PD-7 — HSM FIPS 140-2 Level 3 pour protection des clés cryptographiques¶

ID : PD-7
Epic : PD-193 — INFRA
Statut : Draft
Version : 1.0
Auteur : ProbatioVault
Audience : Architectes sécurité, RSSI, Infra, Audit externe
Références normatives : NF Z42-013, ISO 14641, FIPS 140-2, PKCS#11, RFC 3161

1. Objectif¶

Définir l’architecture, les exigences et les critères d’acceptation relatifs à l’utilisation d’un HSM certifié FIPS 140-2 Level 3 pour la protection des clés cryptographiques maîtres de ProbatioVault, utilisées dans les opérations de :

• signature probatoire,
• chiffrement et enveloppement de clés,
• horodatage (RFC 3161),
• journalisation probatoire append-only,

conformément aux exigences des normes NF Z42-013 et ISO 14641.

2. Contexte et justification¶

2.1 Contexte général¶

ProbatioVault repose sur un modèle zero-knowledge, dans lequel aucune clé cryptographique sensible ne doit être accessible ou exportable depuis les couches applicatives ou infrastructurelles classiques.

Les clés suivantes sont considérées comme critiques :

• clés de signature probatoire (journaux, racines de Merkle),
• clés maîtres d’enveloppage (K_master),
• clés d’horodatage et d’authentification HSM,
• clés de rotation et de délégation cryptographique (PRE, autorisations).

La compromission de ces clés remettrait en cause : - l’intégrité probatoire, - la conformité réglementaire, - la recevabilité juridique des preuves.

2.2 Problématique¶

Les solutions logicielles (KMS non matériels, secrets chiffrés applicativement) ne fournissent pas de garanties suffisantes contre :

• l’extraction de clés par un administrateur privilégié,
• la compromission de l’hyperviseur ou du noyau système,
• l’attaque post-mortem (snapshot, dump mémoire),
• la contestation juridique de la chaîne de confiance.

2.3 Principe retenu¶

L’usage d’un HSM matériel certifié FIPS 140-2 Level 3 minimum est requis afin de garantir :

• l’inviolabilité matérielle des clés,
• la non-exportabilité cryptographique,
• la séparation stricte des rôles,
• la traçabilité auditable des opérations cryptographiques.

3. Périmètre¶

3.1 Inclus¶

• Génération, stockage et usage des clés maîtres ProbatioVault
• Signature cryptographique probatoire
• Intégration applicative via PKCS#11
• Haute disponibilité en environnement PROD
• Interconnexion sécurisée OVH ↔ HSM

3.2 Exclus¶

• Gestion des clés utilisateurs finales (client-side)
• Chiffrement/déchiffrement des documents (effectué côté client)
• KMS applicatifs non matériels

4. Exigences fonctionnelles¶

5. Exigences non-fonctionnelles¶

5.1 Conditions de mesure de la latence (RNF-36-01)¶

Reproductibilité : Les mesures doivent être effectuées dans des conditions stables (pas de failover en cours, VPN établi, charge nominale). Les résultats sont horodatés et exportables pour audit.

5.2 Conditions de mesure de la disponibilité (RNF-36-02)¶

5.3 Périmètre de localisation des données (RNF-36-03)¶

Note RGPD : Aucune donnée cryptographique ou d'audit ne doit transiter ou être stockée hors de l'UE. Les accès administratifs depuis l'UE sont requis.

5bis. Diagrammes¶

5bis.1 Diagramme d'états — Cycle de vie d'une clé HSM¶

Ce diagramme représente les états et transitions d'une clé maître ProbatioVault au sein du HSM, conformément aux exigences KL-01 à KL-04 (§8) et aux invariants INV-01 à INV-04 (§7.1).

stateDiagram-v2
    [*] --> Generation : C_GenerateKeyPair / C_GenerateKey

    Generation --> Active : CKA_LOCAL=TRUE, CKA_TOKEN=TRUE [KL-01]
    note right of Generation
        Label assigné : pv-master-sign-*,
        pv-master-wrap-*, pv-tsa-*,
        pv-rotation-*
        INV-02 : CKA_EXTRACTABLE=FALSE
    end note

    Active --> Active : C_Sign, C_Verify, C_WrapKey (usage nominal)
    Active --> RotationEnCours : Date anniversaire création >= 365j [KL-02]

    RotationEnCours --> Expired : Nouvelle clé active créée,\nlabel renommé pv-*-expired-YYYY [KL-03]
    note right of RotationEnCours
        Génération nouvelle clé en parallèle.
        Ancienne clé reste utilisable
        jusqu'à bascule complète.
    end note

    Expired --> Expired : C_Verify uniquement (vérification historique) [KL-03]
    note right of Expired
        C_Sign interdit.
        C_DestroyObject interdit [KL-04].
        Conservation indéfinie pour
        valeur probatoire.
    end note

    Active --> TentativeSuppression : C_DestroyObject
    TentativeSuppression --> Active : Opération refusée [KL-04]\n(journalisée INV-03)

    Expired --> TentativeSuppressionArchive : C_DestroyObject
    TentativeSuppressionArchive --> Expired : Opération refusée [KL-04]\n(journalisée INV-03)

    Active --> TentativeExport : C_WrapKey (clé privée) / C_GetAttributeValue (sensible)
    TentativeExport --> Active : Opération refusée [INV-01, INV-02]\n(journalisée INV-03)

    state "État terminal" as Terminal
    note right of Terminal
        Aucun état terminal :
        les clés ne sont jamais détruites (KL-04).
        Les clés expirées restent dans le HSM
        pour vérification historique indéfinie.
    end note

5bis.2 Diagramme d'états — Cluster HSM (haute disponibilité)¶

stateDiagram-v2
    [*] --> Initialisation : Déploiement CloudHSM

    Initialisation --> Nominal : 2 instances UP [R-36-05]
    note right of Initialisation
        C_InitToken par Crypto Officer.
        VPN IPSec OVH ↔ AWS établi [R-36-02].
    end note

    Nominal --> Nominal : Opérations PKCS#11 normales\n(latence P99 < 50ms) [RNF-36-01]
    Nominal --> Dégradé : Perte d'une instance HSM
    Nominal --> MaintenancePlanifiée : Maintenance annoncée >= 48h [RNF-36-02]

    Dégradé --> Nominal : Instance restaurée (failover retour) [CA-06]
    Dégradé --> Dégradé : Opérations PKCS#11 via instance restante
    note right of Dégradé
        Alerte CloudWatch [CA-07].
        SLI dégradé mais service maintenu.
        Bascule automatique (failover) [CA-06].
    end note

    MaintenancePlanifiée --> Nominal : Fin de maintenance
    note right of MaintenancePlanifiée
        Exclu du calcul SLI [RNF-36-02].
        Annoncé >= 48h à l'avance.
    end note

    Dégradé --> Indisponible : Perte de toutes les instances
    Indisponible --> Nominal : Restauration complète du cluster
    note right of Indisponible
        Incident critique.
        Aucune opération PKCS#11 possible.
        SLI impacté (objectif 99,95%) [RNF-36-02].
    end note

5bis.3 Diagramme de séquence — Génération de clé maître¶

sequenceDiagram
    participant CO as Crypto Officer
    participant PKCS as Interface PKCS#11
    participant HSM as CloudHSM (eu-west-3)
    participant LOG as CloudWatch Logs

    CO->>PKCS: C_OpenSession(slot, flags)
    PKCS->>HSM: Ouverture session
    HSM-->>LOG: Journal: C_OpenSession (timestamp, slot, résultat)
    HSM-->>PKCS: Session handle

    CO->>PKCS: C_Login(session, CU, PIN)
    PKCS->>HSM: Authentification Crypto Officer
    HSM-->>LOG: Journal: C_Login (timestamp, user_type, résultat)
    HSM-->>PKCS: OK

    CO->>PKCS: C_GenerateKeyPair(RSA-4096,<br/>CKA_LABEL="pv-master-sign-2026",<br/>CKA_EXTRACTABLE=FALSE,<br/>CKA_TOKEN=TRUE)
    PKCS->>HSM: Génération dans le périmètre matériel
    Note over HSM: Clé privée JAMAIS<br/>exportable [INV-01, INV-02].<br/>CKA_LOCAL=TRUE [KL-01].
    HSM-->>LOG: Journal: C_GenerateKeyPair (timestamp, handle, label, résultat)
    HSM-->>PKCS: Key handles (privée + publique)
    PKCS-->>CO: Handles retournés

    CO->>PKCS: C_GetAttributeValue(pubKey, CKA_VALUE)
    PKCS->>HSM: Export clé publique uniquement
    Note over HSM: Clé publique exportable<br/>pour vérification tierce [INV-01]
    HSM-->>LOG: Journal: C_GetAttributeValue (timestamp, handle, résultat)
    HSM-->>PKCS: Clé publique (bytes)

    CO->>PKCS: C_Logout(session)
    HSM-->>LOG: Journal: C_Logout (timestamp, résultat)
    CO->>PKCS: C_CloseSession(session)
    HSM-->>LOG: Journal: C_CloseSession (timestamp, résultat)

5bis.4 Diagramme de séquence — Signature probatoire (flux nominal)¶

sequenceDiagram
    participant BE as Backend ProbatioVault<br/>(OVH Paris)
    participant VPN as Tunnel VPN IPSec<br/>(AES-256, IKEv1)
    participant PKCS as Interface PKCS#11
    participant HSM as CloudHSM (eu-west-3)
    participant LOG as CloudWatch Logs

    BE->>VPN: Requête PKCS#11 (chiffrée)
    VPN->>PKCS: C_OpenSession(slot, flags)
    PKCS->>HSM: Ouverture session
    HSM-->>LOG: Journal: C_OpenSession
    HSM-->>PKCS: Session handle

    PKCS->>HSM: C_Login(session, CU_service_account, PIN)
    Note over HSM: Service account dédié [ACC-02].<br/>Credential distinct d'AWS IAM [ACC-03].
    HSM-->>LOG: Journal: C_Login (résultat)
    HSM-->>PKCS: OK

    BE->>PKCS: C_SignInit(session, CKM_SHA256_RSA_PKCS, keyHandle)
    PKCS->>HSM: Initialisation signature
    HSM-->>LOG: Journal: C_SignInit (key_handle, mécanisme)

    BE->>PKCS: C_Sign(session, merkleRoot)
    PKCS->>HSM: Signature dans le périmètre matériel
    Note over HSM: Clé privée reste dans le HSM [INV-01].<br/>Latence P99 < 50ms [RNF-36-01].
    HSM-->>LOG: Journal: C_Sign (timestamp, key_handle, résultat)
    HSM-->>PKCS: Signature (bytes)
    PKCS-->>VPN: Signature retournée
    VPN-->>BE: Signature (chiffrée via VPN)

    Note over BE: Vérification possible avec<br/>la clé publique exportée [INV-01]

    BE->>PKCS: C_Logout + C_CloseSession
    HSM-->>LOG: Journal: C_Logout, C_CloseSession

5bis.5 Diagramme de séquence — Rotation annuelle de clé maître¶

sequenceDiagram
    participant CO as Crypto Officer
    participant PKCS as Interface PKCS#11
    participant HSM as CloudHSM (eu-west-3)
    participant LOG as CloudWatch Logs
    participant INV as Inventaire HSM<br/>(audit trimestriel)

    Note over CO,INV: Déclencheur : date anniversaire >= 365j [KL-02]

    CO->>PKCS: C_OpenSession + C_Login (Crypto Officer)
    HSM-->>LOG: Journal: session + login

    rect rgb(230, 245, 230)
        Note over CO,HSM: Phase 1 — Génération nouvelle clé
        CO->>PKCS: C_GenerateKeyPair(RSA-4096,<br/>CKA_LABEL="pv-master-sign-2027",<br/>CKA_EXTRACTABLE=FALSE)
        PKCS->>HSM: Génération nouvelle clé maître
        HSM-->>LOG: Journal: C_GenerateKeyPair (nouveau label, résultat)
        HSM-->>PKCS: Nouveaux handles
    end

    rect rgb(255, 245, 230)
        Note over CO,HSM: Phase 2 — Archivage ancienne clé
        CO->>PKCS: C_SetAttributeValue(ancienHandle,<br/>CKA_LABEL="pv-master-sign-expired-2026")
        Note over HSM: Ancienne clé renommée [KL-03].<br/>C_Sign désactivé sur cette clé.<br/>C_Verify toujours autorisé.
        HSM-->>LOG: Journal: modification label (résultat)
    end

    rect rgb(240, 240, 255)
        Note over CO,INV: Phase 3 — Vérification et audit
        CO->>PKCS: C_FindObjects (label "pv-*")
        PKCS->>HSM: Inventaire complet
        HSM-->>PKCS: Liste des objets (actifs + expirés)
        CO->>INV: Export inventaire horodaté
        Note over INV: Conservation trimestrielle [§8.2].<br/>Clés expirées présentes [KL-03].<br/>Aucune destruction [KL-04].
    end

    CO->>PKCS: C_Logout + C_CloseSession
    HSM-->>LOG: Journal: logout + close

6. Solution retenue¶

6.1 Choix¶

AWS CloudHSM — Région eu-west-3 (Paris)

Justifications :

• Certification FIPS 140-2 Level 3
• Support natif PKCS#11
• Déploiement en VPC privé
• Haute disponibilité multi-HSM
• Localisation France (conformité RGPD)

6.2 Architecture cible¶

OVH (Paris) - Backend ProbatioVault - Tunnel VPN IPSec (AES-256, IKEv1)

AWS (eu-west-3 – Paris) - VPC privé HSM - Subnet privé dédié - 2 instances CloudHSM en haute disponibilité

Aucun accès Internet direct n’est autorisé vers les HSM.

7. Modèle de sécurité¶

7.1 Invariants de sécurité¶

7.1.1 Taxonomie des objets HSM (INV-04)¶

Définition — Clé utilisateur finale : Toute clé cryptographique générée, détenue ou contrôlée par un utilisateur final (personne physique ou morale cliente de ProbatioVault), typiquement générée côté client ou dans un contexte applicatif hors infrastructure ProbatioVault.

Objets autorisés dans le HSM :

Objets interdits dans le HSM :

Critère d'audit : L'inventaire HSM DOIT contenir exclusivement des objets dont le label correspond aux patterns autorisés. Tout objet non conforme constitue une non-conformité INV-04.

Note normative : Conformément aux standards FIPS 140-2, PKCS#11 et aux exigences de valeur probatoire (NF Z42-013, eIDAS), la distinction entre clés privées (non-exportables) et clés publiques (exportables) est fondamentale. La vérifiabilité indépendante des signatures requiert l'accès aux clés publiques hors HSM.

7.1.2 Exigences de journalisation (INV-03)¶

Événements minimum à journaliser :

Granularité : Journalisation par opération PKCS#11 individuelle.

Rétention :

Garanties :

Critère d'audit : Toute opération PKCS#11 listée ci-dessus DOIT être retrouvable dans les logs dans un délai de 24h. L'absence d'événement pour une opération réalisée constitue une non-conformité INV-03.

7.2 Séparation des rôles¶

7.2.1 Correspondance rôles – identités PKCS#11¶

Règles d'accès :

Critère d'audit : Un inventaire des identités PKCS#11 (users CloudHSM) DOIT être maintenu et corrélable aux rôles ProbatioVault. L'existence d'un credential PKCS#11 pour un Infra Admin constitue une non-conformité.

8. Cycle de vie des clés¶

8.1 Exigences de cycle de vie¶

8.2 Critères de vérification¶

Audit : Un inventaire HSM horodaté DOIT être exporté trimestriellement et conservé dans le dossier d'audit. Les événements de rotation sont journalisés dans CloudWatch Logs.

9. Critères d'acceptation¶

Les conditions suivantes DOIVENT être validées pour l'acceptation contractuelle de la PD-7 :

Traçabilité : Chaque critère d'acceptation est couvert par un ou plusieurs scénarios de test dans PD-7-tests.md (cf. matrice de couverture §2).

10. Contraintes¶

• Budget cible : ~3 500 € / mois
• DEV : HSM on-demand
• TEST : HSM 24/7

• PROD : 2 HSM en haute disponibilité

• Souveraineté :

• AWS Paris accepté temporairement
• Alternatives françaises à évaluer si exigence client : Thales DPoD, Atos Trustway

11. Traçabilité¶

12. Risques et mesures de mitigation¶

13. Conclusion¶

Cette spécification établit un socle de confiance matériel indispensable à la valeur probatoire de ProbatioVault. Le HSM constitue une ancre cryptographique forte, indépendante du backend applicatif et des opérateurs humains, garantissant l’intégrité, la conformité et la pérennité des preuves numériques.