[논문 리뷰] CoRT: A Communication Robustness Testbed for Industrial Control System Components

Matthias Niedermaier, Alexander von Bodisco외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 08.

Smart Grid Security and Resilience참고 문헌 3인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 네트워크 기반 공격 하에서 PLC 및 HMI와 같은 산업제어시스템(ICS) 구성 요소의 통신 내성에 대한 평가를 위한 전용 테스트베드인 CoRT를 제시한다. 네트워크 모니터링, 논리 분석기를 통한 전기적 출력 추적, 자동화된 테스트 시퀀스를 통합함으로써 CoRT는 반복 가능하고 안전하며 측정 가능한 방식으로 네트워크 이상 상태가 제어 행동에 미치는 영향을 평가할 수 있게 하여, 산업 시스템의 보안을 위한 핵심 연구 기반을 제공한다.

ABSTRACT

The number of interconnected devices is growing constantly due to rapid digitalization, thus providing attackers with a larger attack surface. Particularly in critical infrastructures and manufacturing, where processes can be observed and controlled remotely, successful attacks could lead to high costs and damage. Therefore, it is necessary to investigate Industrial Control System (ICS) devices like Programmable Logic Controllers (PLCs) to make these sectors more secure. One possible attack vector is the exploitation of the network communication of devices. Thus, a robust communication system is essential to ensure security. Unfortunately, the high demand for real-world ICSs makes it difficult to assess component security during its runtime. However, this is possible in a research testbed where tests could be done and analyzed in a safe environment. In this paper, we introduce our testbed and measurement methods for communication robustness test research of ICS components.

연구 동기 및 목표

• 디지털화와 네트워크 연결성 증가로 인해 증가하는 산업제어시스템의 공격 표면을 해결하기 위해.
• 실제 생산 시스템에 영향을 주지 않고 ICS 구성 요소의 내성에 대한 안전하고 반복 가능한 테스트를 가능하게 하기 위해.
• 네트워크 통신 장애 또는 악성 트래픽이 ICS 장치의 제어 행동에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 산업 구성 요소의 통신 내성 평가를 위한 표준화되고 자동화된 테스트 환경을 제공하기 위해.
• 특히 전용 및 산업용 네트워크 프로토콜에서의 프로토콜 특화 취약점을 연구하기 위해.

제안 방법

• 테스트베드는 테스트 중인 장치(DuTs)를 포함한 PLC, HMI, 버스 커퍼 등이 장착된 두 대의 锁정 가능하고 이동 가능한 랙을 사용하며, 산업용 EN 50022 레일에 고정된다.
• DuT의 전기적 출력은 최대 100MHz 샘플링을 지원하는 커스터마이즈된 BeagleBone Green 기반 논리 분석기를 통해 모니터링되어 제어 신호의 안정성을 측정한다.
• 네트워크 트래픽은 전용 가상 머신을 사용해 실시간으로 캡처되며, 측정, 프로그래밍, 공격 시뮬레이션을 위한 별도의 가상 머신을 운영하여 간섭을 방지한다.
• 공격 중 동안 네트워크 가용성은 지속적으로 모니터링되어 장치의 반응성과 내성 수준을 평가한다.
• 테스트베드는 표준 프로토콜(FTP, SSH, HTTP 등)과 산업용 프로토콜(Modbus/TCP, BACnet/IP, Ethernet/IP 등) 및 전용 프로토콜(S7comm, Phoenix, ABB 등)을 모두 지원한다.
• 테스트 시퀀스는 자동 전원 재시작, 공격 전 대기 상태 모니터링, 활성 공격 단계, 공격 후 복구 점검을 포함하며, 결과는 기록되고 시각화된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 네트워크 기반 공격이 ICS 구성 요소의 통신 내성과 제어 행동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 표준 및 전용 산업 프로토콜이 네트워크 스트레스 또는 악성 트래픽에 노출되었을 때 얼마나 취약한가?
• RQ3 PLC의 전기적 출력 신호를 신뢰성 있게 모니터링하고 네트워크 이상과 연관지켜 제어 시스템의 열화를 탐지할 수 있는가?
• RQ4 이 테스트베드는 ICS 구성 요소 내성에 대한 반복 가능하고 안전하며 자동화된 평가를 얼마나 효과적으로 지원하는가?
• RQ5 DoS 공격 또는 손상된 네트워크 패킷에 노출된 후 ICS 장치에서 관찰되는 행동적 변화는 무엇인가?

주요 결과

• 네트워크 트래픽은 ICS 장치의 행동에 상당한 영향을 미치며, 공격 중 제어 신호의 안정성에 명백한 교란이 관찰된다.
• 테스트베드는 네트워크 트래픽을 성공적으로 캡처하고 장치의 가용성을 모니터링하며 전기적 출력을 실시간으로 기록하여 종합적 분석이 가능하다.
• 전용 측정용 가상 머신을 사용함으로써 고부하 공격 도구가 데이터 수집 또는 모니터링에 간섭하지 않음을 보장한다.
• 커스텀 PCB 기반 논리 분석기의 통합은 최대 100MHz의 고주파 샘플링을 가능하게 하여 제어 신호 이상을 정밀하게 탐지할 수 있다.
• 테스트베드는 단일 장치 테스트뿐 아니라 랙 전체의 테스트를 지원하여 여러 구성 요소 간의 통신 내성에 대한 탄력적인 검증이 가능하다.
• 초기 결과는 제어 시스템의 통신 내성 테스트가 통제된 안전한 환경에서 실현 가능하고 효과적임을 확인하였으며, 향후 취약점 발견 및 강화 노력에 기여할 수 있다.