HSM
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- Hardware Security Module
HSM은 암호화 키를 생성하고 저장하는 역할을 하는 전용 하드웨어장치를 말한다.
- 암호키(Master Key)를 안전하게 저장하는 역할과 Server CA의 Private Key를 저장하는 역할을 제공한다.
우리말로는 하드웨어 보안 모듈이라고 한다. 핵심은 키가 장비 밖으로 평문으로 나오지 않는다는 점이다. 응용 프로그램은 키를 직접 받지 않고 "이 데이터를 이 키로 서명해 달라", "복호화해 달라"고 요청만 하며, 암호 연산은 HSM 내부에서 끝난다. 그래서 서버가 해킹되어도 키 자체를 빼 가기 어렵다. HSM은 변조를 감지하면 키를 지우는(zeroization) 물리 보호 장치, 전용 암호 가속기, 하드웨어 난수 생성기를 갖추고, PKCS#11, KMIP 같은 표준 인터페이스로 응용과 연결된다.
| 용도 | 설명 |
|---|---|
| 키 생성·저장 | 고품질 난수로 키를 만들고, 키를 장비 안에서만 보관한다. 암호 키 관리 수명 주기(생성, 저장, 사용, 교체, 폐기)의 기반이 된다. |
| PKI 루트 키 보호 | 인증기관(CA)의 루트·중간 CA 개인키를 보관하고 인증서 서명을 HSM 안에서 수행한다. 루트 CA는 보통 오프라인 HSM에 두고 서명할 때만 꺼낸다. 공개키 기반 구조 신뢰의 출발점이다. |
| 전자서명·코드 서명 | 문서 전자서명, 소프트웨어 배포용 코드 서명 키를 보호한다. 서명 키가 새면 악성코드가 정상 소프트웨어로 둔갑한다. |
| TLS 키 보호·가속 | 웹 서버·부하 분산기의 TLS 개인키를 보호하고 핸드셰이크 연산을 맡는다. |
| 데이터베이스·저장 장치 암호화 | 투명한 데이터 암호화(TDE)의 마스터 키를 보관하고, 데이터 키를 마스터 키로 감싸는 방식(봉투 암호화)에 쓰인다. |
| 결제 HSM | 카드 PIN 블록 변환·검증, 카드 발급 키, 거래 인증 값 생성·검증 등 결제 전용 기능을 수행한다. 결제 업계 표준 PCI PTS HSM 보안 요구사항으로 평가받는다. PCI DSS 환경의 키 관리와 이어진다. |
| 키 백업·복구, 키 분할 | 키를 여러 관리자가 나눠 가진 스마트카드에 분할(M-of-N) 보관해 한 사람이 단독으로 키를 꺼내거나 복구하지 못하게 한다. 직무 분리와 이중 통제를 기술로 구현한 것이다. |
미국 FIPS 140-3(암호 모듈 보안 요구사항, 2019년 3월 승인)은 국제 표준 ISO/IEC 19790:2012를 따르며, 암호 모듈을 네 단계 보안 수준으로 평가한다. 수준의 성격은 FIPS 140-2 때와 같고, 아래 설명은 FIPS 140-2 본문의 수준 정의를 요약한 것이다. 검증은 미국 NIST와 캐나다 CCCS가 함께 운영하는 암호 모듈 검증 프로그램(CMVP)이 한다. 국내의 암호 모듈 검증(KCMVP)과 같은 역할이다.
| 수준 | 물리 보안 | 운영자 인증 | 적합한 환경(예) |
|---|---|---|---|
| 수준 1 | 상용 등급 부품 이상의 별도 물리 보호 요구 없음 | 요구 없음 | 소프트웨어 암호 라이브러리, PC용 암호화 보드 |
| 수준 2 | 변조 흔적(tamper-evidence): 변조 흔적 코팅·봉인, 쉽게 따지 못하는 잠금 | 역할 기반 인증 | 일반 사무 환경 |
| 수준 3 | 변조 저항과 대응(tamper-resistance/response): 튼튼한 외함, 덮개를 열면 평문 핵심 보안 매개변수(CSP)를 즉시 지우는 회로 | 신원 기반 인증. 평문 CSP 입출력은 물리적으로 분리된 포트나 신뢰 경로로만 | 데이터센터의 범용 HSM(대부분의 상용 HSM과 클라우드 HSM) |
| 수준 4 | 완전한 보호 외피: 어느 방향의 침투도 높은 확률로 탐지해 즉시 CSP를 지운다. 전압·온도가 정상 범위를 벗어나는 환경 공격에도 대응 | 수준 3 이상 | 물리적으로 보호되지 않는 장소 |
CMVP는 2022년 4월 1일부터 FIPS 140-2 신규 검증 신청을 받지 않았고, FIPS 140-2 인증 모듈은 2026년 9월 21일까지 사용할 수 있으며 그 뒤에는 기존 시스템에서만 쓸 수 있는 이력(Historical) 목록으로 옮겨진다. 새로 도입하는 HSM은 FIPS 140-3 인증 여부를 확인한다.
- 변조 흔적(tamper-evident): 열어 본 흔적이 남게 한다. 막지는 못하고 나중에 알게 한다(수준 2).
- 변조 저항(tamper-resistant): 열거나 뚫기 어렵게 만든다. 단단한 외함, 에폭시 충전.
- 변조 탐지·대응(tamper-detection/response): 덮개 개방, 관통, 온도·전압 이상을 감지하면 즉시 키를 지운다(zeroization). 키를 빼앗기느니 잃는 쪽을 택하는 설계이므로 키 백업이 반드시 필요하다.
이 구분은 물리적 보안의 억제·지연·탐지·대응 개념을 장비 한 대 수준에 적용한 것으로 볼 수 있다.
클라우드 사업자는 전용 HSM을 서비스로 제공한다. AWS CloudHSM, Azure Key Vault Managed HSM, Google Cloud HSM 등이 있다. 예를 들어 Microsoft는 Azure Managed HSM이 FIPS 140-3 수준 3 검증 HSM을 쓰는 단일 테넌트 서비스라고 밝힌다.
| 구분 | 온프레미스 HSM | 클라우드 HSM(전용형) | 클라우드 키 관리 서비스(KMS) |
|---|---|---|---|
| 장비 소유 | 고객 | 사업자 | 사업자 |
| 키 통제 | 고객 단독 | 고객(사업자는 키에 접근 못 하도록 설계) | 사업자 서비스가 관리, 고객은 정책으로 통제 |
| 운영 부담 | 크다(설치, 이중화, 펌웨어, 백업) | 중간(클러스터 구성, 사용자 관리는 고객 몫) | 작다 |
| 쓰임 | 루트 CA, 결제, 규제상 키 직접 보관 요구 | 클라우드 업무에 전용 키 통제가 필요할 때 | 일반 데이터 암호화, 봉투 암호화 |
KMS의 마스터 키도 내부적으로는 HSM이 보호한다. 클라우드에서 키를 누가 통제하는지는 클라우드 보안의 공동 책임 범위를 정할 때 중요한 질문이다.
| 구분 | HSM | TPM |
|---|---|---|
| 형태 | 독립 장비(랙 장비, PCIe 카드, USB형, 클라우드 서비스) | 메인보드에 붙거나 CPU·펌웨어에 들어간 칩 |
| 대상 | 여러 응용·서버가 함께 쓰는 중앙 키 저장소 | 그 기기 한 대 |
| 주된 기능 | 대량 키 생성·보관, 고속 서명·암복호화, 키 백업·분할 | 측정된 부팅(무결성 측정), 원격 증명, 디스크 암호화 키 봉인(예: BitLocker) |
| 성능 | 고성능 암호 가속 | 낮음(소량의 키, 저속) |
| 비용 | 높음 | 낮음(기기에 기본 탑재) |
| 인증 | FIPS 140-3 수준 3 제품이 흔함, 결제는 PCI PTS HSM | TCG 규격, 공통평가기준·FIPS 140 인증 제품 있음 |
둘 다 "키를 하드웨어 안에 가두는" 신뢰의 근거(root of trust)이지만, HSM은 조직의 키 금고, TPM은 기기 한 대의 신원·무결성 보증에 가깝다. 응용 실행 영역을 격리하는 TEE와도 구분한다.
- HSM의 핵심 가치는 키가 장비 밖으로 평문으로 나오지 않는다는 것이다. 루트 CA 개인키 보호의 가장 좋은 답은 오프라인 HSM이다.
- FIPS 140 수준을 구분한다. 수준 2는 변조 흔적과 역할 기반 인증, 수준 3은 변조 대응(키 삭제)과 신원 기반 인증, 수준 4는 완전한 외피와 환경 공격 대응이다.
- 변조 대응으로 키가 지워질 수 있으므로 HSM에도 키 백업과 M-of-N 분할 복구 절차가 필요하다.
- HSM과 TPM을 구분한다. 서버 여러 대의 키를 중앙에서 보호하면 HSM, 기기 부팅 무결성과 디스크 키 봉인이면 TPM을 고른다.
- 클라우드에서 고객이 키를 단독 통제해야 한다는 규제 요구가 있으면 전용 클라우드 HSM이나 고객 관리 키를 고른다.