[論文レビュー] KYPO4INDUSTRY: A Testbed for Teaching Cybersecurity of Industrial Control Systems

Pavel Čeleda, Jan Vykopal+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 24, 2020

Experimental Learning in Engineering参考文献 24被引用数 12

ひとこと要約

KYPO4INDUSTRYは、コンピュータサイエンスの学生向けに、低コストでオープンソースの実験台と、逆転授業形式のコースを提供する。再構成可能なハードウェアモジュールと実践的なゲーム開発を活用し、学生は本物のサイバー攻撃をシミュレートすることで、ICS固有の脅威やインcidnet応答の実務的スキルを習得する。

ABSTRACT

There are different requirements on cybersecurity of industrial control systems and information technology systems. This fact exacerbates the global issue of hiring cybersecurity employees with relevant skills. In this paper, we present KYPO4INDUSTRY training facility and a course syllabus for beginner and intermediate computer science students to learn cybersecurity in a simulated industrial environment. The training facility is built using open-source hardware and software and provides reconfigurable modules of industrial control systems. The course uses a flipped classroom format with hands-on projects: the students create educational games that replicate real cyber attacks. Throughout the semester, they learn to understand the risks and gain capabilities to respond to cyber attacks that target industrial control systems. Our described experience from the design of the testbed and its usage can help any educator interested in teaching cybersecurity of cyber-physical systems.

研究の動機と目的

• インダストリアルコントロールシステム（ICS）におけるサイバーセキュリティ教育のギャップを解消すること。ICSはアーキテクチャやセキュリティニーズにおいて、従来のITシステムとは顕著に異なる。
• 市販部品を用いて、スケーラブルで安価かつ再構成可能な実験台を提供し、教育的目的で本物のICS環境を模擬する。
• 逆転授業形式を採用した大学レベルのコースを設計し、教育的サイバー攻撃シミュレーションゲームの作成を通じてICSセキュリティを教える。
• コンピュータサイエンスの学生が、ICS固有の脅威、PLCプログラミング、インcidnet対応の実務的スキルを習得し、重要なインフラを保護する役割に備えるようにする。
• 教育者に対して、再利用可能な実験台設計と、構造的でプロジェクトベースのシラバスを共有し、効果的なICSセキュリティ教育の実施を支援する。

提案手法

• Raspberry PiベースのPLC、センサ、アクチュエータ、I/Oモジュールを用いて、実際の産業制御プロセスを模擬するモジュラーでオープンソースの実験台「KYPO4INDUSTRY」を構築した。
• 市販ハードウェアとオープンソースソフトウェアを活用して実験台を構築し、低コスト、再構成可能、長期的な保守性を確保した。
• 学生が事前学習資料で基礎的知識を習得し、実践的なゲーム開発を通じて知識を応用する逆転授業形式を採用した。
• ゲームデザイン、PLCレベルでの実装、監視システムとの統合といった段階的なマイルストーンを設定し、本物のICS攻撃を模擬する教育的サイバー・ゲームの作成をコースの核とした。
• GitLabを用いたバージョン管理とバグレポートによるフィードバックループを統合し、ソフトウェア品質の向上と協働スキルの強化を図った。
• 公開のハッキングデーイベントを実施し、ゲームの検証、ICSセキュリティへの関心喚起、本物の環境でのテストと振り返りの機会を提供した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 教育的目的で本物の産業制御システムを模擬するにあたり、コスト効率が良く再構成可能な実験台をどのように設計できるか？
• RQ2 ゲームベースの学習を組み込んだ逆転授業形式は、ICS固有のサイバーセキュリティ脅威に対する学生の関与度と理解度をどの程度向上できるか？
• RQ3 学生が開発したサイバー・ゲームは、本物のICS攻撃を効果的に模擬できるか。また、脆弱性の特定や対応戦略の教育的ツールとしても有効であるか？
• RQ4 大学レベルのサイバーセキュリティカリキュラムにサイバー物理システムを統合するにあたり、主な課題は何か。また、モジュラー実験台と構造的教育法によってそれらの課題はどのように解決できるか？
• RQ5 ICS環境における実践的なゲーム開発は、従来のIT中心のサイバーセキュリティ教育に比べ、学生の技術的スキルとソフトスキルをどの程度向上させるか？

主な発見

• KYPO4INDUSTRY実験台は、10基の卓上型および6基の移動式制御パネルを含み、合計148台のRaspberry PiベースのPLCを効果的にサポートし、スケーラブルかつ再構成可能なICSシミュレーションを実現した。
• 学生は14の教育的サイバー・ゲームを開発し、ICS固有の脅威や攻撃ベクトルに対する実務的理解を示した。
• 逆転授業形式とゲームベースのプロジェクトにより、学生の関与度が高く維持された。同僚レビューとハッキングデーイベントにより、公的発表とフィードバックを通じた学習が促進された。
• GitLabを用いたバージョン管理と構造的なバグレポートにより、ソフトウェア品質と協働が向上。学生は同僚のゲームに対して実行可能なフィードバックを提出した。
• 本コースは、産業制御システム固有の運用的・セキュリティ的特性に焦点を当てることで、ITとICSセキュリティ教育のギャップを効果的に埋めた。
• 実験台とコース設計は再利用可能かつ拡張可能であり、オープンソースのコンponentsを活用することで、将来的なアップグレードや他の教育・訓練プログラムへの統合が可能である。