Turvalisuse nähtamatu mootor: Sügav sukeldumine süsteemi entroopia kogumisse

Oma digimaailmas toetume saladustele. Teie e-posti parool, teie finantstehinguid krüpteeriv võti, teenusesse sisselogituna hoidev seansitoken – kõik need on väärtuslikud vaid seni, kuni need jäävad ettearvamatuteks. Kui vastane suudab teie järgmise "saladuse" ära arvata, pole see enam saladus. Selle ettearvamatuse südames on informatsiooniteooriast ja füüsikast pärit fundamentaalne kontseptsioon, mis on ümber kohandatud arvutikasutuseks: entroopia.

Arvutiinformaatiku või turvaprofessionaali jaoks on entroopia juhuslikkuse, üllatuse mõõt. See on krüptograafia vereringe ja meie digitaalsete identiteetide vaikne kaitsja. Kuid kust meie deterministlikud, loogikapõhised masinad seda hädavajalikku kaost leiavad? Kuidas suudab arvuti, mis on ehitatud ettearvatavate ühe- ja nullide vundamendile, luua tõelist ettearvamatust?

See sügav sukeldumine valgustab entroopia kogumise põnevat, sageli nähtamatut protsessi. Uurime leidlikke viise, kuidas operatsioonisüsteemid koguvad juhuslikkust füüsilisest maailmast, kuidas nad seda haldavad ja miks selle protsessi mõistmine on kriitilise tähtsusega kõigile, kes ehitavad, haldavad või turvavad kaasaegseid arvutisüsteeme.

Mis on entroopia ja miks see on oluline?

Enne allikate uurimist, loome selge arusaama, mida me arvutikontekstis entroopia all mõistame. See ei puuduta segadust toas; see puudutab informatsiooni ettearvamatust. Kõrge entroopiaga andmejada on raskesti ennustatav või tihendatav. Näiteks "aaaaaaaa" jadaga on väga madal entroopia, samas kui "8jK(t^@L" jadaga on kõrge entroopia.

Arvutilise juhuslikkuse määratlemine

Juhuslike numbrite genereerimise maailmas kohtame kahte peamist kategooriat:

• Pseudo-juhuslike numbrite generaatorid (PRNG-id): Need on algoritmid, mis loovad numbrite jada, mis tundub juhuslik, kuid on tegelikult täielikult määratud algväärtusega, mida nimetatakse "seemneks" (seed). Sama seemne korral loob PRNG alati täpselt sama numbrite jada. Kuigi need sobivad suurepäraselt simulatsioonideks ja mudelite loomiseks, kus vajatakse reprodutseeritavust, on need turvarakenduste jaoks ohtlikult ettearvatavad, kui seemneid on võimalik ära arvata.
• Tõelised juhuslike numbrite generaatorid (TRNG-id): Need generaatorid ei tugine matemaatilisele valemile. Selle asemel ammutavad nad oma juhuslikkust ettearvamatutest füüsikalistest nähtustest. TRNG väljund on mitte-deterministlik; te ei saa järgmist numbrit ennustada isegi siis, kui teate kõigi varasemate numbrite ajalugu. See on tugeva krüptograafia jaoks vajalik juhuslikkuse kvaliteet.

Süsteemi entroopia kogumise eesmärk on koguda andmeid TRNG allikatest, et neid kas otse rakendustele pakkuda või, mis on sagedasem, et turvaliselt seemendada kõrgekvaliteediline, krüptograafiliselt turvaline PRNG (CSPRNG).

Entroopia kriitiline roll turvalisuses

Kvaliteetse entroopia puudumine võib viia katastroofiliste turvafailideni. Kui süsteem genereerib ettearvatavaid "juhuslikke" numbreid, laguneb kogu nendele ehitatud turvaarhitektuur. Siin on vaid mõned valdkonnad, kus entroopia on asendamatu:

• Krüptograafiliste võtmete genereerimine: Kui genereerite SSH-võtme, PGP-võtme või SSL/TLS-sertifikaadi, vajab süsteem suurt kogust tõelist juhuslikkust. Kui kaks süsteemi genereerivad võtmeid sama ettearvatava juhusliku andmestikuga, loovad nad identsed võtmed, mis on laastav viga.
• Seansihaldus: Kui logite veebisaidile sisse, genereerib see teie brauseri tuvastamiseks unikaalse seansitunnuse. See tunnus peab olema äraarvamatu, et vältida ründajate teie seansi ülevõtmist.
• Nonseid ja soolad: Krüptograafias kasutatakse "nonseid" (kord kasutatav number) kordus-/taasesitusrünnakute vältimiseks. Paroolide räsimisel lisatakse "soolad" (random values) paroolidele enne räsimist, et vältida vikerkaartabeli rünnakuid. Mõlemad peavad olema ettearvamatud.
• Krüpteerimisprotokollid: Protokollid nagu TLS tuginevad seansi jaoks jagatud salajase võtme loomisel käepigistuse käigus juhuslikele numbritele. Ettearvamatud numbrid siin võivad võimaldada pealtkuulajal kogu vestluse dekrüpteerida.

Juhuslikkuse jaht: Süsteemi entroopia allikad

Operatsioonisüsteemid on vaatlemise meistrid, jälgides pidevalt füüsilise maailma ettearvamatut müra. See müra, kui see on digitaliseeritud ja töödeldud, saab süsteemi entroopia basseini tooraineks. Allikad on mitmekesised ja leidlikud, muutes igapäevased sündmused väärtusliku juhuslikkuse voogudeks.

Riistvarapõhised allikad: Füüsilise maailma kasutamine

Kõige usaldusväärsemad entroopia allikad pärinevad riistvarakomponentide ja kasutaja interaktsioonide peentest, kaootilistest fluktuatsioonidest. Võti on nende sündmuste ajastuse täpne mõõtmine, kuna ajastus on sageli arvukate ettearvamatute füüsikaliste tegurite mõju all.

Kasutaja sisendi ajastus

Isegi kui kasutaja teostab korduvat ülesannet, pole tema toimingute täpne ajastus kunagi täiesti identsne. Operatsioonisüsteemi tuum saab mõõta neid erinevusi kuni mikrosekundi või nanosekundini.

• Klaviatuuri ajastus: Süsteem ei hooli milliseid klahve te vajutate, vaid millal te neid vajutate. Klahvivajutuste vaheline viivitus – aeg ühe klahvivajutuse ja järgmise vahel – on rikkalik entroopia allikas, mida mõjutavad inimlikud mõtteprotsessid, väikesed lihastõmblused ja süsteemi koormus.
• Hiire liigutused: Hiirekursori tee ekraanil pole kaugeltki sirgjooneline. Tuum salvestab iga liikumissündmuse X/Y koordinaadid ja ajastuse. Käe liikumise kaootiline olemus pakub pidevat juhuslikku andmevoogu.

Riistvara katkestused ja seadme ajastus

Kaasaegne arvuti on asünkroonsete sündmuste sümfoonia. Seadmed katkestavad pidevalt protsessorit, et teatada ülesande lõpetamisest. Nende katkestuste ajastus on fantastiline entroopia allikas.

• Võrgupakettide saabumisaeg: Aeg, mis kulub võrgupaketi liikumiseks serverist teie arvutisse, mõjutab mitmeid ettearvamatuid tegureid: võrgu ülekoormus, ruuteri järjekorraviadused, Wi-Fi signaalide atmosfäärilised häired ja satelliidilinke mõjutavad päikeselained. Tuum mõõdab iga paketi täpset saabumisaega, kogudes entroopiat "jägus" (jitter).
• Ketta I/O ajastus: Aeg, mis kulub kõvaketta lugemis-/kirjutuspea liikumiseks kindla rajani ja plaadi pööramiseks õige sektori juurde, on allutatud väikestele füüsikalistele varieeruvustele ja õhuturbulentsile draiveri korpuses. Pooljuhtdraiverite (SSD) puhul võib ka välkmälu toimingute ajastus sisaldada mitte-deterministlikke elemente. Nende I/O päringute lõpetamise aeg annab veel ühe juhuslikkuse allika.

Spetsialiseeritud riistvaralised juhuslike numbrite generaatorid (HRNG-id)

Kõrge turvalisusega rakenduste jaoks ei pruugi ümbritseva müra kasutamine alati piisata. Siin tulevad mängu spetsiaalsed riistvarad. Paljud kaasaegsed protsessorid ja kiibistikud sisaldavad ise ränidioksiidi peal spetsiaalset HRNG-i.

• Kuidas need töötavad: Need kiibid on loodud tõeliselt ettearvamatute füüsikaliste nähtuste ärakasutamiseks. Levinud meetodid hõlmavad termilise müra mõõtmist (elektronide juhuslik liikumine takistis), pooljuhtide kvanttunnelimise efekte või radioaktiivse allika lagunemist. Kuna neid protsesse juhivad kvantmehaanika seadused, on nende tulemused fundamentaalselt ettearvamatud.
• Näited: Märkimisväärne näide on Intel® Secure Key tehnoloogia, mis sisaldab juhiseid `RDRAND` ja `RDSEED`. Need võimaldavad tarkvaral otse nõuda kõrge kvaliteediga juhuslikke bitte kiibisisesest HRNG-ist. AMD protsessoritel on sarnane funktsioon. Neid peetakse entroopia kuldstandardiks ja kaasaegsed operatsioonisüsteemid kasutavad neid laialdaselt, kui need on saadaval.

Keskkonnamüra

Mõned süsteemid saavad kasutada ka oma vahetu keskkonna müra, kuigi see on üldotstarbeliste serverite ja töölauaarvutite puhul vähem levinud.

• Heli sisend: Mikrofoni sisendi vähemolulised bitid, mis salvestavad ümbritsevat ruumimüra või isegi mikrofoni enda vooluringide termilist müra, saab kasutada entroopia allikana.
• Video sisend: Samamoodi saab kalibreerimata kaamera anduri müra (pixelite heleduse kerged, juhuslikud variatsioonid isegi siis, kui see on suunatud ühtlasele pinnale) digitaliseerida ja lisada entroopia basseini.

Entroopia bassein: Süsteemi juhuslikkuse reservuaar

Toorandmete kogumine nendest mitmekesistest allikatest on alles esimene samm. Need toorandmed ei pruugi olla ühtlaselt jaotunud ja ründaja võib olla võimeline ühte allikat mõjutama. Selle lahendamiseks kasutavad operatsioonisüsteemid mehhanismi nimega entroopia bassein.

Mõelge entroopia basseinile kui suurele katlale. Operatsioonisüsteem viskab sinna klaviatuuri ajastusest, hiire liikumistest, ketta I/O-st ja muudest allikatest kogutud juhuslikud bitid koostisosadena. Kuid see ei sega neid lihtsalt; see kasutab krüptograafilist "segamisfunktsiooni".

Kuidas see töötab: Katla segamine

Kui uus juhuslik andmestik (ütleme, võrgupaketi saabumisajast) on saadaval, ei lisata seda lihtsalt basseini. Selle asemel kombineeritakse see basseini praeguse olekuga tugeva krüptograafilise räsimisfunktsiooniga nagu SHA-1 või SHA-256. Sellel protsessil on mitmeid olulisi eeliseid:

• Valgendamine/segamine: Krüptograafiline räsimisfunktsioon segab uue sisendi põhjalikult olemasoleva basseiniga. See tagab, et basseini väljund on statistiliselt ühtlane, isegi kui toorandmed seda pole. See silub kõik sisendallikate eelarvamused.
• Tagurpidi hülgamise vastupidavus: Räsimisfunktsioonide ühepoolse olemuse tõttu ei saa ründaja, kes jälgib entroopia basseini väljundit, protsessi tagurpidi pöörata, et kindlaks teha basseini eelmist olekut või lisatud toorandmeid.
• Allika sõltumatus: Sadade allikate sisendite pideva segamisega tagab süsteem, et isegi kui ründaja saaks kontrollida ühte allikat (nt saates võrgupakette ettearvatava kiirusega), hajutataks ja varjataks selle mõju kõigi teiste segatavate allikate poolt.

Kaks juurdepääsu tüüpi: Blokeeriv vs. Mitteblokeeriv

Unix-like süsteemides, nagu Linux, on tuuma entroopia bassein tavaliselt rakendustele avatud kahe spetsiaalse seadmefaili kaudu: `/dev/random` ja `/dev/urandom`. Nende erinevuse mõistmine on ülioluline ja tavaline segaduse tekitaja.

/dev/random: Kõrge usaldusväärsusega allikas

Kui taotlete andmeid `/dev/random`'ist, hindab tuum kõigepealt, kui palju "tõelist" entroopiat basseinis praegu on. Kui taotlete 32 baiti juhuslikkust, kuid tuum hindab, et tal on ainult 10-baidine entroopia, annab `/dev/random` teile need 10 baiti ja seejärel blokeerib. See peatab teie rakenduse ja ootab, kuni see on kogunud piisavalt uut entroopiat oma allikatest, et täita ülejäänud teie taotlus.

Millal seda kasutada: Varem soovitas seda väga kõrge väärtusega, pikaajaliste krüptograafiliste võtmete (nagu GPG peavõti) genereerimiseks. Blokeeriv olemus nähti turvagarantiina. Siiski võib see põhjustada rakenduste igavest rippumist madala entroopiaga süsteemidel, muutes selle enamiku kasutusviiside jaoks ebapraktiliseks.

/dev/urandom: Kõrge jõudlusega allikas

`/dev/urandom` (unlimited/unblocking random) kasutab teist lähenemist. See kasutab entroopia basseini kõrge kvaliteediga, krüptograafiliselt turvalise PRNG (CSPRNG) seemendamiseks. Kui see CSPRNG on piisava tõelise entroopiaga seemendatud, saab see luua peaaegu lõpmatu hulga arvutuslikult ettearvamatut andmestikku väga suure kiirusega. `/dev/urandom` kunagi ei blokeeri.

Millal seda kasutada: 99.9% kõigist rakendustest. Pikaajaline müüt väidab, et `/dev/urandom` on kuidagi ebaturvaline. See on aegunud. Kaasaegsetel operatsioonisüsteemidel (nagu mis tahes Linuxi tuum pärast 2.6) on pärast basseini initsialiseerimist (mis juhtub käivituse alguses) `/dev/urandom` väljundit peetakse krüptograafiliselt turvaliseks kõigil eesmärkidel. Kaasaegsed krüptograafia- ja turbeeksperdid soovitavad ülemaailmselt kasutada `/dev/urandom` või sellega samaväärseid süsteemikõnesid (`getrandom()` Linuxis, `CryptGenRandom()` Windowsis).

Entroopia kogumise väljakutsed ja kaalutlused

Kuigi kaasaegsed operatsioonisüsteemid on entroopia kogumises märkimisväärselt head, esitavad teatud stsenaariumid olulisi väljakutseid.

"Külmkäivituse" probleem

Mis juhtub, kui seade käivitub esimest korda? Selle entroopia bassein on tühi. Lauaarvutil hakkab kasutaja kiiresti hiirt liigutama ja tippima, täites basseini kiiresti. Kuid kaaluge neid keerulisi juhtumeid:

• Peata serverid: Andmekeskuses asuval serveril pole klaviatuuri ega hiirt ühendatud. See toetub ainult võrgu- ja ketta katkestustele, mis võivad olla varajase käivituse ajal ebapiisavad, enne kui teenused on käivitunud.
• IoT ja manussüsteemid: Nutitermostaadil või anduril võib olla väga vähe entroopia allikaid – pole ketast, minimaalset võrguliiklust ja puudub kasutaja interaktsioon.

See "külmkäivitus" on ohtlik, sest kui teenus käivitub käivituse alguses ja taotleb juhuslikke numbreid enne, kui entroopia bassein on korralikult seemendatud, võib see saada ettearvatava väljundi. Selle leevendamiseks salvestavad kaasaegsed süsteemid sageli väljalülitamise ajal "seemnefaili", mis sisaldab juhuslikku andmestikku eelmise seansi entroopia basseinilt ja kasutavad seda järgmisel käivitamisel basseini initsialiseerimiseks.

Virtualiseeritud keskkonnad ja kloonitud süsteemid

Virtualiseerimine tutvustab suurt entroopia väljakutset. Virtuaalmasin (VM) on füüsilisest riistvarast isoleeritud, seega ei saa see otse jälgida kettaajastusi ega hosti teisi riistvarakatkestusi. See jätab selle hea entroopia allikatest ilma.

Probleemi võimendab kloonimine. Kui loote VM-mallu ja seejärel käivitate sellest 100 uut VM-i, võivad kõik 100 potentsiaalselt käivituda täpselt samas olekus, sealhulgas nende entroopia basseini seemne olekus. Kui nad kõik esmakordsel käivitamisel genereerivad SSH-hostivõtme, võivad nad kõik genereerida täpselt sama võtme. See on tohutu turvarisk.

Lahenduseks on paravirtualiseeritud juhuslike numbrite generaator, nagu `virtio-rng`. See loob otse, turvalise kanali, et külalis-VM saaks entroopiat hostilt taotleda. Hostil, millel on juurdepääs kogu füüsilisele riistvarale, on rikkalik entroopia varu ja ta saab seda turvaliselt oma külalistele serveerida.

Entroopia näljutamine

Entroopia näljutamine tekib siis, kui süsteemi juhuslike numbrite nõudlus ületab selle võime koguda uut entroopiat. Kiire veebiserver, mis käitleb tuhandeid TLS-i käepigistusi sekundis, võib juhuslikkust väga kiiresti tarbida. Kui sellel serveril olevad rakendused on konfigureeritud kasutama `/dev/random`, võivad nad alustada blokeerimist, mis viib tõsise jõudluse halvenemiseni ja ühenduse aegumisteni. See on peamine põhjus, miks `/dev/urandom` on peaaegu kõigi rakenduste jaoks eelistatud liides.

Parimad tavad ja kaasaegsed lahendused

Süsteemi entroopia haldamine on süsteemiadministraatorite, DevOps-inseneride ja tarkvaraarendajate ühine vastutus.

Süsteemiadministraatoritele ja DevOps-ile

• Kasutage riistvara RNG-sid: Kui teie riistvaral on sisseehitatud HRNG (nagu Intel RDRAND), veenduge, et süsteem on selle kasutamiseks konfigureeritud. Tööriistad nagu `rng-tools` Linuxis saab konfigureerida toitma andmeid riistvarageneraatorist otse tuuma `/dev/random` basseini.
• Lahendage virtualiseerimine: VM-ide käivitamisel veenduge alati, et `virtio-rng` seade on konfigureeritud ja lubatud. See on kriitiline turvameede mis tahes virtualiseeritud infrastruktuuris.
• Kaaluge entroopia deemonid piiratud seadmetel: Peata serverite või väheste looduslike entroopia allikatega manussüsteemide jaoks võib entroopiat koguva deemonina nagu `haveged` olla kasulik. See kasutab protsessori käsu ajastuse varieeruvusi (protsessori enda täitmisjägusust) täiendava entroopia genereerimiseks.
• Jälgige entroopia tasemeid: Linuxis saate kontrollida basseini praegust hinnangulist entroopiat, käivitades `cat /proc/sys/kernel/random/entropy_avail`. Kui see arv on pidevalt madal (nt alla 1000), on see märk sellest, et teie süsteem on näljas ja võib vajada ühte ülaltoodud lahendustest.

Arendajatele

• Kasutage õiget süsteemikutset: Kulde reegel on mitte kunagi ise genereerida juhuslike numbrite generaatorit turvalisuse eesmärgil. Kasutage alati operatsioonisüsteemi krüptograafilise teegi pakutavat liidest. See tähendab `getrandom()` kasutamist Linux/C-s, `os.urandom()` Pythonis, `crypto.randomBytes()` Node.js-s või `SecureRandom` Java-s. Need liidesed on asjatundlikult loodud, et pakkuda krüptograafiliselt turvalisi juhuslikke numbreid ilma blokeerimiseta.
• Mõistke `urandom` vs. `random` erinevust: Peaaegu kõigi rakenduste jaoks – seansivõtmete, nonseidide, soolade või isegi ajutiste krüpteerimisvõtmete genereerimiseks – on mitteblokeeriv `/dev/urandom` liides õige ja turvaline valik. Kaaluge blokeerivat liidest ainult väikese hulga äärmiselt kõrge väärtusega, võrguühenduseta peavõtmete genereerimiseks, ja isegi siis olge teadlikud jõudlusest tulenevatest mõjudest.
• Seemendage rakenduse tasemel PRNG-id korralikult: Kui teie rakendus vajab oma PRNG-i mittekrüptograafilistel eesmärkidel (nagu mängus või simulatsioonis), peate selle siiski kõrge kvaliteediga väärtusega seemendama. Parim tava on tõmmata algseem operatsioonisüsteemi turvalisest allikast (nt `/dev/urandom`).

Järeldus: Digitaalse usalduse vaikne kaitsja

Entroopia kogumine on üks kaasaegse operatsioonisüsteemi kõige elegantsemaid ja kriitilisemaid funktsioone. See on protsess, mis ühendab füüsilise ja digitaalse maailma, muutes reaalsuse kaootilise müra – võrgupaketi järeleandlikkuse, klahvivajutuse kõhkluse – tugeva krüptograafia matemaatiliseks kindluseks.

See turvalisuse nähtamatu mootor töötab väsimatult taustal, pakkudes ettearvamatuse hädavajalikku elementi, mis on peaaegu iga meie veebis toimuva turvalise interaktsiooni aluseks. Lihtsast veebisirvimise seansi turvamisest kuni riigisaladuste kaitsmiseni on süsteemi entroopia kvaliteet ja kättesaadavus ülimalt tähtsad. Mõistes, kust see juhuslikkus pärineb, kuidas seda hallatakse ja millised on sellega seotud väljakutsed, saame ehitada robustsemaid, vastupidavamaid ja usaldusväärsemaid süsteeme ülemaailmse digitaalse ühiskonna jaoks.