物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)攻擊登上新聞頭條，網(wǎng)絡(luò)、邊緣節(jié)點和網(wǎng)關(guān)不斷暴露出安全漏洞。最近，Mirai僵尸網(wǎng)絡(luò)通過登錄到運行telnet服務(wù)器且未更改默認(rèn)密碼的設(shè)備，感染了愈250萬物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點1。Mirai 后來發(fā)展到能夠引發(fā)服務(wù)器拒絕服務(wù)，導(dǎo)致全球很大一部分的互聯(lián)網(wǎng)接入中斷。Reaper 僵尸網(wǎng)絡(luò)通過利用軟件漏洞并感染系統(tǒng)，攻擊了愈一百萬臺物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。一個接入互聯(lián)網(wǎng)的魚缸提供了侵入賭場網(wǎng)絡(luò)的入口點，導(dǎo)致10 GB數(shù)據(jù)被盜。智能電視已被用于間諜和監(jiān)視活動。

嵌入式傳感器系統(tǒng)已開始聯(lián)網(wǎng)并暴露于互聯(lián)網(wǎng)之中。作為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)的一部分，這些傳感器沒有像Web服務(wù)器那樣在惡劣的環(huán)境中經(jīng)歷二十年的演進。因此，該行業(yè)正在目睹這些系統(tǒng)遭受20世紀(jì)90年代及更早期常見的很多攻擊。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的生命周期通常要比傳統(tǒng)計算系統(tǒng)的生命周期長得多。一些設(shè)備在部署后可能會持續(xù)運行數(shù)十年，而維護計劃則不明。

服務(wù)器和PC非常復(fù)雜，足以支持設(shè)置安全措施，但工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的功耗和處理能力通常很低，為設(shè)置安全措施而留下的功耗預(yù)算很小。由于涉及開發(fā)成本，安全在很大程度上是權(quán)衡的結(jié)果。雖然工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的成本可能高于消費物聯(lián)網(wǎng)，但其在可擴展性成本方面仍然面臨挑戰(zhàn)。如果忽視安全性，產(chǎn)品部署后將會產(chǎn)生隱藏的影響，這些成本最終也需要解決。

傳感器和執(zhí)行器使得工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能與物理世界進行交互。網(wǎng)絡(luò)攻擊主要限于數(shù)據(jù)丟失，但通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)攻擊，黑客比以往更容易侵入物理世界。現(xiàn)在的攻擊有可能造成人身傷害。這在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中更為顯著，因為故障可能導(dǎo)致價值數(shù)百萬美元的工業(yè)流程被關(guān)閉或摧毀，或者引發(fā)危及生命的情況。

聯(lián)網(wǎng)世界

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備一般會連接到某種網(wǎng)絡(luò)，常常是互聯(lián)網(wǎng)。正是這種連接導(dǎo)致其最容易受到攻擊。與流行病學(xué)相似，感染是通過與其他機器的接觸而傳播。攻擊途徑存在于系統(tǒng)與外界交互的地方。攻擊者之所以能夠與系統(tǒng)進行交互，完全是因為其能連接訪問系統(tǒng)。需要問的第一個系統(tǒng)設(shè)計安全問題是：“設(shè)備是否真的需要連接到網(wǎng)絡(luò)?”將其連接到網(wǎng)絡(luò)會顯著增加安全風(fēng)險。

保護系統(tǒng)的最佳方式是阻止其連接到網(wǎng)絡(luò)，或?qū)⑵湎拗圃诜忾]網(wǎng)絡(luò)中。許多工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的原因僅僅是因為它們能聯(lián)網(wǎng)，而沒有其他什么理由。讓設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的利益是否超過與此相關(guān)的安全風(fēng)險?另外，任何其他與聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進行交互的遺留系統(tǒng)也可能面臨風(fēng)險。

很多情況下，本來安全的網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點還必須與已有舊網(wǎng)絡(luò)進行互操作，而這種老式網(wǎng)絡(luò)本身的安全性可能要差很多。這就帶來一個新問題：最弱的安全風(fēng)險可能超出了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的影響范圍。在這種情況下，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)也需要防范來自系統(tǒng)內(nèi)部的風(fēng)險。

節(jié)點的安全考慮：2

·保密性——防止數(shù)據(jù)泄露給未獲授權(quán)的人，例如防范仿冒攻擊

·身份驗證——在兩臺機器之間使用數(shù)字證書驗證身份

·安全引導(dǎo)——ROM 引導(dǎo)加載程序存儲器驗證二級引導(dǎo)加載程序的真實性

·安全固件更新——僅認(rèn)可制造商提供的授權(quán)代碼

·授權(quán)——只有正品節(jié)點才能獲得網(wǎng)絡(luò)訪問權(quán)限

·完整性——保護數(shù)據(jù)不被更改

·記錄——正確記錄數(shù)據(jù)、節(jié)點數(shù)和時間戳有助于防止對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的不受歡迎訪問

·安全通信——使用能駐留在低功耗節(jié)點上的加密協(xié)議

·可用性——確保用戶在需要的時候可以訪問

·認(rèn)可——確保無法拒絕真實的通信請求

·可靠性——即使在惡劣的電氣環(huán)境中，接入也必須可靠

圖1.冒充已知節(jié)點欺騙網(wǎng)關(guān)的仿冒攻擊。

隔離

系統(tǒng)彼此隔離可以減少攻擊面并限制惡意軟件的傳播。將不需要網(wǎng)絡(luò)連接的系統(tǒng)與暴露于網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)隔離開來�？紤]建立一個單獨的隔空或嚴(yán)格監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)，將它與其他高風(fēng)險系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分開。理想情況下，關(guān)鍵系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)與外界完全隔離3。

聯(lián)網(wǎng)汽車的信息娛樂系統(tǒng)可能會讓車輛遭受許多前所未見的新攻擊。主發(fā)動機控制單元(ECU)與信息娛樂系統(tǒng)毫無關(guān)系，不應(yīng)通過信息娛樂系統(tǒng)與之交互。雖然車輛中通常有兩條獨立的 CAN 總線，以將最重要的系統(tǒng)與其他系統(tǒng)隔開，但它們?nèi)砸阅撤N方式連接在一起，仍然有可能通過破壞一條總線而獲取對另一條總線的控制權(quán)。如果這些網(wǎng)絡(luò)之間完全隔離，那么類似風(fēng)險將會從威脅生命的程度降低到遠沒有那么嚴(yán)重的程度。

圖2.可能感染工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的各類惡意軟件。

轉(zhuǎn)移至邊緣

許多工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)連接到云服務(wù)器，云服務(wù)器收集并處理設(shè)備發(fā)送來的信息，同時也管理設(shè)備。隨著設(shè)備數(shù)量大幅增加，云可能難以跟上步伐。很多系統(tǒng)正在將處理向外轉(zhuǎn)移到工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的邊緣，以減少流向云的流量。

我們常常把數(shù)據(jù)視為資產(chǎn)。數(shù)據(jù)被挖掘和出售，以在大型數(shù)據(jù)集中發(fā)現(xiàn)隱藏模式。然而，收集到的大部分?jǐn)?shù)據(jù)通常不是很有用，但它對攻擊者可能有用。敏感數(shù)據(jù)為攻擊者提供了目標(biāo)，因而也是問題。對收集到的數(shù)據(jù)應(yīng)進行過濾，只留下需要的部分，其余部分應(yīng)盡快刪除。這不僅能提高安全性，也能改善所收集數(shù)據(jù)的效用。識別潛在的敏感信息并禁止或限制其收集非常重要。

在邊緣處理數(shù)據(jù)可以減少發(fā)送和暴露給云的數(shù)據(jù)量。發(fā)送數(shù)據(jù)的地點越多，保密就越困難。每個新節(jié)點都是可能泄露數(shù)據(jù)的風(fēng)險源。攻擊面呈指數(shù)式增長。

把敏感數(shù)據(jù)留在邊緣以內(nèi)可以限制專門針對機密數(shù)據(jù)的攻擊面。如果將其限定在一個邊緣節(jié)點中，則數(shù)據(jù)不太可能被盜。停車位占用傳感器如果執(zhí)行檢測和圖像處理，然后僅通過二進制信號報告有無車輛存在，那么就無需傳輸視頻流，從而消除圖像中包含的大量不必要數(shù)據(jù)。這會減輕接收服務(wù)器的負(fù)擔(dān)，使其不能被惡意監(jiān)視所利用。

與消費物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)類似，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)也有必須維護的專有和機密信息：

·專有算法

·嵌入式固件

·客戶信息

·財務(wù)信息

·資產(chǎn)位置

·設(shè)備使用模式

·競爭情報

·訪問更大網(wǎng)絡(luò)的權(quán)限

霧模型

一些工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備仍然缺乏邊緣處理所需的功能和性能。另一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)——霧模型——正在興起，它是基于云和邊緣系統(tǒng)的混合體。在霧模型中，邊緣節(jié)點首先連接到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)接收數(shù)據(jù)并進行一些處理，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端。許多工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可能共用一個網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)不需要采用電池供電，處理功耗的預(yù)算可以高很多，而且成本高于受限制的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

霧起源于擴展性問題，但在安全性方面也能發(fā)揮作用。網(wǎng)關(guān)設(shè)備可以幫助保護易受攻擊的邊緣節(jié)點，邊緣節(jié)點受到的限制較多，可能無法自行保障安全性，但提供某種程度的保護比無任何保護會更好。網(wǎng)關(guān)可用來幫助管理其下的所有節(jié)點，而不是直接管理每個節(jié)點。在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，霧模型還能作出應(yīng)急響應(yīng)，避免服務(wù)中斷。例如，安全響應(yīng)可以是與網(wǎng)關(guān)進行交互，而不是關(guān)閉關(guān)鍵任務(wù)生產(chǎn)線。

預(yù)配和部署

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)最大的挑戰(zhàn)之一是部署和管理大量設(shè)備。影響廣泛的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)非常難以建立和配置。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的生命周期很長，系統(tǒng)可能由一個團隊部署，然后運行許多年，但由另一個團隊提供支持。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的默認(rèn)身份驗證機制很弱，往往不夠安全。正如 Mirai 僵尸網(wǎng)絡(luò)事件所展示的，大多數(shù)用戶從不登錄工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備以進行配置。他們甚至不知道應(yīng)該配置設(shè)備。大多數(shù)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)用戶認(rèn)為設(shè)備開箱即可使用。系統(tǒng)必須具有默認(rèn)安全性。應(yīng)當(dāng)設(shè)定這樣的系統(tǒng)期望：除了默認(rèn)配置以外，用戶可能永遠不會配置設(shè)備。默認(rèn)密碼較弱是一個常見錯誤。

網(wǎng)絡(luò)安全性

在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，邊緣受到的關(guān)注最多，但也不能忽視系統(tǒng)的云端或服務(wù)器端。測試常見服務(wù)器端漏洞(例如跨站點腳本、SQL 注入和跨站點請求偽造)，并檢查API有無漏洞，以確保服務(wù)器上運行的軟件及時得到修補。

跨網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)需要受到保護，否則可能會被惡意攔截和修改。使用TLS或SSH之類的安全加密協(xié)議來保護傳輸中的數(shù)據(jù)。最好為數(shù)據(jù)提供端到端保護。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的邊界可能很模糊。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點在空間上常常駐留在網(wǎng)絡(luò)的外圍。但是，通過它們以及一個固定網(wǎng)關(guān)，還可以輕松訪問更大的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)4。對訪問網(wǎng)絡(luò)的這些設(shè)備進行釋放身份驗證，有助于防止流量遭到惡意第三方篡改。

保護網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量要求使用安全通信協(xié)議。最佳實踐應(yīng)當(dāng)是使用已知安全的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。利用 IEEE 802.1AE MACsec 可以保障以太網(wǎng)LAN的安全。無線局域網(wǎng)更易于訪問且無處不在，因而風(fēng)險更高。WPA2為 IEEE 802.11無線網(wǎng)絡(luò)提供安全性。常常用在無線工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案中的低功率IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，提供了自己的一套安全協(xié)議。但是，這些是第2層協(xié)議，僅保護局域網(wǎng)上的流量。

為保護需要路由到局域網(wǎng)外部(例如通過互聯(lián)網(wǎng))的流量，需要提供端到端安全性的更高層協(xié)議。TLS 常用于保護互聯(lián)網(wǎng)流量并提供端到端安全性。盡管 TLS 使用 TCP，而很多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備利用 UDP 進行通信，但 DTLS(數(shù)據(jù)報傳輸層安全性)可在 UDP 上工作。雖然物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的功耗和存儲器受限，但只需很少的工作就能為大多數(shù)受限應(yīng)用實施 TLS。對于限制更嚴(yán)格的設(shè)備，目前IETF正在開發(fā)一種新協(xié)議——受限應(yīng)用協(xié)議(CoAP)。

端點安全性

雖然保護傳輸中的數(shù)據(jù)很重要且有必要，但攻擊更多是針對端點。面向網(wǎng)絡(luò)的接口需要強化以消除漏洞。保障工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)安全的一種方法是直接在傳感器節(jié)點設(shè)備中設(shè)置防護。這就提供了第一個關(guān)鍵的安全層，設(shè)備不再依賴企業(yè)防火墻作為其唯一的保護。這對移動式企業(yè)設(shè)備和部署在遠程位置的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器尤其重要。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的安全解決方案必須防范各種各樣的網(wǎng)絡(luò)攻擊。它必須確保設(shè)備固件沒有被篡改，能夠保護設(shè)備中存儲的數(shù)據(jù)，能夠保護入站和出站通信，并且必須能夠檢測和報告任何網(wǎng)絡(luò)攻擊企圖5。這只有通過在設(shè)計的早期階段納入安全性才能實現(xiàn)。

圖3.中間人攻擊在節(jié)點和網(wǎng)關(guān)之間插入惡意接入點。

對于嵌入式設(shè)備，從不存在一個萬能的安全解決方案。有些解決方案為原始設(shè)備制造商提供了一個通用框架。但是，完整安全框架必須考慮保護特定設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和整個系統(tǒng)所需的核心能力，還必須根據(jù)具體要求靈活定制解決方案，同時確保包含關(guān)鍵安全功能。

高壓滅菌器與自動機

在醫(yī)學(xué)中，滅菌對于手術(shù)工具的重復(fù)使用和防止疾病傳播至關(guān)重要。高壓滅菌器是滅菌設(shè)備的典范。它用過熱高壓蒸汽快速殺菌。它能殺滅所有細菌，使儀器恢復(fù)到已知的良好狀態(tài)。這樣，外科醫(yī)生就能利用手術(shù)刀進行手術(shù)，并在消毒后安全地重復(fù)使用手術(shù)刀。

系統(tǒng)受損之后將其恢復(fù)到已知良好狀態(tài)的能力，比讓它對所有攻擊免疫更重要。彈性系統(tǒng)可以快速恢復(fù)并很有把握地恢復(fù)運作。

一旦系統(tǒng)受到感染，如何對其消毒?當(dāng)一個系統(tǒng)受到感染時，病毒即以某種未知方式改變系統(tǒng)狀態(tài)。遠程攻擊會控制處理器，向系統(tǒng)注入新的惡意代碼。通常，固件會以某種方式被修改或替換為惡意軟件，所以系統(tǒng)現(xiàn)在表現(xiàn)異常。一旦發(fā)生這種情況，就不能再信任處理器。

嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計常常較為特別，難以可靠地從受損狀態(tài)中恢復(fù)。通常，凈化系統(tǒng)和驗證系統(tǒng)是否干凈的唯一辦法是將所有非易失性存儲器直接轉(zhuǎn)儲至外部讀取器，然后對照原始固件進行驗證，如果原始固件有改變，則用原始固件替換。大多數(shù)系統(tǒng)的設(shè)計不支持這種做法。

一種保護系統(tǒng)完整性的方法是用機械開關(guān)實現(xiàn)對非易失性存儲器的物理寫保護。當(dāng)該開關(guān)設(shè)置為寫保護時，存儲器受到硬件的物理保護。存儲器控制權(quán)轉(zhuǎn)移到處理器域之外，要在物理上不接入設(shè)備的情況下將永久惡意軟件遠程安裝到存儲器中是不可能的。這樣就把潛在攻擊者名單從世界上任何擁有互聯(lián)網(wǎng)連接的人縮減為只有那些可以長時間對設(shè)備進行物理訪問的人。固件更新通常是很罕見的事情。當(dāng)固件需要更新時，用戶可以將開關(guān)設(shè)置為寫使能以授權(quán)更新存儲器，在更新完成后再次對設(shè)備設(shè)置寫保護。

圖4.固件受物理寫保護(執(zhí)行更新時除外)是保護設(shè)備完整性的有效方法。

許多設(shè)備還使用非易失性存儲器來存儲寫訪問所需的數(shù)據(jù)。在高安全性系統(tǒng)中，可以使用單獨的非易失性存儲器芯片來存儲數(shù)據(jù)(但不存儲軟件)。攻擊者仍可以通過向該存儲器寫入惡意數(shù)據(jù)并利用軟件漏洞來危害某些系統(tǒng)，因此應(yīng)徹底分析和測試系統(tǒng)，無論該存儲器存儲什么數(shù)據(jù)，系統(tǒng)都不會受到影響。增加額外存儲器芯片會增加成本，但有些閃存允許某些扇區(qū)設(shè)置寫保護，而其他扇區(qū)仍能寫入。

安全引導(dǎo)

安全引導(dǎo)可防止引導(dǎo)過程中將未經(jīng)授權(quán)的軟件加載到設(shè)備上。它是信任鏈的起點。安全引導(dǎo)從節(jié)點上只讀非易失性存儲器位置編程的第一階段引導(dǎo)加載程序開始。此引導(dǎo)加載程序僅驗證第二階段引導(dǎo)加載程序的真實性。第二階段引導(dǎo)加載程序往往比較復(fù)雜，可存儲在可重新編程的閃存中。它重復(fù)此過程6，驗證操作系統(tǒng)和加載的應(yīng)用程序是否確實來自可信來源。

擁有安全引導(dǎo)和安全固件更新功能的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點，可確保設(shè)備運行的是授權(quán)代碼，而非篡改的或惡意代碼，從而防止永久安裝惡意軟件或代碼。設(shè)備要么僅運行未修改的代碼，要么無法完成引導(dǎo)。

安全引導(dǎo)過程通常依靠數(shù)字簽名來保護代碼的真實性。代碼映像由原始設(shè)備制造商在制造組裝時利用原始設(shè)備制造商的私鑰進行簽名。然后，節(jié)點利用原始設(shè)備制造商的相應(yīng)公鑰驗證固件映像的簽名。

代碼還可以利用對稱加密的消息認(rèn)證碼(MAC)加以保護，但這需要將私鑰存儲在設(shè)備上，因而有風(fēng)險。不過，使用 MAC 在計算上更容易。

安全引導(dǎo)雖然可以增強安全性，但對于最終用戶來說，有時會太受限制，因為它能阻止用戶更改設(shè)備上運行的軟件或運行自己的軟件。根據(jù)應(yīng)用程序的不同，用戶可能需要更多的靈活性和配置安全引導(dǎo)的能力，從而允許其信任自己的代碼。

安全固件更新與安全引導(dǎo)相似，用于在升級過程中驗證新代碼映像已由原始設(shè)備制造商簽名。如果下載的映像無效，則會丟棄文件并停止升級。只有有效的映像才被接受，并且隨后保存到設(shè)備存儲器中。

假設(shè)某個漏洞會在某個時候被發(fā)現(xiàn)。應(yīng)該制定一個計劃，以便在發(fā)現(xiàn)漏洞或漏洞被利用時知道如何處理。通常需要通過某種方法來將軟件更新和修補程序安裝到設(shè)備上以修復(fù)漏洞。更新過程同樣需要正確實施，使它不至于被用作攻擊途徑——任何人都可以通過它將惡意軟件安裝到設(shè)備上。僅僅為了提供修補功能而讓設(shè)備可通過網(wǎng)絡(luò)加以訪問，可能會引入比所要解決的問題更大的風(fēng)險。

安全通信

大多數(shù)工程師將安全性視為通信協(xié)議，如 SSL/TLS、SSH 和 IPsec 等，原因是許多嵌入式設(shè)備增加了安全通信。然而，盡管這是安全威脅的一部分，但其他攻擊途徑提出了新的挑戰(zhàn)。許多工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點以低功耗配置運行，使用一些不能支持某些最佳選項(如TLS或IPsec)的較低功耗處理器。安全協(xié)議為構(gòu)建安全設(shè)備提供了一個很好的出發(fā)點7。安全協(xié)議的設(shè)計目的是防范數(shù)據(jù)包嗅探、中間人攻擊、重放攻擊和未經(jīng)授權(quán)與節(jié)點通信的企圖。

小型工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)邊緣傳感器設(shè)備通常采用無線協(xié)議，如Zigbee、Bluetooth®低功耗(BLE)以及其他無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。這些協(xié)議具有一定的內(nèi)置安全性，但是安全性相對較弱。許多可以利用漏洞的方法已經(jīng)公開，老練的黑客已經(jīng)熟知。小型工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通常使用成本非常低、功耗較低且不支持 TLS 或 IPSec 的處理器。對于小型邊緣設(shè)備，可以使用 DTLS(基于UDP 的 TLS)來實現(xiàn)安全通信。

物理安全性

物理攻擊針對的是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的實際邊緣硬件節(jié)點或網(wǎng)關(guān)，可以包括針對前端傳感器的破壞。這些攻擊常常需要從物理上接觸系統(tǒng)，但也可能只是僅僅限制工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)硬件效能的操作。攻擊者可以篡改節(jié)點，以控制工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的傳感器或其他設(shè)備。然后，他們可以從源頭提取機密數(shù)據(jù)和嵌入固件代碼。利用惡意節(jié)點注入策略，攻擊者可以將惡意節(jié)點部署在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的合法節(jié)點之間8。

為了應(yīng)對此類攻擊，在設(shè)計階段可以提前做一些硬件考慮。在使用帶引腳的器件對信號進行物理探測的時候在設(shè)計中應(yīng)盡量減少裸露的銅過孔或未使用的連接器。應(yīng)當(dāng)移除可為潛在黑客提供額外信息的詳細元器件絲印，除非認(rèn)為它是設(shè)計絕對需要的。雖然可能會增加系統(tǒng)復(fù)雜性，但工業(yè)保形涂層不僅可以減輕自然力對硬件的影響，還能增加額外的步驟來防止對 PCB 上的電子元件進行直接探測。

器件內(nèi)部的任何嵌入式非易失性存儲器內(nèi)容都應(yīng)該加密并設(shè)置寫保護。微控制器和DSP器件之間的接口應(yīng)該位于 PCB 的內(nèi)層走線。即便嵌入式存儲器的內(nèi)容被獲取，數(shù)據(jù)的加密和驗證機制也會使其變得毫無意義。

制造商常常使用調(diào)試或測試端口。這些端口通常是串行或 JTAG，可用來訪問并控制大部分系統(tǒng)。在生產(chǎn)中，應(yīng)確保這些端口在功能上被禁用或受到保護，因為僅僅不配備調(diào)試接頭是不夠的，頑固分子可以自行配備或焊接到引腳上。如果需要在生產(chǎn)設(shè)備中啟用這些接口，使用之前應(yīng)進行身份驗證。可以用密碼加以保護，但務(wù)必要讓用戶能夠設(shè)置強密碼。

隨機數(shù)生成

加密功能通常需要某種隨機數(shù)發(fā)生器(RNG)。隨機數(shù)可能需要無法預(yù)測的密鑰生成，或者要求不得重復(fù)。由于缺乏資源和熵，在受約束的嵌入式系統(tǒng)中生成隨機數(shù)通常是一個巨大挑戰(zhàn)。

很多嵌入式系統(tǒng)存在熵過少的問題。這可能導(dǎo)致災(zāi)難性的中斷，中國臺灣的居民身份智能卡就發(fā)生過嚴(yán)重問題。研究人員發(fā)現(xiàn)：由于熵不足，許多身份證件是從相同數(shù)字產(chǎn)生相關(guān)的密鑰。因此，盡管使用了強大的 RNG，密鑰仍然能被破解9。類似地，研究人員在2012年發(fā)現(xiàn)公鑰服務(wù)器上0.38%的 RSA 密鑰共享弱隨機數(shù)生成，能夠被破解10。

驗證 RNG 的強度非常困難，幾乎不可能。過去的 RNG 設(shè)計相當(dāng)特別，人們對其了解不多。但近年來，魯棒密碼隨機數(shù)發(fā)生器的設(shè)計和形式分析取得了重大進展。

現(xiàn)代魯棒的 RNG 設(shè)計往往有三級。一個熵源提供原始熵，一個熵提取器讓熵均勻分布，還有一個擴展級，用來擴展可用的少量熵。

第一級是熵源。它可以是某種物理噪聲源，例如時鐘抖動或熱噪聲。某些處理器(例如 ADI Blackfin® DSP )為硬件提供可用于生成熵的隨機數(shù)生成器。

密碼的隨機數(shù)字需要有均勻的統(tǒng)計分布。所有熵源都有一定的偏差，將其用于加密應(yīng)用之前需要消除這種偏差。這是通過熵提取器來完成的，它利用高熵的非均勻分布的輸入，生成高熵的均勻分布的輸出。代價是會有一定的熵?fù)p失，因為熵提取器需要的熵輸入大于其能提供的輸出。結(jié)果，需要從熵源中收集更多的比特，并將其提煉成一個小的高熵數(shù)字，該數(shù)字可用來為密碼安全的偽隨機數(shù)發(fā)生器提供種子11,12。

利用錯誤

幾乎所有工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點都要使用某種形式的嵌入式固件或算法。從功能上看，這種固件在履行要求方面完全正常，沒有明顯問題。但是，所有軟件都有一定程度的缺陷或錯誤，這可能導(dǎo)致一些異常操作，從而引發(fā)安全問題。例如，99.99%無錯誤固件很少會發(fā)生運行問題。但是，剩下的小小的0.01%錯誤可能會被入侵者利用，迫使節(jié)點在該特定工作模式下運行時100%失敗。軟件缺陷來源于復(fù)雜性，而任何有用的系統(tǒng)都需要一定的復(fù)雜性。基本上所有系統(tǒng)都存在軟件缺陷和漏洞。

圖5.利用小錯誤迫使系統(tǒng)在100%的時間內(nèi)都無法正常運行。

安全性設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計的安全性必須從一開始就考慮。它應(yīng)該是設(shè)計過程的一部分，而不是在項目結(jié)束時附加的東西。安全性的關(guān)鍵不是添加安全功能，而是管理風(fēng)險。對于任何工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)，安全設(shè)計方法都很重要。

現(xiàn)有的安全設(shè)計實踐仍然適用。使用威脅建模來識別風(fēng)險，并選擇合適的風(fēng)險緩解策略。識別系統(tǒng)的入口點，從而找到系統(tǒng)中風(fēng)險最高的區(qū)域。大多數(shù)攻擊途徑都是通過外部接口，因此應(yīng)檢查設(shè)計方案有無安全漏洞。仔細處理未知數(shù)據(jù)并驗證所有輸入，驗證和安全性不應(yīng)局限于入口點�？v深防御很重要，這樣在外層遭到破壞時，仍有安全層可供御敵。

許多處理器提供不同級別的權(quán)限。ARM® 有 Trustzone，ADI Blackfin DSP 提供用戶級執(zhí)行模式和特權(quán)執(zhí)行模式。盡可能以最低級別的權(quán)限執(zhí)行盡可能多的代碼，以將最重要的代碼保留在特權(quán)模式下執(zhí)行。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的安全要求必須考慮安全失效的代價、攻擊的可能性、主要攻擊途徑以及實施安全解決方案的成本。

結(jié)語

上述許多建議彼此沖突，且與系統(tǒng)的其他設(shè)計目標(biāo)相抵觸。保障安全性通常涉及某種權(quán)衡，例如成本、功能或可用性。一些權(quán)衡非常有效且代價不高，而另一些則是高成本且影響小。安全性需要與設(shè)計的其他需求相平衡，并且應(yīng)通過安全設(shè)計流程在特定應(yīng)用的基礎(chǔ)上確定。

為了幫助保護工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，ADI公司有多種處理器可提供基于硬件的安全增強功能，有助于突破邊緣節(jié)點的可能邊界。ADF7023 RF 低功耗收發(fā)器利用ISM頻段和許多不同的調(diào)制方案提供內(nèi)部AES加密。

ADuCM3029 內(nèi)部的嵌入式收發(fā)器提供 AES 和 SHA-256硬件加速以及一個真正的隨機數(shù)發(fā)生器，還有多奇偶校驗保護的 SRAM。ADSP-BF70X Blackfin 系列數(shù)字信號處理器提供嵌入式一次性可編程存儲器，用于安全密鑰存儲和快速安全引導(dǎo)，為系統(tǒng)在遭到破壞后返回已知良好狀態(tài)提供有力保證。 

借助基于硬件的只遞增計數(shù)器，Blackfin DSP 中的回滾保護允許在出現(xiàn)問題更新固件以修復(fù)漏洞。這與密鑰存儲的不變性相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)強大而有彈性的邊緣節(jié)點。此外，Blackfin DSP 提供加密硬件加速器、基于硬件的真隨機數(shù)生成器、特權(quán)和非特權(quán)代碼執(zhí)行的分離、MMU 以及限制多個 DMA 通道訪問的能力，從而以低成本實現(xiàn)并行、高功效、安全的 DSP。