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1 Hirschmann. Simply a good Connection. Sicherheitsarchitektur für integrierte Industrienetze unter Verwendung der EAGLE Security Appliance Sicherheitsarchitektur für integrierte Industrienetze White Paper Rev. 1.0

2 Inhaltsverzeichnis Sicherheitsarchitektur für integrierte Industrienetze unter Verwendung der EAGLE Security Appliance 1 Einleitung 3 2 Zusammenspiel von Produktion und IT 3 3 Security Compartments reduzieren die Komplexität des Gesamtsystems 4 4 Lösungsszenarien 7 5 Zentrales Policy und Workflow Management 11 6 Zusammenfassung 13 White Paper 2 / 13

3 Sicherheitsarchitektur für integrierte Industrienetze unter Verwendung der EAGLE Security Appliance 1 Einleitung Mit der wachsenden Integration der Industrienetze in die zentralen IT-Strukturen der Unternehmen werden deren Betreiber zunehmend auch mit dem Thema Network Security konfrontiert. Die spezielle Herausforderung ergibt sich dabei aus den zwei unterschiedlichen Aspekten, die bei der Festlegung einer geeigneten Security-Strategie zu betrachten sind. Zum einen müssen die physikalischen Rahmenbedingungen vor Ort und die vorhandene Netztopologie berücksichtigt werden. Zum anderen ist es erforderlich, sich Gedanken über ein praktikables Bedienkonzept zu machen. Es muss daher das Ziel sein, den Betreibern von Industrienetzen geeignete Mittel an die Hand zu geben, ihre Netze ohne Eingriffe in den laufenden Produktionsprozess zu schützen und gleichzeitig eine Schnittstelle in Richtung Zentrale IT zu definieren. 2 Zusammenspiel von Produktion und IT Der Siegeszug von Ethernet in der Industrie bietet sowohl den Herstellern als auch den Betreibern von Produktionsanlagen eine neue Flexibilität im Umgang mit Produktionsdaten. Sei es zur direkten und effektiven Einbindung der Produktion in ERP-Prozesse (vertikale Integration), sei es zur einfachen Wartung, Fehleranalyse und Parametrierung von Anlagenteilen über entfernte Netzzugänge im firmeneigenen Netzwerk oder über das Internet (horizontale Integration). Diese flexible Nutzung bedingt jedoch auch eine immer weiter voranschreitende Vernetzung der Produktionszellen untereinander und mit dem bereits vorhandenen IT-Netzwerken. Im Zuge dieser Öffnung der Industrienetze müssen sich nun auch deren Betreiber mit dem Schutz ihrer Systeme vor ungewollten Zugriffen und schädlicher Software auseinandersetzen. Wie die Praxis zeigt, profitieren die Industrienetzwerker in vielen Fällen von den Erfahrungen und den Vorarbeiten ihrer IT-Kollegen, deren Enterprise-Netze als eine Art Puffer vor den Produktionsnetzen fungieren. Die Gefahren drohen daher im allgemeinen weniger von direkten Angriffen aus dem Internet. White Paper 3 / 13

4 Das Problem liegt eher darin, die Verbreitung von Viren und Würmern und den unerwünschten Zugriff auf Ressourcen von internen Quellen wie z.b. Service-Laptops zu verhindern und eine unter Sicherheitsaspekten saubere Schnittstelle zwischen den verschiedenen Produktionszellen und dem Office-Netz zu definieren. Das Hauptaugenmerk liegt hierbei auf einer Untergliederung des Gesamtnetzes und der individuellen Einschränkung von Verbindungsmöglichkeiten. So sollte es für einen Servicetechniker z.b. nicht möglich sein, durch die falsche Eingabe einer IP-Adresse versehentlich auf eine völlig falsche Maschine zuzugreifen und unter Umständen laufende Produktionsprozesse zu stören. Selbstverständlich muss sichergestellt werden, dass die in die Sicherheitsstrategie integrierten Maschinen und Anlagenteile weiterhin wie gewohnt bedient werden können. Weiter ist es der Wunsch der Anwender, ihre Netze zuverlässig zu schützen, ohne sich im gleichen Atemzug mit einem fast unüberschaubaren Wust an Technologien, Kommunikationsbeziehungen und Zuständigkeiten auseinandersetzen zu müssen, die mit dem eigentlichen Prozess im Grunde nichts zu tun haben. Auch ist es sehr entscheidend, dass die Industrienetze selbst unverändert bestehen bleiben können und sich nicht an eine übergeordnete Struktur anpassen müssen. Derartige Anpassungen wie z.b. die Änderung der IP-Adresse aller am Prozess beteiligten Endgeräte wären aufgrund des administrativen Aufwandes und der weitreichenden Auswirkungen in einer bestehenden und bereits produzierenden Anlage schlicht nicht akzeptabel. Die Aufgabenstellung ist klar. Die Industrienetze sollen auf möglichst einfache Weise in eine geeignete Sicherheitsstrategie integriert werden ohne die vorhandene Funktionalität zu beeinträchtigen. Es ist also eine sehr flexible Lösung gefragt, die vor Ort an alle nur denkbaren Rahmenbedingungen adaptiert werden kann. 3 Security Compartments reduzieren die Komplexität des Gesamtsystems Auch wenn das Bedrohungsszenario in großen Teilen ähnlich ist, ist es in der Regel nicht möglich, die aus dem IT-Bereich bekannten Lösungen einfach zu 100% für Industrienetze zu adaptieren bzw. dort hin auszudehnen. Die limitierenden Faktoren reichen dabei von einem anderen topologischen Aufbau über andere Schwerpunkte bei den Sicherheitsanforderungen bis hin zu Wartungs- und Servicekonzepten und dem Betreibermodell (Bild 1: Vergleich Büro - Produktion). White Paper 4 / 13

5 Bild Sicherheitsarchitektur 1: Vergleich Büro-Produktion Zu nicht unerheblichem Teil getrieben von dominierenden Hard- und Softwareherstellern besteht in der IT- Welt generell die Tendenz zu zentralisierten und übergreifenden Lösungen, denen die einzelnen Nutzeranforderungen untergeordnet werden müssen. Im Gegensatz hierzu orientieren sich Lösungen in der Industrie eher an Teilprozessen, die teilweise unter Echtzeitbedingungen eigenständig und stabil laufen müssen. Dies hat den großen Vorteil, dass man die Gesamtproblematik in kleinere beherrschbare Teile untergliedern und diese mit dem jeweiligen Expertenwissen separat lösen kann. In der Folge dieser Strategie finden wir in Industrienetzwerken typische Untereinheiten für Maschinen, Produktionszellen bzw. Produktionsbereiche, die erst in einer nächsten Stufe zu einem Netz verbunden werden. Vor diesem Hintergrund ist es generell fraglich, ob ein zentral administriertes, allumfassendes Sicherheitskonzept (top down) in den meisten Industrienetzen überhaupt beherrschbar ist. Das Hirschmann-Modell der Security Compartments stellt hierzu eine Alternative mit komplementärem Ansatz zur Verfügung (Bottom up) (Bild 2: Security Compartments). Die Idee dieses Modells ist eine Reduzierung der Komplexität des Gesamtsystems durch Unterteilung. Das heißt, die Vielzahl der Kommunikationsanforderungen und die Unterschiedlichkeit der Zugangs- und White Paper 5 / 13

6 Sicherheitsanforderungen innerhalb des Gesamtsystems wird so in geeignete Compartments untergliedert, dass die einzelnen Teilsysteme sich nach außen weniger komplex darstellen. Ein wichtiger Aspekt ist zudem, dass sich die Verantwortung für die Produktion und damit für die Verfügbarkeit einer (Teil-)Anlage nicht von der Sicherheitsverantwortung trennen lässt. Es ist für die Betreiber der Industrienetze daher unerlässlich, eigenen Handlungs- und Entscheidungsspielraum auch in Bezug auf die Security zu bewahren und entsprechende Kompetenz aufzubauen. Bild Sicherheitsarchitektur 2: Security Compartments In weiten Bereichen deckungsgleich mit diesem Modell sieht das Konzept der IAONA zwischen den einzelnen Maschinen und dem gesamten Netzwerk ebenfalls eine Unterteilung in Produktionszellen vor. Das Security Data Sheet beschreibt in diesem Fall die Schnittstelle zwischen dem Security Compartment und dem restlichen Netzwerk (Bild 3: IAONA Security Data Sheet). White Paper 6 / 13

7 Bild Sicherheitsarchitektur 3: IAONA Security Data Sheet 4 Lösungsszenarien Um ein bestehendes Netzwerk im Industrieumfeld an beliebiger Stelle in geeignete Compartments untergliedern zu können, sind eine Reihe von Randbedingungen zu beachten. Wie bereits ausgeführt, ist es wichtig, dass sich diese Unterteilung möglichst ohne Eingriffe in das vorhandene Netzwerk realisieren lässt. Ein sehr häufig anzutreffender Fall ist der einer sehr flachen Netzstruktur im Bereich der Produktion. Wenn hier die Topologie wie gefordert beibehalten werden soll, muss das zur Separierung verwendete Security Device rückwirkungsfrei und quasi unsichtbar sein. Gleichzeitig soll das Compartment vor Broadcasts und Denial of Service-Angriffen geschützt und der Verkehr in das Compartment und aus dem Compartment den Sicherheitsregeln unterworfen werden. Der EAGLE, die Stateful Inspection Firewall von Hirschmann, erfüllt diese Anforderungen in Form seines Multi-Client Transparent Mode in idealer Weise (Bild 4: Transparent Mode). Einerseits verhält sich das Gerät dabei wie eine Bridge und tritt damit nicht als eigenständiger Netzwerkknoten in Erscheinung. Andererseits überwacht der EAGLE alle Netzwerkverbindungen anhand ihres Status um so zum Beispiel zu entscheiden, in welche Richtung eine Kommunikation aufgebaut wurde und ob diese zulässig ist. Zusätzlich ist eine Einschränkung auf bestimmte MAC-Adressen möglich. White Paper 7 / 13

8 Bild Sicherheitsarchitektur 4: Transparentmode Ein weiteres wichtiges Szenario stellt eine nicht konsistente IP-Adressstruktur dar. Nicht zueinander passende IP-Adressen treten häufig dann auf, wenn separat gewachsene Netzwerkinseln zu einem späteren Zeitpunkt miteinander verbunden werden oder ein Zulieferer komplette Anlagenteile fertig konfiguriert ausliefert und in das bestehende Netz integrieren möchte. Für diesen Anwendungsfall bietet der EAGLE sowohl NAT und Port forwarding, als auch volle 1:1 NAT Funktionalität (Bild 5: Router Mode mit 1:1 NAT). In der Praxis bedeutet dies, dass Maschinen oder Produktionszellen intern beliebige, u.a. auch gleiche IP-Adressen verwenden können, nach außen jedoch als in die Gesamtstruktur passende Teilnetze in Erscheinung treten. Bild Sicherheitsarchitektur 5: Router Mode mit 1:1 NAT White Paper 8 / 13

9 Für den Fall, dass vor der Firewall kein Virenscanner vorhanden ist oder aber eine Ergänzung einer zentralen Malware-Lösung durch dezentrale Komponenten gewünscht ist, stellt der EAGLE optional eine vollwertige Kaspersky Anti-Virus Engine zur Verfügung. Neben der Firewall-Funktion ist in vielen praktischen Anwendungsfällen eine geschützte Verbindung zwischen zwei Sicherheitsbereichen das Mittel der Wahl. Der EAGLE unterstützt eine sichere Verbindung zwischen Security Compartments (Site-to-Site VPNs) mittels IPsec und L2TP. Die VPN-Technologie ist darüber hinaus sehr gut geeignet, den Zugriff von Wartungspersonal an lokalen Ports oder über das Internet abzusichern (Client-to-Site VPN). Neben der möglichen Verschlüsselung des Datenverkehrs (Transport Security) ist hier insbesondere die Authentifizierung der Tunnelendpunkte eine sehr wichtige Sicherheitsfunktion. Über nutzerspezifische Firewall-Regeln innerhalb des VPN-Tunnels können darüber hinaus detaillierte Zugriffsrechte einzelner Personen sehr exakt gesteuert werden (Bild 6: Client-to-Site VPN). Bild Sicherheitsarchitektur 6: Client-to-Site VPN Für den Fall, dass der Aufbau einer Zertifikatstruktur zur sicheren Authentifizierung (noch) nicht möglich ist, können generelle Einschränkungen der Zugriffsrechte an der Produktionszelle in Form eines gesicherten Serviceports auch ohne weitere Überprüfung des Anwenders Sinn machen. White Paper 9 / 13

10 Oft ist es darüber hinaus notwendig, die genannten Funktionen nicht nur lokal, sondern über eine Fernverbindung zu realisieren. Im Gegensatz zu vielen anderen Geräten besitzt der serielle Port des EAGLE nicht nur eine Verbindung zur Managementkonsole, sondern kann als vollwertiger Firewall-Port genutzt werden. Damit ist eine Verlängerung dieses Ports über ein geeignetes Modem jederzeit möglich (Bild 7: Remote Maintenance). Bild Sicherheitsarchitektur 7: Remote Maintenance Eine ähnliche Situation wie im Security-Umfeld werden wir zukünftig in Bezug auf Echtzeitsysteme ebenfalls wiederfinden. Auch hier wird es mit vertretbarem Aufwand nicht möglich sein, ein streng isochrones Netz unternehmensweit zur Verfügung zu stellen. Es wird auf eine Kombination aus lokalen echtzeitfähigen Produktionszellen mit einer Technologie wie PROFINET oder Ethernet Powerlink und einem asynchronen Backbone hinauslaufen. Natürlich bietet es sich an, diese funktionale Trennung mit der Trennung in Security Compartments zu kombinieren. Auch in diesem Bereich bietet Hirschmann bereits heute adäquate Lösungen an und wird diese mit Verfügbarkeit der entsprechenden Hardware auch zukünftig weiter ausbauen (Bild 8: Real-time Gateway). White Paper 10 / 13

11 Bild Sicherheitsarchitektur 8: Real-time Gateway Verallgemeinert man die aufgezeigten Anwendungsmöglichkeiten nun auf ein grundlegendes Architekturmodell, so sind im Grunde jeweils zwei Sichtweisen möglich. Von der zentralen IT betrachtet bilden die Produktionsnetze insbesondere einzelne Maschinen oder Produktionszellen den Rand des Gesamtsystems. Wie bei PCs oder Laptops endet hier in gewisser Weise die absolute Kontrolle der IT. Mit Hilfe des EAGLE ist es nun möglich an dieser Stelle auch für die Automatisierungsnetze eine klar definierte Schnittstelle zur Verfügung zu stellen. Dadurch können diese Anlagenteile in eine globale Sicherheitsstrategie integriert werden, ohne das gesamte dahinter liegende Automatisierungsnetz in allen Details kennen zu müssen. Von der Seite der Fabrikation steht die störungsfreie Funktion einzelner Produktionsbereiche im Vordergrund. Hier ist es in erster Linie wichtig, das lokale Netzwerk vor äußeren Einflüssen zu schützen ohne die Verbindung nach außen vollkommen aufzugeben. Der EAGLE ist in diesem Fall das ideale Werkzeug, um die Problematik Network-Security in leichter zu kontrollierende Teilsysteme (Compartments) zu untergliedern und gleichzeitig mögliche Auswirkungen von Sicherheitsverletzungen lokal zu halten. 5 Zentrales Policy und Workflow Management Verfolgt man den komplementären Ansatz aus lokalen Sicherheitslösungen und zentralen Systemen konsequent weiter, so stellt sich vor allem bei großen Netzen sehr schnell die Frage nach der Administration und der Gesamtverantwortung für die Sicherheit. Aufgrund der sehr komplexen Materie ist es dabei meist schwierig, eine saubere Abstimmung zwischen einzelnen Zuständigkeitsbereichen zu White Paper 11 / 13

12 erzielen. Ein weiteres Problem beim Einsatz unterschiedlicher Security Devices innerhalb eines Netzes ist das Vorhalten der jeweiligen Spezialisten zur Betreuung und Konfiguration. Als Lösungen für ein zentrales Konfigurationsmanagement waren bisher ausschließlich proprietäre Systeme auf dem Markt, die jeweils nur die Produktlinie eines Herstellers abdecken konnten. Das erste verfügbare Werkzeug, das die Bereiche Policy, Configuration und Workflow Management sowie Auditing vollständig abdeckt und zugleich als Multi Vendor-System konzipiert wurde, ist die Software Suite der Firma SolSoft S.A.. Die EAGLE Firewall lässt sich vollständig in dieses Managementsystem integrieren und kann von dort aus auch in sehr großen Stückzahlen konfiguriert werden. Vor allem die Möglichkeit eines verteilten Workflows sowie die gemeinsame Nutzung durch die zentrale IT-Abteilung und die jeweils prozessverantwortlichen Bereiche machen diese Software speziell für die industrielle Anwendung sehr interessant (Bild 9: Policy Management). Bild Sicherheitsarchitektur 9: Policy Management Es ist zu betonen, dass es sich bei dieser Lösung keineswegs um einen proprietären Ansatz handelt. Ganz im Gegenteil ermöglicht dieses Tool durch die Einbindung diverser Techonolgy Packs die gleichzeitige Unterstützung unterschiedlicher Firewall-Systeme wie z.b. Checkpoint FireWall-1 und Cisco PIX zusammen mit der EAGLE-Technologie innerhalb einer Managementoberfläche. White Paper 12 / 13

13 6 Zusammenfassung Bei der Beschäftigung mit dem Thema Sicherheit sind Stand heute meist zwei unterschiedliche Probleme zu betrachten. Zum einen muss in der Regel eine unter sehr speziellen Randbedingungen geeignete Lösung für einen Teilbereich eines Industrienetzes gefunden werden. Zum anderen steht bei allen Aktionen die generelle Frage nach einer langfristigen Integration von Office IT- und Industrial IT-Netzen und damit eine übergreifende Lösung im Raum. Die Hirschmann Sicherheitsarchitektur für Industrienetze stellt hier einen Ansatz zur Verfügung, der beide Aspekte in geeigneter Weise berücksichtigt. Mit der Schaffung einzelner Security Compartments ist es möglich, Teilbereiche eines Industrienetzes vom Rest der IT-Infrastruktur zu separieren und geeignete Sicherheitsregeln für diese Produktionszelle zu definieren. Durch seinen für diesen Zweck optimierten Funktionsumfang ist der EAGLE von Hirschmann in der Lage, diese Separierung unabhängig von der Topologie des Netzes und der Konfiguration der angeschlossenen Maschinen zu erreichen. Nach dem Motto Plug and Work hat diese Netztrennung den entscheidenden Vorteil, dass damit keinerlei Designänderungen oder Produktionsunterbrechungen verbunden sind. Aus der Sicht des übergeordneten Enterprise-Netzes können die so geschaffenen Security Compartments ohne Probleme in eine globale Sicherheitslösung eingebettet werden. Langfristig kann es hier nicht die richtige Strategie sein, nur ein Fabrikat und möglichst nur ein einziges, zentral administriertes Gerät für das gesamte Netzwerk vorzusehen. Es ist vielmehr die Kompatibilität und die gemeinsame Verwaltung unterschiedlicher Security Devices erforderlich. Zu diesem Zweck ist der EAGLE zu 100% in die SolSoft Software Suite integriert und kann so zusammen mit anderen Sicherheitsprodukten gemeinsam und zentral konfiguriert werden. Zu speziellen Anwendungsszenarien stehen neben dieser allgemeinen Beschreibung entsprechende Application Notes mit konkreten Konfigurationsbeschreibung zur Verfügung. Ralf Kaptur Hirschmann Automation and Control GmbH Neckartenzlingen, Deutschland White Paper 13 / 13

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