[논문 리뷰] Cyber-Physical Attacks on UAS Networks- Challenges and Open Research Problems

Vahid Behzadan|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 04.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 12인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 고속 이동성, 동적 네트워크 구조, 기계적, 계산적, 통신 서브시스템 간 상호작용으로 인해 UAS 네트워크에 존재하는 고유한 사이버-물리적 취약성을 규명한다. 특히 네트워크 구조 추론, 조작, 라우팅 공격을 방지하기 위해 지연 시간 랜덤화 및 가짜 전송과 같은 적응형, 분산형 방식의 방어 기법을 통해 이러한 공격에 대응하는 새로운 보안 과제와 열린 연구 문제를 제안한다.

ABSTRACT

Assignment of critical missions to unmanned aerial vehicles (UAV) is bound to widen the grounds for adversarial intentions in the cyber domain, potentially ranging from disruption of command and control links to capture and use of airborne nodes for kinetic attacks. Ensuring the security of electronic and communications in multi-UAV systems is of paramount importance for their safe and reliable integration with military and civilian airspaces. Over the past decade, this active field of research has produced many notable studies and novel proposals for attacks and mitigation techniques in UAV networks. Yet, the generic modeling of such networks as typical MANETs and isolated systems has left various vulnerabilities out of the investigative focus of the research community. This paper aims to emphasize on some of the critical challenges in securing UAV networks against attacks targeting vulnerabilities specific to such systems and their cyber-physical aspects.

연구 동기 및 목표

• 기존의 MANET 또는 WSN 모델링 방식으로는 간과되는 UAS 네트워크의 사이버-물리적 취약성을 규명하고 분석하는 것.
• UAV의 고속 이동성, 동적 네트워크 구조, 기계적-전자적 상호작용으로 인해 발생하는 고유한 과제를 부각하는 것.
• 네트워크 구조 추론, 조작, 라우팅 조작과 같은 새로운 위협에 대비해 UAS 네트워크를 보다 안전하게 만들기 위한 열린 연구 문제의 포괄적 목록을 제시하는 것.
• 고립된 네트워크 보안 모델에서 탈피하여 UAS 시스템에서 통합된 사이버-물리적 위협 모델링으로의 전환을 주장하는 것.

제안 방법

• 통신 링크를 물리계층, 링크계층, 네트워크계층으로 분해하여 UAS 네트워크 아키텍처를 분석함으로써 공격 표면을 규명한다.
• 시간 기반 네트워크 구조 추론 공격을 방해하기 위해 지연 시간 랜덤화 및 가짜 신호 전송 기법을 제안한다.
• 가짜 전송 전략을 네트워크 구조 제어에 통합하여 트래픽 분포의 인위적 동질성을 만들어내는 것을 권장한다.
• 간섭과 조작에 대한 복원성을 향상시키기 위해 동적 스펙트럼 접근(Dynamic Spectrum Access, DSA)을 적용한 적응형 무선 시스템의 실현 가능성을 평가한다.
• 위협적 요소에 의한 위치 정보 조작과 네트워크 구조 변화에 대비해 안전하고 저지연 라우팅 프로토콜의 필요성을 강조한다.
• 기계적 동역학, 센서 데이터, 네트워크 행동 간 상호작용을 고려한 다학제적 모델링의 중요성을 강조한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 UAS 네트워크의 고속 이동성과 동적 네트워크 구조는 기존의 MANET에 존재하지 않는 고유한 취약성을 어떻게 초래하는가?
• RQ2 지연 시간 랜덤화 또는 가짜 전송 방식이 고속 이동성 UAS 네트워크에서 네트워크 구조 추론 공격을 어느 정도 완화할 수 있는가?
• RQ3 실시간 UAS 네트워크에 가짜 전송 기반 방어 기법을 구현할 경우, 보안, 지연 시간, 오버헤드 사이의 상충 관계는 어떠한가?
• RQ4 위협적 요소에 의한 위치 정보 조작과 인위적 네트워크 구조 왜곡에 대비해 UAS 네트워크의 라우팅 프로토콜은 어떻게 보다 안전하게 설계할 수 있는가?
• RQ5 기계적, 계산적, 통신 서브시스템 간 상호의존성을 고려한 복원성 있고 사이버-물리적으로 안전한 UAS 네트워크 설계를 위한 핵심 열린 문제들은 무엇인가?

주요 결과

• UAS 네트워크는 기존 MANET 모델이 포착하지 못하는 고속 이동성, 급격한 네트워크 구조 변화, 기계적-전자적 상호작용으로 인해 고유한 취약성을 나타낸다.
• 낮은 지연 요구 조건과 예측 가능한 전송 패턴으로 인해 시간 분석 기반 네트워크 구조 추론 공격이 UAS 네트워크에서 실현 가능하다.
• UAS 네트워크의 엄격한 지연 제약로 인해 지연 시간 랜덤화 기법은 단독 방어 수단으로서의 효과가 떨어진다.
• 가짜 신호 전송은 지연 시간 랜덤화의 유망한 대안이지만, 네트워크 구조 제어 및 에너지 효율성과의 최적 통합을 위한 추가 연구가 필요하다.
• UAS 네트워크를 위한 많은 제안된 라우팅 메커니즘은 전역 위치 정보에 의존하므로 스푸핑 공격과 센서 데이터 조작에 취약하다.
• 특히 오버헤드와 실시간 적응 가능성 측면에서 제안된 보안 대응 조치에 대한 종합적인 실현 가능성 및 성능 분석의 부족이 심각한 문제로 지적된다.