基于硬件的安全性：将工业 4.0 提升到新的水平

物联网 (IoT) 正在连接智能设备和机器以创建智能工厂（称为工业 4.0 或工业互联网）。这些高度自动化、分散的工厂保证了整个生产过程的更高效率和灵活性。同时，他们也因依赖互联网连接而受到来自网络空间的攻击。

单独的软件措施通常不能为这些攻击提供足够的保护。需要基于硬件的信任锚来有效保护智能工厂。英飞凌 OPTIGA 安全控制器等解决方案为嵌入式系统提供可扩展的安全性，从而保护智能工厂中的机器、数据和知识产权。

智能工厂和互联供应链给许多制造公司带来了新的安全挑战。恶意软件、操纵、破坏、错误的固件更新和假冒组件是高级威胁的例子，它们可能导致整个生产线停工，并可能导致巨额成本和形象损失。

公司基础设施中最微小的安全漏洞都可能导致数据、知识产权 (IP) 和流程专有技术被盗。保护这些敏感信息需要量身定制的解决方案，以提供端到端保护，同时在安全性能要求和财务限制之间取得适当的平衡。制造商需要强大、可靠和可扩展的安全技术来保护高度联网的基础设施中的设备和机器之间的通信（图 1）。

图 1：制造商需要强大、可靠的安全技术来保护高度联网的基础设施中设备和机器之间的通信。

安全身份为智能工厂提供安全解决方案在这种情况下，机器的安全身份为实施任何保护电子交换和数据存储的措施提供了基础。正如日常生活中使用身份证或护照来识别人一样，机器使用安全身份来可靠地识别彼此。但即使是这些以数字方式存储在机器上的安全 ID 也可能成为攻击和盗窃的对象。

基于安全芯片的基于硬件的安全解决方案是有效保护机器身份以及数据和通信的最佳方式。与纯粹基于软件的概念相比，安全控制器提供更高级别的安全性，因为读取和覆盖软件相对简单。

将安全芯片集成到所有关键节点有助于防止未经授权访问生产网络和智能工厂。安全芯片可实现以下功能：

持续检查组件真实性以及数据和系统完整性，以防止操纵

验证软件更新的真实性

保护远程访问活动

对劣质、假冒备件和维修工具的强大保护

芯片解决方案还提供加密功能，例如公钥加密和密钥管理。尽管这些功能可以在软件和硬件中实现，但对于工业应用而言，基于硬件的解决方案（例如专用安全芯片）具有明显的优势，可以为制造商增加真正的价值。

英飞凌科技等硅制造商使用高度安全、经过认证的流程来个性化硬件信任锚；即，为每个安全芯片提供安全身份。这通常包括存储在芯片上的一组密钥和证书，以允许工业自动化系统中的其他设备安全地验证远程设备、建立安全连接并以受保护的方式交换数据。

适当的硬件锚是经过安全认证的组件，还配备了保护它们免受物理攻击的措施。因此，它们在运输过程中提供保护。换句话说，硬件锚点保护非常强大，以至于它不需要特殊的安全措施就可以使用具有成本效益的物流渠道进行运输。这不仅适用于运送安全芯片本身，更重要的是，也适用于运送包含带有客户特定密钥的硬件锚的设备。这些物理保护能力可以降低成本，尤其是在安装和交付过程中。

智能工厂中基于硬件的安全实施示例相互认证（图 2）是指两方相互认证（安全识别）。在智能工厂的背景下，这可能是服务器和机器在启动安全通信或关键远程维护任务（如调整关键参数）之前相互验证。

在这种情况下，存储在机器硬件锚中的安全身份由服务器验证，反之亦然。硬件锚包含密钥并提供验证其他方安全身份的功能。它通常使用公钥基础设施 (PKI) 方案来执行此操作。

图 2：通过网络对机器进行相互身份验证。

当建立工业自动化系统时，计算和控制组件配备了相关软件包的特定版本。在此时间点之后，必须保护智能工厂免受软件的意外更改，因为这可能会中断生产、威胁工厂安全并导致专有技术被盗。

同时，软件必须仍然可以有意更新，例如，出于维护目的或更改某些功能。强大的信任锚也支持此用例，例如，通过启用安全启动过程（图 3）。这里的基本概念是代码只有在硬件锚提前验证其完整性之后才会执行。

图 3：安全启动过程可实现工业环境中计算和控制系统的平台完整性。

通过使用最先进的微控制器和独立的安全控制器，例如 OPTIGA 产品系列（图 4），可以实现基于硬件的信任锚，保护系统软件免受攻击。成功保护的关键在于使用开放的行业标准，允许跨现有系统和新系统进行无缝连接。

图 4：OPTIGA 产品系列为广泛的行业提供可扩展的安全解决方案。

可扩展的专用安全解决方案对于许多制造商来说，保护他们的产品免受假冒是重中之重。凭借 OPTIGA Trust 产品系列，英飞凌提供了一个完整的安全解决方案，包括用于电子配件的芯片和软件。该芯片基于非对称加密技术，由于其紧凑的封装 (2 × 3 mm) 和交钥匙设置，可轻松集成到电子配件中。为了检查零件是否为正品，主机系统向附件中的芯片发送一个质询（本质上是一个随机数）。OPTIGA Trust B 随后使用芯片专用密钥生成响应。如果成功通过芯片认证，则配件或更换部件被系统接受，可以不受限制地使用。

遵循同样的原则，OPTIGA Trust E 专为保护工业应用中的高价值商品而开发。它具有 I 2 C 接口以及扩展的温度范围（–40°C 至 85°C）。这将有利于风力涡轮机制造商，例如，他们希望避免假冒替换零件对整个系统造成损坏。OPTIGA Trust B 和 OPTIGA Trust E 都附带代码，以简化芯片与备件的集成。

OPTIGA Trust X 完善了交钥匙解决方案组合。该安全解决方案基于通用标准 EAL6+ 认证的硬件，支持经常需要的安全用例，包括支持通过 (D)TLS 进行的安全通信、安全固件更新。此外，OPTIGA Trust X 提供了一个强大的加密工具箱来有效地支持越来越多的物联网安全规范和协议。

使用可信平台模块提供全面保护OPTIGA 可信平台模块 (TPM) 产品组合涵盖了最广泛的安全要求。这些安全控制器基于 Trusted Computing Group 的国际标准，该组织由 IT 行业的领先制造商组成。TPM 已经在计算机应用中成功地证明了自己，并且这项技术现在正在进入新的网络系统和设备，例如路由器、工业设施和汽车。

OPTIGA TPM 系列的成员（图 5）已根据通用标准认证流程进行了验证和安全认证。为了轻松集成到系统中，OPTIGA TPM 系列支持适用于 Windows 和 Linux 的商业和开源代码，包括衍生工具和英飞凌工具。OPTIGA TPM 系列包括一系列符合 TPM 2.0 标准的安全控制器，根据应用领域，这些控制器可用于各种温度范围，并提供不同的接口，例如 SPI、I 2 C 和 LPC。

图 5：OPTIGA TPM 的典型用例。

OPTIGA TPMs可用于工业应用的一个领域是安全数据传输或存储。在这种应用中，关键因素是安全的基于硬件和基于软件的安全机制的组合。TPM的使用支持监控和/或保护系统的完整性。该安全控制器还允许可靠的组件识别，这只允许可靠和可信赖的组件相互通信。

对于安全的远程访问（例如系统维护或软件更新），TPM通过设备身份验证控制对系统的访问。TPM还为密钥提供安全存储，并保护加密操作。对于SSL/TLS协议等典型应用，密钥存储在TPM的安全存储中，而不是主处理器的内存中，并且仅在内部处理，以防范外部安全风险。

与TPM和加密等安全机制相结合，系统代码也受到保护，防止被操纵。作为一个标准化组件，胎压监测系统具有丰富的可用驱动程序和软件栈生态系统，允许客户通过有限的集成工作轻松集成安全性。

总结安全是工业 4.0 的基石。机器和设备的安全加密识别可保护智能工厂免受操纵和数据盗窃。使用专用安全芯片实现的硬件信任锚为安全密钥提供了强大的保护，同时降低了设备制造商的整体安全费用。

审核编辑 黄昊宇