簡介

工業(yè)部門轉(zhuǎn)向數(shù)字化已成趨勢，其他任何領(lǐng)域都沒有如此明顯。生產(chǎn)環(huán)境不斷變化——已經(jīng)連成網(wǎng)絡(luò)，不同公司部門之間甚至跨越公司邊界的通信日益增加。無論是人還是機器，公司所涉及的所有各方都在活躍地進行不計其數(shù)的多樣化數(shù)據(jù)交換。以前只有個別機器互連，而未來網(wǎng)絡(luò)將無處不在——從單個傳感器和執(zhí)行器到機器和完整系統(tǒng)。工業(yè)4.0或工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)推動的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，使所有生產(chǎn)參與者相互聯(lián)系起來。以太網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)日益成為必不可少的通信標準，因為它們相比于以前的現(xiàn)場總線具有決定性的優(yōu)勢，例如更大的傳輸速率和更高的可靠性。此外，工業(yè)以太網(wǎng)提供了將網(wǎng)絡(luò)中的全部通信技術(shù)（從傳感器到云）納入一個獨特標準的可能性。它利用實時功能和確定性來增強經(jīng)典以太網(wǎng)。我們所說的時間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)涉及到多個子標準，這些子標準正在標準化組織IEEE 802（時間敏感網(wǎng)絡(luò)任務(wù)組）的框架內(nèi)進行開發(fā)，其定義以最低延遲或高可用性進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C制。然而，TSN網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)是無數(shù)的傳感器、設(shè)備和系統(tǒng)，它們越來越多地配備有人工智能，未來將能自行決策。這種自主系統(tǒng)以及隨之而來的數(shù)據(jù)量增加，給自動化系統(tǒng)制造商（尤其是在IT和網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域）帶來了極大的挑戰(zhàn)。

將來，嚴密隔離的機器區(qū)域?qū)⒉坏貌婚_放，使外界可與之通信。與純過程可靠性或生產(chǎn)可用性相比，對網(wǎng)絡(luò)安全的需求正變得越來越重要，而且這些領(lǐng)域之間具有很強的依賴關(guān)系。網(wǎng)絡(luò)安全意識增強的原因不止這一個。最近發(fā)生的事件，如震網(wǎng)、Wanna Cry及對德國聯(lián)邦議院的攻擊等，也極大地提升了網(wǎng)絡(luò)安全的重要性。

然而，由于保密性、完整性、可用性等保護目標，網(wǎng)絡(luò)安全是一個復雜的問題。只有無法進行未經(jīng)授權(quán)的信息檢索，才有可能實現(xiàn)保密性。完整性包括數(shù)據(jù)正確性（數(shù)據(jù)完整性）和系統(tǒng)正常運行（系統(tǒng)完整性）兩方面?？捎眯允侵感畔⒓夹g(shù)系統(tǒng)發(fā)揮功能的程度；也就是說，系統(tǒng)是否隨時可以使用，以及數(shù)據(jù)處理是否也正常運行。進一步的保護目標有身份驗證和授權(quán)等，判明用戶身份及其對安全數(shù)據(jù)源的訪問權(quán)限。承諾/不可否認性確保通信參與者不拒絕消息。

因此，網(wǎng)絡(luò)安全處理的是不斷變化的問題，這在設(shè)備、系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的整個生命周期中都是一個問題。新的漏洞不斷被發(fā)現(xiàn)，新的黑客攻擊方法不斷被找到，故有必要一次又一次地更新設(shè)備和系統(tǒng)，消除已識別的漏洞。因此，系統(tǒng)的設(shè)計必須支持對重要功能進行安全更新，從而受到永久保護。然而，對于汽車制造商和此類系統(tǒng)的開發(fā)者來說，要在其應(yīng)用中實施不斷變化的安全要求是非常困難的，因為這是一個非常廣泛的主題領(lǐng)域，超出了其實際工作的范疇。因此，在開發(fā)的早期階段與合適的IT和安全專家合作是有意義的。否則會有風險，未檢測到的漏洞可能會損害業(yè)務(wù)，這種損害可能遠遠超過新產(chǎn)品和技術(shù)的潛在好處，在最壞情況下甚至可能危及企業(yè)。

傳統(tǒng)上，網(wǎng)絡(luò)安全被視為一個IT問題，需要實施安全的操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用協(xié)議、防火墻及其他防御網(wǎng)絡(luò)入侵的解決方案。但是，數(shù)字化轉(zhuǎn)型將使得未來的機器必須盡可能智能和自主，從而實現(xiàn)更多功能、更多連接，同時提高數(shù)據(jù)量。因此，系統(tǒng)風險評估的重要性顯著增加。以前，有些系統(tǒng)不需要安全或保護，而現(xiàn)在，它們極易受到攻擊，導致其癱瘓。制造此類系統(tǒng)的廠商必須認真檢查和評估潛在漏洞，并采取適當?shù)谋Ｗo措施。

應(yīng)盡早實施適當?shù)陌踩δ埽詈檬窃谙到y(tǒng)信號鏈開始的時候，也就是從實際的物理世界轉(zhuǎn)向數(shù)字世界的時候。這個期間是所謂的“最有效點”，它似乎是信號鏈最有希望的一點。該點通常由傳感器或執(zhí)行器形成。此時，可信數(shù)據(jù)編碼的復雜性通常相對較低，這也能增加基于數(shù)據(jù)的決策的可信度。然而，如圖1所示，這個最有效點要求高度有效的硬件身份識別和數(shù)據(jù)完整性，如此才能實現(xiàn)最高級別的數(shù)據(jù)安全性，使得操作系統(tǒng)對數(shù)據(jù)安全有信心。在硬件級別實現(xiàn)身份識別和完整性，即將保護特性嵌入硅片中，是產(chǎn)生適當數(shù)據(jù)安全性的最有希望的方法。這就是所謂信任根開始的地方。

圖1.最有效點：從模擬世界向數(shù)字世界過渡的最高安全性

信任根

信任根是一組相關(guān)的安全功能，其將設(shè)備中的加密過程作為一個很大程度上獨立的計算單元加以控制。在這種情況下，為實現(xiàn)安全數(shù)據(jù)傳輸，通常要按順序一環(huán)套一環(huán)地執(zhí)行一系列步驟，控制硬件和軟件組件。如圖2所示，各個步驟的順序確保數(shù)據(jù)通信按照期望無害地進行。由此便可認為應(yīng)用受到了良好的保護。

為使應(yīng)用可信且無懈可擊，首先要使用自己的身份或密鑰。在這里分配和檢查設(shè)備或人員的訪問授權(quán)。雖然身份和密鑰已建立，但它們?nèi)匀皇切湃胃牡谝徊街凶铌P(guān)鍵的要素，因為設(shè)備的安全性與密鑰受到的保護是一樣的。為此，有必要實施額外的保護功能，確保密鑰安全存儲并轉(zhuǎn)發(fā)給正確的接收者。

為了能夠保護設(shè)備的實際功能免受未經(jīng)授權(quán)的訪問，啟動設(shè)備時需要一個安全引導過程。身份驗證和隨后的軟件解密將確保設(shè)備免受攻擊和操縱。如果沒有安全引導，潛在攻擊者將能相對容易地侵入、操縱和執(zhí)行容易出錯的代碼。

安全更新是處理不斷變化的應(yīng)用環(huán)境和新出現(xiàn)的安全漏洞的重要步驟。一旦發(fā)現(xiàn)新的硬件或軟件漏洞，便應(yīng)盡快通過更新設(shè)備來加以彌補，避免攻擊造成重大損害。安全更新還用于糾正任何產(chǎn)品錯誤或?qū)嵤┊a(chǎn)品改進。

為使可信環(huán)境能夠執(zhí)行其他安全服務(wù)，例如加密，需要應(yīng)用編程接口(API)。它還包括保護特性（如加密）、身份驗證和完整性。

所有這些安全功能都應(yīng)放在單獨的受保護執(zhí)行環(huán)境中，與設(shè)備的實際應(yīng)用分開，以確保代碼中沒有可能導致設(shè)備間接損壞的錯誤。

圖2.信任根：為安全應(yīng)用構(gòu)建信任的步驟

網(wǎng)絡(luò)安全對半導體制造商而言是一個日益重大的問題

ADI公司這樣的半導體制造商是適應(yīng)IIoT和工業(yè)4.0大趨勢的面向未來產(chǎn)品的主要供應(yīng)商之一，關(guān)注網(wǎng)絡(luò)安全已經(jīng)有很長一段時間。為了滿足日益增長的安全需求，ADI公司試圖在其產(chǎn)品和開發(fā)中植入信任根的概念。目標是能為其關(guān)注的領(lǐng)域或行業(yè)提供適當?shù)目构舢a(chǎn)品，從而確?？蛻粜湃味茸罡撸@著提高其應(yīng)用的價值。從根本上說，這意味著要在所有聯(lián)網(wǎng)的地方引入安全性。這主要是指通信領(lǐng)域的半導體產(chǎn)品，尤其是工業(yè)以太網(wǎng)和TSN器件。此外，只要芯片上存在集成系統(tǒng)，即微處理器處理基本功能，那么安全性也是必不可少的。

對制造商而言，一個決定性因素是與可能已處于項目定義階段的客戶及早展開合作。這樣，最基本的安全要求將能被納入設(shè)計中，從而保護整個信號鏈。因此，身份可能直接在信號鏈的傳感器節(jié)點處就已經(jīng)嵌入物理層面，確保用戶對數(shù)據(jù)通信的安全性更有信心。出于這個原因（還有其他原因），ADI公司擴充了其網(wǎng)絡(luò)安全專業(yè)知識，收購了Sypris Electronics的網(wǎng)絡(luò)安全解決方案(CSS)部門。通過此次收購，一家知名的高安全性網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)制造商和安全服務(wù)提供商誕生了，這將使ADI公司能夠在未來為其客戶提供高度靈活、可靠和集成的系統(tǒng)級安全解決方案。通過安全密鑰生成/管理、安全引導、安全更新、安全存儲器訪問和安全調(diào)試，這些所謂的CSS安全解決方案超越了傳統(tǒng)加密技術(shù)。它們針對經(jīng)典加密解決方案提供了一種完全集成的替代方案，未來將能支持輕松實現(xiàn)高度安全的硬件平臺，從而顯著提高其向客戶提供的產(chǎn)品的價值。

CSS網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)，更確切地說是其所有安全功能，通常是在獨立的FPGA子系統(tǒng)上實現(xiàn)，該子系統(tǒng)與芯片的實際應(yīng)用功能并行運行。這稱為可信執(zhí)行環(huán)境(TEE)，如圖3所示。

圖3.一種FPGA平臺，其以單獨 TEE 的形式集成基于硬件的加密技術(shù)。

基于FPGA的實現(xiàn)很容易支持現(xiàn)場設(shè)備的軟件升級，輕松消除任何潛在的產(chǎn)品漏洞。

不同于基于軟件的加密技術(shù)，這種基于硬件的解決方案使用專用處理器來計算加密算法，并使用專用存儲來托管全密鑰。專用存儲器只能通過專用處理器訪問。通過使用專用組件，TEE和所有敏感操作可以與系統(tǒng)的其余部分隔離，從而提高加密功能的執(zhí)行速度，同時顯著減少黑客的潛在攻擊面。

它能防止任何對芯片其余部分的未經(jīng)授權(quán)的訪問，而加密功能通過API接口訪問。如此便能實現(xiàn)極高程度的安全性。

結(jié)論

網(wǎng)絡(luò)安全以及保護技術(shù)系統(tǒng)免受可能的攻擊是向數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵因素，尤其是在自動化行業(yè)。由于缺乏法規(guī)，最重要的是缺乏網(wǎng)絡(luò)安全知識，許多公司在如何解決這一重要問題上仍存在很大的不確定性。對其流程的（可接受）風險評估只是開始，但很重要。然而，如何將網(wǎng)絡(luò)安全進一步扎根在公司及其產(chǎn)品當中呢？最重要的是，制造公司依賴于專家的支持及其專業(yè)知識。

ADI公司長時間關(guān)注這一問題，致力于開發(fā)安全產(chǎn)品組合，以促進安全解決方案的引入并建立信任，從而推動工業(yè)4.0和IIoT的發(fā)展。