一、論文概覽
論文標題：
A Five-Step Cyber-Defence Model for Industry 4.0 Control Systems Integrating IEC 62443 and ISO 27000
（整合IEC 62443與ISO 27000之工業4.0控制系統五步驟網路防禦模型）
作者與機構：
– Renan Melo de Freitas
– Silvia Lenyra Meirelles Campos Titotto
– Alexandre Acácio de Andrade
– Romulo Gonçalves Lins
全員來自巴西聯邦ABC大學（Universidade Federal do ABC）工程、建模與應用社會科學中心
發表資訊：
2025年第16屆 IEEE 國際工業應用研討會（INDUSCON），2025年10月14-17日，巴西 São Sebastião
DOI: 10.1109/INDUSCON66435.2025.11241757
二、這篇論文在說什麼？
研究背景：IT/OT融合下的資安熱區
工業4.0將IIoT、網宇實體系統與雲端運算整合進生產環境，打破了過去OT網路的實體隔離。論文指出一個關鍵數據：62%的工業資安事件發生在Purdue層級2-3，也就是現場控制與區域控制的交界處——正是IT與OT協定交匯的地帶。
研究團隊透過系統性文獻回顧（SLR），使用StART工具從SCOPUS與Web of Science篩選出40篇主要研究，歸納出三個持續存在的核心問題：
- 資產可見性不足：許多組織無法掌握OT環境中的完整設備清單
- 協定異質性：Modbus-TCP、OPC-UA、Profinet等多種協定並存，防護難以統一
- 治理機制薄弱：OT資安與企業IT治理之間存在責任斷層
論文也揭露了令人擔憂的現況：73%的PLC仍運行2014年以前發布的韌體，缺乏原生的身份驗證與加密功能。
核心方法：五步驟網路防禦模型
研究團隊提出的框架將普渡模型（Purdue Model）的層級架構與IEC 62443安全等級對齊，同時嵌入ISO 27001控制措施：
Step 1 — 資產發現（Asset Discovery）
識別並建立所有ICS相關資產的清單，包括現場設備、網路元件、伺服器，以及其使用的協定、韌體與組態。對應IEC 62443-3-3的SR 7.1（Inventory）與NIST 800-82的ID.AM 1-5。
Step 2 — 區域與管道分段（Zone-Conduit Segmentation）
依據製程關鍵性與風險特徵，將ICS元件進行邏輯分組，透過工業防火牆與資料二極體（Data Diode）建立受監控的管道。對應IEC 62443的SR 5.2與NIST的PR.PT 3-4。
Step 3 — CIA/ICR風險評估
結合傳統CIA三元組（機密性、完整性、可用性）與ICR指標（Impact-Criticality-Resilience，衝擊-關鍵性-韌性）進行風險評估。論文發現，在87%的OT資產中，完整性與可用性的優先順序高於機密性，這與傳統IT資安的思維有所不同。
Step 4 — 標準導向的對策部署（Standards-Oriented Counter-Measures）
根據風險評估結果，部署符合IEC 62443安全等級（SL2-SL4）與ISO 27001要求的控制措施。
Step 5 — 持續韌性評估（Continuous Resilience Evaluation）
建立持續監控、主動威脅偵測與定期審查機制，對應IEC 62443的SR 6.2與NIST的DE.AE/RS控制族群。
這個框架被具體實現為一個六層縱深防禦架構，包含兩個關鍵機制：
– 資產發現微服務：可在30秒內完成設備指紋識別並指派初步安全等級
– 威脅情報回饋迴路：整合Zeek與Suricata警報，對應MITRE ATT&CK-ICS技術，即時更新ICR評分
主要成果：量化驗證與實測數據
研究團隊使用INL-DIADS數位孿生測試平台（v3.2）進行驗證，模擬環境包含：
– 五層Purdue架構
– 27個虛擬PLC（OpenPLC v3.3）
– 35個HMI/SCADA節點
– Modbus-TCP與OPC-UA通訊
針對三個經典ICS攻擊場景（Stuxnet、Triton、Industroyer）進行174次攻擊重播實驗，結果顯示：
| 指標 | 基線（扁平網路） | 導入模型後 | 改善幅度 |
|---|---|---|---|
| 平均偵測時間（MTTD） | 38.4分鐘 | 21.9分鐘 | 42.9% |
| 假陰性警報率 | 14% | 5% | 64% |
統計檢定結果：p < 0.001，具有顯著性差異。
此外，能源產業的現場試驗顯示，結構化資產發現可降低35%的弱點暴露；製造業試點則證實CIA/ICR指標能更精準識別關鍵系統。
三、啟發與觀點
對資安產業的影響
這篇論文的核心貢獻在於提供了一個可操作的整合框架。目前OT資安領域面臨「標準林立、難以抉擇」的困境：IEC 62443專注工業自動化、ISO 27001著重管理系統、NIST 800-82提供技術指引。本框架明確建立了三者之間的對應關係（見論文Table III），讓組織能夠同時滿足多重標準要求。
另一個重要貢獻是ICR評估模型的引入。傳統風險評估常以「可能性」為主要考量，但工業環境中「衝擊」與「關鍵性」往往更為重要。論文發現ICR評分呈現三個模態分布（0.18、0.46、0.73），與NIST v2成熟度等級一致，提供了更細緻的風險分層依據。
對資安從業人員的啟示
Purdue層級2-3是防禦重點。 62%的事件發生在這個區域，主要原因包括：缺乏原生認證的老舊設備、使用共享憑證的臨時遠端存取、以及缺乏VLAN分段的扁平網路拓撲。資安團隊應優先強化這個區域的可見性與分段。
CIA優先順序在OT環境中不同。 87%的OT資產以完整性與可用性為優先，機密性反而相對次要。這意味著單純的加密方案無法滿足安全關鍵環境的需求，必須同時考量資料完整性驗證與系統可用性保障。
混合策略優於單一路線。 論文分析的40篇研究中，採用風險導向策略的平均修補時間比純合規導向減少27%；而結合兩者的混合模型則達到最佳偵測時間（平均6小時），但需要額外12%的工程投入。
可能的應用場景
- 中小企業的漸進式導入：論文特別討論了SME適用性，建議從資產發現微服務與預設分段模板開始，逐步建立網路成熟度
- 跨國企業的標準整合：需要同時符合IEC 62443、ISO 27001與地區法規（如巴西LGPD、台灣資通安全管理法）的組織
- 數位轉型專案的資安規劃：正在導入IIoT閘道器或雲端整合的製造業，需要系統性的風險評估框架
- 資安服務商的評估方法論：作為OT資安成熟度評估或滲透測試範圍界定的參考架構
延伸思考與限制
驗證方法的可信度： 這篇論文的一大亮點是採用數位孿生平台進行量化驗證，而非僅停留在理論框架。174次實驗、明確的統計檢定（p < 0.001）、具體的環境配置（OpenPLC版本、Zeek/Suricata規則集），這些細節增加了研究的可重現性。
尚待驗證的面向： 作者也坦承，研究主要透過模擬進行，尚需多站點實地試驗來驗證長期韌性與投資報酬率。此外，邊緣AI異常偵測器的對抗穩健性、跨雲端到現場的零信任分段，都是未來研究方向。
新興技術帶來的新缺口： 論文識別出四個殘餘風險：(G1)邊緣設備運算能力有限、(G2)感測器雜訊可能掩蓋細微攻擊、(G3)數位孿生模型與IEC 62443分段的對齊不足、(G4)對專有雲端API的依賴與開放標準原則衝突。這些議題值得後續關注。
四、來源引用
IEEE 引用格式：
R. M. de Freitas, S. L. M. C. Titotto, A. A. de Andrade and R. G. Lins, “A Five-Step Cyber-Defence Model for Industry 4.0 Control Systems Integrating IEC 62443 and ISO 27000,” 2025 16th IEEE International Conference on Industry Applications (INDUSCON), São Sebastião, Brazil, 2025, pp. 743-750.
DOI： 10.1109/INDUSCON66435.2025.11241757
原文連結： IEEE Xplore
相關標準與資源：
– IEC 62443 系列（工業自動化與控制系統資安）
– ISO/IEC 27001:2022（資訊安全管理系統）
– NIST SP 800-82 Rev. 2（工業控制系統安全指南）
– INL-DIADS 數位孿生測試平台
– SWaT-Sim 2.0 水處理系統模擬器
– MITRE ATT&CK for ICS 框架
