作者：Christophe Tremlet，業(yè)務(wù)管理總監(jiān)

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)提供了一個全面的安全層；不過也為尋求認證的相關(guān)人員帶來了一些挑戰(zhàn)。本文將詳細闡釋安全IC如何為需達成工業(yè)自動化控制系統(tǒng)(IACS)組件認證目標(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)自動化控制系統(tǒng)（IACS）在采納安全措施方面進展緩慢。部分原因在于此類系統(tǒng)的設(shè)計人員和運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

供水、污水處理和電網(wǎng)等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施進行了數(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)計還會提高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)進一步增加了潛在網(wǎng)絡(luò)攻擊的風(fēng)險，因此實施安全措施比以往任何時候都更加重要。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)了保護關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施、確保在防御網(wǎng)絡(luò)攻擊時具備強韌的恢復(fù)能力的重要性，同時也進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處針對IACS發(fā)起攻擊是可行的。隨后的攻擊再次強化了大眾對于網(wǎng)絡(luò)病毒的認識，人們由此確認針對特定類型設(shè)備的遠程攻擊也可能會對工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施造成損害。

于是，政府機構(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。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，安全措施的采納進展緩慢：

?基礎(chǔ)設(shè)施的復(fù)雜性

?利益相關(guān)方的利益點和關(guān)注點不同

?實施方案和選項過于多樣

?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，需要謹慎權(quán)衡防護強度與成本。

為圍繞ISA99倡議建立共同參照標(biāo)準(zhǔn)，國際自動化協(xié)會(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)涵蓋安全防護的方方面面，切合當(dāng)前實際需求，具有的超強適應(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)注點各不相同。以IP盜竊為例，IACS運營商會特別關(guān)注如何保護制造工藝，而設(shè)備制造商則可能更在意如何保護人工智能(AI)算法，使其免遭逆向工程。

圖1.IEC 62443是一項全面的安全標(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施。

圖2.ISA認證數(shù)量隨著時間推移不斷增加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。該文件本身長達近1000頁。要清楚地了解該網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議，就需要花時間學(xué)習(xí)。除了掌握技術(shù)語言之外，還必須注意將IEC 62443的每個小部分放在整體的上下文中進行考慮，因為各個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IACS開展風(fēng)險評估，評估結(jié)果將決定設(shè)備的目標(biāo)安全級別5。

圖3.認證過程概要視圖

設(shè)計符合IEC 62443標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備

硬件實現(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要求進行安全風(fēng)險評估。在此過程的結(jié)果中，每個組件都將被分配一個目標(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、主機設(shè)備、嵌入式設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。對于各個組件類型，IEC 62443-4-2根據(jù)其滿足的組件要求(CR)和增強要求(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)

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進行身份驗證，避免其成為攻擊的入口。基于公鑰的身份驗證是一項廣為人知的技術(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，例如證書簽名驗證

?3級和4級要求對身份驗證過程中使用的私鑰進行硬件保護

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或加密功能。在這方面，統(tǒng)包式安全IC將為工業(yè)組件設(shè)計人員帶來許多優(yōu)勢，此類IC嵌入了基本安全機制，例如：

?安全密鑰存儲

?側(cè)信道攻擊防護

?負責(zé)執(zhí)行功能的命令，例如

■消息加密

■數(shù)字簽名計算

■數(shù)字簽名驗證

有了這些統(tǒng)包式安全IC，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)計中。安全IC的另一個好處是可以從本質(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部分中而不是遍布整個系統(tǒng)時，將能更容易地評估安全功能的強度。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證。無需重新評估完整安全功能即可執(zhí)行升級。

此外，安全IC供應(yīng)商可以實施PCB級或系統(tǒng)級無法實現(xiàn)的超強保護技術(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)可以實現(xiàn)更高等級的防御能力，從而抵御更復(fù)雜的攻擊。總體而言，安全IC是構(gòu)建系統(tǒng)安全性的重要基礎(chǔ)。

保護邊緣安全

工業(yè)4.0意味著隨時隨地進行檢測，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、機械臂、帶有I/O模塊的PLC等。每個邊緣設(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。不僅攻擊面隨設(shè)備數(shù)量成比例地擴大，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，而且端點和邊緣設(shè)備的風(fēng)險敞口也都在增加。”例如，在復(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。如此一來，所有這些漏洞不斷積累在IACS之中，導(dǎo)致風(fēng)險大大增加，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，他們可能會決定采用受統(tǒng)包式安全IC支持的保護措施。

另外一個重要的觀點是，網(wǎng)絡(luò)安全防護不足可能會對功能安全產(chǎn)生負面影響。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說明，但我們可以著重關(guān)注以下幾點：

?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)險分析。

?雖然IEC 61508主要側(cè)重于危害和風(fēng)險分析，但也要求在每次發(fā)生嚴重網(wǎng)絡(luò)安全事件后，進行后續(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，例如惡意代碼保護機制、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的安全認證器達成IEC 62443目標(biāo)

ADI公司的安全認證器（也稱為安全元件）專為滿足上述要求而設(shè)計，同時還兼顧了易實施性和成本效益。這些固定功能IC帶有用于主機處理器的完整軟件協(xié)議棧，屬于全包式解決方案。

采用ADI公司的安全實施方案后，組件設(shè)計人員將能更專注于其核心業(yè)務(wù)。安全認證器本質(zhì)上是信任根，能夠安全且不可變地存儲根密鑰/秘密和代表設(shè)備狀態(tài)的敏感數(shù)據(jù)（如固件哈希值）。安全認證器包含一套全面的加密功能，包括身份驗證、加密、安全數(shù)據(jù)存儲、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)生的隨機變化來生成加密密鑰，而不是將其存儲在傳統(tǒng)的閃存EEPROM中。該隨機變化非常小，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)都無法達到這樣的防御水平。

安全認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。

安全認證器是為現(xiàn)有設(shè)計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。舉個例子，DS28S60 和MAXQ1065 安全認證器滿足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，同時還具有低功耗特性，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。這種方法還會保護微控制器中存儲的可通過JTAG等調(diào)試工具提取的密鑰。

如需完整的產(chǎn)品系列和產(chǎn)品詳情，請訪問：analog.com/en/product-category/secure-authenticators.html。

圖5.安全認證器具有符合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的基礎(chǔ)設(shè)施鋪平了道路。安全認證器為未來打造符合IEC 62443標(biāo)準(zhǔn)的組件打下了堅實基礎(chǔ)，也為這些組件提供了更為穩(wěn)健的基于硬件的安全性。安全認證器將幫助OEM獲得所需的認證，讓其更有信心地進行設(shè)計。

參考資料

1.Lorenzo Franceschi-Bicchierai。“Ransomware Gang Accessed Water Supplier’s Control System（勒索軟件團伙侵入供水公司控制系統(tǒng)）”。Vice，2022年8月。

2.“Protecting Critical Infrastructure（保護關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施）”。美國網(wǎng)絡(luò)安全和基礎(chǔ)設(shè)施安全局。

3.Bruce Schneier。“The Story Behind The Stuxnet Virus（Stuxnet病毒背后的故事）”。Forbes，2010年10月。

4.“ISASecure CSA Certified Components（ISASecure CSA認證組件）”。ISASecure。

5.Patrick O’Brien。“Cybersecurity Risk Assessment According to ISA/IEC 62443-3-2（根據(jù)ISA/IEC 62443-3-2開展網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險評估）”。全球網(wǎng)絡(luò)安全聯(lián)盟。

6.ATT&CK Matrix for Enterprise（企業(yè)ATT&CK矩陣）”。MITRE ATT&CK®。

7.“Cybersecurity Alerts & Advisories（網(wǎng)絡(luò)安全警報和公告）”。美國網(wǎng)絡(luò)安全和基礎(chǔ)設(shè)施安全局。

8.Ian Beavers。“邊緣智能第1部分：邊緣節(jié)點”。ADI公司，2017年8月。

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。

關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財年收入超過120億美元，全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn。

關(guān)于作者

Christophe Tremlet是EMEA安全認證器產(chǎn)品線的業(yè)務(wù)管理總監(jiān)。他在安全IC方面擁有超過25年的經(jīng)驗，曾管理過多個產(chǎn)品工程和應(yīng)用。Christophe曾在專注于安全微控制器的初創(chuàng)公司Innova Card中擔(dān)任首席技術(shù)官。此外還曾在Maxim Integrated擔(dān)任過工程和業(yè)務(wù)相關(guān)職位。在Thales擔(dān)任營銷和銷售總監(jiān)三年后，Christophe加入了ADI公司。