物聯(lián)網(wǎng)邊緣設(shè)備安全，為何要從硬件抓起？

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為制造業(yè)、運輸、石油和天然氣、醫(yī)療保健、農(nóng)業(yè)、能源和公用事業(yè)部門帶來了非常多的好處。這些行業(yè)擁有復(fù)雜的基礎(chǔ)設(shè)施，匯集了大量互聯(lián)設(shè)備、傳感器、智能儀表、工業(yè)機器人,以及用于通信和數(shù)據(jù)傳輸的軟件。由于這些物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)包含許多重要的敏感信息，因此也常常成為黑客主要攻擊的目標(biāo)。

對物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)而言，即使一個小型設(shè)備受到攻擊，那么組織內(nèi)與其關(guān)聯(lián)的所有連接設(shè)備和系統(tǒng)都有可能遭到破壞，甚至還可能影響到合作伙伴和供應(yīng)商的系統(tǒng)安全。因此，大力促進工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展的同時，如何保護這些智能設(shè)備的安全成為整個行業(yè)面臨的重大挑戰(zhàn)。

IIoT的安全風(fēng)險及其影響

當(dāng)前，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）技術(shù)正處在蓬勃發(fā)展階段，預(yù)計到2030年，工廠內(nèi)的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量將增至12億臺。在數(shù)字化和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過程中，網(wǎng)絡(luò)犯罪分子也盯上了這些智能設(shè)備，他們發(fā)起的各種網(wǎng)絡(luò)攻擊旨在破壞物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)中不同部件的安全，如通信網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件以及大量的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

IIoT環(huán)境中存在的安全漏洞可能會給犯罪分子以可乘之機，終將導(dǎo)致企業(yè)機密泄露或敏感數(shù)據(jù)丟失，比如產(chǎn)品制造藍圖或關(guān)鍵業(yè)務(wù)信息等。如果黑客侵入了一個企業(yè)的制造網(wǎng)絡(luò)，他們很容易就能篡改制造設(shè)備的配置，造成難以挽回的后果。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中存在許多典型的安全問題。首先，網(wǎng)絡(luò)攻擊者可以通過不同的方式，比如通過開放端口、緩沖區(qū)溢出、DoS（denial-of-service）和分布式DoS（DDoS）攻擊，進而對受嚴(yán)重保護的網(wǎng)絡(luò)進行未經(jīng)授權(quán)的訪問。其次，如果網(wǎng)絡(luò)界面不安全，黑客就可以利用未受保護的數(shù)據(jù)、弱密碼等實施入侵。只有充分了解IIoT解決方案中固有的安全漏洞的含義，企業(yè)才能采取針對性的對策以規(guī)避潛在的風(fēng)險。

現(xiàn)在，已經(jīng)有越來越多的企業(yè)開始認識到工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)安全的重要性。來自Markets and Markets的數(shù)據(jù)，2022年，全球工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全市場規(guī)模約為163億美元，預(yù)計2023年至2028年期間將以7.7%的復(fù)合年增長率（CAGR）實現(xiàn)快速增長，到2028年將達到244億美元。歸納起來，當(dāng)前的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)主要存在五大安全風(fēng)險：

1.數(shù)據(jù)虹吸：黑客通常在端點設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳輸時通過竊聽進行信息攔截，尤其是端點設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是高度敏感的信息時，帶來的風(fēng)險可能會對企業(yè)造成毀滅性的打擊。這種物聯(lián)網(wǎng)攻擊極容易針對的行業(yè)是健康、安全和航空航天等行業(yè)。為了避免這種類型的安全風(fēng)險，企業(yè)必須制定相應(yīng)的安全策略，確保使用適宜的加密軟件對所有傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行充分加密。

2.設(shè)備劫持：設(shè)備劫持是IIoT常見的安全挑戰(zhàn)之一。當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)傳感器或端點被劫持時，將導(dǎo)致嚴(yán)重的數(shù)據(jù)泄露，此時黑客可以隨心所欲地控制整個制造過程，產(chǎn)品質(zhì)量控制幾乎處于失控狀態(tài)。這種IIoT安全風(fēng)險可以通過定期更新硬件和軟件組件來預(yù)防。還可以通過部署基于硬件的VPN解決方案來減少風(fēng)險的發(fā)生，這種解決方案與傳統(tǒng)系統(tǒng)更兼容。

3.分布式拒絕服務(wù)（DoS）攻擊：一個企業(yè)的端點設(shè)備可能會通過其連接的網(wǎng)絡(luò)被鋪天蓋地的流量所淹沒，以至于端點無法處理正常的工作負載。這種類型的安全風(fēng)險被稱為分布式拒絕服務(wù)（DDoS）攻擊。例如，當(dāng)工業(yè)恒溫器連接到不安全的互聯(lián)網(wǎng)時，對整個系統(tǒng)的協(xié)同DDoS攻擊可能導(dǎo)致系統(tǒng)停機。規(guī)避這種IIoT風(fēng)險可以采用防火墻來保護聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的安全。

4.設(shè)備欺騙攻擊：在IIoT中，當(dāng)攻擊者偽裝成可信設(shè)備在企業(yè)的集中式網(wǎng)絡(luò)和IIoT端點設(shè)備之間發(fā)送信息時，就會發(fā)生設(shè)備欺騙攻擊。這種時候適合使用基于硬件的安全解決方案來管理和規(guī)避這種威脅。

5.物理設(shè)備被盜：IIoT中有許多物理端點設(shè)備，如果不加以保護，這些設(shè)備隨時可能會被盜，在其中存儲的關(guān)鍵數(shù)據(jù)可能引發(fā)安全問題。為了大幅降低與設(shè)備盜竊相關(guān)的風(fēng)險，企業(yè)應(yīng)盡量避免在端點設(shè)備上存儲敏感信息，或者使用基于云的基礎(chǔ)設(shè)施來存儲關(guān)鍵信息。

基礎(chǔ)設(shè)施中極脆弱的部分是監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集設(shè)備、程序邏輯控制器、分布式控制系統(tǒng)、提供人機交互的網(wǎng)絡(luò)和移動接口。在物聯(lián)網(wǎng)所有安全措施中，加密往往是一個經(jīng)常被行業(yè)低估的有效安全措施，而極常見的問題是由于加密和身份驗證不力而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)泄露。

基于硬件的IIoT 安全策略

邊緣計算是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)得以迅速擴展的關(guān)鍵技術(shù)，如今，邊緣應(yīng)用越來越多地參與到物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理和分析，利用機器學(xué)習(xí)（ML）算法，使得物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備能夠及時做出決策，并以準(zhǔn)自主的方式提供可靠的服務(wù)。與此同時，物聯(lián)網(wǎng)邊緣設(shè)備需要強大的計算能力才能滿足這些需求。由于邊緣計算可能涉及高度敏感的數(shù)據(jù)，邊緣設(shè)備需要集成可保證系統(tǒng)安全的保護技術(shù)。

目前，市場上有多種方法可以保護邊緣設(shè)備的安全。綜合來看，基于硬件的安全方法通常比僅僅采用軟件的方法更安全、更有效。這是因為物聯(lián)網(wǎng)邊緣設(shè)備通常具有較強的處理能力以及充裕的內(nèi)存，可以相對輕松地運行高級安全程序。

根據(jù)應(yīng)用不同，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的處理能力各不相同。比如，低功耗設(shè)備往往使用微控制器（MCU），而計算能力更強的邊緣設(shè)備通常使用微處理器（MPU）。

如今，越來越多的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備混合使用MCU和MPU。邊緣設(shè)備在硅和固件級別提供的安全功能多種多樣。通過安全硬件，例如嵌入式安全元件或安全模塊可以將信任根集成到設(shè)備中，從而提供從硅一直延伸到云的信任錨?；谟布陌踩桨柑峁┝艘粋€可信的計算基礎(chǔ)，可以從中啟用各種安全功能，包括安全地啟動設(shè)備、執(zhí)行安全的應(yīng)用程序、運行安全的操作系統(tǒng)（OS）、實現(xiàn)安全的設(shè)備生命周期管理，以及安全地連接到輔助云服務(wù)和后端基礎(chǔ)設(shè)施等。

對于IIoT而言，基于硬件的安全措施大多在邊緣側(cè)完成，安全功能的實現(xiàn)主要是將安全IP塊集成到MCU和MPU中，這些IP塊可以提供可編程的信任根核心、物理上不可克隆的功能（PUF）、隨機數(shù)生成器（RNG）、唯一ID、安全套接字層（SSL）/傳輸層安全性（TLS）支持、加密塊等。

IIoT 安全的硬件解決方案

ChipDNA技術(shù)是ADI的一項專利技術(shù)，它涉及一種物理上不可克隆的功能（PUF），該功能能夠有效抵御入侵性物理攻擊。利用芯片制造過程中自然發(fā)生的半導(dǎo)體器件特性的隨機變化，ChipDNA電路產(chǎn)生了一個獨特的輸出值，該輸出值可隨時間、溫度和工作電壓而重復(fù)。

在基于PUF的ChipDNA安全驗證器中，每個密鑰都以IC的一種精準(zhǔn)的模擬特性的形式存在，使其不受所有已知的侵入性攻擊工具和功能的影響。并且每個IC都有ChipDNA生成的唯一密鑰。該密鑰基于PUF，可在溫度、電壓和IC運行條件下重復(fù)，在抵御黑客的侵入式攻擊和逆向工程攻擊方面，安全防護水平有了指數(shù)級提升。

該公司早期的產(chǎn)品MAX32520 MCU就是利用ChipDNA輸出作為密鑰內(nèi)容，以加密方式保護所有設(shè)備存儲的數(shù)據(jù)，并可選地在用戶控制下作為ECDSA簽名（橢圓曲線數(shù)字簽名算法）操作的私鑰。除了硬件加密功能外，MAX32520還提供符合FIPS/NIST標(biāo)準(zhǔn)的真隨機數(shù)生成器、環(huán)境和篡改檢測電路，以促進應(yīng)用程序的系統(tǒng)級安全。不過，該系列中的所有產(chǎn)品很快就會停產(chǎn)，并由新的產(chǎn)品取而代之。

新一代產(chǎn)品MAX32630采用帶FPU的Arm Cortex-M4內(nèi)核，擁有超低功耗、高效的信號處理能力，易于使用。MAX32631 / MAX32632是MAX32630的安全版本，它們提供了具有加密和高級安全功能的信任保護單元（TPU），其中包括用于快速ECDSA的模塊化算術(shù)加速器（MAA）、真隨機數(shù)生成器（TRNG）和硬件AES引擎。MAX32632還提供了一個安全的引導(dǎo)加載程序，用于額外的安全性和生命周期管理。

圖2：基于FPU的MAX32630 / MAX32631，MCU內(nèi)部結(jié)構(gòu)（圖源：Analog Devices）

在物聯(lián)網(wǎng)所有安全措施中，加密往往是一個經(jīng)常被行業(yè)低估的有效安全措施，常見的問題是因加密和身份驗證不力而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)泄露。實際上，加密是保護物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的機密性、完整性和真實性的基礎(chǔ)。對于物聯(lián)網(wǎng)邊緣設(shè)備而言，用于執(zhí)行加密引導(dǎo)、登錄和空中更新等服務(wù)的加密密鑰是必須保護的關(guān)鍵組件。而芯片級硬件保護密鑰是實現(xiàn)嵌入式設(shè)計強大安全保護的標(biāo)準(zhǔn)。

作為NXP EdgeVerse邊緣計算平臺的一部分，LPC5500系列MCU就是這樣的設(shè)計，它在保證性能的同時，還集成了相應(yīng)的安全模塊。LPC5500采用Arm Cortex-M33技術(shù)，與前幾代產(chǎn)品相比，它改進了產(chǎn)品架構(gòu)并提高了集成度，大幅降低了功耗，提供了更高級別的安全功能，包括基于SRAM PUF的信任和配置根，從加密圖像（內(nèi)置閃存）進行實時操作，并通過Arm TrustZone-M保護資產(chǎn)，非常適用于對安全有較高要求的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。LPC5500系列MCU共有7個可擴展的系列，提供多種封裝和內(nèi)存選項，還具有全面的MCUXpresso軟件和工具生態(tài)系統(tǒng)及低成本開發(fā)板。

圖3：LPC5500系列MCU系統(tǒng)框圖（圖源：NXP）

本文小結(jié)

如今，從工業(yè)、汽車到智能家居和消費產(chǎn)品，具有安全處理器功能的邊緣設(shè)備可以滿足不同用例中各種安全性需求。支撐物聯(lián)網(wǎng)邊緣設(shè)備安全進步的一個重要原因是不斷增長的政策、法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)要求，這些要求又進一步推動了圍繞設(shè)備制造安全和生命周期管理的市場發(fā)展。此時的重點不僅僅要確保設(shè)備本身能夠安全運行，重要的是它們能夠提供可信的計算，保護物聯(lián)網(wǎng)邊緣的敏感數(shù)據(jù)安全。

著名分析機構(gòu)Straits Research對未來的IIoT 安全市場預(yù)期充滿信心，他們表示，2023年至2031年的IIoT安全市場復(fù)合年增長率（CAGR ）將達到29.8%，到2031年，全球IIoT安全市場規(guī)模預(yù)計將高達1,223億美元。

雖然本文再三強調(diào)要從邊緣硬件入手實施相應(yīng)的IIoT 安全策略，但在實際運營中，物聯(lián)網(wǎng)邊緣安全策略不一定全部從硬件角度來考慮，有許多軟件、網(wǎng)絡(luò)和云級別的安全技術(shù)也可以對物聯(lián)網(wǎng)提供有效的安全保護。不可否認的是，如果不在設(shè)備中嵌入某種形式的基于硬件的安全模塊，創(chuàng)建可信的物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)將很難實現(xiàn)。隨著安全處理器市場的成熟，成本和復(fù)雜性降低，這些技術(shù)將非常容易地集成到越來越多的應(yīng)用中，并將帶來巨大的創(chuàng)新。

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