenir l'équipement cryptographique le plus compétitif du marché. 25 Un équipement cryptographique représenté à la figure 1 comporte en général quatre sous ensembles fonctionnels : la zone rouge 1, la zone noire 2, la zone de gestion 3 et la ressource cryptographique 4. La zone rouge 1 regroupe les fonctions de sécurité qui traitent des données sensibles en clair. La zone noire 2 regroupe les fonctions de sécurité qui traitent des données chif- 30 frées. La zone de gestion 3 regroupe les fonctions de supervision qui traitent des données non sensibles. Et la ressource cryptographique 4 regroupe les fonctions cryptographiques. Selon le niveau de sécurité visé, l'architecture de l'équipement cryptographique est généralement en deux, trois ou quatre parties physiquement séparées. L'architecture en deux parties représentée à la figure 2 permet de cloisonner les fonctions de sécurité en un domaine hôte 5 et un domaine cryptographique 6. Les zones rouge, noire et de gestion sont regroupées dans un domaine hôte formé d'un seul et unique composant logiciel et/ou matériel. La io ressource cryptographique 4 constitue le domaine cryptographique 6 de l'équipement. L'architecture en trois parties représentée à la figure 3 permet de cloisonner les fonctions de sécurité en un domaine cryptographique 6, un domaine hôte rouge 7 et un domaine hôte noir 8. La zone rouge 1 et une partie de 15 la zone de gestion 3a sont regroupées dans le domaine hôte rouge. La zone noire 2 et une partie de la zone de gestion 3b sont regroupées dans le domaine hôte noir. La ressource cryptographique 4 constitue le domaine cryptographique qui est placée en coupure dans l'équipement. Les architectures de sécurité en deux et trois parties présentent un 20 niveau insuffisant de séparation rouge/noir vis à vis des agréments pour les niveaux confidentiel défense et secret défense et ne conviennent donc pas aux équipements cryptographiques destinés à assurer la protection d'informations classifiées de défense. L'architecture de sécurité en quatre parties présente un niveau de 25 cloisonnement et de séparation rouge/noir maximum. Elle convient parfaitement aux équipements cryptographiques destinés à assurer la protection d'informations classifiées de défense. Cependant, elle engendre des coûts élevés de développement et de production. L'architecture de sécurité en quatre parties est aussi inadaptée au besoin de mobilité du client. Elle pénalise les 30 performances (autonomie énergétique) et l'ergonomie (encombrement) de l'équipement dans un contexte d'utilisation mobile. L'objet de l'invention concerne une nouvelle architecture pour un dis-positif cryptographique dans lequel le niveau de cloisonnement et de séparation rouge/noir des architectures en deux et trois parties est amélioré dans le but de concevoir des équipements cryptographiques, capables d'assurer la protection s d'informations classifiées de défense, à plus faible coût. L'invention concerne un dispositif de cryptographie comprenant au moins une zone rouge, une zone noire, une zone de gestion, une ressource cryptographique, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les éléments suivants : io o un domaine hôte comprenant la zone rouge, la zone noire et la zone de gestion séparées logiquement, o la ressource cryptographique communiquant avec les éléments du domaine hôte au moyen des interfaces suivantes : o une interface rouge pour les donnes émises vers la zone rouge, 15 o une interface noire pour les données émises vers la zone noire, o une interface gestion pour les données émises vers la zone de gestion, o les trois interfaces étant séparées physiquement, o le domaine cryptographique étant séparé physiquement du do- 20 maine hôte. L'invention présente notamment les avantages suivants : En combinant la séparation logique et physique des différentes zones, la séparation physique des interfaces externes et des interconnexions in-ternes entre zones, et l'utilisation d'un procédé de transmission sécurisé de 25 données en clair, à travers la ressource cryptographique, on assure un bon ni-veau de cloisonnement et de séparation rouge/noir. En cas de défaillance, la ressource cryptographique empêche les échanges de données en clair entre les zones séparées logiquement ou physi- quement. L'architecture logicielle basée sur la virtualisation logicielle/matérielle empêche les échanges directs de données entre les zones séparées logique-ment : le contournement de la ressource cryptographique par débordement ou injection mémoire est détecté et bloqué. Et le procédé de transmission sécuri- sée de données en clair à travers la ressource cryptographique empêche les échanges anormaux de données en clair en provenance ou à destination de la zone de gestion, engendrés par un disfonctionnement de l'une des zones. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit donnée à titre illustratif et io nullement limitatif annexé des figures qui représentent : o La figure 1 une découpe fonctionnelle d'un moyen de cryptographie, o La figure 2 une architecture de sécurité en deux parties physiquement séparées selon l'art antérieur, o La figure 3 une architecture de sécurité en trois parties physiquement 15 séparées selon l'art antérieur, o La figure 4a un premier exemple d'architecture de sécurité améliorée en deux parties physiquement séparées selon l'invention et la figure 4b le découpage logiciel correspondant, o La figure 5a un deuxième exemple d'architecture de sécurité améliorée 20 en trois parties physiquement séparées et la figure 5b le découpage logiciel correspondant, o La figure 6 un exemple d'implémentation pour l'architecture de la figure 4, o Les figures 7, 8 et 9 des exemples d'implémentation pour l'architecture 25 de la figure 5a. Les architectures de sécurité en deux et trois parties proposées selon l'invention reposent notamment sur l'application d'un ensemble cohérent des quatre mesures de sécurité suivantes : 1. le cloisonnement physique des zones fonctionnelles, intrinsèque aux architectures de sécurité en deux ou trois parties, 2. le cloisonnement logique des zones fonctionnelles physiquement regroupées, apporté par l'utilisation des technologies logicielles de 5 virtualisation logicielle/matérielle et/ou multi-niveaux de sécurité connues de l'Homme du métier, 3. le placement de la ressource cryptographique en coupure physique sur l'ensemble des flux de données échangés en interne de l'équipement entre les zones fonctionnelles, io 4. le contrôle des échanges de données en clair entre les zones fonctionnelles par la ressource cryptographique, apporté par l'application d'un procédé de transmission sécurisée de données en clair (par exemple le principe de Transmission de données en clair à travers une ressource cryptographique sans canal clair phy- 15 sique ). La figure 4a schématise un exemple d'architecture pour un moyen de cryptographie comprenant un domaine hôte 5 contenant une zone rouge 1, une zone noire 2 et une zone de gestion 3. Ces trois zones communiquent avec l'extérieur du moyen de cryptographie à l'aide de trois interfaces physiques distinctes respectivement une interface 10 pour les données sensibles, une inter-face 11 pour les données chiffrées, une interface 12 pour les données de gestion. Les trois zones sont séparées les unes des autres par des moyens logiciels, respectivement 13 entre la zone rouge et la zone de gestion et 14 entre la zone de gestion et la zone noire. II comporte aussi un domaine cryptographique 25 6 comprenant la ressource cryptographique 4 avec un canal clair sécurisé. Le domaine cryptographique communique avec l'extérieur au moyen d'une inter-face externe 15. La ressource cryptographique 4 communique avec les éléments du domaine hôte en utilisant trois interfaces physiquement distinctes : 30 • une interface rouge moyen/haut débit 16, pour les données sensi- bles (vers zone rouge), • une interface noire moyen/haut débit 17, pour les données chiffrées (vers zone noire), • une interface gestion bas/moyen débit 18, pour les données de gestion (vers zone gestion). La ressource cryptographique doit contrôler deux canaux clairs sécurisés qui résultent de la mise en œuvre d'un procédé de transmission sécurisée des données en clair entre : • la zone de gestion 3 et la zone rouge 1, • la zone de gestion 3 et la zone noire 2. lo Toutes les exigences techniques relatives au procédé de transmission de données en clair à travers la ressource cryptographique sans canal clair sont applicables dans ce contexte. Le domaine hôte 5 et le domaine de cryptographie 6 sont physiquement séparés 25. La ressource cryptographique doit pouvoir multiplexer sur les interfaces physiques rouge 16 et noire 17 des 15 données utilisateur (données sensibles ou données chiffrées) et des données non sensibles de gestion. La solution est compatible d'un mécanisme de cloisonnement visant à interdire la transmission simultanée de données en clair entre la zone de gestion et les zones rouges et noires. La figure 4b représente le découpage logiciel correspondant : le dé-20 coupage logiciel zone rouge 60, le logiciel zone de gestion 61 et le logiciel zone noire 62, un logiciel de virtualisation 63, et l'architecture à microprocesseur 64. La figure 5a représente une autre architecture de sécurité améliorée en trois parties physiquement séparées. Dans cette variante de réalisation, le moyen de cryptographie comprend un domaine hôte rouge 7 contenant une 25 partie de la zone de gestion 3a et la zone rouge 1, les deux zones étant séparées logiquement par un moyen logiciel 19. II comprend aussi un domaine hôte noir 8 comprenant une zone noire 2 et une partie de la zone de gestion 3b, les deux zones étant séparées logiquement par un moyen logiciel 20. La ressource cryptographique communique avec les éléments des domaines hôtes rouge et noir en utilisant quatre interfaces physiquement distinctes : • une interface rouge moyen/haut débit 16, pour les données sensi-5 bles (vers zone rouge), • une interface noire moyen/haut débit 17, pour les données chiffrées (vers zone noire), • une interface gestion bas/moyen débit 21, pour les données de gestion (vers zone gestion coté rouge). to ^ une interface gestion bas/moyen débit 22, pour les données de gestion (vers zone gestion coté noir). La ressource cryptographique doit contrôler trois canaux clairs sécurisés qui résultent de la mise en oeuvre d'un procédé de transmission sécurisée des données en clair entre : 15 • la zone de gestion coté rouge 3a et la zone rouge 1, • la zone de gestion coté noir 3b et la zone noire 2, • la zone de gestion coté rouge 3a et la zone de gestion coté noir 3b. Toutes les exigences relatives au procédé de transmission de données en clair à travers la ressource cryptographique sans canal clair sont 20 applicables dans ce contexte. Dans cette architecture, les 3 domaines sont séparés physiquement : le domaine hôte rouge est séparé physiquement 27 du domaine cryptographique, lui-même séparé physiquement 28 du domaine hôte noir. La figure 5b représente le découpage logiciel correspondant. Sur 25 cette figure le logiciel zone rouge 1 et le logiciel zone gestion 3a, sur un logiciel de virtualisation commune 65 associé à un matériel commun domaine hôte rouge 66, et le logiciel zone gestion 3b et le logiciel zone noire 2 associés à un logiciel de virtualisation commune 67 associé à un matériel commun domaine hôte noir 68. Architectures matérielles : La ressource cryptographique est en général un circuit intégré (programmable) intégrant l'ensemble des algorithmes de chiffrement et déchiffre-ment, symétriques et asymétriques. Ce composant offre une interface directe pour le bouchon CIK (mémoire externe utile démarrage cryptographique du composant) et l'injection des éléments secrets afin de confiner et de cloisonner le traitement des éléments très sensibles (clés cryptographiques). L'implémentation matérielle typique de l'architecture de sécurité lo améliorée en deux parties physiquement séparées est présentée figure 6. Les zones rouge 30, noire 31 et de gestion 32 sont implémentées séparément en logiciel. Ces trois logiciels s'exécutent de manière concurrente sur une architecture à microprocesseur unique 34 grâce à la technologie de virtualisation logicielle/matérielle. 15 L'implémentation matérielle de l'architecture de sécurité améliorée en trois parties physiquement séparées prend différentes formes selon le ni-veau de performance de l'équipement (débit). Trois cas typiques d'implémentation sont présentés dans les figures 7, 8, et 9. Les zones rouge 40 (tout ou partie), noire 41 (tout ou partie) et de 20 gestion 42 sont implémentées séparément en logiciel. Les fonctions de traite-ment rapide des zones rouge 44/54 et noire 45 sont implémentées en matériel. La technologie de virtualisation logicielle/matérielle garantit une séparation entre le logiciel de gestion coté rouge et le logiciel de la zone rouge (processeur rouge) et entre le logiciel de gestion coté noir et le logiciel de la zone noire (pro- 25 cesseur noir). Les différents éléments sont en liaison par des interfaces 47a, 47b 47c et 47d, avec un circuit cryptographique. Sur la figure 8, la zone rouge 40 est en liaison avec un circuit programmable FPGA 44 field programmable gate array) au moyen d'une interface 30 rouge interne 49, et la zone noire 41 avec la fonction de traitement rapide par 8 une interface noire interne 50. L'équipement cryptographique communique avec l'extérieur au moyen d'écran clavier 51, de liaison ethernet 52. Une entrée/sortie 53 permet notamment d'injecter la clé et le CIK 54. Architectures logicielles : Le socle logiciel commun aux logiciels des zones rouge, noire et de gestion est formé d'un système d'exploitation de confiance et d'une couche d'adaptation matérielle. Ce système d'exploitation assure principalement la séparation des ressources de l'architecture à microprocesseur (registres, mémoires, périphériques) et de la puissance de calcul offerte par le coeur microprocesseur. En effet, il alloue à chaque logiciel un temps d'exécution fixe et réalise de manière périodique la commutation de tache logicielle de manière stricte et en temps réel. 15 REVENDICATIONS 1 - Dispositif de cryptographie comprenant au moins une zone rouge (1), une zone noire (2), une zone de gestion (3), une ressource cryptographique (4), caractérisé en ce qu'il comporte au moins les éléments suivants : o un domaine hôte (5) comprenant la zone rouge (1), la zone noire (2) et la zone de gestion (3) séparées logiquement, o la ressource cryptographique (4) communiquant avec les éléments du domaine hôte (5) au moyen des interfaces suivantes : o une interface rouge (10) pour les donnes émises vers la zone io rouge, o une interface noire (11) pour les données émises vers la zone noire, o une interface gestion (12) pour les données émises vers la zone de gestion, 15 o les trois interfaces (10, 11, 12) étant séparées physiquement, o le domaine cryptographique étant séparé physiquement du domaine hôte. 2 û Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen de séparation logicielle (13, 14) entre chacune des trois zones : la zone 20 rouge, la zone de gestion et la zone noire. 3û Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de séparation matériel (25) entre le domaine hôte et le domaine cryptographique. 4 - Dispositif de cryptographie comprenant au moins une zone rouge (1), une 25 zone noire (2), une zone de gestion (3a, 3b), une ressource cryptographique (4), caractérisé en ce qu'il comporte au moins les éléments suivants : o un domaine hôte rouge (7) comprenant la zone rouge et la zone de gestion (3a) séparées logiquement (19),o un domaine hôte noir (8) comprenant la zone noire (2) et la zone de gestion (3b) séparées logiquement (20), o la ressource cryptographique communiquant avec les éléments des domaines hôtes rouge et noir au moyen des interfaces suivantes : o une interface rouge (16) pour les donnes émises vers la zone rouge, o une interface noire (17) pour les données émises vers la zone noire, o une interface gestion (21) pour les données émises vers la zone lo de gestion coté rouge, o une interface gestion (22) pour les données émises vers la zone de gestion coté noir, o les quatre interfaces (16, 17, 21, 22) étant séparées physique-ment, 15 o le domaine cryptographique étant séparé physiquement (27, 28) des domaines hôtes rouge et noir. 5 ù Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce qu'il comporte un moyen de séparation logicielle (19) entre la zone rouge et la zone de gestion du côté rouge, et (20) entre la zone noire et la zone de gestion du côté noir. 20 6 ù Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de séparation matériel entre les trois domaines : une séparation (27) entre le domaine hôte rouge et le domaine cryptographique, une séparation (28) entre le domaine hôte noir et le domaine cryptographique et une séparation entre le domaine hôte rouge et le domaine hôte noir. 25 7 ù Dispositif selon l'une des revendications 1 et 4 caractérisé en ce qu'il comprend une ressource cryptographique placée en coupure sur l'ensemble des flux de données sensibles, chiffrées et non sensibles échangées entre les zones rouge, noire et de gestion.