[논문 리뷰] MiniCPS: A toolkit for security research on CPS Networks

Daniele Antonioli, Nils Ole Tippenhauer|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 17.

Software-Defined Networks and 5G참고 문헌 12인용 수 17

한 줄 요약

MiniCPS는 실시간 사이버물리시스템(CPS) 네트워크 에뮬레이션을 가능하게 하는 경량이며 Mininet 기반의 시뮬레이션 툴킷으로, 산업 프로토콜(예: Modbus/TCP, Ethernet/IP)과 물리계층 상호작용 API를 지원한다. 연구자들이 실제 ICS 토폴로지에서 재현 가능하고 확장 가능한 환경에서 네트워크 공격 및 방어 기법(예: MITM, DoS 공격)을 프로토타이핑, 테스트 및 검증할 수 있도록 한다.

ABSTRACT

In recent years, tremendous effort has been spent to modernizing communication infrastructure in Cyber-Physical Systems (CPS) such as Industrial Control Systems (ICS) and related Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) systems. While a great amount of research has been conducted on network security of office and home networks, recently the security of CPS and related systems has gained a lot of attention. Unfortunately, real-world CPS are often not open to security researchers, and as a result very few reference systems and topologies are available. In this work, we present MiniCPS, a CPS simulation toolbox intended to alleviate this problem. The goal of MiniCPS is to create an extensible, reproducible research environment targeted to communications and physical-layer interactions in CPS. MiniCPS builds on Mininet to provide lightweight real-time network emulation, and extends Mininet with tools to simulate typical CPS components such as programmable logic controllers, which use industrial protocols (Ethernet/IP, Modbus/TCP). In addition, MiniCPS defines a simple API to enable physical-layer interaction simulation. In this work, we demonstrate applications of MiniCPS in two example scenarios, and show how MiniCPS can be used to develop attacks and defenses that are directly applicable to real systems.

연구 동기 및 목표

• 산업 제어 시스템(ICS) 및 CPS 네트워크를 위한 접근성 있고 재현 가능하며 확장 가능한 시뮬레이션 환경의 부족을 해결한다.
• 실제 통신 및 물리계층 상호작용을 반영하는 보안성 있고 실시간이며 확장 가능한 플랫폼을 제공하여 CPS 네트워크를 에뮬레이션한다.
• 연구자들이 실제 ICS 구현에 직접 적용 가능한 네트워크 공격 및 방어 메커니즘을 개발하고, 테스트하며, 검증할 수 있도록 한다.
• SDN(Software-Defined Networking)과의 통합을 지원하여 CPS 환경에서 동적 네트워크 제어 및 침입 탐지 기능을 실현한다.
• 공유 가능한 시뮬레이션 프레임워크를 통해 CPS 네트워크 토폴로지와 구성 요소 행동을 표준화함으로써 협업과 재현 가능성을 촉진한다.

제안 방법

• CPS 네트워크 토폴로지의 경량이며 실시간 에뮬레이션을 가능하게 하는 핵심 네트워크 에뮬레이션 엔진으로 Mininet을 활용한다.
• Modbus/TCP 및 Ethernet/IP(CIP)와 같은 산업 프로토콜를 네이티브로 지원하는 커스터마이징된 PLC 시뮬레이션 모듈을 Mininet에 확장한다.
• 네트워크 구성 요소와 물리 시스템 상태(예: 유량, 온도) 간의 상호작용을 모델링하기 위한 단순하고 확장 가능한 물리계층 API를 도입한다.
• 단일 가상 환경 내에서 네트워크 트래픽, 제어 논리 실행, 물리 피드백 루프의 종단 간 시뮬레이션을 가능하게 한다.
• 보안 사용 사례를 위한 동적 플로우 제어 및 정책 시행을 위해 SDN 컨트롤러(예: NOX)와의 통합을 지원한다.
• 추가 커스터마이징 및 분석을 위해 표준 Linux 도구 및 확장 가능한 프레임워크와의 통합을 허용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 산업 프로토콜 지원을 갖춘 경량이며 재현 가능하고 확장 가능한 CPS 네트워크 시뮬레이션 환경을 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 네트워크 에뮬레이션 프레임워크 내에서 물리계층 상호작용을 어느 정도 추상화하고 시뮬레이션할 수 있는가? 이는 실제 CPS 행동을 반영할 수 있는가?
• RQ3 Modbus/TCP 및 Ethernet/IP 기반 제어 시스템에서의 실제 네트워크 공격(예: MITM, DoS)을 MiniCPS와 같은 시뮬레이션 프레임워크가 효과적으로 모델링하고 검증할 수 있는가?
• RQ4 SDN 원칙을 CPS 시뮬레이션 환경에 어떻게 적용할 수 있는가? 이는 네트워크 기반 공격의 동적 탐지 및 완화를 가능하게 하는가?
• RQ5 Mininet 기반의 에뮬레이션을 ICS 전용 네트워크 및 제어 논리 시뮬레이션에 사용할 경우 실질적인 제약 조건과 성능 특성은 무엇인가?

주요 결과

• MiniCPS는 Modbus/TCP 및 Ethernet/IP와 같은 산업 프로토콜를 지원하여 네트워크 수준의 상호작용을 정확하게 시뮬레이션할 수 있도록 실시간 ICS 네트워크 에뮬레이션을 성공적으로 구현하였다.
• 물리계층 API는 전체 시스템 피드백 루프를 모델링할 수 있게 하여, 액추에이터 명령 또는 센서 데이터 조작과 같은 네트워크 이벤트에 대한 물리적 상태 변화를 시뮬레이션할 수 있도록 하였다.
• Ethernet/IP 기반 제어 시스템에 대한 미들맨(Man-in-the-Middle, MITM) 공격을 프로토타이핑하고 검증하는 데에 MiniCPS가 사용되었으며, 실제 공격 표면에 대한 높은 정밀도를 보였다.
• SDN 기반 컨트롤러를 MiniCPS에 구현하여 플로우 규칙을 강제 적용하고 ARP 캐시 상태를 일관되게 유지함으로써 MITM 공격을 탐지하고 방지할 수 있었다.
• SDN 컨트롤러에서 강력한 정적 프리맵 기법을 사용함으로써 초기 네트워크 혼잡을 크게 줄이고 시스템 시작 시 정책 시행 속도를 높였다.
• MiniCPS는 Linux 도구와의 통합을 통해 확장성을 확보하고 있으며, 연구 팀 간에 복잡한 CPS 네트워크 토폴로지를 공유하고 재현하는 데 사용될 수 있다.