[論文レビュー] Application of Cybernetics and Control Theory for a New Paradigm in Cybersecurity

Michael D. Adams, Seth Hitefield+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2013

Earth Systems and Cosmic Evolution参考文献 14被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、制御理論、フィードバックループ、システム理論を用いてサイバー攻撃サイクルを遮断する非定常的でサイバネティクス的なサイバーセキュリティフレームワークを提案する。仮想化・元に戻せる環境を通じて、システムを動的に予測不可能にし、自己修復させることで、持続的攻撃に対してもレジリエンスを実現しながら、システムの安定性を維持する。

ABSTRACT

A significant limitation of current cyber security research and techniques is its reactive and applied nature. This leads to a continuous 'cyber cycle' of attackers scanning networks, developing exploits and attacking systems, with defenders detecting attacks, analyzing exploits and patching systems. This reactive nature leaves sensitive systems highly vulnerable to attack due to un-patched systems and undetected exploits. Some current research attempts to address this major limitation by introducing systems that implement moving target defense. However, these ideas are typically based on the intuition that a moving target defense will make it much harder for attackers to find and scan vulnerable systems, and not on theoretical mathematical foundations. The continuing lack of fundamental science and principles for developing more secure systems has drawn increased interest into establishing a 'science of cyber security'. This paper introduces the concept of using cybernetics, an interdisciplinary approach of control theory, systems theory, information theory and game theory applied to regulatory systems, as a foundational approach for developing cyber security principles. It explores potential applications of cybernetics to cyber security from a defensive perspective, while suggesting the potential use for offensive applications. Additionally, this paper introduces the fundamental principles for building non-stationary systems, which is a more general solution than moving target defenses. Lastly, the paper discusses related works concerning the limitations of moving target defense and one implementation based on non-stationary principles.

研究の動機と目的

• 攻撃後に既知の脆弱性を修正するという反応的アプローチに依存する現在のサイバーセキュリティ研究の問題を解決すること。
• 直感に基づくものではなく、理論的サイバネティクス的原則に根ざした移動的防御（moving target defense）の限界を克服すること。
• システム理論、制御理論、フィードバックメカニズムに基づく、サイバーセキュリティの基盤的科学を構築すること。
• 攻撃者に対して本質的に予測不可能である一方で、内部の安定性と運用の完全性を維持できるシステムを実現すること。
• 移動的防御を越えて、より強いレジリエンスを達成するための一般化された非定常システム設計を導入すること。

提案手法

• 制御理論、システム理論、情報理論、ゲーム理論を統合したサイバネティクスを、サイバーセキュリティの統合的フレームワークとして適用する。
• 攻撃者が安定したスキャンや攻撃チャネルを確立できないように、動的かつ非定常的な動作を有するシステムを設計する。
• 信頼できるネットワークから不審なアクセス（例：Webブラウジング）を隔離する、硬化された仮想化ハイパーバイザ環境を実装する。
• 異常や悪意ある行動が検出された際に自動的にクリーン状態に復元する、元に戻せる仮想マシンアーキテクチャを用いる。
• ホストとゲストシステム間のフィードバックループを確立し、脅威をリアルタイムで監視・検出・応答する。
• 入力を制限し、外部からの擾乱にもかかわらず規制された安全な運用を維持することで、内部システムの安定性を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 サイバネティクス的原則をどのように応用することで、本質的によりレジリエントなサイバーセキュリティシステムを設計できるか？
• RQ2 非定常性は、攻撃者のレコネッサンスと攻撃サイクルをどのように遮断するか？
• RQ3 仮想化環境におけるフィードバックメカニズムは、従来のパッチ適用や検出手法を上回るシステムのレジリエンスを向上させられるか？
• RQ4 理論的根拠に基づく非定常システムは、直感に基づく移動的防御よりもどのように優れているか？
• RQ5 攻撃者に対して予測不可能でありながら、ユーザーにとって安定したセキュアなシステムを構築する理論的基盤は何か？

主な発見

• 論理的構成と状態を常に変化させる非定常システムは、静的または単に移動的であるシステムよりも、攻撃者をより効果的に遮断する。
• 硬化されたハイパーバイザに囲まれた、元に戻せる仮想ゲスト環境の使用により、コンプリアンスの影響を受けても自動回復が可能となり、マルウェアの恒久的侵入が排除される。
• ホストとゲストシステム間のフィードバックループにより、リアルタイムでの異常検出とシステムの復元が可能となり、レジリエンスが向上する。
• 信頼できるネットワークと不審な環境との直接通信を防止することで、攻撃表面が縮小される。
• ユーザーが操作する部分をホストシステムから分離することで、攻撃者に対して予測不可能性を高めつつ、システムの安定性を維持できる。
• 本アプローチは、脆弱性を完全に排除するのでなく、動的かつ自己調整的な挙動によって攻撃の実行を不可能にするという点で、セキュリティを達成できることを示している。