[논문 리뷰] Application of Cybernetics and Control Theory for a New Paradigm in Cybersecurity

Michael D. Adams, Seth Hitefield외 3명|arXiv (Cornell University)|2013. 11. 01.

Earth Systems and Cosmic Evolution참고 문헌 14인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 제어 이론, 피드백 루프 및 시스템 원리를 활용하여 사이버 공격 주기를 방해하는 비정적이고 시스템 이론 기반의 사이버보안 프레임워크를 제안한다. 가상화되고 복원 가능한 환경을 통해 시스템을 동적으로 예측 불가능하게 하고 자가 복구하도록 함으로써 지속적인 공격에 대한 내성을 확보하면서도 시스템의 안정성을 유지한다.

ABSTRACT

A significant limitation of current cyber security research and techniques is its reactive and applied nature. This leads to a continuous 'cyber cycle' of attackers scanning networks, developing exploits and attacking systems, with defenders detecting attacks, analyzing exploits and patching systems. This reactive nature leaves sensitive systems highly vulnerable to attack due to un-patched systems and undetected exploits. Some current research attempts to address this major limitation by introducing systems that implement moving target defense. However, these ideas are typically based on the intuition that a moving target defense will make it much harder for attackers to find and scan vulnerable systems, and not on theoretical mathematical foundations. The continuing lack of fundamental science and principles for developing more secure systems has drawn increased interest into establishing a 'science of cyber security'. This paper introduces the concept of using cybernetics, an interdisciplinary approach of control theory, systems theory, information theory and game theory applied to regulatory systems, as a foundational approach for developing cyber security principles. It explores potential applications of cybernetics to cyber security from a defensive perspective, while suggesting the potential use for offensive applications. Additionally, this paper introduces the fundamental principles for building non-stationary systems, which is a more general solution than moving target defenses. Lastly, the paper discusses related works concerning the limitations of moving target defense and one implementation based on non-stationary principles.

연구 동기 및 목표

• 공격 발생 후 알려진 취약성을 수정하는 데 의존하는 현재 사이버보안 연구의 수동적 성격을 해결한다.
• 직관에 기반한 이동 대상 방어의 한계를 이론적 시스템 이론 기반의 사이버네틱 원리로 극복한다.
• 시스템 이론, 제어 이론, 피드백 메커니즘을 바탕으로 사이버보안의 기초 과학을 수립한다.
• 공격자에게 본질적으로 예측 불가능하면서도 내부 안정성과 기능적 무결성을 유지하는 시스템을 가능하게 한다.
• 이동 대상 방어를 넘어선 일반화된 비정적 시스템 설계를 통해 더 강력한 내성을 확보한다.

제안 방법

• 제어 이론, 시스템 이론, 정보 이론, 게임 이론을 통합한 사이버네틱스를 사이버보안의 통합 프레임워크로 적용한다.
• 공격자가 안정적인 스캐닝 또는 공격 채널을 확립할 수 없도록 동적이고 비정적 행동을 갖는 시스템을 설계한다.
• 신뢰할 수 있는 네트워크에서 신뢰할 수 없는 액세스(예: 웹 브라우징)를 분리하기 위해 가상화되고 강화된 하이퍼바이저 환경을 구현한다.
• 이상 징후나 악성 행동을 감지할 경우 자동으로 깨끗한 상태로 복원되는 복원 가능한 가상 머신 아키텍처를 사용한다.
• 호스트와 게스트 시스템 간의 피드백 루프를 구축하여 위협을 실시간으로 모니터링하고 탐지하고 대응한다.
• 외부 요란에 비록 시스템 내부의 안정성을 확보하기 위해 입력을 제약하고 안정적이고 보안이 확보된 운영을 유지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 사이버네틱스 원리는 어떻게 본질적으로 더 내성적인 사이버보안 시스템을 설계하는 데 적용될 수 있는가?
• RQ2 비정적 성질이 공격자 탐색 및 공격 주기 방해에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 가상화 환경 내 피드백 메커니즘은 전통적인 패치 및 탐지 방식을 뛰어넘어 시스템 내성을 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 이론적 근거가 있는 비정적 시스템은 직관에 기반한 이동 대상 방어보다 어떻게 뛰어나게 성능을 발휘하는가?
• RQ5 공격자에게는 예측 불가능하고 사용자에게는 안정적인 보안 시스템을 구축하기 위한 이론적 기초는 무엇인가?

주요 결과

• 논리적 구성 및 상태가 끊임없이 변화하는 비정적 시스템은 정적 또는 단순히 이동하는 대상 시스템보다 공격자 방해에 더 효과적이다.
• 강화된 하이퍼바이저와 함께 복원 가능한 가상 게스트 환경을 사용하면 해킹으로 인한 복구가 자동으로 가능해져 악성 소프트웨어의 지속성 문제를 제거한다.
• 호스트와 게스트 시스템 간의 피드백 루프를 통해 이상 탐지 및 시스템 복원을 실시간으로 수행할 수 있어 내성이 향상된다.
• 신뢰할 수 있는 네트워크와 신뢰할 수 없는 환경 간의 직접적 통신을 차단함으로써 공격 표면이 감소한다.
• 사용자 인터페이스 작업을 호스트 시스템에서 분리함으로써 시스템 안정성을 유지하면서도 공격자에게는 예측 불가능성을 높일 수 있다.
• 이 접근 방식은 취약성을 제거하는 데서가 아니라, 동적이고 자가 조절되는 행동을 통해 공격의 실현 가능성을 없애는 방식으로 보안을 달성할 수 있음을 보여준다.