用于工业物联网中安全通信的硬件安全模块

《IEEE Communications Surveys & Tutorials》：Hardware Security Modules for Secure Communications in the Industrial Internet of Things

本文系统综述了工业物联网（IIoT）中硬件安全模块（HSMs）的技术架构、应用场景及安全挑战，分析了商用与开源方案的性能对比，探讨了AI威胁检测、后量子密码学及分布式HSM等新兴趋势，并提出应对延迟、供应链风险及合规难题的解决方案。

　　

摘要：

工业物联网（IIoT）具有巨大的变革潜力，但也带来了严重的安全风险，包括未经授权的访问、数据泄露和隐私侵犯。硬件安全模块（HSM）作为一种强大的解决方案，通过支持安全的加密操作、提供防篡改的硬件以及创建可信的执行环境来保护IIoT生态系统。本文首次全面回顾了专为安全IIoT通信设计的HSM，探讨了其架构基础、运行机制和部署场景。首先概述了IIoT的安全现状和HSM的部署架构，包括基于云的、集成在边缘设备中的以及分布式模型。接着分析了先进的HSM实现方式，强调了它们在身份验证、安全通信协议和物理防篡改方面的有效性。随后探讨了攻击面和漏洞，如固件漏洞、逻辑缺陷和基于网络的威胁，以及相应的缓解策略。来自智能制造、能源电网和物流领域的案例研究展示了HSM的实际应用，而比较评估则从性能、合规性和可扩展性等方面对商业解决方案和开源解决方案进行了评价。文章还讨论了新兴趋势，如基于人工智能的威胁检测、后量子密码学和去中心化的HSM。最后指出了关键挑战，包括实时系统中的延迟、供应链风险和监管障碍，并提出了未来研究和行业应用的方向。本文为IIoT的安全部署提供了路线图，为研究人员、实践者和政策制定者提供了可行的见解。

引言

工业物联网（IIoT）通过实现系统间的互联互通和实时数据交换，彻底改变了工业运营方式。它是工业4.0这一更广泛框架中的基础组成部分，在推动传统工业流程的转型中发挥着核心作用[1]、[2]。IIoT的核心在于利用传感器和通信技术将物理设备、机器和系统无缝连接起来，从而实现实时数据采集和交换[3]、[4]，既可以在集中式模式下进行，也可以在临时模式下进行[5]。这种数据驱动的方式与工业4.0的总体目标高度契合，工业4.0旨在通过整合人工智能（AI）、大数据分析、边缘计算和云计算以及信息物理系统等数字技术来革新制造业和工业运营[6]。IIoT与工业4.0共同开启了智能、互联且高度优化的工业生态系统新时代。它们使工业能够基于数据做出决策，提高效率，减少浪费，并适应现代工业环境所需的灵活性和适应性[7]。工业4.0仍处于起步阶段，企业必须迅速采用新技术来保持竞争力和盈利能力。图1展示了智能工业革命的演变过程[8]。图1.

从1.0到4.0的智能工业革命[8]。