[논문 리뷰] KYPO4INDUSTRY: A Testbed for Teaching Cybersecurity of Industrial Control Systems

Pavel Čeleda, Jan Vykopal외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 24.

Experimental Learning in Engineering참고 문헌 24인용 수 12

한 줄 요약

KYPO4INDUSTRY는 컴퓨터 과학 학부생들을 대상으로 산업 제어 시스템(ICS) 사이버보안을 교육하기 위한 저비용, 오픈소스 테스트베드와 뒤집힌 수업 모델의 과정을 제안한다. 재구성 가능한 하드웨어 모듈과 실습 기반 게임 개발을 통해 학생들은 실제 사이버 공격을 시뮬레이션하며 ICS 전용 위협과 사고 대응 기술을 실천적으로 습득한다.

ABSTRACT

There are different requirements on cybersecurity of industrial control systems and information technology systems. This fact exacerbates the global issue of hiring cybersecurity employees with relevant skills. In this paper, we present KYPO4INDUSTRY training facility and a course syllabus for beginner and intermediate computer science students to learn cybersecurity in a simulated industrial environment. The training facility is built using open-source hardware and software and provides reconfigurable modules of industrial control systems. The course uses a flipped classroom format with hands-on projects: the students create educational games that replicate real cyber attacks. Throughout the semester, they learn to understand the risks and gain capabilities to respond to cyber attacks that target industrial control systems. Our described experience from the design of the testbed and its usage can help any educator interested in teaching cybersecurity of cyber-physical systems.

연구 동기 및 목표

• 산업 제어 시스템(ICS)의 사이버보안 교육 격차를 해소할 것. ICS는 아키텍처와 보안 요구사항 측면에서 전통적인 IT 시스템과 상당히 다름.
• 일반 소매 부품를 사용해 확장성 있고 저비용이며 재구성 가능한 테스트베드를 제공해 교육 목적의 실제 ICS 환경을 시뮬레이션할 것.
• 뒤집힌 수업 모델을 활용해 대학 수준의 과정을 설계하여, 교육용 사이버 공격 시뮬레이션 게임 제작을 통해 ICS 보안을 가르칠 것.
• 컴퓨터 과학 학부생들이 ICS 전용 위협, PLC 프로그래밍, 사고 대응 능력 등 실무 역량을 기를 수 있도록 지원해 핵심 인프라 보안 분야의 역할에 대비하도록 할 것.
• 재사용 가능한 테스트베드 설계와 체계적인 프로젝트 기반 교과 과정을 공유함으로써 교육자들이 효과적인 ICS 사이버보안 교육을 제공할 수 있도록 지원할 것.

제안 방법

• Raspberry Pi 기반 PLC, 센서, 액추에이터, I/O 모듈을 사용해 실제 산업 제어 프로세스를 모방하는 모듈식 오픈소스 테스트베드인 KYPO4INDUSTRY를 개발함.
• 일반 소매 하드웨어와 오픈소스 소프트웨어를 사용해 저비용, 재구성 가능, 장기 유지보수성이 확보된 테스트베드를 구성함.
• 학생들이 수업 이전 자료를 통해 기초 개념을 학습하고, 실습 기반 게임 개발을 통해 지식을 적용하는 뒤집힌 수업 형식을 구현함.
• 진행 단계별 마일스톤(게임 기획, PLC 수준의 구현, 감시 시스템 통합 등)을 포함한 교육용 사이버 게임 제작을 중심으로 과정을 구성함.
• GitLab을 활용한 피어 리뷰와 피드백 루프를 통합해 소프트웨어 품질 향상과 협업 능력 향상을 도모함.
• 공개 헤키징 데이 이벤트를 개최해 게임을 검증하고 ICS 사이버보안 인식을 제고하며 실제 테스트와 반성의 기회를 제공함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 교육 목적으로 실제 산업 제어 시스템을 시뮬레이션할 수 있는 저비용이고 재구성 가능한 테스트베드를 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 게임 기반 학습이 포함된 뒤집힌 수업 모델은 ICS 전용 사이버보안 위협에 대한 학생의 참여도와 이해도를 어느 정도 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 학생이 개발한 사이버 게임은 실제 세계의 ICS 공격을 효과적으로 시뮬레이션할 수 있을 뿐 아니라, 취약점 식별 및 대응 전략 수립을 위한 교육 도구로 기능할 수 있는가?
• RQ4 대학 수준 사이버보안 커리큘럼에 사이버-물리 시스템을 통합할 때 발생하는 주요 과제는 무엇이며, 모듈식 테스트베드와 체계적인 교육법을 통해 이를 어떻게 해결할 수 있는가?
• RQ5 ICS 환경에서의 실습 기반 게임 개발은 전통적인 IT 중심 사이버보안 교육에 비해 학생들의 기술적 역량과 소프트 스킬을 어떻게 향상시키는가?

주요 결과

• KYPO4INDUSTRY 테스트베드는 10개의 테이블톱 및 6개의 이동식 제어 패널에 걸쳐 총 148대의 Raspberry Pi 기반 PLC를 성공적으로 지원하여 확장성 있고 재구성 가능한 ICS 시뮬레이션을 가능하게 했다.
• 학생들은 실제 ICS 공격을 시뮬레이션하는 14개의 교육용 사이버 게임을 개발하여 ICS 전용 위협과 공격 벡터에 대한 실질적인 이해를 보여주었다.
• 뒤집힌 수업 모델과 게임 기반 프로젝트를 통해 높은 수준의 학생 참여가 이루어졌으며, 피어 리뷰와 헤키징 데이 이벤트를 통해 공개 발표와 피드백을 통한 학습 효과가 향상되었다.
• GitLab을 통한 버전 제어와 체계적인 버그 리포트 시스템은 소프트웨어 품질 향상과 협업 능력 향상에 기여했으며, 학생들은 동료 게임에 대해 실질적인 피드백을 제출하였다.
• 이 과정은 산업 제어 시스템의 고유한 운영 및 보안 특성을 중심으로 IT와 ICS 사이버보안 간 격차를 효과적으로 메웠다.
• 테스트베드와 과정 설계는 재사용 가능하고 확장 가능하며, 오픈소스 구성 요소 덕분에 향후 다른 학술 또는 교육 프로그램에의 통합이 가능하다.