[논문 리뷰] Flip the Cloud: Cyber-Physical Signaling Games in the Presence of Advanced Persistent Threats

Jeffrey Pawlick, Sadegh Farhang외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 02.

Smart Grid Security and Resilience참고 문헌 7인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 고도로 정교한 지속 공격(Advanced Persistent Threats, APTs) 하에서 클라우드에 연결된 사이버-물리 시스템을 보호하기 위한 새로운 게임 이론적 프레임워크를 제안한다. 클라우드와 장치 간의 신호 전달 게임과 클라우드 권한 탈취를 위한 FlipIt 게임을 결합하여, 신뢰 결정보다 제어권 다툼의 상호의존성을 반영하는 새로운 균형 개념인 Gestalt 균형을 도입한다. 주요 기여는 잠재적으로 손상된 클라우드로부터의 명령을 수용할지 거부할지 결정할 수 있는 통합된 솔루션을 제공하는 것으로, 무인 차량 제어 사례에서 이를 입증한다.

ABSTRACT

Access to the cloud has the potential to provide scalable and cost effective enhancements of physical devices through the use of advanced computational processes run on apparently limitless cyber infrastructure. On the other hand, cyber-physical systems and cloud-controlled devices are subject to numerous design challenges; among them is that of security. In particular, recent advances in adversary technology pose Advanced Persistent Threats (APTs) which may stealthily and completely compromise a cyber system. In this paper, we design a framework for the security of cloud-based systems that specifies when a device should trust commands from the cloud which may be compromised. This interaction can be considered as a game between three players: a cloud defender/administrator, an attacker, and a device. We use traditional signaling games to model the interaction between the cloud and the device, and we use the recently proposed FlipIt game to model the struggle between the defender and attacker for control of the cloud. Because attacks upon the cloud can occur without knowledge of the defender, we assume that strategies in both games are picked according to prior commitment. This framework requires a new equilibrium concept, which we call Gestalt Equilibrium, a fixed-point that expresses the interdependence of the signaling and FlipIt games. We present the solution to this fixed-point problem under certain parameter cases, and illustrate an example application of cloud control of an unmanned vehicle. Our results contribute to the growing understanding of cloud-controlled systems.

연구 동기 및 목표

• 고도의 정교한 지속 공격(Advanced Persistent Threats, APTs)으로 인해 침묵적으로 손상될 수 있는 클라우드에 연결된 사이버-물리 시스템을 보호하는 데 도전하는 것.
• 잠재적으로 악성 클라우드 관리자로부터 온 명령을 수용할지 거부할지 결정하는 장치의 의사결정 과정을 모델링하는 것.
• 클라우드 권한 탈취 동역학(FlipIt)과 장치의 신뢰 신호 전달(신호 전달 게임)을 결합한 통합된 게임 이론적 모델을 개발하는 것.
• 이전에 전략을 약속한 상황에서 두 게임 간의 순환적 의존성을 해결할 수 있는 새로운 균형 개념인 Gestalt 균형을 정의하는 것.
• 무인 차량 제어 사례 연구를 통해 프레임워크의 적용 가능성을 입증하는 것.

제안 방법

• 클라우드 권한 탈취 과정을 FlipIt 게임으로 모델링하여, 방어자와 공격자가 비용을 지불하면서 번갈아가며 클라우드를 장악하는 방식으로 구현한다.
• 클라우드와 장치 간의 상호작용을 신호 전달 게임으로 모델링하여, 장치가 관측한 신호에 따라 클라우드 명령을 신뢰할지 여부를 결정한다.
• 두 게임을 이전 약속 하에 통합하여, 상대방의 움직임을 알지 못한 채 전략을 선택함으로써 순환적 의존성이 발생하도록 설정한다.
• Gestalt 균형을 정의하여, 신호 전달 게임의 균형 전략을 FlipIt 게임의 제어 확률에 매핑하는 고정점 해를 도출한다.
• 차량의 자체 제어 신호에서 크게 벗어나면 '고위험'으로 분류하는 차이 임계값 τ를 사용한다.
• 무인 차량의 동역학을 선형화한 모델에 프레임워크를 적용하여, 클라우드 신뢰 제어와 자율 제어 상황에서의 성능을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떤 조건에서 장치는 APT로 인해 손상될 수 있는 클라우드로부터의 명령을 최적의 방식으로 수용하거나 거부하는가?
• RQ2 FlipIt 게임에서 방어자와 공격자의 전략이 클라우드와 장치 간의 신호 전달 게임 균형에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 전략이 사전에 약속된 상황에서, 신호 전달 게임과 FlipIt 게임 간의 순환적 의존성을 해결하기 위해 필요한 균형 개념은 무엇인가?
• RQ4 고위험 명령 탐지에 사용되는 임계값 τ가 장치의 신뢰 결정과 시스템 안정성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 제안된 프레임워크는 클라우드 제어 하에서의 무인 차량과 같은 실제 사이버-물리 시스템에 적용될 수 있는가?

주요 결과

• Gestalt 균형은 신호 전달 게임의 균형 전략을 FlipIt 게임의 제어 확률에 매핑하는 고정점 해로 정의되며, 두 게임 간의 상호의존성을 해결한다.
• 사례 연구에서 장치는 임계값 τ를 초과해 벗어나는 고위험 클라우드 명령을 거부함으로써 자체 차량 내장 제어 시스템에 의존함으로써 이점을 얻는다.
• 무인 차량의 폐쇄 루프 동역학은 클라우드 제어와 자율 제어 모두에서 안정화되며, 클라우드가 손상된 경우 후자가 더 강건성을 확보한다.
• 프레임워크는 클라우드 접근으로 인한 성능 향상과 악성 명령의 위험 사이에서 장치가 지능적으로 균형을 이루도록 가능하게 한다. 특히 도용성이 높은 APT 상황에서 유용하다.
• 특정 매개변수 영역에서의 해를 분석한 결과, 장치의 최적 전략은 공격 비용과 복구 비용의 상대적 비용, 그리고 명령 이격 임계값 τ에 따라 달라진다.
• Gestalt 균형이 존재하고 계산 가능한 조건을 규명하여, 향후 학습 기반 수렴 알고리즘의 기초를 마련한다.