{"id":7745,"date":"2025-11-29T05:35:59","date_gmt":"2025-11-29T04:35:59","guid":{"rendered":"https:\/\/web-dev-weissblau.de\/microconsult\/?p=7745"},"modified":"2026-02-13T18:58:06","modified_gmt":"2026-02-13T17:58:06","slug":"security-and-safety-fieldbuses","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.microconsult.de\/en\/security-und-safety-feldbusse\/","title":{"rendered":"Security and safety fieldbuses"},"content":{"rendered":"

Das Wie und Warum von Security-Ma\u00dfnahmen<\/h2>\n

Autor: Max Perner, infoteam Software AG<\/p>\n

Beitrag – Embedded Software Engineering Kongress 2018<\/h3>\n

Security auf Feldbussen ist notwendig, m\u00f6glich und sinnvoll. Der theoretische Ansatz von „Security by Design“ und das Konzept „Defense in Depth“ wird in der Praxis h\u00e4ufig vernachl\u00e4ssigt, obwohl vor allem bei eingebetteten Systemen im Bereich von Industriesteuerungen die Angriffssicherheit derzeit stark in den Fokus ger\u00fcckt ist. Grund daf\u00fcr sind sowohl neue „Security Standards“ als auch seit langem etablierte Normen der Funktionalen Sicherheit.<\/strong><\/p>\n

Motivation<\/h2>\n

Normen der Funktionalen Sicherheit (Safety), wie die IEC 61508 als auch Normen des Angriffsschutzes (Security) wie die IEC 62443, fordern den Ansatz\u00a0Security by Design<\/em>. H\u00e4ufig findet dann allerdings eine Ausklammerung der Komponentenlieferanten im Bereich der OT (Operational Technology) statt. Gleichzeitig wird der Versuch unternommen, Netzwerksicherheit durch Kapselung mithilfe von Firewalls zu erreichen\u00a0[1]. Am Beispiel von Feldbussen soll aufgezeigt werden, dass alle Komponenten einer Industrieanlage einen Beitrag zur Gesamtsicherheit leisten k\u00f6nnen.<\/p>\n

(Safety)-Feldbusse in der Anwendung<\/h2>\n

Feldbusse dienen der Vereinheitlichung von Infrastrukturen. Sie wurden eingef\u00fchrt, um Parallelverdrahtung und analoge Signal\u00fcbertragung zu ersetzen und Vorteile der digitalen \u00dcbertragung zu nutzen\u00a0[2]. Aufgesetzte Protokolle wie PROFIsafe erm\u00f6glichen Sicherheitsfunktionen durch das Erkennen zuf\u00e4lliger Ver\u00e4nderungen am Datenstrom. Der Security-Aspekt wird an dieser Stelle bisher nur in Ausnahmef\u00e4llen ber\u00fccksichtigt\u00a0[3] .<\/p>\n

Ein Angreifer, der \u00fcber einen Feldbus gezielt Schadcode in ein Unternehmensnetz bringen will, wird das verwendete \u00dcbertragungsprotokoll beachten, verwenden und missbrauchen. Ohne Security-Ma\u00dfnahmen k\u00f6nnen die Empf\u00e4nger in diesem Fall nur von einem legitimen Sender ausgehen, da keine M\u00f6glichkeit besteht, den Angriff als solchen zu erkennen.<\/p>\n

Ziel der Security<\/h2>\n

Das Ziel von Security bezieht sich immer auf andere Systemkomponenten, deren Funktionalit\u00e4t gesch\u00fctzt werden muss. Es werden die Anforderungen an die zu sch\u00fctzenden Komponenten eines Systems analysiert und unter dem Blickwinkel b\u00f6swilliger Absicht auf Verwundbarkeiten untersucht. In der Folge k\u00f6nnen Ma\u00dfnahmen getroffen werden, die diese Verwundbarkeiten „mindern“. Auf diese Weise k\u00f6nnen L\u00fccken geschlossen oder Schwachstellen \u00fcberbr\u00fcckt werden.<\/p>\n

CIA-Triade<\/h2>\n

Abstrakte Schutzziele helfen es, in konkreten Situationen den \u00dcberblick \u00fcber das System zu behalten. Sie helfen, getroffene Ma\u00dfnahmen zu klassifizieren und strukturiert vorzugehen. Ein h\u00e4ufiges Beispiel ist die CIA-Triade\u00a0[4]. Siehe Abb. 1 (PDF<\/a>).<\/p>\n

Zu klassifizieren w\u00e4ren zum einen Assets\u00a0[5], also materielle und immaterielle Werte, die bedroht sein k\u00f6nnen und sch\u00fctzenswert sind. Dies w\u00e4ren z. B. Produktionsdaten (genauer: die Vertraulichkeit von Produktionsdaten). Auch Schutzma\u00dfnahmen wie Authentifizierungscodes zur Integrit\u00e4tssicherung von Daten k\u00f6nnen so eingeordnet werden, und auch Angriffe z. B. „Denial of Service“ durch falsche Dienstanfragen auf die Verf\u00fcgbarkeit.<\/p>\n

Foundational Requirements<\/h2>\n

Die DIN IEC 62443\u00a0[6] als Norm f\u00fcr System Security auf Industrie Netzwerken erweitert die drei sehr abstrakten Schutzziele der CIA-Triade, um f\u00fcr ein besseres Verst\u00e4ndnis der Security-Anforderungen an IACS (Industrial Automation and Control Systems) zu sorgen. Von diesen sieben Foundational Requirements leitet diese Norm dann konkrete Sicherheitsanforderungen an die betrachteten Systeme ab. Siehe Abb. 2 (PDF<\/a>).<\/p>\n

Defense in Depth<\/h2>\n

Das Entwurfskonzept „Defense in Depth“, zu Deutsch „geschachtelte Verteidigung“, besteht aus zwei Mustern: Zum einen soll jedes Schutzziel auf jeder Ebene eines Systems m\u00f6glichst unabh\u00e4ngig gesichert werden, zum anderen k\u00f6nnen Schw\u00e4chen auf einer Ebene durch andere Ebenen aufgefangen werden.<\/p>\n

Security auf Feldbussen<\/h2>\n

Im Fall von Feldbussen wird deutlich, wie diese von Normen\u00a0[5]\u00a0[7] geforderten Abstraktionen Realit\u00e4t werden:<\/p>\n

Einerseits gibt es einen Teilbereich, der m\u00f6glicherweise sinnvoll an die Vertrauensgrenze des Feldbussystems zur angeschlossenen IT-Infrastruktur delegiert werden kann: der Schutz der Vertraulichkeit. Beispielsweise in der Fertigung sollten alle an einem Werkst\u00fcck beteiligten Akteure wissen, woran sie arbeiten und in welchem Kontext die Meldungen der Sensoren zu interpretieren sind. In F\u00e4llen, in denen der Schutz vertraulicher Informationen auf dem Feldbus f\u00fcr n\u00f6tig befunden wird, gilt dies nicht, z. B. beim Prototypen-Schutz im Hinblick auf Industriespionage [8] .<\/p>\n

Anderseits sollten Gefahren im Hinblick auf Verf\u00fcgbarkeit und Integrit\u00e4t prinzipiell nicht ignoriert werden. Ein Angreifer, der Zugriff auf einen Feldbus in einer Fertigungsanlage oder in der Prozessindustrie hat, kann Schaden an einzelnen Produkten anrichten und m\u00f6glicherweise auch Menschen, Maschinen und Umwelt gef\u00e4hrden. Aus diesem Grund sollten Datenstr\u00f6me auf dem Feldbus, zumindest teilweise, authentifiziert werden.<\/p>\n

Authentizit\u00e4t<\/h2>\n

Authentizit\u00e4t bezeichnet zum einen den Schutz der Identit\u00e4t der Kommunikationsteilnehmer. Konkret bedeutet das: ein Adressat kann nicht unbemerkt durch einen anderen ersetzt werden. Zum anderen soll auch gesichert werden, dass der Adressat tats\u00e4chlich legitime Rechte besitzt. Im CIA-Paradigma soll also die Integrit\u00e4t der Adressierung gesch\u00fctzt werden. F\u00fcr den Aktor auf dem Feldbus bedeutet dies zu pr\u00fcfen, ob die Steuerbefehle tats\u00e4chlich von der SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) stammt, die befugt ist mit dem Aktor zu kommunizieren und nicht etwa ein Angreifer, der \u00fcber das Netzwerk Zugang zum Feldbus erlangt hat.<\/p>\n

Datenflussintegrit\u00e4t<\/h2>\n

Datenflussintegrit\u00e4t bezeichnet den Schutz der Integrit\u00e4t der \u00fcbermittelten Daten, also die Absicherung gegen illegitime Ver\u00e4nderung der Daten. M\u00f6glicherweise k\u00f6nnte ein Angreifer n\u00e4mlich die Botschaft eines legitimen Absenders \u00e4ndern. Ein funktional sicheres Protokoll w\u00fcrde grunds\u00e4tzlich eine Integrit\u00e4tspr\u00fcfung vornehmen, da aber diese zyklische Redundanzpr\u00fcfung (CRC) f\u00fcr den Angreifer transparent und vorhersagbar ist, kann dieser auch die Pr\u00fcfsumme f\u00e4lschen. In diesem Fall ist Funktionale Sicherheit nicht gew\u00e4hrleistet.<\/p>\n

Auswahl von Security-Ma\u00dfnahmen<\/h2>\n

Um diese konkreten Schutzziele umzusetzen werden kryptographische Ma\u00dfnahmen\u00a0[9]\u00a0[10] ergriffen. Diese Ma\u00dfnahmen m\u00fcssen auf das konkrete Szenario abgestimmt werden: Im Bereich IIoT (Industrial Internet of Things) begrenzen die Leistungsf\u00e4higkeit der Prozessoren in den Endger\u00e4ten und die verf\u00fcgbare Bandbreite die Auswahl der verwendbaren Methoden. Am unteren Ende f\u00fcr 8 Bit Microcontroller\u00a0[11], k\u00f6nnen einfache Heartbeat-Protokolle\u00a0[12] mit kryptographischen Funktionen aufgewertet werden, um ein Mindestma\u00df an Schutz durch Authentifizierung zu erreichen. Am anderen Ende der Skala kann mit TLS [11]\u00a0[13] dieselbe Sicherheit wie beim Online-Banking erreicht werden.<\/p>\n

Erf\u00fcllung von Security Objectives \u2013 Security by Design<\/h2>\n

Das Ziel von Ma\u00dfnahmen ist es, dem System zu erm\u00f6glichen, die Sicherheitsanforderungen zu erf\u00fcllen. Hierzu m\u00fcssen die entsprechenden Angriffsfl\u00e4chen erkannt, auf Schwachstellen analysiert und im Anschluss die identifizierten Probleme gel\u00f6st werden. Verglichen mit Desktop-Systemen ist die Komplexit\u00e4t der verwendeten Hard- und Software von eingebetteten Systemen \u00fcblicherweise niedrig. Wird in diesem Fall die Sicherheit nicht beachtet, existiert eine Angriffsfl\u00e4che im Kern eines Unternehmens, von dem aus die gesamte IT und Fabrikation angreifbar sein kann. Eine niedrige Komplexit\u00e4t bietet Chancen: die H\u00e4rtung der Komponenten zum Schutz vor Angriffen ist mit deutlich weniger Ressourcenaufwand zu erreichen als bei komplexen Office-IT-Systemen.<\/p>\n

Fazit<\/h2>\n

Reagieren Feldbusger\u00e4te ausschlie\u00dflich auf gesicherte und authentifizierte Kommunikation, wird es deutlich schwieriger, diesen Bereich eines Netzwerkes anzugreifen. Durch konsequente H\u00e4rtung der Einzelkomponenten in einem System kann so ein Angriff bereits im Vorfeld verhindert werden.<\/p>\n

Literaturverzeichnis<\/h2>\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n
[1]<\/td>\nC. Romeo, „www.iot-inc.com,“ 2017. [Online]. Available: https:\/\/www.iot-inc.com\/the-s-in-iot-stands-for-security-article\/.<\/td>\n<\/tr>\n
[2]<\/td>\nWikipedia, „Feldbus,“ 2018. [Online]. Available: https:\/\/de.wikipedia.org\/w\/index.php?title=Feldbus&oldid=179337515.<\/td>\n<\/tr>\n
[3]<\/td>\nIEC 61508-1:2010 Functional safety of electrical\/electronic\/programmable electronic safety-related systems – Part 1: General requirements, Geneva: IEC, 2010, pp. IEC 61508-1-1 7.5.2.2.<\/td>\n<\/tr>\n
[4]<\/td>\nS.-P. Oriyano, CEHTM v9 Certified Ethical Hacker Version 9 Study Guide, Indianapolis: Wiley, 2016.<\/td>\n<\/tr>\n
[5]<\/td>\nIEC\/TS 62443-1-1:2009-07: Industrial communication networks \u2013 Network and system security \u2013 Part 1-1: Terminology, concepts and models,\u00a0<\/em>Geneva: IEC, 2009.<\/td>\n<\/tr>\n
[6]<\/td>\nIEC DIN EN 62443-4-2:2017-10;VDE 0802-4-2:2017-10 – Entwurf Industrielle Kommunikationsnetze – IT-Sicherheit f\u00fcr industrielle Automatisierungssysteme – Teil 4-2: Anforderungen an Komponenten industrieller Automatisierungssysteme,\u00a0<\/em>Berlin: Beuth Verlag, 2017.<\/td>\n<\/tr>\n
[7]<\/td>\nK. Wallace, „Common Criteria and Protection Profiles,“ 2003. [Online]. Available: https:\/\/www.sans.org\/reading-room\/whitepapers\/standards\/common-criteria-protection-profiles-evaluate-information-1078 p.8. [Zugriff am 23 08 2018].<\/td>\n<\/tr>\n
[8]<\/td>\nC. . Sydow, „BND-Aff\u00e4re: NSA sp\u00e4hte noch 2013 deutsche Firmen aus,“ , . [Online]. Available: https:\/\/www.spiegel.de\/politik\/deutschland\/bnd-affaere-nsa-spaehte-noch-2013-deutsche-firmen-aus-a-1032049.html. [Zugriff am 5 9 2018].<\/td>\n<\/tr>\n
[9]<\/td>\nB. Schneier, Applied Cryptography, 20th Anniversary Edition, Wiley, 2015.<\/td>\n<\/tr>\n
[10]<\/td>\nJ. Schwenk, Sicherheit und Kryptographie im Internet Theorie und Praxis, Wiesbaden: Springer, 2014.<\/td>\n<\/tr>\n
[11]<\/td>\nM. Welschenbach, Kryptographie in C und C++, Berlin: Xpert.press, 2001.<\/td>\n<\/tr>\n
[12]<\/td>\nO. Pfeiffer, „Scalable CAN security for CAN, CANopen and other protocols in CAN in Automation, iCC 2017,“ [Online]. Available: https:\/\/www.can-cia.org\/fileadmin\/resources\/documents\/conferences\/2017_pfeiffer.pdf. [Zugriff am 03 11 2017].<\/td>\n<\/tr>\n
[13]<\/td>\nR. u. a. Bless, Sichere Netzwerkkommunikation. Grundlagen, Protokolle und Architekturen, Berlin: Springer, 2005.<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

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