[論文レビュー] Cyber-Physical Systems Security -- A Survey

Abdulmalik Humayed, Jingqiang Lin+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2017

Smart Grid Security and Resilience参考文献 71被引用数 15

ひとこと要約

本稿は、サイバー、物理、サイバー物理的コンポーネントにわたる脅威、脆弱性、攻撃、対策を統合する、統一された三次元フレームワークを提案する。このフレームワークは、スマートグリッド、医療機器、スマートカー、産業制御システムといった主要なCPS分野におけるセキュリティ課題を体系的に調査し、脆弱性の根本的要因を特定するとともに、既存の防御における重要なギャップを明らかにする。

ABSTRACT

With the exponential growth of cyber-physical systems (CPS), new security challenges have emerged. Various vulnerabilities, threats, attacks, and controls have been introduced for the new generation of CPS. However, there lack a systematic study of CPS security issues. In particular, the heterogeneity of CPS components and the diversity of CPS systems have made it very difficult to study the problem with one generalized model. In this paper, we capture and systematize existing research on CPS security under a unified framework. The framework consists of three orthogonal coordinates: (1) from the \emph{security} perspective, we follow the well-known taxonomy of threats, vulnerabilities, attacks and controls; (2)from the \emph{CPS components} perspective, we focus on cyber, physical, and cyber-physical components; and (3) from the \emph{CPS systems} perspective, we explore general CPS features as well as representative systems (e.g., smart grids, medical CPS and smart cars). The model can be both abstract to show general interactions of a CPS application and specific to capture any details when needed. By doing so, we aim to build a model that is abstract enough to be applicable to various heterogeneous CPS applications; and to gain a modular view of the tightly coupled CPS components. Such abstract decoupling makes it possible to gain a systematic understanding of CPS security, and to highlight the potential sources of attacks and ways of protection.

研究の動機と目的

• コンポーネントの異種性とシステムの多様性のため、CPSセキュリティを分析する体系的で統一的なモデルの欠如に対処する。
• 脅威分類法をコンポーネントレベルおよびシステムレベルの視点と統合することで、既存のCPSセキュリティ研究を体系化する。
• 代表的なCPSアプリケーションにわたる脆弱性の根本的要因と繰り返し発生する攻撃パターンを同定する。
• 現在のCPSセキュリティメカニズムにおける欠落した防御と解決されていない課題を強調する。
• 異種のCPS環境におけるセキュリティ制御の体系的分析と設計を可能にするモジュール型で抽象的なフレームワークを提供する。

提案手法

• 三つの座標からなるフレームワークを提案する：(1) セキュリティ分類（脅威、脆弱性、攻撃、対策）、(2) CPSコンポーネントの種別（サイバー、物理、サイバー物理的）、(3) 代表的なCPSシステム（例：スマートグリッド、医療CPS、スマートカー）。
• 攻撃の発生源と影響を基に、サイバー攻撃、物理的攻撃、サイバー物理的攻撃に分類する。
• 産業制御システム、スマートグリッド、医療機器、スマートカーにおける実世界の脆弱性と攻撃を、具体的な例を用いて分析する。
• 形式的検証、アクセス制御、ファイアウォール、IDS、安全な通信プロトコルなどの既存の制御メカニズムを調査する。
• 車両のような動的環境での悪意ある行動を検出するために、状態に配慮したメッセージ検証を含むIDSにおける文脈認識を活用する。
• モデルベース設計と検証手法を統合し、COTSおよびサードパーティコンポーネント統合における仮定の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CPSセキュリティにおけるサイバー、物理、サイバー物理的コンポーネントの相互作用をモデル化する統一フレームワークは、どのように設計できるか？
• RQ2 異種のCPSコンポーネントにおける脆弱性の主な発生源は何か。また、それらはどのように利用可能な攻撃ベクトルを生じさせるか？
• RQ3 物理ドメイン（例：物理的攻撃）での攻撃がサイバードメインに伝播し、逆にサイバー攻撃が物理的ドメインに影響を与えるメカニズムは何か？
• RQ4 スマートグリッド、医療CPS、スマートカーにおける現在の制御メカニズムにおける主なセキュリティギャップは何か？
• RQ5 V2V/V2I通信を備えた自律走行車両のような新興CPSにおいて、新たに生じるセキュリティ課題は何か？

主な発見

• COTSおよびサードパーティ製品を含むコンポーネントの異種性が、攻撃表面を著しく拡大させ、CPSにおける安全な統合を複雑化する。
• スマートカーにおけるCANなどのレガシーコミュニケーションプロトコルは、認証機能と隔離機能が欠如しているため、本質的に脆弱であり、バイパス攻撃を可能にする。
• 信号の注入やセンサー偽装などの物理層攻撃は、直接的なネットワーク侵害がなくても、サイバー物理的システムに壊滅的障害を引き起こす可能性がある。
• ファイアウォールやIDSのような多くの既存の制御メカニズムは、リアルタイムCPSには性能のオーバーヘッドと文脈認識の欠如により、不十分である。
• 形式的検証とモデルベース設計は、サードパーティコンポーネント統合における仮定の妥当性を検証するのに有効であるが、実際の現場では未活用にとどまっている。
• V2VおよびV2I通信に起因する新たな脅威が自律走行車両において生じており、これに対応するための新しいプロトコルとランタイム監視ソリューションの開発が求められている。