[論文レビュー] MiniCPS: A toolkit for security research on CPS Networks

Daniele Antonioli, Nils Ole Tippenhauer|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2015

Software-Defined Networks and 5G参考文献 12被引用数 17

ひとこと要約

MiniCPS は、産業用プロトコル（例：Modbus/TCP、Ethernet/IP）と物理層インタラクションAPIをサポートする、軽量で Mininet ベースのシミュレーションツールキットであり、サイバー・フィジカルシステム（CPS）ネットワークのリアルタイムエミュレーションを可能にする。研究者は、MITM や DoS 攻撃などのネットワーク攻撃および防御を、再現可能で拡張可能な環境で、現実的な ICS ネットワーク構成に対してプロトタイプ化・テスト・検証できる。

ABSTRACT

In recent years, tremendous effort has been spent to modernizing communication infrastructure in Cyber-Physical Systems (CPS) such as Industrial Control Systems (ICS) and related Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) systems. While a great amount of research has been conducted on network security of office and home networks, recently the security of CPS and related systems has gained a lot of attention. Unfortunately, real-world CPS are often not open to security researchers, and as a result very few reference systems and topologies are available. In this work, we present MiniCPS, a CPS simulation toolbox intended to alleviate this problem. The goal of MiniCPS is to create an extensible, reproducible research environment targeted to communications and physical-layer interactions in CPS. MiniCPS builds on Mininet to provide lightweight real-time network emulation, and extends Mininet with tools to simulate typical CPS components such as programmable logic controllers, which use industrial protocols (Ethernet/IP, Modbus/TCP). In addition, MiniCPS defines a simple API to enable physical-layer interaction simulation. In this work, we demonstrate applications of MiniCPS in two example scenarios, and show how MiniCPS can be used to develop attacks and defenses that are directly applicable to real systems.

研究の動機と目的

• 産業制御システム（ICS）および CPS ネットワークのためのアクセス可能で再現可能かつ拡張可能なシミュレーション環境の不足に対処すること。
• 現実の通信および物理層インタラクションを反映する、安全でリアルタイムかつ拡張可能なプラットフォームを提供し、CPS ネットワークのエミュレーションを可能にすること。
• 研究者が、現実世界の ICS デプロイメントに直接適用可能なネットワーク攻撃および防御メカニズムを、直接開発・テスト・検証できるようにすること。
• CPS環境における動的ネットワーク制御およびインシデント検出のため、ソフトウェア定義ネットワーキング（SDN）との統合を支援すること。
• 共通のシミュレーションフレームワークを通じて CPS ネットワークトポロジーとコンponent動作を標準化し、共同作業と再現可能性を促進すること。

提案手法

• CPS ネットワークトポロジーの軽量でリアルタイムのエミュレーションを可能にするために、Mininet をコアのネットワークエミュレーションエンジンとして活用する。
• Modbus/TCP や Ethernet/IP（CIP）などの産業用プロトコルをネイティブにサポートするカスタム PLC シミュレーションモジュールを Mininet に拡張する。
• ネットワーク接続されたコンponentと物理的システム状態（例：流量、温度）とのインタラクションをモデル化する、シンプルで拡張可能な物理層APIを導入する。
• 1つの仮想化環境内で、ネットワークトラフィック、制御論理の実行、物理フィードバックループのエンド・ツー・エンドシミュレーションを可能にする。
• NOX などの SDN コントローラーとの統合をサポートし、セキュリティユースケース向けに動的フロールール制御およびポリシー強制を実装する。
• さらにカスタマイズや分析を可能にするために、標準的な Linux ツールおよび拡張可能なフレームワークとの統合を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現実の産業用プロトコル対応を備えた、軽量で再現可能かつ拡張可能な CPS ネットワークシミュレーション環境をどのように設計できるか？
• RQ2 ネットワークエミュレーションフレームワーク内で、物理層インタラクションをどの程度抽象化・シミュレートできるか、現実世界の CPS 動作を反映できるか？
• RQ3 MiniCPS のようなシミュレーションフレームワークは、現実世界のネットワーク攻撃（例：MITM、DoS）を効果的にモデル化・検証できるか？
• RQ4 CPS シミュレーション環境内において、SDN の原則をどのように応用することで、ネットワークベースの攻撃の動的検出および緩和が可能になるか？
• RQ5 Mininet ベースのエミュレーションを用いた ICS 特有のネットワークおよび制御論理シミュレーションにおいて、実用的制限およびパフォーランス特性は何か？

主な発見

• MiniCPS は、Modbus/TCP や Ethernet/IP などの産業用プロトコルをサポートする ICS ネットワークのリアルタイムエミュレーションを成功裏に実現し、ネットワークレベルのインタラクションを正確にシミュレートできる。
• 物理層APIにより、システム全体のフィードバックループのモデル化が可能となり、アクチュエータコマンドやセンサデータ改ざんなどのネットワークイベントに応じた物理的状態変化のシミュレーションが可能になった。
• フレームワークは、Ethernet/IP ベースの制御システムに対するマジック・イン・ザ・ミドル（MITM）攻撃のプロトタイプ化および検証に使用され、現実世界の攻撃表面に高い忠実度を示した。
• SDN ベースのコントローラーを MiniCPS に実装し、フロールールの強制と一貫した ARP キャッシュ状態の維持によって、MITM 攻撃の検出と防止が可能になった。
• SDN コントローラーで強力な静的プレマップ技術を用いることで、初期のネットワーク混雑を顕著に低減し、起動時のポリシー強制が高速化された。
• MiniCPS は Linux ツールとの統合により拡張性を備えており、研究チーム間で複雑な CPS ネットワークトポロジーを共有・再現するのに使用できる。