HSM Simulator - Hardware Security Module

Sistema de Gestión de Claves Maestras con Custodios

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📋 Contenido del Proyecto

Este proyecto incluye 3 componentes principales:

1. Backend Python (hsm_simulator.py) - Implementación completa en Python
2. Frontend HTML Standalone (hsm_simulator.html) - Aplicación web que funciona sin internet
3. Documentación - Diagramas de clases, secuencias y documentación técnica

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🚀 Cómo Usar el Simulador

Opción 1: Versión HTML (Recomendada para presentación)

Requisitos: Solo un navegador web moderno (Chrome, Firefox, Edge)

Pasos:

1. Descarga el archivo hsm_simulator.html
2. Haz doble clic en el archivo o abre con tu navegador
3. ¡Listo! La aplicación funciona completamente sin internet

Ventajas:

• ✅ No requiere instalación
• ✅ Funciona sin internet
• ✅ Interfaz visual intuitiva
• ✅ Ideal para demostraciones

Opción 2: Backend Python

Requisitos:

• Python 3.8 o superior
• pip (gestor de paquetes de Python)

Instalación:

# 1. Instalar la librería de criptografía
pip install cryptography

# 2. Ejecutar el simulador
python hsm_simulator.py

Ventajas:

• ✅ Código profesional para mostrar implementación
• ✅ Fácil de extender y modificar
• ✅ Incluye ejemplo de uso completo
• ✅ Genera logs de auditoría en archivos

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📖 Guía de Uso Paso a Paso

Fase 1: Generación de Master Key

1. Iniciar el sistema

   • Hacer clic en "Generar Master Key y Dividir"
   • El sistema genera una clave maestra de 256 bits
   • La divide en 3 componentes usando esquema XOR

2. Guardar componentes de custodios

   • Cada custodio recibe:
     • Componente en hexadecimal (256 bits)
     • Hash SHA-256 para verificación
   • IMPORTANTE: Guardar cada componente de forma segura
   • Usar el botón "Exportar" para descargar como JSON

Fase 2: Carga de Custodios

1. Cargar los 3 componentes

   • Cada custodio ingresa:
     • Su componente (hex)
     • Su hash de verificación
   • El sistema valida cada hash automáticamente

2. Reconstrucción automática

   • Cuando los 3 componentes están cargados
   • El sistema reconstruye la Master Key: MK = C1 ⊕ C2 ⊕ C3
   • El indicador cambia a verde: "Master Key Cargada"

Fase 3: Generar Claves de Trabajo

1. Ir a la pestaña "Claves"

2. Ingresar un ID único (ej: DATA-KEY-001)

3. Hacer clic en "Generar Clave"

   • El sistema genera una clave AES-256 aleatoria
   • La encripta con la Master Key usando AES-GCM
   • La almacena de forma segura

4. Repetir para crear múltiples claves según necesidad

Fase 4: Encriptar Datos

1. Ir a la pestaña "Encriptar"
2. Seleccionar una clave de trabajo del dropdown
3. Ingresar el texto a encriptar
4. Hacer clic en "Encriptar Datos"
5. Copiar el resultado (JSON con ciphertext, IV, tag)

Resultado incluye:

• ciphertext: Datos encriptados en Base64
• iv: Vector de inicialización
• algorithm: "AES-256-GCM"
• keyId: ID de la clave usada
• timestamp: Momento de encriptación

Fase 5: Desencriptar Datos

1. Ir a la pestaña "Desencriptar"
2. Pegar el JSON con los datos encriptados
3. Hacer clic en "Desencriptar Datos"
4. Ver el texto original recuperado

Seguridad:

• ✅ Verifica integridad mediante GCM tag
• ✅ Detecta cualquier modificación de datos
• ✅ Solo desencripta con la clave correcta

Fase 6: Auditoría

1. Ir a la pestaña "Auditoría"
2. Revisar todas las operaciones realizadas
   • Timestamp exacto
   • Tipo de operación
   • Resultado (éxito/fallo)
   • Detalles adicionales

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🔐 Algoritmos Implementados

Criptografía

Algoritmo	Uso	Estándar
AES-256-GCM	Encriptación simétrica autenticada	NIST FIPS 197
SHA-256	Hashing para verificación	NIST FIPS 180-4
CSPRNG	Generación de claves aleatorias	crypto.getRandomValues (Web Crypto API)
XOR Scheme	División de master key entre custodios	Esquema 3-of-3

Esquema de Custodios

Master Key (MK) de 256 bits

Generación:
- C1 = random(256 bits)
- C2 = random(256 bits)  
- C3 = MK ⊕ C1 ⊕ C2

Reconstrucción:
- MK = C1 ⊕ C2 ⊕ C3

Verificación:
- H(Ci) = SHA-256(Ci) para cada componente

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🏗️ Arquitectura del Sistema

Componentes Principales

┌─────────────────────────────────────┐
│     Interfaz de Usuario (UI)       │
│  - Tabs para diferentes funciones   │
│  - Validación de entradas           │
└─────────────────┬───────────────────┘
                  │
┌─────────────────▼───────────────────┐
│   Lógica de Negocio (HSM Core)     │
│  - MasterKeyManager                 │
│  - WorkingKeyStore                  │
│  - CryptoEngine                     │
└─────────────────┬───────────────────┘
                  │
┌─────────────────▼───────────────────┐
│    Servicios Criptográficos        │
│  - Web Crypto API                   │
│  - AES-GCM                          │
│  - SHA-256                          │
└─────────────────────────────────────┘

Flujo de Datos

1. Usuario → Genera MK → Divide en C1, C2, C3
2. Custodios → Cargan componentes → Reconstruyen MK
3. HSM → Genera Working Keys → Encripta con MK
4. Usuario → Encripta datos → Con Working Key
5. Usuario → Desencripta datos → Con Working Key
6. Sistema → Registra todo → Log de Auditoría

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📊 Casos de Uso

Caso 1: Inicialización del HSM

Actor: Administrador del Sistema

Flujo:

1. Administrador inicia el HSM
2. Sistema genera Master Key
3. Sistema divide MK en 3 componentes
4. Cada custodio recibe su componente + hash
5. Custodios guardan sus componentes de forma segura

Caso 2: Activación Diaria

Actores: 3 Custodios

Flujo:

1. Custodio 1 ingresa su componente + hash
2. Sistema valida hash del componente 1
3. Custodio 2 ingresa su componente + hash
4. Sistema valida hash del componente 2
5. Custodio 3 ingresa su componente + hash
6. Sistema valida hash del componente 3
7. Sistema reconstruye Master Key
8. HSM queda operacional

Caso 3: Encriptación de Datos Sensibles

Actor: Usuario de la Aplicación

Flujo:

1. Usuario selecciona clave de trabajo
2. Usuario ingresa datos a proteger
3. Sistema obtiene working key (desencriptada con MK)
4. Sistema encripta datos con working key
5. Sistema retorna datos encriptados + metadata
6. Sistema registra operación en auditoría

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🧪 Pruebas y Validación

Prueba 1: Integridad del Esquema de Custodios

# Verificar que MK = C1 ⊕ C2 ⊕ C3
c1 = crypto_utils.randomBytes(32)
c2 = crypto_utils.randomBytes(32)
mk_original = crypto_utils.randomBytes(32)
c3 = crypto_utils.xor(crypto_utils.xor(mk_original, c1), c2)

# Reconstruir
mk_reconstructed = crypto_utils.xor(crypto_utils.xor(c1, c2), c3)

# Validar
assert mk_original == mk_reconstructed  # ✓ PASS

Prueba 2: Validación de Hash

# Generar componente
component = crypto_utils.randomBytes(32)
hash_original = crypto_utils.sha256(component)

# Modificar un byte
component_modified = component.copy()
component_modified[0] = (component_modified[0] + 1) % 256

# Verificar
hash_modified = crypto_utils.sha256(component_modified)
assert hash_original != hash_modified  # ✓ PASS - Detecta modificación

Prueba 3: Encriptación/Desencriptación

plaintext = b"Datos secretos del HSM"
key = crypto_utils.randomBytes(32)

# Encriptar
encrypted = aes_gcm.encrypt(plaintext, key)

# Desencriptar
decrypted = aes_gcm.decrypt(encrypted.ciphertext, key, encrypted.iv)

# Validar
assert plaintext == decrypted  # ✓ PASS

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📝 Consideraciones de Seguridad

Implementadas

✅ Separación de Deberes - Requiere 3 custodios ✅ Verificación de Integridad - SHA-256 hash de cada componente ✅ Encriptación Autenticada - AES-GCM con tag de autenticación ✅ Claves Aleatorias - CSPRNG para generación segura ✅ Auditoría Completa - Registro de todas las operaciones ✅ Key Wrapping - Working keys siempre encriptadas con MK

Limitaciones (Simulador Educativo)

⚠️ No es un HSM real - Claves en memoria RAM, no en hardware seguro ⚠️ Sin protección física - No hay resistencia a tampering ⚠️ Sin persistencia - Datos se pierden al cerrar el navegador/aplicación ⚠️ Sin rate limiting - No hay límites de intentos de operaciones ⚠️ Sin multi-usuario - No hay sistema de autenticación de usuarios

Mejoras para Producción

Para un sistema real, se necesitaría:

1. Hardware Seguro - HSM físico certificado FIPS 140-2 Level 3+
2. Almacenamiento Persistente - Base de datos encriptada
3. Autenticación - Sistema robusto de usuarios y roles
4. Network Security - TLS, firewalls, IDS/IPS
5. Backup & Recovery - Procedimientos de respaldo de claves
6. Compliance - Auditorías y certificaciones (PCI-DSS, SOC 2)

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🎓 Material para la Presentación

Demo en Vivo (5-10 minutos)

1. Mostrar generación de MK (1 min)

   • Explicar el esquema XOR
   • Mostrar los 3 componentes generados

2. Cargar custodios (2 min)

   • Simular que 3 personas diferentes cargan
   • Mostrar validación de hash
   • Mostrar activación del HSM

3. Generar claves de trabajo (1 min)

   • Crear 2-3 claves con diferentes IDs
   • Explicar key wrapping

4. Encriptar datos (2 min)

   • Encriptar un mensaje de ejemplo
   • Mostrar el resultado (ciphertext, IV, tag)

5. Desencriptar datos (2 min)

   • Recuperar el mensaje original
   • Demostrar integridad

6. Mostrar auditoría (1 min)

   • Revisar log de operaciones
   • Destacar trazabilidad

Puntos Clave para Destacar

• 🔐 Seguridad por diseño - Separación de custodios
• 🎯 Algoritmos estándar - NIST FIPS certified
• 📊 Auditoría completa - Compliance ready
• 💡 Arquitectura modular - Fácil de extender
• ✅ Validación de integridad - Detección de tampering

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📂 Estructura de Archivos Recomendada

hsm-simulator/
├── README.md                    # Este archivo
├── hsm_simulator.py             # Backend Python
├── hsm_simulator.html           # Frontend standalone
├── docs/
│   ├── diagrama_clases.png      # Diagrama de clases
│   ├── diagrama_secuencia.png   # Diagramas de secuencia
│   ├── arquitectura.png         # Arquitectura del sistema
│   └── presentacion.pptx        # PowerPoint para exposición
├── examples/
│   ├── custodian_1.json         # Ejemplo componente custodio 1
│   ├── custodian_2.json         # Ejemplo componente custodio 2
│   └── custodian_3.json         # Ejemplo componente custodio 3
└── tests/
    └── test_hsm.py              # Tests unitarios

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🔧 Solución de Problemas

Problema: "Master key must be loaded first"

Causa: Intentando usar el HSM sin haber cargado los 3 custodios

Solución: Cargar los 3 componentes de custodios primero

Problema: "Hash verification failed"

Causa: El componente o hash ingresado no coincide

Solución:

1. Verificar que copiaste correctamente el componente
2. Verificar que copiaste correctamente el hash
3. No debe haber espacios adicionales

Problema: "Decryption failed"

Causa: Datos encriptados modificados o clave incorrecta

Solución:

1. Verificar que el JSON esté completo
2. Verificar que la clave usada para encriptar exista
3. No modificar manualmente el JSON encriptado

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📚 Referencias y Bibliografía

Estándares

• NIST FIPS 197 - Advanced Encryption Standard (AES)
• NIST FIPS 180-4 - Secure Hash Standard (SHA-256)
• NIST SP 800-130 - Cryptographic Key Management
• NIST SP 800-57 - Recommendation for Key Management

Papers Académicos

• Shamir, A. (1979). "How to Share a Secret"
• Gennaro, R. et al. "Practical Threshold Signatures"
• Kocher, P. "Timing Attacks on Implementations"

HSM Comerciales

• Thales Luna HSM - https://cpl.thalesgroup.com/
• Entrust nShield - https://www.entrust.com/
• AWS CloudHSM - https://aws.amazon.com/cloudhsm/
• Azure Key Vault - https://azure.microsoft.com/en-us/services/key-vault/

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👥 Información del Proyecto

Proyecto: Simulador de HSM con Master Key y 3 Custodios

Funcionalidades:

1. Master key para encriptar todas las llaves
2. Módulo para ingresar llaves usando 3 custodios (llave y hash de comprobación)
3. Funciones para encriptar y desencriptar con elección de llave

Entregas:

• ✅ Hito 1 (09/11/2024): Marco conceptual y diseño
• ✅ Hito 2 (30/11/2024): Implementación y demostración

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📞 Soporte

Para preguntas o problemas:

1. Revisar esta documentación
2. Verificar los diagramas de clases y secuencias
3. Ejecutar el código de ejemplo en Python
4. Probar la versión HTML standalone

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