硬件安全在實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0愿望中起到的作用

Erik Halthen ADI公司

工業(yè)4.0愿望和網(wǎng)絡(luò)安全含義

涉及工廠數(shù)字化的工業(yè)4.0對(duì)工業(yè)市場(chǎng)領(lǐng)域的組織領(lǐng)導(dǎo)者來說有著不同的意義，隨著工廠設(shè)備變得智能化和互聯(lián)，數(shù)字化影響可能對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)生廣泛的影響。例如，這可能意味著對(duì)您的工廠進(jìn)行轉(zhuǎn)型以提高自主性和定制能力，從而提高運(yùn)營總成本并為客戶帶來更高價(jià)值。這還可能意味著系統(tǒng)和子系統(tǒng)供應(yīng)商正在使工廠設(shè)備變得更加智能，以實(shí)現(xiàn)更大型多單元系統(tǒng)內(nèi)部和各企業(yè)系統(tǒng)之間制造單元的實(shí)時(shí)決策和自主交互。根據(jù)您希望利用工業(yè)4.0解決方案的方式，采用這些解決方案的策略將取決于它們將在價(jià)值鏈中的整合位置以及在工廠內(nèi)的整合深度。

工廠的數(shù)字化正在改變價(jià)值鏈的各個(gè)方面，并直接影響企業(yè)的頂線和底線。最常討論的是創(chuàng)新，它可以解鎖新的收入來源，例如新產(chǎn)品、新服務(wù)或二者的某種組合。數(shù)字化生產(chǎn)、處理的使用以及邊緣數(shù)據(jù)的分析都需要新的產(chǎn)品創(chuàng)新，而元數(shù)據(jù)的收集則產(chǎn)生了優(yōu)化控制、維護(hù)和使用的新服務(wù)。數(shù)字化生產(chǎn)的兩個(gè)方面都存在于價(jià)值鏈的不同部分，直接影響收入表現(xiàn)。另一方面，降低成本的舉措側(cè)重于提高供應(yīng)鏈效率和優(yōu)化運(yùn)營績(jī)效。這些改進(jìn)要求在自己的工廠中采用功能更強(qiáng)大的產(chǎn)品和服務(wù)。實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的線下效益必須要采用新產(chǎn)品創(chuàng)新。根據(jù)人們利用工業(yè)4.0解決方案的方式，網(wǎng)絡(luò)安全策略將發(fā)生變化，以確保在工廠中成功采用和擴(kuò)展數(shù)字解決方案。

網(wǎng)絡(luò)安全策略也將根據(jù)普遍數(shù)字解決方案在工業(yè)控制回路邊緣的整合方式而有所變化。傳統(tǒng)的工業(yè)自動(dòng)化架構(gòu)迥然不同，并且依賴于將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制與工廠的其他信息系統(tǒng)、服務(wù)和應(yīng)用隔離，以防范網(wǎng)絡(luò)安全威脅。此外，實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通常是具有有限數(shù)據(jù)交換和邊緣處理的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)解決方案，這就限制了任何一個(gè)設(shè)備對(duì)系統(tǒng)造成的網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)。顛覆這種典型的架構(gòu)并非易事，需要采用分階段的方法。工業(yè)4.0解決方案的積極采用者將需要確定他們希望在工廠中整合新技術(shù)的深度，并推動(dòng)實(shí)現(xiàn)這些愿望的網(wǎng)絡(luò)安全策略。新的工業(yè)自動(dòng)化架構(gòu)有望顯得與眾不同。傳統(tǒng)上使用普渡模型或類似模型將工廠劃分為五個(gè)不同的級(jí)別，而未來的工廠架構(gòu)可能并不等同于這一模型。

未來的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備將檢測(cè)和執(zhí)行與制造執(zhí)行和控制相結(jié)合。這些設(shè)備不僅會(huì)在工廠中聯(lián)網(wǎng)成一個(gè)整合互聯(lián)架構(gòu)，而且其中一些設(shè)備將直接連接到企業(yè)系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)和云服務(wù)，這極大地增加了任何一臺(tái)設(shè)備給系統(tǒng)帶來的網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)。無論以何種方式感知未來的工業(yè)4.0架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)最終目標(biāo)都將采用多管齊下的方法和網(wǎng)絡(luò)安全策略，該策略與在工廠中整合數(shù)字解決方案的意識(shí)強(qiáng)度有關(guān)。

實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全工業(yè)4.0的三個(gè)步驟

對(duì)于完全整合解決方案后，工業(yè)4.0會(huì)是什么樣子，有很多不同的觀點(diǎn)。有些人認(rèn)為傳統(tǒng)的工廠設(shè)計(jì)將基本保持完整，而另一些人的觀點(diǎn)則更加激進(jìn)，認(rèn)為新工廠將難以被傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)可。但每個(gè)人都認(rèn)為工廠正在發(fā)生變化，而且不會(huì)在一夜之間發(fā)生。這種過渡有一些明顯的原因，但主要原因是目前現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的使用壽命。這些設(shè)備的設(shè)計(jì)運(yùn)行時(shí)間超過20年，并可以繼續(xù)運(yùn)行更長(zhǎng)時(shí)間?？梢耘Ω脑爝@些設(shè)備以實(shí)現(xiàn)額外的功能和連接，但是它們將受到其硬件設(shè)計(jì)的限制，并且工廠系統(tǒng)架構(gòu)將不得不補(bǔ)償它們的不足之處。從網(wǎng)絡(luò)安全角度來看，這些設(shè)備將始終受到限制并存在網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)。安全設(shè)備需要安全的架構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。對(duì)具有安全功能的設(shè)備進(jìn)行改造只是權(quán)宜之計(jì)，將始終留下網(wǎng)絡(luò)安全漏洞。完全過渡到數(shù)字化工廠將要求設(shè)備實(shí)現(xiàn)高安全水平，并增強(qiáng)這種安全水平以便能夠抵御網(wǎng)絡(luò)攻擊，同時(shí)不影響它們實(shí)時(shí)共享信息和做出決策的能力。彈性即從困難中快速恢復(fù)的能力，會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全的實(shí)施方式和實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全工業(yè)4.0的必要步驟產(chǎn)生巨大影響。

要克服的第一個(gè)主要障礙是要遵守新的網(wǎng)絡(luò)安全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和最佳實(shí)踐。要在不斷變化的工廠內(nèi)實(shí)現(xiàn)合規(guī)，需要采用不同的方法。傳統(tǒng)方法應(yīng)用信息技術(shù)(IT)安全解決方案來隔離、監(jiān)視和配置網(wǎng)絡(luò)流量，將無法在工業(yè)4.0工廠中提供所需的彈性。隨著設(shè)備實(shí)現(xiàn)互聯(lián)并共享實(shí)時(shí)信息，將需要硬件安全解決方案來實(shí)現(xiàn)自主實(shí)時(shí)決策，同時(shí)保持工廠的彈性。隨著網(wǎng)絡(luò)安全方式的變化，組織也需要適應(yīng)以迎接新的挑戰(zhàn)。許多組織正在進(jìn)行重組以構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)安全能力，既可以從傳統(tǒng)的工程組織單獨(dú)管理，也可以整合到整個(gè)組織的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)中。建立一個(gè)能夠?qū)嵤┚W(wǎng)絡(luò)安全解決方案策略以滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和最佳實(shí)踐的組織是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0愿望的第一個(gè)重要步驟。

在組織采用新興安全標(biāo)準(zhǔn)建立穩(wěn)固的基礎(chǔ)之后，以及當(dāng)他們有能力管理跨產(chǎn)品生命周期和跨組織邊界的安全要求時(shí)，他們就可以專注于在工廠單元內(nèi)提高自主性。只有當(dāng)工廠中的設(shè)備變得足夠智能，能夠根據(jù)接收的數(shù)據(jù)做出決策時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)自主。網(wǎng)絡(luò)安全方法是一種系統(tǒng)設(shè)計(jì)，構(gòu)建能夠證實(shí)信任數(shù)據(jù)生成來源的數(shù)據(jù)的邊緣設(shè)備。最后有信心通過網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)決策，該系統(tǒng)能夠接受來自現(xiàn)實(shí)世界的輸入信息、評(píng)估其可信度并自主行動(dòng)。

最后一個(gè)問題是建立一個(gè)不僅連接到云，而且通過云服務(wù)與其他工廠系統(tǒng)同步運(yùn)行的工廠。這需要更廣泛地采用數(shù)字解決方案，由于完全過渡到數(shù)字工廠所需的時(shí)間，最終這將成為最后的障礙。目前的設(shè)備已經(jīng)連接到云，但在大多數(shù)情況下，這只是為了接收數(shù)據(jù)。然后分析這些數(shù)據(jù)，并從工廠車間遠(yuǎn)程做出決策。這些決策的結(jié)果可能是加速或延遲維護(hù)或微調(diào)自動(dòng)化過程。今天，由于現(xiàn)場(chǎng)控制在工廠本地進(jìn)行并與企業(yè)系統(tǒng)隔離，因此很少會(huì)從云端執(zhí)行這些決策。隨著工廠車間采用更多的自主性，通過云服務(wù)監(jiān)控工廠以及跨企業(yè)系統(tǒng)共享實(shí)時(shí)信息將更為重要。

通過硬件安全性實(shí)現(xiàn)互聯(lián)工廠

工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)正在推動(dòng)對(duì)硬件安全性的需求，這些標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了更高的安全水平，能夠在工廠中實(shí)現(xiàn)互聯(lián)解決方案。增加控制的訪問和可訪問性意味著新風(fēng)險(xiǎn)，如果不將設(shè)備級(jí)安全性與硬件信任根相結(jié)合，則傳統(tǒng)IT安全解決方案無法抵御這些風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)時(shí)，這些設(shè)備就成為整個(gè)系統(tǒng)的接入點(diǎn)。這些接入點(diǎn)中的任何一個(gè)可能造成的損害都會(huì)擴(kuò)展到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，并且可能使關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施易受攻擊。依賴防火墻、惡意軟件檢測(cè)和異常檢測(cè)的傳統(tǒng)安全方法需要不斷更新和配置，并且容易出現(xiàn)人為錯(cuò)誤。在今天的環(huán)境中，應(yīng)假設(shè)對(duì)手已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)中。為了抵御這些對(duì)手，需要采取深度防御和零信任方法。為了最大程度地確?；ヂ?lián)設(shè)備正常運(yùn)行，設(shè)備中需要硬件信任根。今天在設(shè)備中建立正確的硬件關(guān)聯(lián)對(duì)于未來向數(shù)字工廠過渡至關(guān)重要。

通過利用FPGA的Xilinx? Zinq? UltraScale+? MPSoC (ZUS+)系列，ADI公司開發(fā)了Sypher?-Ultra，其通過具有多層安全控制的高保證加密系統(tǒng)，為要生成和處理的數(shù)據(jù)的完整性提供更高的可信度。它利用ZUS+的安全基礎(chǔ)以及ADI公司開發(fā)的其他安全功能，助力終端產(chǎn)品滿足安全要求，如NIST FIPS 140-2、IEC 62443或汽車EVITA HSM。Sypher-Ultra位于嵌入式ZUS+功能和最終應(yīng)用之間，為設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提供單芯片解決方案以實(shí)現(xiàn)安全操作。為了提供高保證安全性，Sypher-Ultra平臺(tái)采用可信執(zhí)行環(huán)境(TEE)，為靜止和傳輸中的安全數(shù)據(jù)提供基礎(chǔ)。與安全相關(guān)的功能主要在實(shí)時(shí)處理單元和可編程邏輯中執(zhí)行，使設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠在應(yīng)用處理單元內(nèi)輕松添加其應(yīng)用。該設(shè)計(jì)使產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)無需掌握安全設(shè)計(jì)和認(rèn)證的所有復(fù)雜之處，同時(shí)確保能夠安全操作。

制定實(shí)現(xiàn)更高設(shè)備級(jí)安全性的途徑充滿挑戰(zhàn)，特別是考慮到上市時(shí)間限制要滿足數(shù)字工廠要求苛刻的實(shí)施步伐時(shí)。實(shí)施安全性極其復(fù)雜，需要獨(dú)特的技能組合和流程。ADI公司的安全平臺(tái)為設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提供了一種解決方案，可以在靠近工業(yè)控制回路的邊緣實(shí)現(xiàn)安全性。為產(chǎn)品設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)解決實(shí)施復(fù)雜性，例如安全設(shè)計(jì)、安全標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證和漏洞分析，可以大大降低風(fēng)險(xiǎn)，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。ADI公司的解決方案在通用平臺(tái)上提供易于使用的安全API，可在單個(gè)FPGA上實(shí)現(xiàn)高保證安全性和更高級(jí)別應(yīng)用的共存。ADI公司的Sypher-Ultra產(chǎn)品允許安全使用Xilinx Zynq UltraScale+MPSoC (ZUS+)系列來隔離敏感的加密操作，并防止對(duì)敏感IP的未授權(quán)訪問，敏感IP通過邊緣的硬件安全性為互聯(lián)工廠提供路徑。

作者簡(jiǎn)介

Erik Halthen作為Sypris Electronics（2016年被ADI公司收購）的一員，具有深厚的網(wǎng)絡(luò)安全解決方案背景。Erik在ADI公司網(wǎng)絡(luò)安全卓越中心工作，擔(dān)任工業(yè)解決方案領(lǐng)域的安全系統(tǒng)經(jīng)理。憑借其擔(dān)任防務(wù)行業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全項(xiàng)目經(jīng)理的經(jīng)驗(yàn)，Erik致力于開發(fā)能夠滿足工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵市場(chǎng)需求的領(lǐng)先安全解決方案。

審核編輯 黃昊宇