为机器人技术的未来发展筑牢安全防线：网络安全的作用
作者: Manoj Rajashekaraiah, 首席工程师
摘要
本文探讨了机器人控制系统中的安全风险和有效安全措施。文中介绍了工业安全标准，并分析了满足工业安全标准所需达到的基本要求。
引言
工业4.0的核心是工厂自动化，工业机器人、自主移动机器人(AMR)和协作机器人对于实现现代工业4.0至关重要。机器人正日益智能化，协作能力不断增强，能够在有人或无人干预的情况下高效完成复杂任务。随着自动化程度和机器人使用率的提升，对机器人控制系统的安全和安防要求也不断提高。机器人最初主要用于工厂车间，但现在，机器人已应用于医疗、军事、物流、农业等众多领域。相较十年前，安全和安防的重要性显著提升。事故在所难免，但由恶意攻击引发的事故后果尤其严重。恶意劫持和控制机器人会造成严重的经济和财务损失。
机器人控制系统中的安全风险
图1展示了机器人控制系统中的安全风险。该图以圆形图示方式呈现了多种安全风险，包括：缺乏授权 (Lack of Authorization)、缺乏完整性 (Lack of Integrity)、缺乏隐私 (Lack of Privacy)、缺乏安全设计 (Lack of Security by Design)、安全网络 (Secure Network)、安全更新/补丁 (Secure Updates/Patches)、保密性 (Confidentiality) 以及防篡改硬件 (Tamper Resistant Hardware)。
表1. 安全风险问题
| 风险 (Risk) | 影响和说明 (Impact and Description) |
|---|---|
| 缺乏安全网络 (Lack of Secure Network) | 机器人控制系统之间的通信变得不安全，容易被黑客伪造、篡改或窃听。还可能会影响系统的可用性。 |
| 适当的身份验证 (Proper Authentication) | ▶ 这会导致攻击者利用默认用户名和密码进行未经授权的访问。 ▶ 如果缺乏设备或外设身份验证机制, 可能会导致机器人系统使用假冒外设/配件, 从而带来安全或安防风险。 ▶ 还会导致系统接受来自不受信任、身份不明来源的数据输入。 |
| 保密性 (Confidentiality) | 缺乏加密或加密算法薄弱, 可能导致机器人敏感数据和设计方案被他人截获和泄露。 |
| 完整性 (Integrity) | 这可能导致存储或传输中的机器人敏感数据、配置和固件被更改。 |
| 安全引导和更新 (Secure Boot and Updates) | ▶ 若无安全引导, 便无法确定机器人控制系统上运行的固件/软件是否为正版。 ▶ 若缺乏安全更新, 黑客就有可能通过回滚至存在安全漏洞的旧软件版本, 或将非正版软件加载到机器人控制系统中, 实现对系统的攻击。 |
| 防篡改硬件 (Tamper Resistant Hardware) | 有时机器人会存储极度敏感的信息(例如军用/国防用机器人)。保护这些信息不被授权方获取至关重要。如果没有防篡改硬件, 就很难保护信息免受侵入性攻击。 |
| 安全设计 (Secure Design) | 直到最近, 大多数控制系统的开发都没有采用安全设计原则。这会使得攻击者能够侵入机器人系统的架构和设计, 从而扫描并利用其中的安全漏洞来发动攻击。 |
| (Implicit from text) 软件更新 (Software Updates) | 机器人操作系统、固件和软件若未及时更新, 可能会成为网络物理攻击的目标。 |
注:相当一部分安全风险来源于软件漏洞。
工业和机器人领域的法律法规旨在增强网络韧性和保障安全运营
网络安全环境正快速演变, 针对工业及机器人行业的法律法规日益增多。其中, 针对网络安全的法规有《欧盟网络安全法案》、《欧盟网络弹性法案》和《美国关键基础设施网络事件报告法案》等。中国和印度的相关法律法规也在持续完善中。《NIST操作技术(OT)安全指南》和IEC 62443等标准为我们提供了系统指导, 使我们能够采取“安全设计”的方法来设计和开发控制系统, 从而提升系统抵御网络攻击的能力。
IEC 62443工业自动化和控制系统安全(IACS)要求
IEC 62443是针对IACS的安全标准。它是工业自动化控制系统开发中广泛采用的标准, 获得了大多数法规的推荐和认可, 其重要性不言而喻。实施该标准有助于我们遵循相关法规, 降低控制系统中潜在的网络安全风险, 修复控制系统中的安全缺陷, 保护关键资产, 并实现其他诸多目标。
图2展示了IEC 62443标准结构。该标准分为通用部分（如术语、概念、模型、合规性指标、生命周期）、系统部分（如安全管理系统要求、实施指南、补丁管理、安全级别、系统安全要求）和组件部分（如产品开发要求、技术安全要求）。它是一个全面的安全标准。
该标准的某些部分侧重于流程和程序, 而IEC 62443-4-1和IEC 62443-4-2则专门解决组件安全性问题。根据IEC 62443-4-2, 组件类型包括软件应用、主机设备、嵌入式设备和网络设备。该标准根据组件满足的组件要求(CR)和增强要求(RE), 定义了每种组件类型的能力安全级别(SL)。其中定义了四个安全级别(SL):SL0至SL3。SL2和SL3级别明确要求采用基于硬件的安全机制。
开发机器人安全系统解决方案需要哪些能力和技术？
为了构建安全的机器人控制系统, 需要解决“机器人控制系统中的安全风险”部分中重点指出的风险。所需的关键能力和技术包括:
- 安全引导协处理器, 利用专用硬件实现安全存储和加密操作。
- 安全认证: 集成安全认证器来验证设备/组件身份。
- 安全通信: 实施加密协议以保护数据交换。
- 访问控制: 实施细粒度权限管理机制, 防止未经授权的系统访问。
- 物理安全措施: 采取措施防止物理篡改。
交钥匙安全IC(例如安全认证器和协处理器)专为满足上述要求而设计, 易于实施且具有成本效益。除了这些固定功能IC, 还有专为主机处理器设计的全套软件协议栈。注:使用分立安全元件可防止被攻陷的应用处理器访问物理隔离的独立IC中存储的凭证, 从而增强系统强韧性。
除了上述方面之外, 系统开发人员还必须采用结构化的安全开发方法, 涵盖需求收集、威胁建模、安全设计、实现、测试、认证和维护等环节。遵循安全开发生命周期(SDL)可确保从一开始就将安全性融入到开发过程中。
是什么让ADI公司成为打造机器人安全系统解决方案的理想合作伙伴？
ADI不仅仅是MAX01065和DS28S60等交钥匙安全IC的供应商, 更是帮助机器人行业的客户满足多样化安全要求的合作伙伴。凭借在安全和机器人技术领域的深厚专业积累, ADI成为应对机器人系统安全方面独特挑战的理想解决方案提供商。我们深谙相关领域, 能够帮助客户打造整合了硬件、软件和系统级考量的全面解决方案。
鉴于机器人系统的安全性需要全盘考虑, 因此ADI不仅提供元器件, 更着眼于系统整体层面。我们综合考虑硬件、软件、通信和集成等因素, 确保所有关键组件无缝集成。
ADI的无线电池管理系统(wBMS)是与汽车行业成功合作的典范, 充分展现了ADI在实施强大安全措施方面的出色能力。通过与客户密切合作, ADI开发出了高度安全可靠且通过ISO 21434认证的wBMS系统, 彰显了ADI致力于提供全面解决方案的承诺。在机器人行业推动类似协作, 将能充分发挥ADI在安全实施方面的专业能力。通过与利益相关方密切合作, ADI可以利用自身在汽车领域的经验和成功实践, 为开发安全可靠的机器人系统做出贡献。
ADI凭借全面的技术能力和对安全的高度关注, 成为系统设计领域的理想合作伙伴, 在所有与网络安全相关的工作中提供可靠的专业知识和支持。
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机器人关节控制器中的用例
图3展示了机器人关节控制器的可能设计。该设计包含通信模块、电机控制模块、FPGA、MCU（带安全管理器MCU）以及MAX01065。MAX01065在此设计中可实现安全引导功能，并提供安全密钥存储、安全通信协议和加密操作等附加特性。
结论
机器人技术的未来发展, 离不开网络安全的保驾护航。安全认证、加密通信和供应链安全等强有力的措施, 对于防范威胁至关重要。通过把网络安全置于优先位置, 并充分发挥ADI的专业优势, 我们不仅能够全面释放机器人技术的潜力, 还能有效应对互联世界中的新兴风险。
在下一篇文章“机器人安全用例与实施;护航未来安全”中, 我们将更深入地探讨网络安全与机器人技术的交叉领域, 并展示ADI安全产品在现实场景中的实际应用。
参考文献
- Jean-Paul A. Yaacoub、Hassan N. Noura、Ola Salman、Ali Chehab, "Robotics Cyber Security: Vulnerabilities, Attacks, Countermeasures, and Recommendations" International Journal of Information Security, 2021年3月。
- Christophe Tremlet, “IEC 62443系列标准;如何防御基础设施网络攻击”, ADI公司, 2023年4月。
作者简介
Manoj Rajashekaraiah是ADI公司安全事业部的首席工程师, 主要负责软件系统设计工作。他专注于嵌入式设备安全, 尤其擅长为汽车和物联网应用开发安全、安保和传感器软件。Manoj是一位经验丰富的演讲者和博主, 热衷于分享知识, 曾在IEEE INIS和VDA Automotive SYS等会议上分享个人见解。他在embedded.com上发表过文章, 并定期在卡纳塔克邦的研究院发表演讲。Manoj拥有印度彼拉尼BITS的嵌入式系统硕士学位。
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