[論文レビュー] CoRT: A Communication Robustness Testbed for Industrial Control System Components

Matthias Niedermaier, Alexander von Bodisco+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2019

Smart Grid Security and Resilience参考文献 3被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、PLC や HMI などの産業制御システム（ICS）コンポONENTがネットワーク攻撃に対してどのように通信の頑健性を保つかを評価するための専用のテストベッド CoRT を提示する。ネットワーク監視、論理アナライザを用いた電気的出力の追跡、自動化されたテストシーケンスを統合することで、CoRT は、ネットワーク異常が制御動作に与える影響を繰り返し可能で安全かつ測定可能な方法で評価可能にし、産業システムのセキュリティを強化するための重要な研究基盤を提供する。

ABSTRACT

The number of interconnected devices is growing constantly due to rapid digitalization, thus providing attackers with a larger attack surface. Particularly in critical infrastructures and manufacturing, where processes can be observed and controlled remotely, successful attacks could lead to high costs and damage. Therefore, it is necessary to investigate Industrial Control System (ICS) devices like Programmable Logic Controllers (PLCs) to make these sectors more secure. One possible attack vector is the exploitation of the network communication of devices. Thus, a robust communication system is essential to ensure security. Unfortunately, the high demand for real-world ICSs makes it difficult to assess component security during its runtime. However, this is possible in a research testbed where tests could be done and analyzed in a safe environment. In this paper, we introduce our testbed and measurement methods for communication robustness test research of ICS components.

研究の動機と目的

• 産業制御システムにおけるデジタル化とネットワーク接続の増加に伴い拡大する攻撃表面を対処するため。
• 本番環境の生産システムにリスクを及げることなく、ICS コンポONENTの頑健性を安全かつ繰り返し可能にテストできるようにするため。
• ネットワーク通信障害や悪意あるトラフィックが ICS デバイスの制御動作に与える影響を調査するため。
• 産業コンポONENTの通信の頑健性を評価するための標準的で自動化されたテスト環境を提供するため。
• 特に独自プロトコルおよび産業用ネットワークプロトコルにおけるプロトコル固有の脆弱性に関する研究を支援するため。

提案手法

• テストベッドは、テスト対象デバイス（DuT）として PLC、HMI、バスコネクタを含む、2台のロック式で持ち運び可能なラックに搭載されている。
• DuT の電気的出力は、最大 100MHz のサンプリングレートを持つカスタム BeagleBone Green ベースの論理アナライザで監視され、制御信号の安定性が記録される。
• ネットワークトラフィックは専用の仮想マシン（VM）を用いてリアルタイムでキャプチャされ、測定、プログラミング、攻撃シミュレーションの各用途に別々の仮想マシンを割り当てることで干渉を回避する。
• 攻撃中も継続的にネットワーク到達可能性を監視し、デバイスの応答性とレジリエンスを評価する。
• テストベッドは、標準プロトコル（FTP、SSH、HTTP など）および産業用プロトコル（Modbus/TCP、BACnet/IP、Ethernet/IP など）に加え、独自プロトコル（S7comm、Phoenix、ABB など）もサポートする。
• テストシーケンスには、自動電源サイクル、攻撃前のアイドル状態監視、攻撃中のアクティブフェーズ、攻撃後の回復状態チェックが含まれ、結果はログ記録され可視化される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 さまざまなネットワークベースの攻撃が、ICS コンポONENTの通信の頑健性および制御動作にどのように影響を与えるか。
• RQ2 標準プロトコルおよび独自プロトコルが、ネットワークストレスや悪意あるトラフィック下でどれほど脆弱性を示すか。
• RQ3 PLC の電気的出力信号を信頼性高く監視し、ネットワーク異常と照合することで制御システムの劣化を検出できるか。
• RQ4 このテストベッドが、繰り返し可能で安全かつ自動化された ICS コンポonent レジリエンス評価をどの程度効果的に可能にするか。
• RQ5 DoS 攻撃や不正なネットワークパケットにさらされた後、ICS デバイスに観察される行動的変化は何か。

主な発見

• ネットワークトラフィックは ICS デバイスの動作に顕著な影響を与えることがあり、攻撃中には制御信号の安定性に顕著な乱れが観察された。
• テストベッドはネットワークトラフィックのキャプチャ、デバイスの到達可能性監視、電気的出力のリアルタイムログ記録を成功裏に実行し、包括的な分析を可能にした。
• 専用の測定用仮想マシンを用いることで、高負荷の攻撃ツールがデータ取得や監視に干渉しないことが保証された。
• カスタム基板（PCB）ベースの論理アナライザの統合により、最大 100MHz の高周波数サンプリングが可能となり、制御信号の異常を高精度で検出できた。
• テストベッドは単一デバイスおよびラック全体のテストをサポートしており、複数コンポONENTにわたる通信の頑健性を柔軟に検証可能である。
• 予備的な結果から、制御通信の頑健性テストが制御された安全な環境で実施可能で効果的であることが確認され、今後の脆弱性の発見や強化作業を支援する基盤が整った。