[논문 리뷰] dr0wned - Cyber-Physical Attack with Additive Manufacturing

Sofia Belikovetsky, Mark Yampolskiy외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 01.

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security참고 문헌 17인용 수 38

한 줄 요약

이 논문은 추가 제조(Additive Manufacturing, AM)를 악용한 최초의 엔드 투 엔드 사이버-물리적 공격를 제시한다. 악성 행위자가 3D 프린팅된 멀티콥터 프로펠러의 디지털 블루프린트를 사이버 공격으로 악용하여 비행 중 물리적 고장을 유도한다. 공격 체인은 소프트웨어 수준에서 AM 설계를 조작할 경우 치명적인 하드웨어 고장으로 이어질 수 있음을 입증하며, 실제 무인 항공기(UAV)의 추락을 통해 검증되었다.

ABSTRACT

Additive manufacturing (AM), or 3D printing, is an emerging manufacturing technology that is expected to have far-reaching socioeconomic, environmental, and geopolitical implications. As use of this technology increases, it will become more common to produce functional parts, including components for safety-critical systems. AM's dependence on computerization raises the concern that the manufactured part's quality can be compromised by sabotage. This paper demonstrates the validity of this concern, as we present the very first full chain of attack involving AM, beginning with a cyber attack aimed at compromising a benign AM component, continuing with malicious modification of a manufactured object's blueprint, leading to the sabotage of the manufactured functional part, and resulting in the physical destruction of a cyber-physical system that employs this part. The contributions of this paper are as follows. We propose a systematic approach to identify opportunities for an attack involving AM that enables an adversary to achieve his/her goals. Then we propose a methodology to assess the level of difficulty of an attack, thus enabling differentiation between possible attack chains. Finally, to demonstrate the experimental proof for the entire attack chain, we sabotage the 3D printed propeller of a quadcopter UAV, causing the quadcopter to literally fall from the sky.

연구 동기 및 목표

• 추가 제조를 이용한 완전한 사이버-물리적 공격 체인의 실현 가능성을 조사하기 위해.
• 기능 부품의 기능을 손상시킬 수 있는 악성 수정이 발생할 수 있는 AM 파이프라인 내의 취약점을 규명하기 위해.
• 유사한 공격의 어려움과 영향을 체계적으로 평가하기 위한 방법론을 개발하기 위해.
• 3D 프린팅된 UAV 부품에 대한 실세계 개념 증명 공격을 수행하여 물리적 시스템 고장을 유도하기 위해.

제안 방법

• 추가 제조 파이프라인 내 공격 표면을 식별하기 위한 체계적 프레임워크를 제안하기 위해.
• 접근점과 시스템 제약 조건을 기반으로 잠재적 공격 체인의 기술적 난이도를 평가할 수 있는 방법론을 개발하기 위해.
• 멀티콥터 프로펠러의 디지털 블루프린트를 수정하여 구조적 취약성을 도입하기 위해 실세계 실험을 수행하기 위해.
• 악성 수정이 가해진 프로펠러를 3D 프린팅하여 비행 테스트를 수행하기 위해.
• 손상된 부품으로 인해 발생한 UAV의 물리적 고장을 비행 중 모니터링하고 기록하기 위해.
• 고장 메커니즘을 분석하여 악성 수정이 디지털 설계에서 유래했음을 확인하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3D 프린팅 부품의 디지털 블루프린트를 대상으로 한 사이버 공격가 기능 시스템의 물리적 고장을 유도할 수 있는가?
• RQ2 이러한 공격를 가능하게 하는 추가 제조 파이프라인의 핵심 단계와 취약점은 무엇인가?
• RQ3 이러한 공격의 실현 가능성과 난이도를 어떻게 체계적으로 평가하고 차별화할 수 있는가?
• RQ4 악성 수정된 AM 부품이 물리적 고장 발생 시까지 얼마나 오랫동안 감지되지 않을 수 있는가?
• RQ5 이러한 공격가 안전 중심의 사이버-물리적 시스템에 실질적인 영향을 미치는가?

주요 결과

• 악성으로 수정된 설계를 가진 3D 프린팅 프로펠러로 인해 멀티콥터 UAV가 비행 중 추락했다.
• 악성 수정은 디지털 블루프린트 단계에서 도입되었으며, 표준 3D 프린팅 및 점검 절차 동안 감지되지 않았다.
• 비행 중 프로펠러 파손을 유도한 주요 원인은 중요한 응력 지점에서 20% 감소한 구조적 강성 때문이었다.
• 공격 체인은 디지털 조작을 통해 물리적 결과를 완전히 제어할 수 있음을 입증하며, 사이버-물리적 위협 모델을 검증했다.
• 개발된 방법론은 AM 기반 시스템에서 유사한 공격 벡터를 체계적으로 식별하고 평가할 수 있게 하였다.
• 실험을 통해 3D 프린팅 부품에 대한 소규모이지만 정밀한 변경만으로도 치명적인 시스템 고장이 발생할 수 있음을 확인했다.