[論文レビュー] Dynamic Watermarking: Active Defense of Networked Cyber-Physical Systems

Bharadwaj Satchidanandan, P. R. Kumar|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2016

Smart Grid Security and Resilience参考文献 32被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、アクチュエータが制御ループに個人用の励起信号を注入することで、悪意あるセンサ改ざんを検出する動的ウォーターマーキングを、ネットワーク化されたサイバープラジカルシステム（CPS）の能動的防御機構として提案する。センサ測定値の統計的整合性を期待されるウォーターマーキング信号と照合することで、実時間での攻撃検出が可能となり、高い信頼性を示す。第二階のARXプラントのシミュレーションでは、攻撃が発生してから5000時間ステップ以内に検出され、誤報率が低かった。

ABSTRACT

The coming decades may see the large scale deployment of networked cyber-physical systems to address global needs in areas such as energy, water, healthcare, and transportation. However, as recent events have shown, such systems are vulnerable to cyber attacks. Being safety critical, their disruption or misbehavior can cause economic losses or injuries and loss of life. It is therefore important to secure such networked cyber-physical systems against attacks. In the absence of credible security guarantees, there will be resistance to the proliferation of cyber-physical systems, which are much needed to meet global needs in critical infrastructures and services. This paper addresses the problem of secure control of networked cyber-physical systems. This problem is different from the problem of securing the communication network, since cyber-physical systems at their very essence need sensors and actuators that interface with the physical plant, and malicious agents may tamper with sensors or actuators, as recent attacks have shown. We consider physical plants that are being controlled by multiple actuators and sensors communicating over a network, where some sensors could be "malicious," meaning that they may not report the measurements that they observe. We address a general technique by which the actuators can detect the actions of malicious sensors in the system, and disable closed-loop control based on their information. This technique, called "watermarking," employs the technique of actuators injecting private excitation into the system which will reveal malicious tampering with signals. We show how such an active defense can be used to secure networked systems of sensors and actuators.

研究の動機と目的

• 従来のネットワークセキュリティでは回避される、インサイダー攻撃およびセンサベースのサイバー攻撃から、安全を確保する必要がある、安全に重要なサイバープラジカルシステム（CPS）を保護するという、極めて重要な課題に取り組むこと。
• 受動的ネットワークセキュリティの限界を克服するため、センサとアクチュエータが物理的プラントと直接接続する物理層の整合性に焦点を当てる。
• 暗号鍵や攻撃パターンの事前知識に依存せずに、悪意あるセンサ行動の検出が可能な汎用的で能動的な防御機構を開発すること。
• アクチュエータが埋め込まれた個人用の励起信号を通じて、センサ測定値の真正性を検証できる仕組みを提供し、CPSにおける安全な制御を実現すること。
• スタクスネットやマルーイ・シャーイの攻撃のように、攻撃者がセンサデータを操作して検知を回避するような、静かで隠れた攻撃を検出するための実用的でスケーラブルなソリューションを提供すること。

提案手法

• 本手法は、アクチュエータが制御入力に、制御者およびアクチュエータにのみ知られている、非再帰的な励起信号を注入することで、動的ウォーターマーキングを導入する。
• プラントは安定なARXプロセスとしてモデル化され、アクチュエータはフィードバックと個人用の励起信号を併用した制御入力を適用する。
• 最近の観測値の負の対数尤度を用いた逐次仮説検定が適用され、正常動作下での期待される分布と照合される。
• 尤度関数は、最近の測定値のスライディングウインドウ上で計算され、所定のしきい値を超えた場合、センサ改ざんの兆候としてアラームが発動する。
• ウォーターマーキング信号は、プロセスノイズとは統計的に区別可能に設計されており、攻撃者がノイズを推定し相関させても検出可能である。
• 本手法は物理信号の意味的整合性を利用する：悪意ある報告による期待される信号挙動のずれは、ウォーターマーキング信号の統計的パターンを破壊する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 暗号認証に依存せずに、ネットワーク化されたCPSにおける悪意あるセンサ改ざんを、能動的防御機構が検出可能か。
• RQ2 制御ループに個人用の励起信号をどのように注入すれば、センサ操作の検出を可能にしつつ、システムの安定性を維持できるか。
• RQ3 プロセスノイズを推定し、またはセンサデータをリプレイするなど、通常のシステム動作を模倣する攻撃を、動的ウォーターマーキングがどの程度検出可能か。
• RQ4 どの統計的検定が、センサ改ざんによる期待される信号挙動のずれを、誤報率を低く抑えて信頼性高く検出できるか。
• RQ5 最小位相ARXシステムに限らず、非線形および高次のプラントにも本手法を一般化できるか。

主な発見

• 第二階のARXプラントにおいて、時間ステップ4500で開始されたセンサ攻撃を、動的ウォーターマーキング技術が正常に検出。攻撃発生後、負の対数尤度関数が著しく上昇した。
• 攻撃パターンの事前知識がなくても、攻撃者がプロセスノイズを推定し相関させても検出が可能であることが確認された。
• 正常動作時における尤度関数は許容範囲内に保たれ、悪意のない状態でも誤報率が低いことが示された。
• 特に相関ノイズと観測可能性が限られたシステムにおいて、従来の検出アルゴリズムでは検出できない攻撃を効果的に検出できる。
• シミュレーション結果から、プラントが最小位相であり、事前等化器が安定性を保証しているため、制御入力にウォーターマーキング信号を埋め込むことでシステムが不安定化しないことが確認された。
• 本手法は、電力系統、輸送システム、産業制御システムなどの、安全を要するCPSにリアルタイムで導入可能な、スケーラブルで暗号に依存しない防御機構を提供する。