作者 Ian Beavers Erik MacLean ADI公司
摘要：介绍了边际核算带来的安全问题，以及工业物联网中的雾模型和相关装备问题、安全问题及处理思路。
0 导言
物联网体系进犯登上新闻头条，网络、边际节点和网关不断露出出安全缝隙。最近，Mirai僵尸网络经过登录到运转telnet服务器且未更改默许暗码的设备，感染了超越250万物联网节点[1]。Mirai后来发展到可以引发服务器回绝服务，导致全球很大一部分的互联网接入中止。Reaper僵尸网络经过运用软件缝隙并感染体系，进犯了超越100万台物联网设备。一个接入互联网的鱼缸供给了侵入赌场网络的进口点，导致10 GB数据被盗。智能电视已被用于特务和监督活动。
嵌入式传感器体系已开端联网并露出于互联网之中。作为工业物联网(IIoT)的一部分，这些传感器没有像Web服务器那样在恶劣的环境中阅历二十年的演进。因而，该职业正在目击这些体系遭受20世纪90年代及更前期常见的许多进犯。工业物联网体系的生命周期一般要比传统核算体系的生命周期长得多。一些设备在布置后或许会继续运转数十年，而维护计划则不明。
服务器和PC十分复杂，足以支撑设置安全措施，但工业物联网节点的功耗和处理才干一般很低，为设置安全措施而留下的功耗预算很小。由于触及开发本钱，安全在很大程度上是权衡的成果。尽管工业物联网的本钱或许高于消费物联网，但其在可扩展性本钱方面依然面对应战。假如忽视安全性，产品布置后将会产生躲藏的影响，这些本钱终究也需求处理。
传感器和实行器使得工业物联网设备能与物理国际进行交互。网络进犯首要限于数据丢掉，但经过工业物联网进犯，黑客比以往更简单侵入物理国际。现在的进犯有或许形成人身损伤。这在工业物联网中更为显着，由于毛病或许导致价值数百万美元的工业流程被封闭或炸毁，或许引发危及生命的状况。
1 联网国际
工业物联网设备一般会衔接到某种网络，常常是互联网。正是这种衔接导致其最简单遭到进犯。与流行病学类似，感染是经过与其他机器的触摸而传达。进犯途径存在于体系与外界交互的当地。进犯者之所以可以与体系进行交互，彻底是由于其能衔接拜访体系。需求问的榜首个体系规划安全问题是：“设备是否真的需求衔接到网络?”将其衔接到网络会显着增加安全危险。
维护体系的最佳办法是阻挠其衔接到网络，或将其约束在封闭网络中。许多工业物联网设备联网的原因只是是由于它们能联网，而没有其他什么理由。让设备联网的利益是否超越与此相关的安全危险?别的，任何其他与联网体系进行交互的留传体系也或许面对危险。
许多状况下，原本安全的网络和节点还有必要与已有旧网络进行互操作，而这种旧式网络自身的安全性或许要差许多。这就带来一个新问题：最弱的安全危险或许超出了工业物联网体系的影响规模。在这种状况下，工业物联网体系也需求防备来自体系内部的危险。
2 节点的安全考虑[2]
● 保密性——避免数据走漏给未获授权的人，例如防备仿冒进犯;
● 身份验证——在两台机器之间运用数字证书验证身份;
● 安全引导——ROM引导加载程序存储器验证二级引导加载程序的实在性;
● 安全固件更新——仅认可制作商供给的授权代码;
● 授权——只要正品节点才干取得网络拜访权限;
● 完整性——维护数据不被更改;
● 记载——正确记载数据、节点数和时刻戳有助于避免对工业物联网网络的不受欢迎拜访;
● 安全通讯——运用能驻留在低功耗节点上的加密协议;
● 可用性——确保用户在需求的时分可以拜访;
● 认可——确保无法回绝实在的通讯恳求;
● 牢靠性——即使在恶劣的电气环境中，接入也有必要牢靠。
3 阻隔
体系互相阻隔可以削减进犯面并约束歹意软件的传达。将不需求网络衔接的体系与露出于网络的体系阻离隔来。考虑树立一个独自的隔空或严厉监控的网络，将它与其他高危险体系的网络分隔。抱负状况下，要害体系应当与外界彻底阻隔[3]。
联网轿车的信息文娱体系或许会让车辆遭受许多前所未见的新进犯。主发动机操控单元(ECU)与信息文娱体系毫无关系，不该经过信息文娱体系与之交互。尽管车辆中一般有两条独立的CAN总线，以将最重要的体系与其他体系离隔，但它们仍以某种办法衔接在一起，依然有或许经过损坏一条总线而获取对另一条总线的操控权。假如这些网络之间彻底阻隔，那么类似危险将会从要挟生命的程度降低到远没有那么严峻的程度。
4 转移至边际
许多工业物联网体系衔接到云服务器，云服务器搜集并处理设备发送来的信息，一起也办理设备。跟着设备数量大幅增加，云或许难以跟上脚步。许多体系正在将处理向外转移到工业物联网设备的边际，以削减流向云的流量。
在边际处理数据可以削减发送和露出给云的数据量。发送数据的地址越多，保密就越困难。每个新节点都是或许走漏数据的危险源。进犯面呈指数式增加。
把敏感数据留在边际以内可以约束专门针对秘要数据的进犯面。假如将其限定在一个边际节点中，则数据不太或许被盗。停车位占用传感器假如实行检测和图画处理，然后仅经过二进制信号陈述有无车辆存在，那么就无需传输视频流，然后消除图画中包含的许多不必要数据。这会减轻接纳服务器的担负，使其不能被歹意监督所运用。
与消费物联网体系类似，工业物联网体系也有有必要维护的专有和秘要信息，包含专有算法、嵌入式固件、客户信息、财政信息、财物方位、设备运用方式、竞赛情报及拜访更大网络的权限。
5 雾模型
一些工业物联网设备依然缺少边际处理所需的功用和功用。另一种拓扑结构——“雾模型”正在鼓起，它是依据云和边际体系的混合体。在雾模型中，边际节点首要衔接到网关，网关接纳数据并进行一些处理，然后将数据发送到云端。许多工业物联网设备或许共用一个网关。网关不需求选用电池供电，处理功耗的预算可以高许多，而且本钱高于受约束的工业物联网设备。
雾起源于扩展性问题，但在安全性方面也能发挥作用。网关设备可以协助维护易受进犯的边际节点，边际节点遭到的约束较多，或许无法自行确保安全性，但供给某种程度的维护比无任何维护会更好。网关可用来协助办理其下的一切节点，而不是直接办理每个节点。在工业物联网中，雾模型还能作出应急呼应，避免服务中止。例如，安全呼应可所以与网关进行交互，而不是封闭要害使命出产线。
6 预配和布置
工业物联网最大的应战之一是布置和办理许多设备。影响广泛的工业物联网体系十分难以树立和装备。工业物联网的生命周期很长，体系或许由一个团队布置，然后运转许多年，但由另一个团队供给支撑。
工业物联网体系的默许身份验证机制很弱，往往不行安全。正如Mirai僵尸网络作业所展现的，大多数用户从不登录工业物联网设备以进行装备。他们乃至不知道应该装备设备。大多数工业物联网用户以为设备开箱即可运用。体系有必要具有默许安全性。应当设定这样的体系希望：除了默许装备以外，用户或许永久不会装备设备。默许暗码较弱是一个常见过错。
7 网络安全性
在工业物联网中，边际遭到的重视最多，但也不能忽视体系的云端或服务器端。测验常见服务器端缝隙(例如跨站点脚本、SQL注入和跨站点恳求假造)，并查看API有无缝隙，以确保服务器上运转的软件及时得到修补。
跨网络传输的数据需求遭到维护，不然或许会被歹意阻拦和修正。可以运用TLS或SSH之类的安全加密协议来维护传输中的数据，最好为数据供给端到端维护。
工业物联网网络的鸿沟或许很含糊。工业物联网传感器节点在空间上常常驻留在网络的外围。可是，经过它们以及一个固定网关，还可以轻松拜访更大的工业网络[4]。对拜访网络的这些设备进行开释身份验证，有助于避免流量遭到歹意第三方篡改。
维护网络数据流量要求运用安全通讯协议。最佳实践应当是运用已知安全的规范协议，运用IEEE 802.1AE MACsec可以确保以太网LAN的安全。
为维护需求路由到局域网外部(例如经过互联网)的流量，需求供给端到端安全性的更高层协议。TLS常用于维护互联网流量并供给端到端安全性。尽管TLS运用TCP，而许多物联网设备运用UDP进行通讯，但DTLS(数据报传输层安全性)可在UDP上作业。尽管物联网设备的功耗和存储器受限，但只需很少的作业就能为大多数受限运用施行TLS。关于约束更严厉的设备，现在IETF正在开发一种新协议——受限运用协议(CoAP)。
8 端点安全性
尽管维护传输中的数据很有必要，但进犯更多是针对端点。面向网络的接口需求强化以消除缝隙。确保工业物联网安全的一种办法是直接在传感器节点设备中设置防护，这就供给了榜首个要害的安全层，设备不再依托企业防火墙作为其仅有的维护。这对移动式企业设备和布置在长途方位的工业物联网传感器特别重要。
工业物联网设备的安全处理计划有必要防备各式各样的网络进犯。它有必要确保设备固件没有被篡改，可以维护设备中存储的数据，可以维护入站和出站通讯，而且有必要可以检测和陈述任何网络进犯妄图[5]。这只要经过在规划的前期阶段归入安全性才干完结。
9 高压灭菌器与自动机
体系受损之后将其康复到已知杰出状况的才干，比让它对一切进犯免疫更重要。弹性体系可以快速康复并很有掌握地康复运作。
一旦体系遭到感染，怎么对其消毒?当一个体系遭到感染时，病毒即以某种不知道办法改动体系状况，长途进犯会操控处理器，向体系注入新的歹意代码。一般，固件会以某种办法被修正或替换为歹意软件，导致体系体现反常。一旦产生这种状况，就不能再信赖处理器。
嵌入式体系的规划常常较为特别，难以牢靠地从受损状况中康复。一般，净化体系和验证体系是否洁净的仅有办法是将一切非易失性存储器直接转存至外部读取器，然后对照原始固件进行验证，假如原始固件有改动，则用原始固件替换。大多数体系的规划不支撑这种做法。
一种维护体系完整性的办法是用机械开关完结对非易失性存储器的物理写维护。当该开关设置为写维护时，存储器遭到硬件的物理维护。存储器操控权转移到处理器域之外，要在物理上不接入设备的状况下将永久歹意软件长途装置到存储器中是不或许的。这样就把潜在进犯者名单从国际上任何具有互联网衔接的人缩减为只要那些可以长时刻对设备进行物理拜访的人。固件更新一般是很稀有的作业，当固件需求更新时，用户可以将开关设置为写使能以授权更新存储器，在更新完结后再次对设备设置写维护。
许多设备还运用非易失性存储器来存储写拜访所需的数据。在高安全性体系中，可以运用独自的非易失性存储器芯片来存储数据(但不存储软件)。进犯者仍可以经过向该存储器写入歹意数据并运用软件缝隙来损害某些体系，因而应彻底剖析和测验体系，不管该存储器存储什么数据，体系都不会遭到影响。增加额定存储器芯片会增加本钱，但有些闪存答应某些扇区设置写维护，而其他扇区仍能写入。
10 安全引导
安全引导可避免引导进程中将未经授权的软件加载到设备上。它是信赖链的起点。安全引导从节点上只读非易失性存储器方位编程的榜首阶段引导加载程序开端。此引导加载程序仅验证第二阶段引导加载程序的实在性。第二阶段引导加载程序往往比较复杂，可存储在可从头编程的闪存中。重复此进程[6]，验证操作体系和加载的运用程序是否的确来自可信来历。
具有安全引导和安全固件更新功用的工业物联网节点，可确保设备运转的是授权代码，而非篡改的或歹意代码，然后避免永久装置歹意软件或代码。设备要么仅运转未修正的代码，要么无法完结引导。
安全引导进程一般依托数字签名来维护代码的实在性。代码映像由原始设备制作商在制作拼装时运用原始设备制作商的私钥进行签名。然后，节点运用原始设备制作商的相应公钥验证固件映像的签名。
代码还可以运用对称加密的音讯认证码(MAC)加以维护，但这需求将私钥存储在设备上，因而有危险。不过，运用MAC在核算上更简单。
安全引导尽管可以增强安全性，但关于终究用户来说，有时会太受约束，由于它能阻挠用户更改设备上运转的软件或运转自己的软件。依据运用程序的不同，用户或许需求更多的灵活性和装备安全引导的才干，然后答应其信赖自己的代码。
安全固件更新与安全引导类似，用于在晋级进程中验证新代码映像已由原始设备制作商签名。假如下载的映像无效，则会丢掉文件并中止晋级。只要有用的映像才会被承受，而且随后保存到设备存储器中。
11 安全通讯
大多数工程师将安全性视为通讯协议，如SSL/TLS、SSH和IPsec等，原因是许多嵌入式设备增加了安全通讯。可是，尽管这是安全要挟的一部分，但其他进犯途径提出了新的应战。许多工业物联网传感器节点以低功耗装备运转，运用一些不能支撑某些最佳选项(如TLS或IPsec)的较低功耗处理器。安全协议为构建安全设备供给了一个很好的起点[7]。安全协议的规划意图是防备数据包嗅探、中间人进犯、重放进犯和未经授权与节点通讯的妄图。
小型工业物联网边际传感器设备一般选用无线协议，如Zigbee、Bluetooth®低功耗(BLE)以及其他无线网状网络协议。这些协议具有必定的内置安全性，可是安全性相对较弱。许多可以运用缝隙的办法现已揭露，老到的黑客现已熟知。小型工业物联网设备一般运用本钱十分低、功耗较低且不支撑TLS或IPSec的处理器。关于小型边际设备，可以运用DTLS(依据UDP的TLS)来完结安全通讯。
12 物理安全性
物理进犯针对的是工业物联网体系的实践边际硬件节点或网关，可以包含针对前端传感器的损坏。这些进犯常常需求从物理上触摸体系，但也或许只是约束工业物联网硬件效能的操作。进犯者可以篡改节点，以操控工业物联网环境中的传感器或其他设备。然后，他们可以从源头提取秘要数据和嵌入固件代码。运用歹意节点注入战略，进犯者可以将歹意节点布置在工业物联网网络的合法节点之间[8]。
为了应对此类进犯，在规划阶段可以提早做一些硬件考虑。在运用带引脚的器材对信号进行物理勘探的时分，在规划中应尽量削减暴露的铜过孔或未运用的衔接器。应当移除可为潜在黑客供给额定信息的具体元器材丝印，除非以为它是规划肯定需求的。尽管或许会增加体系复杂性，但工业保形涂层不只可以减轻自然力对硬件的影响，还能增加额定的进程来避免对PCB上的电子元件进行直接勘探。
器材内部的任何嵌入式非易失性存储器内容都应该加密并设置写维护。微操控器和DSP器材之间的接口应该坐落PCB的内层走线。即使嵌入式存储器的内容被获取，数据的加密和验证机制也会使其变得毫无意义。
制作商常常运用调试或测验端口。这些端口一般是串行或JTAG，可用来拜访并操控大部分体系。在出产中，应确保这些端口在功用上被禁用或遭到维护，由于只是不装备调试接头是不行的，固执分子可以自行装备或焊接到引脚上。假如需求在出产设备中启用这些接口，运用之前应进行身份验证。可以用暗码加以维护，但有必要要让用户可以设置强暗码。
13 随机数生成
加密功用一般需求某种随机数产生器(RNG)。随机数或许需求无法猜测的密钥生成，或许要求不得重复。由于缺少资源和熵，在受约束的嵌入式体系中生成随机数一般是一个巨大应战。
许多嵌入式体系存在熵过少的问题。这或许导致灾难性的中止。验证RNG的强度十分困难，简直不或许。曩昔的RNG规划适当特别，人们对其了解不多。但近年来，鲁棒暗码随机数产生器的规划和方式剖析取得了重大发展。
现代鲁棒的RNG规划往往有三级。包含一个熵源供给原始熵，一个熵提取器让熵均匀散布，还有一个扩展级，用来扩展可用的少数熵。
榜首级是熵源。它可所以某种物理噪声源，例如时钟颤动或热噪声。某些处理器(例如ADI Blackfin® DSP)为硬件供给可用于生成熵的随机数生成器。
暗码的随机数字需求有均匀的计算散布。一切熵源都有必定的误差，将其用于加密运用之前需求消除这种误差。这是经过熵提取器来完结的，它运用高熵的非均匀散布的输入，生成高熵的均匀散布的输出。价值是会有必定的熵丢失，由于熵提取器需求的熵输入大于其能供给的输出。成果，需求从熵源中搜集更多的比特，并将其提炼成一个小的高熵数字，该数字可用来为暗码安全的伪随机数产生器供给种子[11]。
14 运用过错
简直一切工业物联网节点都要运用某种方式的嵌入式固件或算法。从功用上看，这种固件在实行要求方面彻底正常，没有显着问题。可是，一切软件都有必定程度的缺点或过错，这或许导致一些反常操作，然后引发安全问题。例如，99.99%无过错固件很少会产生运转问题。可是，剩下的小小的0.01%过错或许会被入侵者运用，迫使节点在该特定作业方式下运转时100%失利。软件缺点来历于复杂性，而任何有用的体系都需求必定的复杂性。基本上一切体系都存在软件缺点和缝隙。
15 安全性规划
体系规划的安全性有必要从一开端就考虑。它应该是规划进程的一部分，而不是在项目结束时附加的东西。安全性的要害不是增加安全功用，而是办理危险。关于任何工业物联网体系开发，安全规划办法都很重要。
现有的安全规划实践依然适用。运用要挟建模来辨认危险，并挑选适宜的危险缓解战略。辨认体系的进口点，然后找到体系中危险最高的区域。大多数进犯途径都是经过外部接口，因而应查看规划计划有无安全缝隙。细心处理不知道数据并验证一切输入，验证和安全性不该局限于进口点。纵深防护很重要，这样在外层遭到损坏时，仍有安全层可供御敌。
许多处理器供给不同等级的权限。ARM®有Trustzone，ADI Blackfin DSP供给用户级实行方式和特权实行方式。尽或许以最低等级的权限实行尽或许多的代码，以将最重要的代码保留在特权方式下实行。工业物联网设备的安全要求有必要考虑安全失效的价值、进犯的或许性、首要进犯途径以及施行安全处理计划的本钱。
16 定论
上述许多主张互相冲突，且与体系的其他规划方针相冲突。为了协助维护工业物联网，ADI公司有多种处理器可供给依据硬件的安全增强功用。ADF7023 RF低功耗收发器运用ISM频段和许多不同的调制计划供给内部AES加密。
ADuCM3029内部的嵌入式收发器供给AES和SHA-256硬件加速以及一个真实的随机数产生器，还有多奇偶校验维护的SRAM。ADSP-BF70X Blackfin系列数字信号处理器供给嵌入式一次性可编程存储器，用于安全密钥存储和快速安全引导，为体系在遭到损坏后回来已知杰出状况供给有力确保。一起，凭借依据硬件的只递加计数器，Blackfin DSP中的回滚维护答应在出现问题更新固件以修正缝隙。
参考文献：
[1]Mirai僵尸网络走漏源代码.
[2]Ross Yu.全性和牢靠性是工业物联网无线网络的要害[R].ADI公司,2017.
[3]Patrick Nelson.组织机构有必要将物联网与惯例IT阻离隔来——Telco[N].Network World,2016,3.
[4]Brian Girardi.端点安全性和物联网[J].CSO,2017.
[5]Tristan O’Gorman.物联网安全危险入门[J].Security Intelligence,2017,2.
[6]Abhijeet Rane.物联网安全性始于安全引导[J].Embedded Computing Design,2017,1.
[7]Amitrajan Gantait,Ayan Mukherjee,Joy Parta.维护物联网设备和网关[R].IBM,2016,5.
[8]Boaz Barak,Shai Halevi.伪随机数生成的模型和架构及其/dev/random运用[C].第12届ACM核算机和通讯安全会议论文集,2005,11.
[9]Chen-Mou Chang,Daniel J. Bernstein,Chang,etal.分化认证智能卡中的RSA密钥：野生铜匠[J].Springer,2013.
[10]Arjen K. Lenstra,Christopher Wachter,James P. Hughes,etal.Ron是错的。Whit是对的[R].Cryptology ePrint Archive,2012.
[11]Boaz Barak,François-Xavier Standaert,Hugo Krawczyk,etal.剩下哈希引理再讨论[C].第31届暗码学发展年会,2011,8.
本文来历于《电子产品国际》2018年第7期第70页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
