[논문 리뷰] Security of Transportation Networks: Modeling Attacker-Defender Interaction.

Manxi Wu, Saurabh Amin|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 02.

Infrastructure Resilience and Vulnerability Analysis참고 문헌 10인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 게임 이론을 사용하여 교통망 방어자와 이성적인 공격자 간의 전략적 상호작용을 모델링하며, 동시 이동 게임과 순차적 이동 게임을 비교한다. 방어 비용이 충분히 낮을 경우 방어자가 선제적 우위를 확보하며, 공격을 완전히 막기 위해 모든 취약 시설을 사전에 보호해야 한다. 이는 인프라 복원력과 공격 후 사용자 행동에 영향을 미친다.

ABSTRACT

Infrastructure systems are increasingly facing new security threats due to the vulnerabilities of cyber-physical components that support their operation. In this article, we investigate how the infrastructure operator (defender) should prioritize the investment in securing a set of in order to reduce the impact of a strategic adversary (attacker) who can target a facility to increase the overall usage cost of the system. We adopt a game-theoretic approach to model the defender-attacker interaction and study two models: normal-form game -- where both players move simultaneously; and sequential game -- where attacker moves after observing the defender's strategy. For each model, we provide a complete characterization of how the set of that are secured by the defender in equilibrium vary with the costs of attack and defense. Importantly, our analysis provides a sharp condition relating the cost parameters for which the defender has the first mover advantage. Specifically, we show that to fully deter the attacker from targeting any facility, the defender needs to proactively secure all vulnerable facilities at an appropriate level of effort. We illustrate the outcome of the attacker-defender interaction on a simple transportation network. We also suggest a dynamic learning setup to understand how this outcome can affect the ability of imperfectly informed users to make their decisions about using the system in the post-attack stage.

연구 동기 및 목표

• 교통 인프라 보호를 위한 방어자와 시설을 공격하여 시스템 비용을 증가시키는 공격자 간의 전략적 상호작용을 모델링하는 것.
• 방어 및 공격 비용이 동시 및 순차적 게임 설정에서 보호된 시설의 균형 선택에 미치는 영향을 분석하는 것.
• 방어자가 공격을 완전히 막기 위해 모든 취약 시설을 보호함으로써 선제적 우위를 확보할 수 있는 정확한 비용 조건을 규명하는 것.
• 사용자가 시설 상태를 완전히 인지하지 못할 경우 공격 후 시스템 사용에 미치는 사용자 행동의 영향을 평가하는 것.
• 전략적 위협 하에서 사이버-물리적 교통 시스템의 최적 보안 투자 프레임워크를 제공하는 것.

제안 방법

• 방어자와 공격자가 전략을 동시에 선택하는 정규형 게임을 제시하여 상호 전략적 불확실성을 반영한다.
• 공격자가 방어자의 보안 선택을 관찰한 후 행동하는 순차적 게임 모델을 개발한다.
• 게임 이론적 분석을 통해 방어 및 공격 비용이 시설 보호에 미치는 영향을 중심으로 균형 결과를 특성화한다.
• 방어자가 모든 취약 시설을 보호함으로써 공격을 완전히 막을 수 있는 비용 매개변수에 대한 정확한 조건을 유도한다.
• 균형 결과와 보안 투자 트레이드오프를 시각화하기 위해 단순한 교통망에 모델을 적용한다.
• 공격 후 사용자가 정보가 불완전한 상황에서 신뢰를 갱신하고 경로 결정을 내리는 동적 학습 설정을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 방어자가 공격을 완전히 막기 위해 선제적 우위를 확보할 수 있는 비용 조건은 무엇인가?
• RQ2 동시 게임과 순차적 게임의 균형에서 보호된 시설의 집합은 어떻게 다를까?
• RQ3 어느 정도의 방어 노력이 모든 시설을 공격당하지 않도록 완전히 막기 위해 필요한가?
• RQ4 정보가 불완전한 사용자들이 공격 후 시스템에서 어떻게 행동을 조정하는가?
• RQ5 공격 및 방어 비용의 변화가 전체 시스템 사용 비용과 인프라 복원력에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 방어 비용이 충분히 낮아 모든 취약 시설을 보호함으로써 공격자를 완전히 막을 수 있을 경우, 방어자는 선제적 우위를 확보한다.
• 완전한 위협 차단은 방어자가 모든 취약 시설을 적절한 수준의 노력으로 사전에 보호할 때만 가능하다.
• 순차적 게임에서는 공격자의 최적 반응이 방어자의 관측된 전략에 따라 달라지며, 이는 동시 게임과 다른 균형 결과를 초래한다.
• 모델은 공격 비용 대비 방어 비용의 비율에 따라 방어 노력 증가가 균형을 공격에서 비공격으로 전환시킬 수 있음을 보여준다.
• 공격 후 사용자 행동은 가용 정보 수준에 따라 크게 영향을 받으며, 정보가 불완전한 사용자는 최적의 경로 결정을 내리지 못한다.
• 균형 구조는 비용 매개변수의 미세한 변화가 보호되거나 공격받는 시설의 조합에 큰 변화를 초래할 수 있음을 드러낸다.