機器人安全用例與實施：護航未來安全

作者：Manoj Rajashekaraiah，首席工程師

摘要

在之前的文章“為機器人技術(shù)的未來發(fā)展筑牢安全防線：網(wǎng)絡(luò)安全的作用”中，我們?nèi)娼榻B了機器人控制系統(tǒng)面臨的安全挑戰(zhàn)。文章強調(diào)了遵守機器人行業(yè)安全標準的重要性，并探索了加強機器人控制系統(tǒng)保護所需的基本安全能力。此外，我們還展示了如何利用ADI公司的安全產(chǎn)品來實現(xiàn)特定的機器人安全用例。本文首先概述構(gòu)成工業(yè)機器人/協(xié)作機器人的組件。值得注意的是，許多類似的組件也常用于自主移動機器人(AMR)和拾放系統(tǒng)。隨后，我們將探討各種機器人安全用例，展示ADI的安全產(chǎn)品如何簡化不同機器人控制系統(tǒng)中安全機制的實現(xiàn)。

構(gòu)建安全的機器人控制系統(tǒng)：關(guān)鍵技術(shù)能力和開發(fā)方法

為了更好地理解實現(xiàn)安全機器人控制系統(tǒng)所需的關(guān)鍵技術(shù)能力和技術(shù)，我們在此重新回顧上一篇文章中的相關(guān)內(nèi)容，其中包括：
u 安全認證：集成安全認證器來驗證設(shè)備/組件身份。
u 安全協(xié)處理器：利用專用硬件實現(xiàn)安全存儲和加密操作。
u 安全通信：實施加密協(xié)議以保護數(shù)據(jù)交換。
u 訪問控制：實施細粒度權(quán)限管理機制，防止未經(jīng)授權(quán)的系統(tǒng)訪問。
u 物理安全措施：采取措施防止物理篡改。
除了上述方面之外，系統(tǒng)開發(fā)人員還必須采用結(jié)構(gòu)化的安全開發(fā)方法，包括需求收集、威脅建模、安全設(shè)計、實現(xiàn)、測試、認證和維護等環(huán)節(jié)。遵循安全開發(fā)生命周期(SDL)可確保從一開始就注重安全性。

工業(yè)機器人和協(xié)作機器人組件概述

圖1顯示了與工業(yè)機器人/協(xié)作機器人操作相關(guān)的典型組件。表1簡要概述了不同的組件。

表1.工業(yè)機器人/協(xié)作機器人組件概述

圖1.工業(yè)機器人/協(xié)作機器人的各個組件

機器人安全用例：利用ADI的專業(yè)能力和產(chǎn)品進行設(shè)計和實現(xiàn)

可信的PLC操作和網(wǎng)關(guān)保護

PLC和機器人控制器的結(jié)合能夠為工廠自動化系統(tǒng)提供精準控制能力，實現(xiàn)對各種流程的精細控制。近年來，機器人技術(shù)不斷進步，推動了擁有類似PLC功能的集成控制器的發(fā)展。確保PLC操作的可靠性和安全性，對于維護工廠自動化系統(tǒng)安全運行至關(guān)重要。參見圖2。

圖2.利用PLC保障安全

在PLC中使用MAXQ1065（采用ChipDNA?技術(shù)的超低功耗加密控制器，適用于嵌入式設(shè)備）等器件可支持以下用例：
注：ChipDNA技術(shù)利用電子元件的特性來生成安全的加密密鑰。此密鑰并非存儲在內(nèi)存或任何固定位置中，因此針對網(wǎng)絡(luò)攻擊的防護能力大大增強。
u 安全識別PLC模塊并防止克隆。
u 安全引導(dǎo)和固件下載。
u PLC模塊與PLC服務(wù)器之間采用非對稱密鑰相互認證。
u 通過ECDH密鑰交換建立安全通信會話。
u 使用AES對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包進行加密和解密。

節(jié)點直連云端的安全性

通過節(jié)點到云端的通信（見圖3），機器人可以實現(xiàn)多種功能，例如遠程監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、軟件更新等。確保節(jié)點和云端之間的通信安全至關(guān)重要。

圖3.集成MAXQ1065以實現(xiàn)節(jié)點直連云端的安全性

MAXQ1065能夠為傳感器到云端和傳感器到網(wǎng)關(guān)的通信提供增強的安全功能：
u 支持實現(xiàn)傳輸層安全(TLS)協(xié)議，確保安全加密的數(shù)據(jù)傳輸。TLS用于驗證真實性和保護敏感信息，對于節(jié)點和云端之間的安全通信至關(guān)重要。
u 保障專有傳感器到網(wǎng)關(guān)或節(jié)點到網(wǎng)關(guān)連接的通信安全?？刂破魍ㄟ^支持密鑰交換和數(shù)據(jù)加密來幫助建立受保護的通信通道，從而增強基于RF或其他專有協(xié)議的安全性。
u 提供其他安全功能，如節(jié)點認證、可信節(jié)點操作、安全引導(dǎo)和安全固件更新。這些功能通過驗證節(jié)點身份、確?？尚挪僮骱头乐刮唇?jīng)授權(quán)的修改來增強系統(tǒng)安全性。

傳感器數(shù)據(jù)保護

圖4.傳感器數(shù)據(jù)保護

u 靜態(tài)數(shù)據(jù)可以利用ChipDNA技術(shù)進行加密。
u 傳感器的關(guān)鍵校準數(shù)據(jù)或傳感器配置信息可以存儲在MAXQ1065的安全存儲器中，防止數(shù)據(jù)被篡改或泄露。此外，這些數(shù)據(jù)能以加密方式存儲在系統(tǒng)中。參見圖4。

供應(yīng)鏈安全

供應(yīng)鏈安全的范疇十分廣泛。參見圖5。
u 防止產(chǎn)品克隆（假冒）。
u 安全地管控基于軟件的功能啟用，防止IP丟失和收入損失。
u 驗證硬件真實性。參見圖6。
使用ADI的安全認證器可以輕松實現(xiàn)供應(yīng)鏈安全。
u ADI的預(yù)編程認證器能夠提供強大的防偽保護。
u 在設(shè)備/產(chǎn)品的整個生命周期內(nèi)，安全的生命周期管理和密鑰管理可確保資產(chǎn)始終安全。
u ADI的認證器支持實現(xiàn)安全的功能啟用，保護寶貴的知識產(chǎn)權(quán)。

圖5.使用質(zhì)詢和響應(yīng)序列測試真實性

圖6.采用DS28E01-100的硬件認證示例

PLC到節(jié)點的通信安全

安全認證器有助于保障通信安全，例如PLC與執(zhí)行器或傳感器之間的通信，或是PLC與SCADA（監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)采集）控制系統(tǒng)之間的通信（認證器在PLC中，而非SCADA系統(tǒng)中）。它能幫助實現(xiàn)TLS協(xié)議，TLS是基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的通信中廣泛使用的傳輸層安全協(xié)議。

機器人的關(guān)節(jié)身份驗證

在機器人中實施關(guān)節(jié)身份驗證（見圖7）可確保只有合法且授權(quán)的實體才能在機器人系統(tǒng)內(nèi)部進行交互，從而顯著增強整體安全性。這樣做能夠有效防止未經(jīng)授權(quán)的訪問，強化通信安全，提升系統(tǒng)整體的完整性和可靠性。

圖7.關(guān)節(jié)身份驗證

關(guān)****節(jié)安全引導(dǎo)

機器人的關(guān)節(jié)安全引導(dǎo)（見圖8）為實現(xiàn)安全可信的操作環(huán)境提供了堅實的基礎(chǔ)。它能防范未經(jīng)授權(quán)的軟件執(zhí)行、惡意軟件和篡改，增強系統(tǒng)的安全性和可靠性。關(guān)節(jié)安全引導(dǎo)通過建立信任鏈并驗證軟件組件的完整性，確保機器人系統(tǒng)整體運行的完整性和真實性。關(guān)節(jié)的安全更新也以類似方式實現(xiàn)。

圖8.關(guān)節(jié)安全引導(dǎo)

關(guān)節(jié)和機器人控制器的選擇性功能啟用

安全引導(dǎo)成功后，應(yīng)用微控制器單元(MCU)/處理器/現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)可以讀取認證器/協(xié)處理器的安全可配置存儲器，以便選擇性地啟用關(guān)節(jié)/機器人控制器的功能。參見圖9。

圖9.典型的關(guān)節(jié)框圖

圖10.關(guān)節(jié)安全通信

校準數(shù)據(jù)存儲 - 關(guān)節(jié)和機器人控制器

外設(shè)在出廠時需進行單獨校準，而妥善存儲校準數(shù)據(jù)是確保測量精度長期穩(wěn)定的關(guān)鍵。企業(yè)或機構(gòu)可以將這些數(shù)據(jù)安全地存儲在認證器中，從而確保完整性并防止未經(jīng)授權(quán)的訪問。主機系統(tǒng)可以檢索和利用這些存儲的數(shù)據(jù)，使外設(shè)的測量結(jié)果更加精準可靠。通過安全存儲校準數(shù)據(jù)，系統(tǒng)得以提升整體精度和性能，產(chǎn)生有價值的洞察分析，并保持高質(zhì)量標準。

關(guān)節(jié)安全通信

關(guān)節(jié)安全通信能夠增強機器人系統(tǒng)的整體安全態(tài)勢，確保數(shù)據(jù)交換可信且受到保護。參見圖10。

結(jié)論

機器人技術(shù)的未來發(fā)展，離不開網(wǎng)絡(luò)安全的保駕護航。安全認證、加密通信和供應(yīng)鏈安全等強有力的措施，對于防范威脅至關(guān)重要。ADI的產(chǎn)品和解決方案具備先進的安全特性，能夠保障機器人系統(tǒng)的完整性和可靠性。通過把網(wǎng)絡(luò)安全置于優(yōu)先位置，并充分發(fā)揮ADI的專業(yè)優(yōu)勢，我們不僅能夠全面釋放機器人技術(shù)的潛力，還能有效應(yīng)對互聯(lián)世界中的新興風險。

參考文獻

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系列標準：如何防御基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)攻擊”，ADI公司，2023年4月。
“利用安全認證保護研發(fā)投資”，ADI公司?！癉S28S60使用基礎(chǔ)知識”，ADI公司。

關(guān)于ADI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2024財年收入超過90億美元，全球員工約2.4萬人。ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。

作者簡介

Manoj Rajashekaraiah是ADI公司安全事業(yè)部的首席工程師，主要負責軟件系統(tǒng)設(shè)計工作。他專注于嵌入式設(shè)備安全，尤其擅長為汽車和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)安全、安保和傳感器軟件。Manoj是一位經(jīng)驗豐富的演講者和博主，熱衷于分享知識，曾在IEEE INIS和VDA Automotive SYS等會議上分享個人見解。他在embedded.com上發(fā)表過文章，并定期在卡納塔克邦的研究所發(fā)表演講。Manoj擁有印度彼拉尼BITS的嵌入式系統(tǒng)碩士學位。