ハードウェアセキュリティモジュールと AWS IoT Device SDK による IoT デバイスのセキュリティ強化

• 自動車テレマティクス IoT のお客様は、悪意のある攻撃者が車両になりすまし、偽造データをクラウドに送信したり、企業のデータセンターから機密データをダウンロードしたりするリスクにさらされています。
  2021 年 3 月、国連欧州経済委員会 (UNECE) は、コネクテッドビークルのためのUN Regulations on CyberSecurity (UN R155) および SW Updates (UN R156) を承認・公表しました。この規則の中で、暗号鍵の保管に関するセキュリティ管理が、サイバー脅威に対する緩和措置の提案の中に含まれています。
• IoT スマートシティのお客様は、接続されたスマート照明柱や交通信号などの運用が改ざんされ、サービス停止や治安の悪化につながるリスクにさらされています。
• IoT スマートグリッドのお客様は、不正なユーザーが接続されたスマートメーターを改ざんし、中央のグリッドシステムに偽造データを提供することを懸念しています。

• 安全な鍵保管庫とエントロピー・ベースのランダム鍵生成
• ソフトウェアスタックに公開することなく、オンチップで暗号化処理を実装
• チップの不揮発性メモリ (NVM) を物理的に保護する高度なアンチタンパリング機構

図2：PKCS#11 API を使用したハードウェアセキュリティモジュールとビジネスアプリケーションの統合の概要

このようなデバイスを使用すると、秘密鍵の生成と暗号化操作がチップ自体で行われるため、顧客はセキュリティ鍵の露出を減らすことができます。

アプリケーションは、特定の目的のために作られた API を通じてデバイスと対話しますが、そのうちの 1 つが業界標準の PCKS#11 または「 Cryptoki 」です。 PKCS#11 API の完全な説明は OASIS PKCS#11 仕様で参照できます。

HSM を使用することで、以下のような秘密鍵の漏洩リスクを軽減することができます。

PCKS#11 を通じて HSM をインターフェースすることは、実装が複雑なため IoT エンジニアにとって時間がかかり、困難な作業となる可能性があります。

AWS IoT Device SDKs v2 は HSM ベースのデバイスセキュリティを実装したいお客様を支援し、開発者が数行のコードで PKCS#11 付き HSM を使用して安全な MQTT クライアント接続を実装できるよう専用ライブラリーを提供します。

IoT Device SDK for Python v2 とソフトウェア HSM による IoT デバイスからのセキュアな MQTT クライアントの実装

このブログでは、ハードウェアセキュリティモジュールと AWS IoT Device SDK for Python v2 を使用して AWS IoT Core に MQTT IoT Client をセットアップするために必要な手順を、数行のコードで再現しています。

次の図は、提案するソリューションのアーキテクチャを表しています。

図3：IoT デバイスと AWS IoT Core 間のセキュアなIoT通信のための提案ソリューションのハイレベル・アーキテクチャ図

提案する例では OpenDNSSEC プロジェクトの softHSM2 を用いて、ハードウェアセキュリティモジュールとソフトウェア HSM をシミュレートしています。

デバイス証明書は AWS IoT Core に管理された Amazon Root CA によって署名されます。 Private CA を使用する場合は、お客様の適切な公開鍵基盤 (PKI) にリクエストを送信する必要があります。

前提条件

ステップ1：HSM による AWS IoT Core デバイス証明書のプロビジョニング

AWS IoT Core でデバイスの証明書をプロビジョニングし、有効化する必要があります。 HSM のシミュレーションには softHSM2 ソフトウェアを CSR(Certificate Signing Request) の生成には openssl を使用できます。

softHSM2 、 openssl の使い方についてはこのブログの範囲外ですので、それぞれのソフトウェアのドキュメントを参照してください。

必要な手順は以下の通りです。

sudo apt install softhsm
sudo apt install opensc opensc-pkcs11 openssl libengine-pkcs11-openssl

sudo softhsm2-util --init-token --free --label <token-label>

このコマンドを実行すると PIN を入力するよう促されますので、指示に従って PIN を覚えておいてください。

トークンの設定が完了したら、次のコマンドで使用する Slot 番号を取得する必要があります。そのために、以下を実行します。

sudo softhsm2-util --show-slots

以下のような応答があります

Available slots:
Slot <slot-id>
    Slot info:
        Description:      SoftHSM slot ID 0x35927c85
        Manufacturer ID:  SoftHSM project
        Hardware version: 2.6
        Firmware version: 2.6
        Token present:    yes
    Token info:
        Manufacturer ID:  SoftHSM project
        Model:            SoftHSM v2
        Hardware version: 2.6
        Firmware version: 2.6
        Serial number:    aede8dd735927c85
        Initialized:      yes
        User PIN init.:   yes
        Label:            <token-label>
Slot 1
    Slot info:
        Description:      SoftHSM slot ID 0x1
        Manufacturer ID:  SoftHSM project
        Hardware version: 2.6
        Firmware version: 2.6
        Token present:    yes
    Token info:
        Manufacturer ID:  SoftHSM project
        Model:            SoftHSM v2
        Hardware version: 2.6
        Firmware version: 2.6
        Serial number:
        Initialized:      no
        User PIN init.:   no
        Label:

前のコマンドに関連するラベルがどのスロットにあるか確認し、その ID (Slot <slot-id> 行の左側にあるもの) を取得します。

softHSM2 上でトークンを生成し <slot-id> を取得したら pkcs11-tool を使って、その中にキーペアを生成することができます。そのためには、以下のコマンドで <PIN> と <token-lable> のプレースホルダーを置き換えてください。

注意：モジュールパス /usr/lib/softhsm/libsofthsm2.so は ubuntu のようなインスタンスのマシンを基準にしています。テストする環境によっては異なる場合があります。

sudo pkcs11-tool -l --pin <PIN> --keypairgen --hash-algorithm "SHA256" --key-type RSA:2048 --label <token-label> --slot <slot-id> --module /usr/lib/softhsm/libsofthsm2.so

以下のような応答があります

Key pair generated:
Private Key Object; RSA
  label:      <token-label>
  Usage:      decrypt, sign, unwrap
  Access:     sensitive, always sensitive, never extractable, local
Public Key Object; RSA 2048 bits
  label:      <token-label>
  Usage:      encrypt, verify, wrap
  Access:     local

sudo openssl req -new -engine pkcs11 -keyform engine -key “pkcs11:object=<token-label>;pin-value=<PIN>” -out certificate.csr

このコマンドは、署名要求に埋め込む証明書情報を入力するよう促します。

openssl req -in certificate.csr -noout -text

aws iot create-certificate-from-csr \
  --set-as-active \
  --certificate-signing-request=file://certificate.csr

コマンドを実行すると、証明書の Amazon Resource Name(ARN) と内容が表示されます。

{
   "certificateArn": "arn:aws:iot:{region}:{accountId}:cert/{certificateId}",
   "certificateId": "{certificateId}",
   "certificatePem": "<certificate-text>"
}

aws iot describe-certificate \
  --certificate-id "{certificateId}"| jq -r ".certificateDescription.certificatePem" > deviceCertificate.pem

{
   "Version": "2012-10-17",
   "Statement": [
        { 
           "Effect": "Allow",
           "Action": "iot:Connect",
           "Resource": "arn:aws:iot:{region}:{accountId}:client/${iot:Connection.Thing.ThingName}"
        }
   ]
}

{region}と {accountId} を置き換えることを忘れないでください

aws iot create-policy \
  --policy-name HSMDevicePolicy \
  --policy-document file://policy.json

• AWS IoT Core で ‘thing’ を作成し IoT ポリシーを証明書に紐付け、証明書を ‘thing’ に紐付けます ( {certificateArn} を先ほど取得した値に置き換えてください)。

aws iot create-thing \
  --thing-name HSMDevice

ステップ2：AWS IoT Device SDK v2 を利用してクライアントをセットアップ

AWS IoT Device SDK v2 を使用すると 1 行のコードで IoT クライアントを作成し、 HSM を使用して MQTT 接続を確立することができます。

以下の例では Python を使用していますが、この機能は AWS IoT Device SDK v2 のすべてのターゲット言語で利用可能です（一覧はこのリンクからご覧ください）。

前提条件

# Copyright Amazon.com, Inc. or its affiliates. All Rights Reserved.
# SPDX-License-Identifier: Apache-2.0.

from awscrt import io
from awsiot import mqtt_connection_builder
from uuid import uuid4
import argparse
import sys

# Callback when connection is accidentally lost.
def on_connection_interrupted(connection, error, **kwargs):
    print("Connection interrupted. error: {}".format(error))

# Callback when an interrupted connection is re-established.
def on_connection_resumed(connection, return_code, session_present, **kwargs):
    print("Connection resumed. return_code: {} session_present: {}".format(return_code, session_present))

if __name__ == '__main__':
    # Create a connection using websockets.
    # Note: The data for the connection is gotten from cmdUtils.
    # (see build_pkcs11_mqtt_connection for implementation)

    parser = argparse.ArgumentParser(description='Input arguments for PKCS#11 MQTT Client.')
    parser.add_argument("--pcks11lib", type=str , help="path to pkcs11 library")
    parser.add_argument("--slot", type=int , help="HSM slot")
    parser.add_argument("--pin", type=str , help="HSM slot pin")
    parser.add_argument("--tokenlabel", type=str , help="HSM token label")
    parser.add_argument("--keylabel", type=str , help="HSM ptivate key label")
    parser.add_argument("--certpath", type=str , help="device certificate file path")
    parser.add_argument("--endpoint", type=str , help="AWS IoT Core endpoint")
    parser.add_argument("--cafile", type=str , help="CA certificate file path")
    parser.add_argument("--clientid", type=str , help="clientId to use for MQTT connection")

    if len(sys.argv)==1:
        parser.print_help(sys.stderr)
        sys.exit(1)
    args = parser.parse_args()
    
    # We load the HSM library
    pkcs11_lib_path = args.pcks11lib
    print(f"Loading PKCS#11 library '{pkcs11_lib_path}' ...")
    pkcs11_lib = io.Pkcs11Lib(
        file=pkcs11_lib_path,
        behavior=io.Pkcs11Lib.InitializeFinalizeBehavior.STRICT)
    print("Loaded!")

    pkcs11_slot_id = args.slot
    pkcs11_pin = args.pin
    pkcs11_tokenlabel = args.tokenlabel
    pkcs11_keylabel = args.keylabel
    certpath = args.certpath
    endpoint = args.endpoint     
    cafile = args.cafile 
    clientid = args.clientid

    # This is the core section of the example client. 
    # This single instruction instantiates an MQTT connection 
    # and performs encyrption operations using your HSM
    # through the mqtt_connection_builder.mtls_with_pkcs11 method
    mqtt_connection = mqtt_connection_builder.mtls_with_pkcs11(
        pkcs11_lib          =   pkcs11_lib,
        user_pin            =   pkcs11_pin,
        slot_id             =   pkcs11_slot_id,
        token_label         =   pkcs11_tokenlabel,
        private_key_label   =   pkcs11_keylabel,
        cert_filepath       =   certpath,
        endpoint            =   endpoint,
        port                =   8883,
        ca_filepath         =   cafile,
        on_connection_interrupted   =   on_connection_interrupted,
        on_connection_resumed       =   on_connection_resumed,
        client_id           =   clientid,
        clean_session       =   False,
        keep_alive_secs     =   30)

    connect_future = mqtt_connection.connect()

    # Future.result() waits until a result is available
    connect_future.result()
    print("Connected!")

    # Disconnect
    print("Disconnecting...")
    disconnect_future = mqtt_connection.disconnect()
    disconnect_future.result()
    print("Disconnected!")

メソッドの入力パラメータは:

この例では、パラメータはコマンドライン引数を通して指定されます

ステップ3：セキュアな接続をテスト

以下の CLI コマンドで MQTT 接続のエンドポイントを取得することができます。

aws iot describe-endpoint \
  --endpoint-type iot:Data-ATS

endpointAddress フィールドの内容を後で使用する環境変数に入れます。

export IOT_CORE_ENDPOINT=<endpointAddress>

HSM ライブラリにアクセスできるように Python3 の実行ファイル (python3) を sudo 権限で使用し、上記スクリプトを実行します。

sudo python3 client.py --pcks11lib /usr/lib/x86_64-linux-gnu/softhsm/libsofthsm2.so \
 --pin <PIN> \
 --tokenlabel <token-label> \
 --certpath deviceCertificate.pem \
 --endpoint ${IOT_CORE_ENDPOINT} \
 --cafile AmazonRootCA1.pem \
 --clientid HSMDevice

実行に成功すると、次のように返されるはずです。

Loading PKCS#11 library '/usr/lib/x86_64-linux-gnu/softhsm/libsofthsm2.so' ...
Loaded!
Connected!
Disconnecting...
Disconnected!

リソースのクリーンアップ

登録済み証明書から ‘thing’ と IoT Policy の紐付けを解除します

aws iot detach-policy \    
    --target "{certificateArn}" \
    --policy-name "HSMDevicePolicy"

aws iot detach-thing-principal \    
    --thing-name HSMDevice \
    --principal "{certificateArn}"

デバイス証明書、‘thing’ 、IoT Policy を削除します

aws iot delete-thing \
    --thing-name HSMDevice

aws iot delete-certificate \
    --certificate-id "{certificateId}"

aws iot delete-policy --policy-name "HSMDevicePolicy"

まとめ

この投稿では IoT デバイス群の鍵/機密管理で直面するいくつかの課題と、ハードウェアセキュリティモジュールを採用することで対処できる方法について説明しました。また AWS IoT Device SDK v2 を使用して、数行のコードで暗号チップを使用したシンプルな MQTT クライアントを作成する方法について説明しました。

これらの提案を採用することで、お客様は悪意のあるユーザーによるセキュリティキーの流出を防ぎ、デバイスの全体的なセキュリティ体制を強化することができます。

AWS IoT Core の使用方法については、ドキュメントを参照することができます。

翻訳者について

Daniele Crestini

Daniele は AWS Professional Services の IoT データ・コンサルタントです。AWS クラウド上で AWS IoT サービスを活用した革新的なソリューションを設計・構築し AWS カスタマーのビジネスゴール達成を支援しています。