介绍

工业4.0的概念指的是将执行系统与分析和规划能力相结合的物理信息系统。它代表了一种基于智能工厂的新型生产资源组织方式，这些智能工厂能够适应当前的生产需求和流程，并实现资源优化。工业4.0具有诸多优势，例如通过工业物联网（IIoT）实现各要素的互联互通、数字化转型、传感器监控和数据聚合、支持持续改进、分散式决策以及提高生产效率。然而，这种理想化的场景，加上工业4.0的互联互通，也带来了可能导致各种网络攻击的漏洞。防止危及生产设备和数据安全与隐私的网络攻击是重中之重。显然，每个工业4.0生态系统都必须受到网络安全和隐私保护的约束，而在这个生态系统中，可以识别出以下几个方面：（1）核心是未来工厂和工厂集群。最基础的层面包括：3D打印增材制造（大规模定制、快速原型制作等）、先进材料和纳米技术（互联互通、为产品增添智能价值等）、机器人技术（实时自主生产、完全透明）、机电一体化（机械与控制论的融合）以及自主地面和空中飞行器（降低成本、优化工作流程）。更高层次包括：传感器和执行器（可追溯性、预测能力）以及先进制造系统（信息物理系统、全自动数控、机器对机器通信和全互联系统）。更高层次还包括：云计算和大数据/分析（激发创造力、协同制造等）。（2）与云计算的交互将涉及最外部的网络安全和隐私服务（技术产品生命周期更长，为基于工业物联网的制造提供更强大的保护）。 （3）与未来工厂互动的将是供应商集群、物流4.0（完全整合的供应链、全面协调、互联系统）、拥有工业物联网（IIoT）的客户（实时数据采集、优化库存、物品标签、减少浪费、使用低功耗射频识别（RFID）（带芯片或不带芯片）、蓝牙、ZigBee、UWB等实现物品与互联网的通信）以及大规模定制（灵活性、按需生产、完美契合客户需求、高效大规模生产、更高水平的客户营销互动等）。（4）与未来工厂互动还将揭示未来的资源（风力涡轮机、太阳能电池板、地热能、潮汐能等都是可再生清洁能源，而且随处可见）。.

这种能量可以储存，并且是煤炭等传统能源的替代方案。工业4.0生态系统安全和隐私的关键组件是PUF（正功能单元）。PUF是嵌入在物理对象（例如芯片或集成电路）中的函数。当使用挑战z进行查询时，PUF会生成一个响应w，该响应取决于挑战z以及包含PUF的设备和材料的独特模拟-数字物理特性（即PUF独特的内部结构，这种结构是由随机的制造误差造成的；这些误差通常无法重现，并且不受PUF制造商的控制）。由于PUF会受到环境变化引入的噪声的影响，因此当多次使用相同的挑战进行查询时，它们会返回略有不同的响应。但是，可以使用具有非常高汉明距离的FEC（火错误校正）技术来缓解这种情况。 PUF（公共识别设施）架构可在多种平台上实现，包括FPGA（现场可编程门阵列）、ASIC（专用集成电路）、COTS（商用现货）产品、微控制器、DSP（数字信号处理器）、ASSP（专用标准产品）、SoC（片上系统）、GPU（图形处理器）、ARM（高级精简指令集计算机）等。在同一平台上，可以使用不同的技术，例如不同规模的CMOS工艺节点。PUF引入了“电子指纹”方法，这意味着识别取决于设备本身的特性，而非其隐藏的秘密。现代信息安全正日益展现其多元化的面向，因此，需要应对的任务范围也日益扩大。除了为存储或通过网络传输的数据提供安全保障的传统密码学之外，现代安全还必须满足日益增长的其他需求，例如信任、匿名性、行为隐私等等。早期的密码机制、协议和方法旨在为物理防护严密的设备提供安全保障。然而，如今绝大多数设备（例如带芯片或不带芯片的RFID/NFC标签、无线传感器网络（WSN）中的智能节点、平板电脑等）都易于访问，缺乏物理防护，甚至可能部署在恶劣环境中。因此，现代安全原语（例如PUF）必须能够抵御各种类型的物理攻击和侧信道攻击，同时还必须价格低廉、功耗低，并满足基于有限电池和低功耗CPU的便携式计算设备和移动通信设备的限制。硬件安全是近年来兴起的一个领域，主要关注密钥的安全存储。利用硅的固有特性（例如固有 PUF）生成密钥，不需要永久存储密钥，密钥只会在设备中存在极短的时间。.

该领域涵盖基于硬件的安全原语和协议，例如嵌入硬件的分组密码（如 AES、3DES 和 IDEA）和流密码（如 OTP/Vernam），从而提高集成电路的安全性。在应用层面，人们对 RFID/NFC 系统及其相关系统架构的硬件安全越来越感兴趣。传统上，数字密钥存储在非易失性存储器 (NVM) 中，用于加密应用。然而，NVM 中的数字密钥已被证明容易受到侵入式物理攻击。虽然已在硬件中实现了复杂的防篡改和防篡改检测机制来保护 NVM 中的数字密钥，但这会显著增加设备的功耗，从而限制了此类防篡改方法在资源受限设备（例如智能卡、RFID/NFC 标签等）中的应用。PUF 的一些特性包括唯一性、可靠性和不可预测性。 Intrinsic-ID 的 PUF 解决方案适用于 DesignWare ARC EM 处理器（http://www.synopsys.com/desigware）。它允许设计人员从标准嵌入式 SRAM 中提取唯一的“设备指纹”。此“硬件指纹”可用作设备标识符或私钥。在后一种情况下，它无需添加非易失性存储器 (NVM) 或专用安全内核即可创建一个安全的密钥保护机制。

面向互联工业 4.0 的 PUF 架构分类分类。.

纵观历史，合成PUF的方法层出不穷，从测量反射光的畸变到利用芯片制造过程中的不一致性（即芯片所用材料的物理特性），不一而足。基于传统微电子电路的PUF，例如RO-PUF（环形振荡器PUF）、A-PUF（仲裁器PUF）和SRAM-PUF，都利用了CMOS（互补金属氧化物半导体）制造工艺中不受控制的工艺偏差。事实上，2000年提出的基于硅的识别电路也可以归类为PUF，因为它们同样利用硬件设备内部的随机性来生成密钥。下一代PUF正开始利用新兴的纳米电子和量子器件来实现。纳米技术，例如相变存储器 (PCM)、自旋转移力矩磁随机存取存储器 (STT-MRAM)、碳纳米管场效应晶体管 (CNFET) 和忆阻器（也称为双极忆阻器、忆阻器件或 RRAM；RRAM 是“存储器”和“电阻器”两个词的缩写，该术语由 Leon Chua 于 1971 年提出）。忆阻器纳米交叉阵列 PUF 架构（即 mrPUF）就是一个例子。由于制造工艺的差异（例如厚度、横截面积或掺杂分布），这些技术具有更严重的固有随机性。在量子领域，量子读出 PUF (QR-PUF) 则利用量子态来应对挑战。考虑到其组成、支持和结构，一些最常用的PUF架构包括：
1）硅PUF和非硅PUF，包括晶体PUF和时序PUF。2
）RO PUF（基于环形振荡器的PUF）。这类PUF基于多个环形振荡器的频率差。环形振荡器是由偶数个非门逻辑门级联而成。由于门的数量为偶数，因此会产生连续变化或振荡的信号。RO PUF可以作为电路组合，在硅片上实现为FPGA或ASIC（专用集成电路）。根据所用反相器门的数量以及每个反相器的传播延迟，不同的RO PUF的输出频率可能不同。RO PUF因其高可靠性而成为领先的微电子PUF之一。3
）光学PUF（O-PUF）。它由一种透明材料构成，在制造过程中随机添加了许多光散射粒子。当激光束照射到PUF上时，会出现随机的点阵图案。激光的位置和角度代表挑战，而点阵图案被记录、量化和编码，形成PUF的响应。光学PUF的构建方法是：取一种透明材料，并在其上随机涂覆光散射粒子。将激光束聚焦到该材料上，并记录生成的图案。对图像进行处理，即可得到PUF的响应。4
) APUF（仲裁PUF）。这类PUF使用FPGA（现场可编程门阵列），基于两条对称延迟线之间的延迟竞争。它们由选择链组成，其中信号输入在构成挑战的选择器处进行选择，而仲裁器的输出信号即为响应。如果上方的信号先于下方的信号到达下方的仲裁器，则响应为“1”；否则，响应为“0”。选择器链的路径以及区分两个信号的延迟由挑战决定，因此响应是挑战的函数。由于选择器链中两个信号的速度受器件差异的影响，因此对于不同的APUF，对给定挑战的响应并不总是相同的。因此，来自APUF的一组挑战-响应对（CRP）构成了芯片特定的信息，可用于该芯片的认证。5
）PL-PUF（伪LFSR PUF）。这些使用FPGA。它们是基于延迟的PUF，其结构类似于LFSR（线性反馈移位寄存器），甚至使用不可约反馈多项式，例如x128+x126+x102+x99+1。PL-PUF不是由移位寄存器组成的，而是由每个节点上的多路复用器和反相器组成的组合逻辑组成。6
）SRAM-PUF。它们基于交叉耦合器件的亚稳态特性。该器件由两个交叉耦合反相器和两个用于外部连接的附加晶体管组成，总共六个晶体管。它适用于短期数据存储，速度很快。

另一种考虑额外操作特性的PUF分类是：
1）可重配置PUF（RPUF）。这类PUF能够改变其对同一挑战的响应，而非表现出静态的挑战-响应行为。它们在诸如密钥撤销或更新等应用中非常有用。RPUF具有以下特性：（i）即使在重配置之前已知挑战响应点（CRP），重配置后CRP仍然是不可预测的。（ii）RPUF的安全特性在重配置后得以保留。（iii）重配置过程不可控，因此它并非基于更新隐藏参数或设备。RPUF允许通过称为重配置的附加操作来扩展PUF的常规挑战-响应行为。这种重配置会随机且不可逆地改变PUF的部分或全部挑战-响应行为，从而生成一个新的PUF。 RPUF 有多种实现方式，其重配置机制是对 PUF 中随机性进行实际的物理重配置。O-PUF 的一种扩展是使用更强大的激光束，该激光束会引起光散射的随机重排，从而产生新的挑战-响应行为。2  
) CPUFS（受控 PUF）。这类 PUF 使用鲁棒性 PUF 作为构建模块，但在 PUF 周围添加了控制逻辑。该逻辑可以防止随意向 PUF 施加挑战，并防止直接读取其响应。这种控制逻辑可用于防止欺骗攻击。但是，如果可以直接检查嵌入式鲁棒性 PUF 的输出，则有可能欺骗鲁棒性 PUF 并破坏受控 PUF 的协议。如果一个 PUF 只能通过与 PUF 物理上不可分割地连接的算法来访问，则称该 PUF 为 CPUF。试图破坏 PUF 与访问算法之间的连接应该会导致 PUF 被破坏。 CPUF 将 PUF 与另一种密码学原语结合使用。将 PUF 转换为 CPUF 的一些优势包括：(i) 用于生成 PUF 挑战的加密哈希函数可以防止选择挑战攻击，即增加模型构建攻击的难度。(ii) 对 PUF 测量结果进行纠错算法可以显著提高最终响应的可靠性，将响应中出现单比特错误的概率降低到几乎为零。(iii) 对纠错后的输出应用加密哈希函数可以有效地断开响应与 PUF 测量物理细节之间的关联。这使得模型构建攻击更加困难。在对 PUF 响应进行哈希处理时，纠错至关重要，因为任何与响应的微小偏差都会导致完全无关的哈希结果。(iv) 生成 PUF 挑战的哈希函数可以接受额外的输入，从而使 PUF 具有多种特性。当 PUF 用于对隐私敏感的应用中时，这种特性尤为重要。3   
) POK（物理混淆密钥）。 POK 的唯一要求是密钥必须以物理形式而非数字形式永久存储，这使得攻击者难以通过探测攻击获取密钥。此外，对存储密钥的设备进行入侵性攻击应该会破坏密钥并使其无法继续使用，从而提供篡改证据。POK 和 PUF 的概念非常相似，POK 可以由 PUF 构建（具有篡改证据），反之亦然。4
) PUF 重组。重组可以应用于包含不同类型 PUF 的系统。在基因工程中，重组是指将遗传物质（在本例中为硅 PUF 电路）重新排列并连接以生成其他遗传物质的过程。 PUF 的优势之一在于它是密钥生成和认证的理想材料，能够扩展挑战-响应空间（例如，2 的 128 次方），提高环境稳定性，降低密钥生成的复杂性，并且可在 FPGA 和 ASIC 上实现，从而通过原型设计和快速 FPGA 仿真降低 ASIC 部署的风险，并为基于 FPGA 和 ASIC 的系统和设备提供保护。
根据 PUF 可生成的挑战-响应对 (CRP) 的数量，PUF 可分为两大类：
1) 弱 PUF。这类 PUF 支持的 CRP 数量较少，因此一旦攻击者完全物理访问 PUF，即可在很短时间内完全读取 CRP。弱 PUF 由以下两个特性定义：(i) 无法克隆或物理复制。(ii) CRP 的数量有限，并且与挑战的比特数呈线性或多项式关系。弱PUF的例子包括SRAM-PUF、Coating-PUF、Butterfly-PUF等。它们用于密钥存储应用。例如，可以从多个弱PUF的响应中生成唯一的内部密钥。2
) 鲁棒PUF（有时也称为PRF，即物理随机函数）。它们由三个特性定义：(i) 无法克隆或物理复制。(ii) 它们支持非常多的CRP，因此攻击者无法在合理的时间内发起暴力破解攻击，理想情况下，CRP的数量应呈指数级增长。(iii) 它们能够抵御模型构建攻击，通过提供多项式数量的选定CRP，攻击者无法预测PUF对随机选择的未使用挑战的响应。一些鲁棒性 PUF 的例子有光学 PUF、XOR PUF 等。这些 PUF 的一些应用包括密钥建立、身份识别、认证、传输、空知识证明、SMPC（安全多方计算）等。

最后考虑因素。.

网络安全和隐私（抵御各种攻击）在工业4.0的四个最相关方面至关重要：垂直整合（高灵活性、零批量生产）、以人为本的价值链驱动（系统响应人的需求、人为技能发展和大规模定制）、水平整合（价值链遍及全球）以及一致性工程（贯穿整个生命周期的系统工程和数字化生产）。工业4.0通过工业物联网（IIoT）打开了潘多拉魔盒，各种类型的网络攻击层出不穷，从最传统的到最先进的，例如基于APT的攻击。解决网络安全和隐私保护问题是重中之重，而物理不可克隆函数（PUF）是实现这一目标的工具之一。桑迪亚国家实验室推出了一种基于PUF的加密网络安全技术（该设备名为SecuritySeal），用于保护物理对象免受潜在欺诈，例如伪造放射性物质、包装药品等。网络物理系统 (CPS) 是一种计算范式，在各种技术领域中得到日益广泛的应用，也是工业 4.0 的基础。实现可靠的 CPS 需要确保系统完整性和真实性的机制。基于半导体技术的 PUF 被认为是一种非常合适的解决方案，可用于构建网络（数字）世界和物理（模拟）世界之间的连接，并保护航空电子设备、自动驾驶汽车、工厂机械、生产系统、工业、关键基础设施（无论是否配备 SCADA）、金融工程等领域的 CPS。安全硬件组件（例如PUF）执行的一些任务包括：密钥存储、非对称加密（签名和加密，例如基于ECC/RSA-CRT的加密）、会话密钥生成、随机数生成、访问权限验证、完整性验证、安全数据存储、抵御硬件攻击、认证/证明等。我们可以在手机中识别出各种安全硬件组件：SIM卡、eSIM卡、安全芯片、安全SD卡等。2007年3月，美国能源部爱达荷国家实验室进行了一项名为“极光”（Aurora）的实验或测试，旨在演示网络攻击如何破坏电网的物理组件。该实验使用软件快速打开和关闭柴油发电机中的电路，导致其爆炸。这种漏洞被命名为“极光漏洞”，因此可能被网络安全威胁利用。此后，美国国土安全部（DHS）一直与电力行业合作，以防止未来发生此类威胁。目前市面上已经出现了可以自主移动并可通过智能手机进行远程视频监控的扫地机器人，这使得它们很容易受到任何攻击者的入侵。更危险的是最新一代的玩具和婴儿监视器，例如“我的朋友凯拉”娃娃、“你好芭比”、费雪智能玩具熊和i-Que智能机器人，它们可以连接到互联网，录制与孩子的对话，并允许通过互联网进行一些远程互动（例如，玩具熊拍摄照片等）。.

作者：

Javier Areitio Bertolín 教授，
德乌斯托大学工程学院教授，
​​网络与系统研究组主任。

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