■ 李龙飞
工业互联网是新一代信息技术同现代工业体系深度结合的产物，以实现人、机、物互联互通，从而促使制造业完成由传统工业化向数字化、智能化转型的任务。然而，随着大量工业终端接入网络并且跨域数据交互速率呈指数级增长，传统的工业控制系统物理封闭边界已被打破，导致采集、传输和处理整个生命周期均面临着严重的窃听、篡改、伪造的风险。与通用互联网环境不同，工业应用场景具有通信时延确定性要求极高、边缘终端的计算和存储资源不足、控制协议高度异质等明显特性，使得常规复杂的加密算法及标准的安全传输协议无法直接适用。因此，构建兼顾安全性、实时性与低能耗的数据保护体系已成为当前亟待解决的关键技术难题。
工业互联网数据的特殊性
工业互联网数据有别于传统的互联网数据，具有高实现实时性、严重资源配置受限性和复杂的多源异构性等显著特点。第一，工业控制系统对时间的精确性有极高的要求，重要控制指令的传播时间必须极短，且需保持极低的时延抖动以确保物理过程的精准同步，这极大限制了高开销加密算法和重传机制的应用。第二，遍布在边缘感知层的终端设备一般受到功率预算和硬件体积的限制，计算单元的处理能力和存储容量都较小，无法担负起复杂公钥基础设施或高频次的握手交互。第三，工业数据具有较强的异构特性，即包含周期性底层传感数据、突发性的告警信息和非结构化工业影像等，在传输过程中又要经过现场总线与工业以太网多种协议标准的转换。由于工业互联网的数据量巨大、格式多样且与物理安全紧密相关，导致工业互联网数据处理需要在兼顾高可靠性和低延迟的条件下，寻求差异化的安全防护策略。
工业互联网数据加密技术
面向边缘侧的轻量级对称加密技术。在工业互联网的边缘计算层，传感器和执行器等终端设备的计算能力、存储空间以及电池续航均较小，无法承担复杂的加密运算。因此，面向边缘侧的数据保护主要使用轻量级的对称加密技术，确保数据机密性的同时尽量减少资源消耗。目前，主要采用AES（高级加密标准）的优化变种或者我国自主研发的SM4分组密码算法。SM4算法使用非平衡Feistel结构或者SP结构，通过对S盒的设计和轮函数逻辑进行优化来减少硬件实现中所需要的门电路的数量以及功耗。此外，为了达到毫秒级的实时控制要求，通过结合FPGA（现场可编程门列）或者ASIC（专用集成电路）硬件加速技术，把加密指令固化到芯片的底层，从而消除软件层面上的处理延迟，使感知数据在采集源头即完成高效的密文转换。
基于椭圆曲线密码（ECC/SM2）的身份认证。尽管对称加密效率高，但在大规模的工业设备接入场合下，其密钥分发和管理存在较大问题，因而需要使用公钥密码体制来实现设备的身份认证以及密钥协商。与传统的RSA算法不同，椭圆曲线密码（ECC）以及其国产化标准SM2算法在工业场景中有明显的优势。ECC依靠椭圆曲线离散对数问题的数学难题性，只需要256位的密钥长度即可以实现3072位RSA算法的安全强度，减少了证书的存储量和传输带宽的使用量。在工业网关和云平台建立连接时，先通过SM2数字签名技术来检验设备的身份是否合法，防止恶意终端接入；然后采用ECDH（椭圆曲线迪菲-赫尔曼）协议进行密钥交换，在公开信道中安全协商出后续通信所需的临时会话密钥。这种非对称认证与对称传输相结合的混合加密机制，既解决了密钥分发的安全性问题，又兼顾了后续数据传输的高效性，在工业互联网的信任体系中发挥着基础性作用。
面向云端共享的同态加密与属性基加密。当工业数据上传到云平台开展跨企业合作或进行大数据分析时，传统的加密方式需要先解密后计算，使数据在内存中以明文的形式存在，存在极大的隐私泄露的风险。同态加密技术使得云服务器可以直接对密文进行代数运算，运算结果经过解密之后与对明文进行相同运算的结果一致，从而达到数据可用不可见的目的，适合于工业机理模型训练中核心工艺参数的保护。此外，在供应链上下游数据复杂共享的情况下，属性基加密（ABE）提供细粒度的访问控制机制。其中，密文策略属性基加密（CP-ABE）把访问控制策略嵌入密文中，用户的私钥和一组属性相关联，只有用户属性满足密文策略时才能解开数据。这种一对多的加密方式有效地解决了传统公钥加密在多用户共享时密钥管理冗余问题，实现了工业数据在开放环境下的安全流转和受控共享。
工业互联网数据安全传输技术
基于TLS/DTLS的通道安全适配。传输层安全协议是建立端到端信任的通道，但在工业场景下需要进行相应的适配。对于基于TCP协议的上层应用，如MQTT over TCP，一般使用TLS（传输层安全）协议，通过双向证书认证来保证通信双方的身份真实性，通过会话复用机制减少握手延迟。然而，工业现场具备大量的基于UDP的实时通信应用（如CoAP协议），标准的TLS无法处理UDP的无连接性。此时，需要采用DTLS（数据报传输层安全）协议，在TLS的基础上增加序列号管理和重传窗口，可以有效地解决工业无线网络下经常出现的数据包乱序和丢失的问题，防止由于网络抖动造成的安全通道断开。
工业控制协议的内生安全增强。传统的工业控制协议在设计之初缺少内置的安全机制，普遍使用明文传输，容易受到中间人攻击和指令篡改的威胁。目前，内生安全增强途径主要依靠协议栈扩展实现，即在应用层直接集成安全功能，而不是仅依靠外部的VPN隧道。OPC UA（IEC 62541）协议属于该领域典型的案例，其具备完善的安全结构、支持多种安全策略与消息安全模式。OPC UA可以为管理员配置签名和加密算法套件（基本256sha256，X.509数字证书等），用以对每一个应用层消息（PDU）进行签名和加密封装，从而实现跨越网段、跨越平台的端到端的安全传输的目的。
面向泛在感知的轻量化传输协议。在需要大量的、低成本的传感器接入泛在感知层时，标准的HTTP协议由于头部开销大而无法适用，需要采用轻量化的传输协议和内置的安全机制。MQTT（消息队列遥测传输）协议使用发布/订阅模式，通过二进制报文结构来减少网络带宽。在安全实现方面，除了利用底层的TLS加密外，在极低带宽的情况下通常采用基于Payload（净荷）的应用层加密方案。另一种主流协议是CoAP（受限的应用协议），其使用类RESTful的架构以及UDP承载的方式，专门针对有限节点而设计。CoAP同DTLS深度绑定，并结合OSCORE（受限环境对象安全）机制，可以对消息进行端到端加密保护，即使数据经过非受信任的代理网关，也可以确保其机密性不被破坏。
工业互联网数据的特殊性决定了其不能简单沿用传统的互联网模式，而需要建立起分级分类的异构安全体系。本文分析了以轻量级对称加密和ECC认证建立边缘信任根，通过TLS/DTLS适配和协议内生安全机制保证传输通道，结合同态加密实现云端隐私保护的综合途径。该体系既满足工业现场对于实时性以及低功耗的要求，又较好地抵抗了数据整个生命周期的安全风险。
（作者单位：郑州工业技师学院）