保护内存中的对称加密密钥

Question

我有一个应用程序，我正在检索磁盘中存在的对称加密密钥并使用它来加密数据。程序启动时从磁盘中检索加密密钥，并将其作为字节数组存储在私有类变量中。在程序启动时从磁盘检索密钥后，在密钥上使用ProtectedMemory.Protect() 来保护它。该密钥每次需要使用时都不受ProtectedMemory.Unprotect()的保护，使用后再次受到保护。

让我思考这个方案的有效性的部分是在从磁盘检索密钥的情况下，并且每次需要将密钥用作易于利用的漏洞时，都会在 2 个关键时刻创建程序的执行周期：当程序刚刚从磁盘加载完密钥并且没有调用Protect()方法时，以及密钥在加密期间没有被保护使用时。

class ApplicationClass {
   private byte[] encKey;

   public ApplicationClass() {
     // Fetches the encryption key first
     encKey = StorageInt.FetchKey(); // Fetches and returns the encrypted key from the disk

     // A gaping vulnerability here as the key is just loaded in memory and is not protected
     ProtectedMemory.Protect(encKey, MemoryProtectionScope.SameProcess);

     // Other initialization instructions follows
   }

   private byte[] ApplySymmEnc(byte[] plaintext) {
     Aes aes = Aes.Create();
     byte[] iv = new byte[128];
     RNGCryptoServiceProvider randomBytesGenerator = new RNGCryptoServiceProvider();
     randomBytesGenerator.GetNonZeroBytes(iv);
     randomBytesGenerator.Dispose();
     ProtectedMemory.Unprotect(encKey, MemoryProtectionScope.SameProcess);

     // Another gaping vulnerability here!

     ICryptoTransform encryptor = aes.CreateEncryptor(encKey, iv);
     ProtectedMemory.Protect(encKey, MemoryProtectionScope.SameProcess); // Protect the key right after it is used for encryption

     // Instructions for encryption follows
   }
}

提前致谢。

编辑：至于在磁盘上不关心密钥安全性的原因，密钥以相当安全的模糊形式存在于磁盘中，在检索时由StorageInt.FetchKey() 函数解密。

Answer 1

防御所有攻击是不可能的。你能得到的最接近的可能是使用Trusted Platform Module (tpm) 芯片，因此密钥永远不会离开芯片。第二个最好的方法可能是使用trusted execution environment（如果您的处理器提供）。但两者都无法抵御各种攻击。

如果没有专门的硬件支持，尝试保护您的程序免受管理员的侵害可能是不可行的。如果攻击者可以读取你程序的内存，为什么他不能直接从磁盘读取密钥？

在 ram 中加密密钥对于防止诸如冷启动攻击之类的攻击很有用，而此类攻击可能很难在易受攻击的时刻正确获取密钥。

问题best practices for keys in memory中也有一些可能有用的答案。

Answer 2

在这些时间（从磁盘获取之后但在调用 ProtectedMemory.Protect 之前）保持对称加密密钥的保护需要操作系统级别的支持，这在 Windows（和其他 .net 核心平台）中不存在。

直接来自 .net 团队关于处理凭据的类似主题：“SecureString 的目的是避免将机密作为纯文本存储在进程内存中。......但是，即使在 Windows 上，也不存在 SecureString作为一个操作系统的概念......它只是使获取纯文本的窗口更短......处理凭据的一般方法是避免使用它们，而是依靠其他方式进行身份验证，例如证书或 Windows 身份验证" (https://github.com/dotnet/platform-compat/blob/master/docs/DE0001.md)

Answer 3

你提到了

"当程序刚刚完成从磁盘加载密钥并且 还没有调用Protect()"

如果我改写上面的句子 StorageInt.FetchKey() 正在为您获取一个未受保护的密钥，而您此时想要保护它。

您可以为StorageInt.FetchKey(bool IsProtectKey = true) 创建一个扩展方法，此方法可以调用ProtectedMemory.Protect()。您只能使用扩展方法来获取密钥。

     public int StorageInt.FetchKey(bool IsProtectKey = true)
        {
            encKey = StorageInt.FetchKey();
            CodeEncryptedKey = EncryptAndStoreProtectedKey(); 
            //Above function should encrypt your "encKey" to AES256 or to any secure encryption algorithm, store it in cache and return encrypted key

            ProtectedMemory.Protect(encKey, MemoryProtectionScope.SameProcess);            
        }

        Public string UseKey(string CodeEncryptedKey)
        {
            encKey = GetProtectedKeyFromCache(CodeEncryptedKey)
            ProtectedMemory.Unprotect(encKey, MemoryProtectionScope.SameProcess);
            Task.Run(() => ProtectKeyAfter5Seconds(encKey));
            return encKey;
        }

        Void ProtectKeyAfter5Seconds(encKey)
        {
            Thread.Sleep(5000); //Im telling here to encrypt after 5 seconds, you can have your logic to encrypt after one time use or any particular logic
            ProtectedMemory.Protect(encKey, MemoryProtectionScope.SameProcess);
        }

这有帮助吗？