שיטות מתקדמות של אבטחת סייבר-פיזית

מערכות Cyber-Physal (CPS) משלבות אלגוריתמים חישוביים עם תהליכים פיזיים, ויוצרות רשתות משותפות הדוקות שבהן החלטות דיגיטליות משפיעות ישירות על העולם הפיזי. בעוד המערכות הללו הופכות ליותר מקושרות ואוטונומיות, האבטחה שלהן גדלה יותר ויותר מורכבת.טכניקות מתקדמות של מערכת מתקדמת מספקות את הבסיס האנליטי הדרושות לזיהוי פרצות, לחזות תוצאות תקיפה אקטיביות, ועיצוב מחדש של מערכות הגנה לפני הפריסה.

מערכות סייבר-Physical Systems

מערכות Cyber-Physal מונדסות מערכות שמעצבות חישה, חישוב, בקרה ורשתות על פני תחומים פיזיים ודיגיטליים.בניגוד מערכות IT מסורתיות, CPS אינטראקציה עם תהליכים פיזיים בזמן אמת, כלומר כשלים ביטחוניים יכולים להוביל לא רק לאובדן נתונים אלא לפגיעה פיזית, פגיעה סביבתית, או אובדן של חיים. דומיינים יישומי מפתח כוללים מערכות בקרה תעשייתיות (ICS) בשימוש בייצור ואנרגיה, כלי רכב אוטונומיים, מערכות רפואיות, ניהול חכמות, תשתיות חכמות, ניהול חכם, מערכות ניהול חכם, וניהול חכם.

התאמות ואינטראקציות שלהם

אדריכלות CPS טיפוסית מורכבת ממספר שכבות:

• (ב) חיישנים (FLT:0) חיישנים, פועלים ומערכות מכניות שמתקשרות עם הסביבה.
• (FLT:0)Control Layer: FLT:1 בקרים לוגיים הניתנים לתוכנה (PLCs), יחידות מסוף מרוחקות (RTUs), או מעבדים מוטבעים המבצעים אלגוריתמים של שליטה.
• (FLT:0) שכבת תקשורת: רשתות 1FLT (FLT:1) המחברות חיישנים, בקרים ומערכות פיקוח, לעתים קרובות באמצעות פרוטוקולים כגון MODBUS, DNP3, או OPC UA.
• (FLT:0) Supervisory and Management Layer:FLT:1 ממשקי אדם-מכונה (HMIs) ו- פיקוח ובקרה פיקוחית ורכישת נתונים (SCADA) המספקים פיקוח ומפעילים שליטה.

התלויות המורכבות בין השכבות הללו יוצרות משטח התקפה גדול. An ⁇ שמסכן את שכבת התקשורת יכול להזריק קוראי חיישן כוזבים, מה שגורם לשכבה הבקרה לבצע התאמות מסוכנות שפוגעות בציוד פיזי.

אתגרים אבטחה ייחודיים ל-CPS

בניגוד לשיטות IT קונבנציונליות, CPS מתמודד עם מספר אתגרים ביטחוניים ייחודיים:

• תזמון ביקורתי:0 (FLT:103) לולאות בקרה רבות דורשות תשובות בתוך מנגנונים ביטחוניים המציגים עצלות - כגון הצפנה כבדה או אתגרים תכופים - יכול לערער על היציבות של המערכת.
• רכיבי FLT:0Legacysib: FLT:1 מערכות תעשייתיות לפעול לעתים קרובות במשך עשרות שנים עם חומרה ותוכנה שמעולם לא תוכננו עם אבטחה בראש.
• (FLT:0) חשיפה גופנית: 1 חיישנים ופועלים הם לעתים קרובות פרוסים בסביבות לא מוגן, מה שהופך אותם פגיעים להתקפות חנקות או ערוץ חיצוני.
• (FLT:0) אורך מחזור החיים: רכיבי CPS 1 (CPS) עשויים להישאר בשירות במשך 20-30 שנים, הרבה יותר זמן מאשר ציוד IT טיפוסי.

גורמים אלה הופכים את זה חיוני לדגם התנהגות מערכתית מקיפה ולאמת נכסים אבטחה מוקדם בתהליך העיצוב.

תפקידה של מערכת דוגמנות ב-CPS Security

מודלים מערכתיים מספקים שיטה מובנת, חוזרת לניתוח התנהגות CPS בתנאים רגילים וקיצוניים.על ידי יצירת ייצוגים מופשטים של רכיבי מערכת, אינטראקציות שלהם וסביבתם, מהנדסים יכולים לחקור חללים גדולים של המדינה, לדמות תרחישים התקפה, לאמת תכונות אבטחה ללא סיכון נזק פיזי או בדיקות שדה יקר.

היתרונות של ניתוח אבטחה מבוסס מודל

• (FLT:0) גילוי מוקדם של פגמים בעיצוב: FLT:1 מודל חושף פרצות במהלך שלב הסימון, כאשר תיקונים הם זולים ופחות משבשים.
• (FLT:0 Systematic Cover: FLT:1) מודלים רשמיים יכולים לבדוק באופן מלא את כל המדינות האפשריות, להבטיח שלא יחמיצו מקרים של פינה.
• הערכת סיכונים: FLT:0 (Quantitative Risk Assessment: FLT:1 מודלים יכולים לשלב אלמנטים פרוביביליסטיים כדי להעריך את הסבירות וההשפעה של נתיבי התקפה שונים.
• (FLT:0) סיוע תקשורתי: מודלים חזותיים וטקסטואליים עוזרים לצוותים בין-תחומיים - מהנדסי שליטה, מפתחי תוכנה, מומחי אבטחה - מחזקים את הבנתם של התנהגות המערכת.

המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה (NIST) ממליץ על הערכת אבטחה מבוססת מודל כחלק ממסגרתו לשיפור תשתיות קריטיות, במיוחד עבור ICS.FLT:0NIST 800-82 Rev. 2FLT:1 מספק הדרכה על יישום טכניקות דוגמנות עבור מערכות בקרה תעשייתיות.

טכניקות מודלים מתקדמות

כמה פרדיגמות דוגמנות מתקדמות הוכיחו יעילות במיוחד עבור ניתוח אבטחת CPS.כל אחד מציע נקודות חוזק ייחודיות בהתאם למאפיינים של המערכת ושאלות האבטחה.

1. שיטות פשטות

שיטות פורמליות משתמשות בלוגיקה מתמטית כדי לציין דרישות מערכת ולוודא כי עיצוב מספק את הדרישות הללו. בהקשר אבטחת CPS, שיטות פורמליות יכולות להוכיח תכונות כגון "הבקר לעולם לא יפקד על פועל כדי להתעלות על גבולות בטוחים" או "מתוקף אינו יכול לגרום למערכת להיכנס למצב לא בטוח ללא זיהוי".

מודל

בדיקת מודל בוחנת באופן אוטומטי את כל המדינות האפשריות של מודל מערכת כדי לאמת תכונות המובעות בלוגיקה זמנית (למשל, CTL, LTL) כלים כגון NuSMV, UPPAAL, ו- PRISM תומכים דיסקרטי, זמן רב, מודל פרוביביליסטי לבדיקת אותות.עבור CPS, מודלים אוטומאטה ללכוד מגבלות בזמן אמת, בעוד מודל פרוביולוגי מאפשר בדיקת תכונות סטיות או בדיקות של מערכות אבטחה.

המונחים:

Theorem להוכיח (למשל, באמצעות Coq, איזבל /HOL, או PVS) מאפשר הוכחה מתמטית קפדנית כי עיצוב מערכת מספק את מפרט האבטחה שלה. גישה זו בקנה מידה גדול מאוד מערכות מורכבות אבל דורש הדרכה אנושית משמעותית.האורם להוכיח כבר הוחל על אימות יישום הצפנה ומנגנוני אבטחה ברמת הקרנל בשימוש במערכות הפעלה בזמן אמת עבור CPS.

מערכת היברידית Modeling

מערכות היברידיות משלבות שינויים מצביים דיסקרטיים (למשל, פתח שסתום) עם דינמיקות רציפה (למשל, שערי זרימה נוזלית) טבע כפול זה הוא בסיסי CPS: בקר דיגיטלי מקבל החלטות דיסקרטיות המשפיעות על משתנים פיזיים רצופים.

על ידי מודל של הצמח הפיזי ואת בקר הסייבר יחד, אנליסטים אבטחה יכולים לדמות כיצד התקף סייבר שמשחית את קוראי החיישן או שליטה פקודות propagates דרך המערכת הפיזית.לדוגמה, התקף נתונים כוזב על לולאה הדור האוטומטי של רשת החשמל ניתן מודל כמו הפרעה מתמשכת על אותות לגיטימיים, והמודל ההיברידי חושף אם התדירות נשארת יציבה תחת התקפות כאלה.

מודלים המבוססים על Graph

דגמי Graph מייצגים רכיבי CPS כנקודות ויחסים שלהם כפרטים.הם מצטיינים בלכידת קישוריות, תלותיות והתקפות על נתיבי הקידום.

תקיפת גרפים

גרפים התקפה מודל הרצף של ניצולים תוקף יכול להשתמש כדי להגיע למטרה.כל צומת מייצג מצב מערכת (למשל, "גישה שנצברה ל- PLC 1") ו הקצוות מייצגים פעולות אשר מעבר בין מדינות.אוטומטיות גרף כלים כמו מולאל לקחת תצורה מערכת מסדי נתונים פגיעות כמו קלט ופלט נתיבי התקפה אפשריים.

גרף

גרפים התלות ממפה כיצד רכיבים מסתמכים זה על זה: חיישן X מספק נתונים לבקר Y, אשר פועל משחתת Z. כאשר בשילוב עם גרפים התקפה, גרפים תלותיות לחשוף אילו תהליכים פיזיים ישבשו אם התקף סייבר מסוים הוא נפגע.

4.מודל מבוסס בדיקות

בדיקות מבוססות מודל (MBT) משתמשות במודלים רשמיים כדי ליצור באופן אוטומטי מקרים של בדיקות הממקסימות את הכיסוי של התנהגויות קריטיות אבטחה. MBT יכול לייצר בדיקות עבור התאמה (האם המערכת מתנהגת כמפורט?), אינטנסיביות (עושה המערכת מטפלת בקלטות לא חוקיות בחסד), ואבטחה (אפשר לעמוד בדפוסי התקפה ספציפיים?) כלים כמו Modbat ו-GphWalker תמיכה במודל עבור פרוטוקולים ופרוטוקולים של CPS ורכיבים.

יישום מודל לאיומים וניתוח סיכונים

טכניקות מתקדמות משלבות באופן טבעי לתוך מסגרת מבוססת של איומים, המספקות הקפדה כמותית להערכות איכותניות.

איומים על מודלים

מסגרות כגון סטרייד (Spoofing, Tampering, Repudiation, גילוי מידע, הכחשת השירות, אלביעה של Privilege) ו- PASTA (התוצאות ל-Simulation ו- Threat Analysis) נהנים ממודלים של מערכת.עבור CPS, הסיומת הידועה בשם CPS-STRIDE הוצעה כדי לקחת בחשבון איומים פיזיים כגון spoofing ו- Actuator מאפשרות שימוש באופן שיטתי ב-Intation כדי לבדוק את האיומים על מנת להפעיל באופן שיטתי.

ניתוח Surface Analysis

מודלים מערכתיים מסייעים לכמת פני השטח של התקפה - מערכת הנקודות שבו התוקף יכול אינטראקציה עם המערכת.עבור CPS, זה כולל ממשקי רשת, קלטי חיישן פיזיים, מנגנוני עדכון, ו debugging יציאות.מודלים המבוססים על Graph יכולים לדרג מדדים כגון מספר מסלולי התקפה, אורך נתיב ממוצע, או רוב הצמתים מרכזיים, המאפשר ניתוח השוואתי של ארכיטקטורות שונות.

סימבול ואמפתיה לאימות אבטחה

בעוד מודלים סטטיים חושפים פרצות עיצוב, סימולציה מוסיפה את הממד של זמן והתנהגות דינמית. Advanced CPS מודלים לתמוך בגימולה, שבו סימולטורים ספציפיים דומיין שונים לרוץ במקביל כדי ללכוד הן את ההשפעות הסייבר והן הפיזיות.

סביבת בנייה

מסגרות כמו Ptolemy II, Modelica עם הרחבות של סימולציה משותפת, ואת פלטפורמת HELICS עבור סימולציה רשת חשמל סימולציה רשת לאפשר מהנדסים לסימולטורים רשת (למשל, ns-3, OMNeT + ++) עם סימולטורים פיזיים (למשל, Simulink, OpenModelica). ההתקנה הזו יכולה לדמות הכחשה של התקפה על תת-שירות על ערוץ תקשורת חכם וסימולציה של רשת החשמל.

Hardware-in-the-Loop and Emulation

ה-HIL (HIL) בדיקות מביאות למעשה CPS בקרים לתוך לולאה סימולציה, מתן אימות מציאותי ביותר לפני פריסת שדה. פלטפורמות אדזיה כמו MiniCPS ו- EmuLab ליצור העתקים וירטואליים של רשתות CPS, המאפשרים בדיקות חדירות בטוחות ופעולות תגובה מקריות.המחלקה האמריקנית של אנרגיה בצפון מערב האוקיינוס השקט מפעילה מתקני HIL נרחבים עבור רשת מחקר אבטחה.

מחקרים ב-CPS Security Modeling

יישומים בעולם האמיתי מפגינים את הכוח של טכניקות דוגמנות מתקדמות לשיפור היציבה הביטחונית על פני מגזרים קריטיים רבים.

רשת חכמה

חוקרים מאוניברסיטת קליפורניה, ברקלי השתמשו באוטומטה היברידית כדי ליצור את ההשפעה של התקפות הזרקת נתונים כוזבות על הערכת מצב מערכת החשמל.המודל הראה כי תוקף יכול באופן שיטתי להטיה הערכות מצב מבלי לגרום אלגוריתמים של זיהוי נתונים רעים. בהתבסס על ניתוח זה, מנגנוני זיהוי חדשים המבוססים על שאריות מידע בפיזיקה פותחו ואומתו באמצעות שכפול משותף עם סימולטור PowerWorldulator.

רכב אוטונומי

בדיקת מודל הוחלפה על מנת לאמת כי בקרים אוטונומיים מחזיקים במרחקים בטוחים וצייתים לחוקי התנועה גם כאשר חיישנים נמצאים בסכנה חלקית.המודל UPPAAL מודל Checker שימש כדי לאמת פרוטוקול היווצרות platoon תחת התקפות GPS, חושף כי דפוסי התקפה מסוימים עלולים לגרום להתנגשות התנגשויות קלאסלינג אם לא נפחיתו על ידי חיישן מחוספס.

מערכות בקרה תעשייתיות

במגזר הנפט והגז, גרפים תלותיים בשילוב עם גרפים התקפה עזרו לזהות כי משדר זרימה אחד שנפגע יכול להשפיע על שלושה פונקציות נפרדות של בטיחות כלי רכב.האימון מודל הוביל לתכנון מחדש של ארכיטקטורת הבקרה לכלול גלגול בין סוגי חיישן מגוונים, העלאת רמת האבטחה מ SIL 2 ל-SIL 3.

כיוונים עתידיים ואתגרים

למרות התקדמות משמעותית, מספר אתגרים נותרו באימוץ נרחב של מודלים מתקדמים לאבטחת CPS.

• מורכבות:0 (FLT:0) מורכב מורכב: FLT:1 Exhaustive Model Check of Large CPS עם אלפי רכיבים ודינמיקה מתמשכת היא לעתים קרובות בלתי-מעורר.טכניקות אבסטרציה ואימות הרכב הם תחומי מחקר פעילים.
• (FLT:0) נאמנות מול אחריות: אנדרט (Ralph) 1 לפרטים רבים מדי עושה מודלים בלתי אפשריים לנתח; פרטים קטנים מדי עשויים להחמיץ וקטורים קריטיים של התקפה.מהנדסים צריכים שיטות עקרוניות כדי להחליט מה לכלול.
• (FLT:0) מעדכנת עדכונים על מחזור חיי המערכת:FIRLT:1 כפי ש- CPS משתנה, מודלים חייבים להיות מעודכנים כדי להישאר מדויקים.
• (FLT:0)Standardization: 1 אינטגרטיביות בין כלים מודלים שונים ופורמליזם נשאר מוגבל. מיזמים כמו תקן פתוח עבור CPS מודלing במטרה ליצור ממשקים משותפים.

שילוב למידת מכונה עם מערכת מודלים מציע הזדמנויות חדשות: רשתות עצביות יכולות ללמוד דינמיקות מערכתיות עבור זיהוי אנומלי, בעוד מודלים רשמיים יכולים לאמת כי בקרים מבוססי למידה לספק מגבלות בטיחות.

מסקנה

מערכות סייבר-פיזיות דורשות גישה ממושמעת, מבוססת מודל, שהולכת מעל לגנות אדמדן ומדפן. מערכות מתקדמות מודל טכניקות – שיטות מתקדמות, מודלים היברידיים, ניתוח מבוסס גרף, והערכה משותפת - בתנאי שהבסיס הקפדני הדרוש להבנת אינטראקציות מורכבות, לחשוף פרצות נסתרות ומערכות הפעלה מחדש של CPS, כדי להמשיך ולתקדם כל תשתית אבטחה מתקדמת, אך לא תוכלנה מחדש של מערכות אבטחה מתקדמות יותר.