對於在傳統業務中極力提高軟體利潤的自動化公司，工業物聯網（IIoT）成為其發展趨勢。Maxim Integrated晶片廣泛用於自動化系統設計。本文對自動化系統設計如何演變，或者使用者如何規劃其自動化系統聯網，以便充分利用IIoT的優勢提供了獨到見解。簡要介紹IIoT，重點關注部署IIoT終端系統要求必須解決的安全挑戰。

製造領域的工業物聯網

製造業需要擷取並處理大量資料，通過對資料進行分析和視覺化，有助於優化營運和成本。資料是IIoT的基石，而製造業能夠從IIoT中獲得利益最大化。在製造領域，智慧感測器、分散式控制以及複雜安全軟體提供的安全方案是這次革命的黏合劑。

為了實現IIoT的願景，我們必須將大量資料，甚至老舊系統置於雲端。這將帶來巨大的安全隱憂，因為適用於工業控制系統的安全措施尚未跟上步伐，甚至在某些情況下根本不存在。當參與者知道（無論是否惡意）某個工廠或車間實際上已經聯網，並充分利用各種不同的攻擊手段時，這一切將發生變化。

安全措施必須是軟體和嵌入式硬體的結合，保護關鍵的控制系統免受各種攻擊。關鍵挑戰有三種：採用金鑰的硬體安全認證、採用TLS的安全通信，以及安全裝載。由於連通性（支持IIoT的能力）將任何安全性漏洞暴露無遺，為了保護IIoT利益，安全問題就不能是亡羊補牢式的方案。

IIOT為工廠帶來的便利

IIoT在工廠建設中的一個很好案例是通用電氣（General Electric）在紐約北部設立的價值$1.7億的現代化工廠。該工廠在一年前開始營運，為手機通訊塔等設備生產先進的鈉鎳電池。工廠佈設了10,000多個感測器，分佈於180,000平方英尺廠房；所有感測器都連接到內部高速乙太網。感測器監測一切過程，例如：使用哪個批次的原材料、烘烤溫度是多少、製造每節電池的耗能多少，甚至當地的氣壓等參數。在生產車間，員工利用平板電腦即可透過遍佈全廠的Wi-Fi節點獲得所有資料。

製造業的另一個例子是西門子的安貝格電子廠，該工廠生產可程式設計邏輯控制器（PLC）2。生產過程的自動化程度很高，機器和電腦處理價值鏈的75%工作—其他則由人工完成。只有在生產過程的起始階段需要人工處理，員工將基本件（裸電路板）放在生產線上。此後，一切均自動完成。值得一提的是，Simatic單元控制Simatic設備的生產。整個製程大約有1,000個這樣的控制單元。

IIoT收集感測器資料、支援機器間（M2M）通訊以及自動化進程。智慧化機器在諸多方面優於人工作業，比如，可以精確擷取資料、傳輸資料，並保持高度一致性，從而解決了效率低下、保持長期運轉、合理規劃設備維護等問題，以獲得更高的生產效率。Maxim Integrated將IIoT按堆疊形式進行劃分，如圖1所示。

IIoT堆疊最底層是工廠或生產車間的設備（系統）。這些設備可以是現場感測器、控制器、工業PC等，所有這些均為硬體系統，包括硬體的安全保護功能。這些終端設備必須提供有效的資料通信，連接至通信集線器、閘道和交換機，從而將這些資料作為大資料存放在雲端（或企業網）。

IIoT的目標是：該資料可整合到企業的ERP和CRM軟體中，不僅能夠高效規劃製造過程、降低成本，甚至利用客戶/市場訊息來改變裝配線和過程參數。

堆疊的頂層影響到軟體發展和整合，底層影響系統設計。IIoT的主要利益可分為三部分（圖2）：資產、過程和企業優化。優化一台電機要比優化鑽臺操作更容易，而後者又比優化大型產線容易。而對所有環節進行優化是工業IoT的終極夢想。

第一級分析和交交互操作發生在第一線：從感測器（例如渦輪感測器、電機編碼器或振動特徵信號）資料獲取，然後在本地進行資料處理，?明操作者掌握如何調節參數以實現最高效率，或提供故障隱患的早期徵兆。

第二級分析在控制室或工廠完成，將來自多個終端設備甚至多個組裝線的感測器資料整合在一起，從而制定決策，提高工廠或過程效率。例如，控制室做出讓各種終端設備空閒或休眠的決策，降低過程的總體功耗。

圖1 : 自動化產業的工業物聯網

圖2 : 潛在的工業物聯網利益

資料的運用對營運的正面影響表現在前兩個階段，我們已經比較熟悉，並且以一定的方式、形式在使用。然而，IIoT的目的不僅改進前兩個階段的資料獲取和分析，而且將過程資料與企業資料進行整合，從而做出在此之前未能實現的決策。

觀察一個公司如何從市場獲利，我們不難推斷應該靈活地對生產線進行調整，根據市場需求讓生產線全速運轉，或徹底關閉不受市場歡迎的附件功能。將營運和財務資料相結合，能夠為CFO提供更深入的洞察力。公司重心調整及轉變的靈活性是產業保持快速、可持續發展的關鍵。這是一個極富吸引力的市場趨勢，但當前的安全措施還跟不上IIoT系統發展的需求。

工業物聯網系統的薄弱環節

IIoT系統有若干管道容易遭受攻擊，其中最突出的兩個方面是雲端存儲和網路架構。

將資料放在雲端（公有或私有）是IIoT的關鍵。但同時也帶來了嚴重的安全隱憂。傳統上，工業控制系統（ICS）廠商在系統中保留一定的間隙。當這些系統直接或間接連接到互聯網時，情況會大不相同。IIoT使人們認識到，ICS需要嵌入式安全認證和安全保護。

我們接下來看看支持IIoT的網路架構。圖3所示為工廠或生產過程的現場設備最終如何連接到網路的頂層視圖。

通常有控制網路、現場感測器主機，以及連接至PLC或DCS的執行機構或伺服驅動（及其它類似設備）。一般而言，該控制網路是隔離網路的一個分支。但是，管理工廠或過程不同部分的控制網路越來越多地連接在一起，形成工廠網路。

工廠網路使監管者能夠瞭解整個工廠的營運情況，判斷工廠各個環節之間的相互影響。這一層的資訊支援對整個工廠或油田營運的優化。最終，工廠網路資訊被整合到企業/業務網路，實現真正的IIoT。

圖3 : 按工程分層的安全性映射

控制網路中的每一層都需要評估其安全性—每一層的安全性都不同。如果從頂層開始，即為IT域，需要的是已更新至最新軟體和修補程式的安全交換機和伺服器。

* 在工廠層，安全防護不是最新技術。然而，IT仍然具有一定的控制。

* 在控制網路層，PLC架構的年齡已經有數十年。一般很少更新，並且也不能對負責100%工廠營運時間的系統進行頻繁修補。此處的安全性通常較弱。

* 在現場層，安全防護措施幾乎根本不存在。現場設備是開放式、受信任的，由於互通性最為重要，所以實際上不能實施任何加密措施。觀察現場的從設備，例如感測器和執行器，這些系統（大部分）的安全性為零，使用的還是上世紀70年代至90年代期間開發的協議。

應對工業現場控制系統的風險

我們更深入地討論現場環節，給ICS帶來風險的主要兩點是：遠端現場感測器和IO模組。成敗的關鍵在於正常營運時間、預測維護以及總體效率：IIoT的基石。

遠端現場感測器的風險

實際應用中，不能保證所有感測器的物理安全，尤其當感測器安裝在非常偏遠的位置，比如監測石油和天然氣現場等。位置偏遠使其很容易受到物理攻擊，所以在接受感測器資料之前對其進行安全認證至關重要。在多數情況下，現場感測器，甚至關鍵設施中使用的感測器都是開放式、受信任的。現場感測器的這一弱點依然普遍存在。

2014年，在眾所周知的黑帽駭客大會上，發表了俄羅斯研究人員的一篇文章，作者認為直接攻擊企業系統太麻煩。相反，他們策劃並介紹了一種「中間人」攻擊方法：欺騙並更換一個開放、受信任的HART數據機現場感測器3。他們介紹了詳細的過程，甚至製作了軟體庫供下載。

我們重視IIoT的安全系統，就必須首先關注向雲端或PLC發送資料的可信任感測器。這些安全性漏洞對遠端設備的影響是深遠的。

IO模組的風險

訪問開放式受信任系統的另一種途徑是利用克隆IO模組注入惡意軟體。工人已經習慣於更換PLC IO模組的操作。亞洲市場上就曾發生過出售克隆IO模組的情況（假冒頂級自動化廠商的牌子）。同樣，由於是傳統上幾乎沒有內置安全性的受信任系統，這些模組成為向主PLC CPU注入惡意軟體的有效載體。物理安全（確保只有設定的一組人員才能更新PLC系統）可防止這種行為，但請不要忘記，這並不一定是惡意行為。因為您甚至不知道所用模組的真實性。

對現場感測器實施硬體安全認證

解決上述潛在風險的系統方案可以非常簡單：子系統的資料只有通過安全認證才會被信任。有簡單的嵌入式硬體方法可保證此類受信任系統的安全。幾年前，建立了醫療和耗材（例如印表機墨水匣）的安全認證方法。這些系統傳統上採用基於標準的安全認證過程，使用定制安全器件。

這種安全方法基於主機和從機之間的質詢-應答。主機系統發送一個質詢，從機系統利用該質詢來計算應答。主機系統對該應答進行驗證，確保從機系統不是克隆或假冒品。只有經過驗證後，主機才會與從機系統進行通信。

圖5所示的簡化概念方框圖為採用類似SHA 256演算法的硬體安全認證方案。

SHA-256協議基於安全認證器件之間的質詢-應答交換，在接收和讀取感測器資料之前，對感測器進行安全認證。SHA-256安全認證使攻擊者不能連接到網路，冒充感測器甚至利用受損系統代替感測器，除非其擁有已寫入合法私密金鑰的安全認證器件。

Maxim Integrated等廠商在美國本土工廠提供金鑰程式設計服務，然後將程式設計後的安全認證器件發送給用戶。該器件將擁有唯一的金鑰，只有該用戶知道。儲存有金鑰的器件內置各種有源和無源防篡改措施。

圖4 : 對從機模組進行安全認證：可用於現場感測器和IO模組。

圖5 : 採用SHA-256 （私密金鑰）的感測器安全認證

PLC CPU的風險及解決方案

控制工廠或過程的是PLC和主CPU，執行所有的控制演算法。但這些系統並非設計用於承受安全攻擊和破壞。所以，這些系統一旦接入網路，就有許多途徑會危及PLC的CPU。其中有些攻擊面可能是應用軟體、OS或硬體，但大部分攻擊面是韌體。如果韌體被更改或感染，惡意軟體引起的任何變化不但難以發現，而且即使發現，也難以確定背後的目的或意圖。

大多數的PLC在韌體裝載時都不進行來源和資料安全認證。有的PLC甚至沒有校驗和驗證韌體的傳輸是否正確。如果攻擊者能夠更改PLC韌體，就能夠：

* 完全接管被攻擊的系統；

* 掌握生產過程；

* 選擇性地破壞製造操作（又名震網）；或者從受信任製造系統傳播至企業。

不是任何人都只會通過控制系統來破壞工廠。其中的風險可能更加微妙。有許多智慧財產權嵌入在製造設施中，有時候其目的僅僅是獲得這些IP。這種惡意軟體不會通過在生產過程中引發問題而使自己暴露。

自動化世界（Automation World）雜誌曾報導：「關於蜻蜓（Dragonfly），有意思的是其瞄準ICS資訊的目的不是為引起停工，而是為了竊取智慧財產權。潛在損害可能包括剽竊專利配方和生產批次步驟，以及表示廠商產能和能力的網路、設備資訊。」

緩解此類問題的系統方案是為主PLC CPU實施安全裝載。這是對韌體進行安全認證，保證只接受帶有效數字簽名軟體的一種途徑。根據設備的不同，使用者也可以對韌體加密。安全處理需求很容易超過傳統PLC CPU的MIPS，甚至產生延遲問題。最好的解決方案是將安全功能交給專門針對這些功能設計的低成本、商用安全處理器，如圖所示。圖6所示系統利用外部安全處理器驗證韌體的數位簽章。

以上方案使用金鑰支持安全認證，也就帶來了金鑰保護問題。金鑰的物理安全是許多應用中的首要考慮事項，因為一旦金鑰遭到威脅，安全將不復存在。

為正確解決物理安全，必須考慮諸多事項。其中包括：生成隨時加密的物理機制、防止授權代理之間傳輸金鑰被截取的物理機制；以及儲存金鑰的安全方法，能夠防止物理偵測、機械探測等。

各種金鑰記憶體件為系統設計者提供豐富的功能，涵蓋了從封裝設計到外部感測器介面，以及內部電路架構，參見軍用標準FIPS 140規範，許多晶片廠商，例如Maxim Integrated，提供非常全面的防篡改能力，可用於工業控制系統。

VI.IOT安全的未來

安全保障措施還有其他途徑，並且當我們開始認識到安全性對於互聯工廠環境的重要性時，最終將圍繞少數幾個方法展開研究。

製造業領域的IIoT具有旺盛需求，並且呈現不斷增長的趨勢。安全性的發展必將克服薄弱環節，但需求已經切切實實地存在。

圖6 : 主PLC CPU的安全引導

（本文出自於《THE EMBEDDED WORLD CONFERENCE 2016》 ；作者 Suhel Dhanani 為Maxim Integrated控制和自動化戰略部技術團隊主要成員）

參考文獻

[1]General Electric factory as featured in Technology Review Magazine （http://www.technologyreview.com/news/509331/an-internet-for-manufacturing/）

[2]Siemens Press Brief on the Amberg Electronics plant （http://www.siemens.com/press/pool/de/events/2015/corporate/2015-02- amberg/factsheet-amberg-en.pdf）

[3]Complete presentation available at https://www.blackhat.com/docs/us- 14/materials/us-14-Bolshev-ICSCorsair-How-I-Will-PWN-Your-ERP-Through-4-20mA-Current-Loop.pdf

[4]See Automation World: http://www.automationworld.com/new-research-reveals-dragonfly-malware-likely-targets-pharmaceutical-companies