【導(dǎo)讀】本文探討了IEC 62443系列標(biāo)準(zhǔn)的基本原理和優(yōu)勢。該標(biāo)準(zhǔn)包含了旨在確保網(wǎng)絡(luò)安全韌性并保護(hù)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)字工廠的一系列協(xié)議。這一領(lǐng)先標(biāo)準(zhǔn)提供了一個(gè)全面的安全層；不過也為尋求認(rèn)證的相關(guān)人員帶來了一些挑戰(zhàn)。本文將詳細(xì)闡釋安全I(xiàn)C如何為需達(dá)成工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)(IACS)組件認(rèn)證目標(biāo)的組織提供必要的幫助。
摘要
本文探討了IEC 62443系列標(biāo)準(zhǔn)的基本原理和優(yōu)勢。該標(biāo)準(zhǔn)包含了旨在確保網(wǎng)絡(luò)安全韌性并保護(hù)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)字工廠的一系列協(xié)議。這一領(lǐng)先標(biāo)準(zhǔn)提供了一個(gè)全面的安全層；不過也為尋求認(rèn)證的相關(guān)人員帶來了一些挑戰(zhàn)。本文將詳細(xì)闡釋安全I(xiàn)C如何為需達(dá)成工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)(IACS)組件認(rèn)證目標(biāo)的組織提供必要的幫助。
簡介
盡管網(wǎng)絡(luò)攻擊的潛在威脅日益增加，但工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)（IACS）在采納安全措施方面進(jìn)展緩慢。部分原因在于此類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員和運(yùn)營人員缺乏共同的參照標(biāo)準(zhǔn)。IEC 62443系列標(biāo)準(zhǔn)為構(gòu)建更安全的工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施提供了一條途徑，但企業(yè)必須學(xué)會(huì)如何應(yīng)對其復(fù)雜性，并理解這些新挑戰(zhàn)，以成功地加以應(yīng)用。
工業(yè)系統(tǒng)面臨風(fēng)險(xiǎn)
供水、污水處理和電網(wǎng)等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行了數(shù)字化轉(zhuǎn)型，因此不間斷訪問這些關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施對于日常生活至關(guān)重要。然而，網(wǎng)絡(luò)攻擊仍在給這些系統(tǒng)帶來威脅，且其攻擊能力預(yù)計(jì)還會(huì)提高1。
工業(yè)4.0需要高度互聯(lián)的傳感器、執(zhí)行器、網(wǎng)關(guān)和聚合器。而這種更高程度的互聯(lián)進(jìn)一步增加了潛在網(wǎng)絡(luò)攻擊的風(fēng)險(xiǎn)，因此實(shí)施安全措施比以往任何時(shí)候都更加重要。美國網(wǎng)絡(luò)安全和基礎(chǔ)設(shè)施安全局(CISA)等組織的成立體現(xiàn)了保護(hù)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施、確保在防御網(wǎng)絡(luò)攻擊時(shí)具備強(qiáng)韌的恢復(fù)能力的重要性，同時(shí)也進(jìn)一步表明了對此目標(biāo)的決心2。
為什么需要IEC 62443？
2010年，Stuxnet的出現(xiàn)凸顯了工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的脆弱性3。Stuxnet是首個(gè)全球范圍內(nèi)廣為人知的網(wǎng)絡(luò)攻擊病毒，這次事件也表明從遠(yuǎn)處針對IACS發(fā)起攻擊是可行的。隨后的攻擊再次強(qiáng)化了大眾對于網(wǎng)絡(luò)病毒的認(rèn)識，人們由此確認(rèn)針對特定類型設(shè)備的遠(yuǎn)程攻擊也可能會(huì)對工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施造成損害。
于是，政府機(jī)構(gòu)、公用事業(yè)公司、IACS用戶和設(shè)備制造商很快意識到：IACS需要得到保護(hù)。政府和用戶理所當(dāng)然地傾向于在組織層面采取安全相關(guān)措施并制定政策，而設(shè)備制造商則是針對硬件和軟件研究了可能的反制措施。然而，由于以下原因，安全措施的采納進(jìn)展緩慢：
? 基礎(chǔ)設(shè)施的復(fù)雜性
? 利益相關(guān)方的利益點(diǎn)和關(guān)注點(diǎn)不同
? 實(shí)施方案和選項(xiàng)過于多樣
? 缺乏可衡量的目標(biāo)
總的來說，利益相關(guān)方難以確定目標(biāo)的安全級別，需要謹(jǐn)慎權(quán)衡防護(hù)強(qiáng)度與成本。
為圍繞ISA99倡議建立共同參照標(biāo)準(zhǔn)，國際自動(dòng)化協(xié)會(huì)(ISA)成立了相關(guān)工作組，最終共同發(fā)布了IEC 62443系列標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)目前分為四個(gè)級別和類別，如圖1所示。IEC 62443標(biāo)準(zhǔn)涉及面廣，包含了組織政策、程序、風(fēng)險(xiǎn)評估以及硬件和軟件組件的安全性。該標(biāo)準(zhǔn)涵蓋安全防護(hù)的方方面面，切合當(dāng)前實(shí)際需求，具有的超強(qiáng)適應(yīng)性。此外，ISA采取綜合方法來應(yīng)對IACS涉及的所有利益相關(guān)方的各種利益問題。一般來說，不同利益相關(guān)方的安全關(guān)注點(diǎn)各不相同。以IP盜竊為例，IACS運(yùn)營商會(huì)特別關(guān)注如何保護(hù)制造工藝，而設(shè)備制造商則可能更在意如何保護(hù)人工智能(AI)算法，使其免遭逆向工程。
圖1.IEC 62443是一項(xiàng)全面的安全標(biāo)準(zhǔn)
此外，由于IACS本質(zhì)上很復(fù)雜，因此必須全盤考慮安全的各個(gè)方面。如果沒有安全設(shè)備的支持，僅靠程序和政策是不夠的。另一方面，如果程序沒有正確規(guī)定如何安全使用組件，那么再堅(jiān)固耐用的組件也將毫無用處。
圖2中的圖表顯示了IEC 62443標(biāo)準(zhǔn)通過ISA認(rèn)證的采用率情況。正如預(yù)期的那樣，行業(yè)主要利益相關(guān)方定義的標(biāo)準(zhǔn)加速了安全措施的實(shí)施。
圖2.ISA認(rèn)證數(shù)量隨著時(shí)間推移不斷增加4
符合IEC 62443標(biāo)準(zhǔn)：復(fù)雜的挑戰(zhàn)
IEC 62443是一個(gè)非常全面而有效的網(wǎng)絡(luò)安全標(biāo)準(zhǔn)，但其復(fù)雜性可能超乎我們的想象。該文件本身長達(dá)近1000頁。要清楚地了解該網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議，就需要花時(shí)間學(xué)習(xí)。除了掌握技術(shù)語言之外，還必須注意將IEC 62443的每個(gè)小部分放在整體的上下文中進(jìn)行考慮，因?yàn)楦鱾€(gè)概念都是相互依存的（如圖3所示）。
例如，根據(jù)IEC 62443-4-2，必須針對整個(gè)IACS開展風(fēng)險(xiǎn)評估，評估結(jié)果將決定設(shè)備的目標(biāo)安全級別5。
圖3.認(rèn)證過程概要視圖
設(shè)計(jì)符合IEC 62443標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備
硬件實(shí)現(xiàn)的最高安全級別要求
IEC 62443以直白的語言定義了安全級別，如圖4所示。
圖4.IEC 62443安全級別
IEC 62443-2-1要求進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評估。在此過程的結(jié)果中，每個(gè)組件都將被分配一個(gè)目標(biāo)安全級別(SL-T)。
根據(jù)圖1和圖3，標(biāo)準(zhǔn)的某些部分與流程和程序相關(guān)，而IEC 62443-4-1和IEC 62443-4-2則側(cè)重于組件的安全性。根據(jù)IEC 62443-4-2，組件類型包括軟件應(yīng)用、主機(jī)設(shè)備、嵌入式設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。對于各個(gè)組件類型，IEC 62443-4-2根據(jù)其滿足的組件要求(CR)和增強(qiáng)要求(RE)定義了能力安全級別(SL-C)。表1總結(jié)了SL-A、SL-C、SL-T及三者之間的關(guān)系。
表1.安全級別總結(jié)
定義 根據(jù)系統(tǒng)級風(fēng)險(xiǎn)評估，設(shè)備應(yīng)達(dá)到的安全級別 依照IEC 62443-4-2，根據(jù)設(shè)備支持的CR，設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)的安全級別
設(shè)備達(dá)到的安全級別
目標(biāo) SL-T ≥ 風(fēng)險(xiǎn)評估定義的水平 SL-C ≥ SL-T SL-A ≥ SL-T
以聯(lián)網(wǎng)的可編程邏輯控制器(PLC)為例。網(wǎng)絡(luò)安全要求對PLC進(jìn)行身份驗(yàn)證，避免其成為攻擊的入口。基于公鑰的身份驗(yàn)證是一項(xiàng)廣為人知的技術(shù)。根據(jù)IEC 62443-4-2標(biāo)準(zhǔn)：
? 1級不考慮公鑰加密
? 2級要求使用普遍采用的流程，例如證書簽名驗(yàn)證
? 3級和4級要求對身份驗(yàn)證過程中使用的私鑰進(jìn)行硬件保護(hù)
從2級安全開始，設(shè)備需要具備許多安全功能，包括基于秘鑰或私鑰的加密機(jī)制。對于3級和4級安全，設(shè)備在多數(shù)情況下需要具備基于硬件的安全保護(hù)或加密功能。在這方面，統(tǒng)包式安全I(xiàn)C將為工業(yè)組件設(shè)計(jì)人員帶來許多優(yōu)勢，此類IC嵌入了基本安全機(jī)制，例如：
? 安全密鑰存儲(chǔ)
? 側(cè)信道攻擊防護(hù)
? 負(fù)責(zé)執(zhí)行功能的命令，例如
■ 消息加密
■ 數(shù)字簽名計(jì)算
■ 數(shù)字簽名驗(yàn)證
有了這些統(tǒng)包式安全I(xiàn)C，IACS組件開發(fā)人員便無需將資源投入到復(fù)雜的安全原語設(shè)計(jì)中。安全I(xiàn)C的另一個(gè)好處是可以從本質(zhì)上讓通用功能與專用安全功能之間形成自然隔離。當(dāng)安全功能集中在某個(gè)部分中而不是遍布整個(gè)系統(tǒng)時(shí)，將能更容易地評估安全功能的強(qiáng)度。這種隔離還可以帶來的好處在于，無論如何修改組件的軟件和/或硬件，都可以得到保留安全功能的驗(yàn)證。無需重新評估完整安全功能即可執(zhí)行升級。
此外，安全I(xiàn)C供應(yīng)商可以實(shí)施PCB級或系統(tǒng)級無法實(shí)現(xiàn)的超強(qiáng)保護(hù)技術(shù)。比如加固的EEPROM或閃存或物理不可克隆功能(PUF)，這些技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更高等級的防御能力，從而抵御更復(fù)雜的攻擊?？傮w而言，安全I(xiàn)C是構(gòu)建系統(tǒng)安全性的重要基礎(chǔ)。
保護(hù)邊緣安全
工業(yè)4.0意味著隨時(shí)隨地進(jìn)行檢測，因此需要部署更多邊緣設(shè)備。IACS邊緣設(shè)備包括傳感器、執(zhí)行器、機(jī)械臂、帶有I/O模塊的PLC等。每個(gè)邊緣設(shè)備都連接到高度網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)設(shè)施，也成為了黑客的潛在切入點(diǎn)。不僅攻擊面隨設(shè)備數(shù)量成比例地?cái)U(kuò)大，而且設(shè)備的多元化也不可避免地提高了攻擊途徑的多樣性。應(yīng)用安全和滲透測試供應(yīng)商SEWORKS的首席技術(shù)官Yaniv Karta表示：“現(xiàn)有平臺存在許多可行的攻擊途徑，而且端點(diǎn)和邊緣設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)敞口也都在增加?！崩纾趶?fù)雜的IACS中，并非所有傳感器都來自同一供應(yīng)商，這些傳感器的微控制器、操作系統(tǒng)或通信協(xié)議棧等也未共享相同的架構(gòu)。每種架構(gòu)本身都可能存在弱點(diǎn)。如此一來，所有這些漏洞不斷積累在IACS之中，導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)大大增加，如MITRE ATT&CK數(shù)據(jù)庫6或ICS-CERT公告7所示。
此外，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)IoT (IIoT)逐漸在邊緣嵌入更多的智能功能8，業(yè)界正在開發(fā)可做出自主系統(tǒng)決策的設(shè)備。鑒于這些決策對于安全、系統(tǒng)運(yùn)行等至關(guān)重要，確保設(shè)備硬件和軟件可以被信任就顯得更為關(guān)鍵。另外，常常還需要考慮如何保護(hù)設(shè)備開發(fā)人員的研發(fā)IP投資免遭盜竊（例如與AI算法相關(guān)的成果）。基于此，他們可能會(huì)決定采用受統(tǒng)包式安全I(xiàn)C支持的保護(hù)措施。
另外一個(gè)重要的觀點(diǎn)是，網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)不足可能會(huì)對功能安全產(chǎn)生負(fù)面影響。功能安全和網(wǎng)絡(luò)安全之間的相互作用關(guān)系非常復(fù)雜，需要另寫一篇文章才足以詳細(xì)說明，但我們可以著重關(guān)注以下幾點(diǎn)：
? IEC 61508：“電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全”要求根據(jù)IEC 62443開展網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)分析。
? 雖然IEC 61508主要側(cè)重于危害和風(fēng)險(xiǎn)分析，但也要求在每次發(fā)生嚴(yán)重網(wǎng)絡(luò)安全事件后，進(jìn)行后續(xù)的安全威脅分析和漏洞分析。
我們列出的IACS邊緣設(shè)備是嵌入式系統(tǒng)。IEC 62443-4-2規(guī)定了對這些系統(tǒng)的具體要求，例如惡意代碼保護(hù)機(jī)制、安全固件更新、物理防篡改和檢測、信任根配置以及引導(dǎo)過程完整性。
使用ADI的安全認(rèn)證器達(dá)成IEC 62443目標(biāo)
ADI公司的安全認(rèn)證器（也稱為安全元件）專為滿足上述要求而設(shè)計(jì)，同時(shí)還兼顧了易實(shí)施性和成本效益。這些固定功能IC帶有用于主機(jī)處理器的完整軟件協(xié)議棧，屬于全包式解決方案。
采用ADI公司的安全實(shí)施方案后，組件設(shè)計(jì)人員將能更專注于其核心業(yè)務(wù)。安全認(rèn)證器本質(zhì)上是信任根，能夠安全且不可變地存儲(chǔ)根密鑰/秘密和代表設(shè)備狀態(tài)的敏感數(shù)據(jù)（如固件哈希值）。安全認(rèn)證器包含一套全面的加密功能，包括身份驗(yàn)證、加密、安全數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、生命周期管理和安全引導(dǎo)/更新。
ChipDNA?物理不可克隆功能(PUF)技術(shù)利用晶圓制造過程中自然發(fā)生的隨機(jī)變化來生成加密密鑰，而不是將其存儲(chǔ)在傳統(tǒng)的閃存EEPROM中。該隨機(jī)變化非常小，以至于即使是芯片逆向工程領(lǐng)域的高成本、超復(fù)雜、侵入性強(qiáng)的技術(shù)（掃描電子顯微鏡、聚焦離子束和微探測等）也無法有效地提取密鑰。集成電路之外的任何技術(shù)都無法達(dá)到這樣的防御水平。
安全認(rèn)證器還支持證書和證書鏈管理9。
此外，ADI提供高度安全的密鑰和證書預(yù)編程服務(wù)，以便可以為原始設(shè)備制造商(OEM)提供已配置完畢、能夠無縫加入其公鑰基礎(chǔ)設(shè)施(PKI)或啟用離線PKI的器件。該器件的穩(wěn)健加密功能還為安全固件更新和安全引導(dǎo)提供支持。
安全認(rèn)證器是為現(xiàn)有設(shè)計(jì)添加高級安全性的上佳之選。不僅有助于減少為安全性而重新設(shè)計(jì)設(shè)備架構(gòu)的研發(fā)工作，而且BOM成本也較低。例如無需更改主微控制器即可使用該器件。舉個(gè)例子，DS28S60 和MAXQ1065 安全認(rèn)證器滿足IEC 62443-4-2的所有級別要求，如圖5所示。
DS28S60和MAXQ1065采用3 mm × 3 mm TDFN封裝，適用于空間非常受限的設(shè)計(jì)，同時(shí)還具有低功耗特性，因此也十分適合于功耗較低的邊緣設(shè)備。
表2.DS28S60和MAXQ1065關(guān)鍵參數(shù)匯總
為滿足IEC 62443-4-2要求，有些IACS組件架構(gòu)已經(jīng)配備帶安全功能的微控制器，安全認(rèn)證器的密鑰和證書分發(fā)功能也將讓這些架構(gòu)大受裨益。OEM或其合同制造商無需再為處理秘密IC憑證購買所需的昂貴制造設(shè)施。這種方法還會(huì)保護(hù)微控制器中存儲(chǔ)的可通過JTAG等調(diào)試工具提取的密鑰。
圖5.安全認(rèn)證器具有符合IEC 62443要求的功能
結(jié)論
通過整合并采用IEC 62443標(biāo)準(zhǔn)，IACS利益相關(guān)方為構(gòu)建可信賴且安全性強(qiáng)的基礎(chǔ)設(shè)施鋪平了道路。安全認(rèn)證器為未來打造符合IEC 62443標(biāo)準(zhǔn)的組件打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，也為這些組件提供了更為穩(wěn)健的基于硬件的安全性。安全認(rèn)證器將幫助OEM獲得所需的認(rèn)證，讓其更有信心地進(jìn)行設(shè)計(jì)。
參考資料
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9. “Trust Your Digital Certificates—Even When Offline（相信您的數(shù)字證書——哪怕處于離線狀態(tài)）”。Design Solutions，第56期，2017年5月。
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