[論文レビュー] Cybersecurity Dynamics: A Foundation for the Science of Cybersecurity

Shouhuai Xu|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2020

Information and Cyber Security被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、攻撃・防御の相互作用によって駆動されるグローバルなサイバーセキュリティ状態の動的進化を通じて、サイバーセキュリティをモデル化・分析・定量的に評価する包括的フレームワークとして「サイバーセキュリティダイナミクス」を提唱する。3つのコアな柱—サイバーセキュリティメトリクス、第一原理的モデリング、データ分析—を確立することで、定量的サイバーセキュリティ意思決定における記述的・規定的・予測的機能を実現する。

ABSTRACT

Cybersecurity Dynamics is new concept that aims to achieve the modeling, analysis, quantification, and management of cybersecurity from a holistic perspective, rather than from a building-blocks perspective. It is centered at modeling and analyzing the attack-defense interactions in cyberspace, which cause a ``natural'' phenomenon -- the evolution of the global cybersecurity state. In this Chapter, we systematically introduce and review the Cybersecurity Dynamics foundation for the Science of Cybersecurity. We review the core concepts, technical approaches, research axes, and results that have been obtained in this endeavor. We outline a research roadmap towards the ultimate research goal, including a systematic set of technical barriers.

研究の動機と目的

• サイバーセキュリティの科学的基盤を確立し、個別の構築ブロック技術にとどまらず、ネットワークセキュリティの体系的かつ動的Understandingへと進化させること。
• 人為的攻撃・防御の相互作用によって生じるグローバルなサイバーセキュリティ状態のリアルタイム進化をモデル化するための統一フレームワークの欠如に応えること。
• 体系的なメトリクス、第一原理的モデル、データ駆動の検証を通じて、定量的サイバーセキュリティ意思決定を可能にすること。
• 攻撃グラフ や 疫学的モデル といった従来のアプローチの限界を克服し、適応的・予防的・能動的防御ダイナミクスを統合すること。
• メトリクス、モデリング、データ分析に中心を置いた三本立ての研究フレームワークを通じて、包括的サイバーセキュリティの科学の基盤を築くこと。

提案手法

• 不可分な単位（例：コンピュータやソフトウェアコンポonent）を「アトム」として定義し、包括的モデリングの基本抽象化層として採用するモデル解像度フレームワークを提案する。
• 予防的・反応的・適応的・予防的の4種類のサイバーセキュリティダイナミクスを導入し、進化する脅威に応じた異なる戦略的ポジショニングを反映する。
• 生物学的疫学モデル、相互作用粒子系、マクロ経済学的基礎を応用し、時間経過に伴うグローバルなサイバーセキュリティ状態の確率的進化をモデル化する。
• ネットワーク構成、脆弱性、防御ポジション、脅威モデル、状況認識を記述するための体系的サイバーセキュリティメトリクスのセットを構築する。
• データ分析を統合し、モデルのパラメータ抽出と第一原理モデルの検証・否定を可能にし、理論と実証観察の間でフィードバックループを形成する。
• メトリクス、第一原理的モデリング、データ分析が相互に依存し合い、互いに補完する三本立ての研究フレームワークを確立する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グローバルなサイバーセキュリティ状態は、攻撃・防御の相互作用によって駆動される動的進化として、どのように体系的にモデル化され、定量的に評価できるか？
• RQ2 サイバーセキュリティ状態の進化を支配する根本的法則は何か？ そしてこれらは第一原理からどのように導出可能か？
• RQ3 構成、脆弱性、脅威、防御ポジションを記述するためのサイバーセキュリティメトリクスは、どのように体系的に開発できるか？
• RQ4 データ分析は、サイバーセキュリティダイナミクスの第一原理モデルのパrameter化と検証に、どのように寄与するか？
• RQ5 メトリクス、モデリング、データ分析の統合は、サイバーセキュリティ防御における予測的・規定的・記述的機能をどのように実現するか？

主な発見

• サイバーセキュリティダイナミクスは、攻撃・防御の相互作用によって生じるグローバルなサイバーセキュリティ状態の進化をモデル化する包括的かつ体系的なフレームワークを提供し、リアルタイムの状況認識を可能にする。
• このフレームワークにより、結果として得られるグローバルなサイバーセキュリティ状態に与える影響を測定することで、防御ポジションの定量的比較が可能になる。
• 疫学的モデル や 粒子系 にインspiredされた第一原理的モデルは、時間経過に伴うサイバーセキュリティ状態の確率的進化を記述でき、予測的・規定的機能を提供する。
• データ分析と第一原理的モデリングの統合により、パラメータ抽出とモデル検証が可能となり、理論と実証観察の間の閉ループが閉じられる。
• 本フレームワークは、攻撃グラフが静的攻撃パスの列挙にとどまるのに対し、時間的ダイナミクスをモデル化する点で差別化される。 また、従来の疫学的モデルとは異なり、能動的防御メカニズムを統合している点でも特徴的である。
• 研究ロードマップは、モデルの抽象化、パラメータ化、スケーラビリティといった主要な技術的障壁を特定しており、成熟したサイバーセキュリティの科学を実現するにはこれらを克服する必要がある。