[論文レビュー] Identifying Security-Critical Cyber-Physical Components in Industrial Control Systems

Martín Barrère, Chris Hankin+3 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2019

Smart Grid Security and Resilience参考文献 26被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、工業制御システム（ICS）のセキュリティメトリクスを新たに提案し、AND/ORグラフモデルと重み付き部分MAX-SAT最適化を用いて、サイバー物理的要因としての重要なコンポonentを同定する。この手法により、システム運用を停止させる最小コストの攻撃セットを効率的に計算でき、数千ノード規模のシステムでも秒単位でスケーリング可能であり、実際の水輸送ネットワークを用いた事例研究でも検証された。

ABSTRACT

In recent years, Industrial Control Systems (ICS) have become an appealing target for cyber attacks, having massive destructive consequences. Security metrics are therefore essential to assess their security posture. In this paper, we present a novel ICS security metric based on AND/OR graphs that represent cyber-physical dependencies among network components. Our metric is able to efficiently identify sets of critical cyber-physical components, with minimal cost for an attacker, such that if compromised, the system would enter into a non-operational state. We address this problem by efficiently transforming the input AND/OR graph-based model into a weighted logical formula that is then used to build and solve a Weighted Partial MAX-SAT problem. Our tool, META4ICS, leverages state-of-the-art techniques from the field of logical satisfiability optimisation in order to achieve efficient computation times. Our experimental results indicate that the proposed security metric can efficiently scale to networks with thousands of nodes and be computed in seconds. In addition, we present a case study where we have used our system to analyse the security posture of a realistic water transport network. We discuss our findings on the plant as well as further security applications of our metric.

研究の動機と目的

• 工業制御システム（ICS）に対するサイバー攻撃の増加する脅威に対処し、重要なインfraストラクチャで深刻な障害が発生するのを防ぐため。
• システム運用を停止させるために攻撃者が侵害しなければならないコンポonentの最小コスト集合を特定する、スケーラブルで効率的なセキュリティメトリクスを開発するため。
• ICSにおける複雑なサイバー物理的依存関係をAND/ORグラフでモデル化し、最適化に使用可能な論理式に変換するため。
• 攻撃者による攻撃コストと是正予算を統合したコスト関数に組み込み、セキュリティ優先順位付けを支援するため。
• プロトタイプツール（META4ICS）を用いた実用的導入を可能とし、実世界の水道配給ネットワークを対象にした検証を実施するため。

提案手法

• ICSのコンポonent依存関係を表すAND/ORグラフを、ターゲットノードが正常に稼働し続けることを保証する同等の論理式に変換する。
• 充足可能性最適化に使用するため、論理式を連言標準形（CNF）に変換するためのTseitin変換を適用する。
• 論理式の節がシステムの依存関係を表し、重みがコンポonentの侵害コストを反映するように、重み付き部分MAX-SAT問題を構築する。
• MAX-SAT問題を解き、ターゲットノードを無効化するための最小重量の頂点カット（ノード集合）を計算する。この集合は、最もコスト効果の良い攻撃経路を表す。
• 攻撃者による侵害コストと是正予算の両方を組み込んだコスト関数を拡張し、重み付き線形結合を用いる：$\varphi'_{\alpha,\beta}(n) = \alpha \cdot \varphi(n) + \beta \cdot \gamma(n)$。
• 複数の最小コスト解が存在する場合に、ノード数が少ない解を優先するためのタイブレーカー・アルゴリズムを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ICSにおいて、システム全体の運用不能を引き起こすために攻撃者が侵害しなければならないサイバー物理的コンポonentの最小コスト集合は何か？
• RQ2 攻撃者によるコストと是正予算を統合的にモデル化することで、ハードニングの優先順位をどのようにつけることができるか？
• RQ3 提案されたメトリクスは、数千ノード規模の大きなICSネットワークに対しても、効率的にスケーリング可能か？
• RQ4 本メトリクスは、水道配給システムなどの実世界のICSインフラにおいて、重要なコンポonentを効果的に同定できるか？
• RQ5 部分的侵害や誤った信号の影響は、コンポonentの重要度とシステムのレジリエンスにどのような意味を持つのか？

主な発見

• 提案されたセキュリティメトリクスは、META4ICSプロトタイプを用いて数千ノード規模のICSネットワークにスケーリング可能であり、結果の計算を秒単位で実行できる。
• 実際の水輸送ネットワークを対象とした事例研究により、システム可用性に顕著な影響を与える特定のコンポonentと攻撃経路が同定され、的確なハードニングが可能となった。
• 攻撃者による侵害コストと是正予算をコスト関数に統合することで、バランスの取れたセキュリティ優先順位付けが可能となり、係数$\alpha$と$\beta$による調整が可能である。
• AND/ORグラフによる依存関係のモデル化と、最先端のMAX-SATソルバを用いた最適化により、最小コストの攻撃セットを効果的に同定できた。
• 本アプローチは、インcidnet応答や原因究明分析など、セキュリティ分析の多様な応用分野にも対応可能であることが示された。
• 本研究では、冗長性の追加がレジリエンスを向上させる一方で、攻撃表面を拡大する可能性があることが明らかになった。これにより、対策設計においてPareto最適性の分析が不可欠であることが示唆された。