[논문 리뷰] Taking Control: Design and Implementation of Botnets for Cyber-Physical Attacks with CPSBot

Daniele Antonioli, Giuseppe Bernieri외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 01.

Smart Grid Security and Resilience참고 문헌 18인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 산업 제어 시스템에 대한 조율된, 저지연 공격을 수행할 수 있는 사이버-물리 보트넷을 설계하고 구현하기 위한 새로운 프레임워크인 CPSBot을 소개한다. 발행-구독 C&C 채널과 보트의 전문화를 위한 모듈식 '특성'을 활용함으로써 CPSBot은 실시간 악성 제어를 가능하게 하였으며, 이는 물 공급 시스템에 대한 분산된 위조 및 재생 공격을 통해 입증되었다. 추가 지연 없이 실행되었으며, 지연 측정치 μd = 0이다.

ABSTRACT

Recently, botnets such as Mirai and Persirai targeted IoT devices on a large scale. We consider attacks by botnets on cyber-physical systems (CPS), which require advanced capabilities such as controlling the physical processes in real-time. Traditional botnets are not suitable for this goal mainly because they lack process control capabilities, are not optimized for low latency communication, and bots generally do not leverage local resources. We argue that such attacks would require cyber-physical botnets. A cyber-physical botnet needs coordinated and heterogeneous bots, capable of performing adversarial control strategies while subject to the constraints of the target CPS. In this work, we present CPSBot, a framework to build cyber-physical botnets. We present an example of a centralized CPSBot targeting a centrally controlled system and a decentralized CPSBot targeting a system distributed control. We implemented the former CPSBot using MQTT for the C&C channel and Modbus/TCP as the target network protocol and we used it to launch several attacks on real and simulated Water Distribution. We evaluate our implementation with distributed reply and distributed impersonation attacks on a CPS, and show that malicious control with negligible latency is possible.

연구 동기 및 목표

• 실시간으로 조율된 제어 공격이 가능한 보트넷의 부재를 해결함으로써, 정밀한 타이밍 제어와 물리적 프로세스 조작이 요구되는 사이버-물리 시스템(CPS)에 대한 공격에 대응한다.
• 기존 IT 보트넷의 핵심적 한계—조율 부족, 지연 제어 부족, 이종 기기 기능 지원 부재—가 CPS를 대상으로 할 경우 나타나는 문제점을 규명한다.
• 악성 제어 전략을 물리적 시스템 제약 조건과 통합하는 새로운 보트넷 유형, 즉 사이버-물리 보트넷을 설계한다.
• CPS에서 다양한 네트워크 아키텍처, 프로토콜, 공격 전략을 지원하는 유연하고 확장 가능한 프레임워크(CPSBot)를 개발한다.
• 측정 가능한 성능 지표를 활용하여 실제 및 시뮬레이션된 CPS 환경에서 도전적인 스텔스 공격의 실현 가능성을 입증한다.

제안 방법

• 이질적인 보트 간의 저비용, 동기화된 조율을 가능하게 하기 위해, 발행-구독(PubSub) 기반의 명령-제어(C&C) 프로토콜을 사용한다.
• 기기 기능(예: 패킷 조작)과 C&C 서버 역할(예: 의사결정)에 따라 보트를 맞춤화할 수 있는 정규화된, 조합 가능한 功能('traits')을 도입한다.
• 중앙집중식 CPSBot을 구현하여, C&C로 MQTT를 사용하고, 제어 대상 산업 프로토콜로 Modbus/TCP를 사용하여 물 공급 시스템을 제어한다.
• 두 가지 조율된 공격을 설계하고 실행한다: 분산된 위조 공격(다양한 변전소의 원격 단말 장치를 동시에 위조)과 분산된 재생 공격(정밀한 타이밍으로 제어 명령어 재생).
• 실제 및 시뮬레이션된 물 공급 시스템을 활용하여 공격의 스텔스성과 성능을 평가하고, 지연 및 트래픽 일관성 수준을 측정한다.
• 지연(μd)과 같은 지표를 적용하여 스텔스성 수준을 정량화하며, 정상 운영과 비교해 추가 지연이 발생하지 않음을 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최소한의 지연과 높은 스텔스성을 확보하면서 사이버-물리 시스템에 대해 조율된 실시간 제어 공격을 수행할 수 있는 보트넷을 설계할 수 있는가?
• RQ2 C&C 아키텍처는 사이버-물리 시스템 환경에서 이질적인 보트 간에 저비용 조율을 어떻게 지원할 수 있는가?
• RQ3 산업 제어 시스템에서 악성 제어 전략(예: 위조, 재생)을 구현하기 위해 필요한 아키텍처적 및 구현적 선택 사항은 무엇인가?
• RQ4 기존 보트넷 설계는 물리적 프로세스 조작을 수행할 수 있도록 얼마나 잘 적응할 수 있으며, 감지 가능한 지연을 유발하지 않을까?
• RQ5 산업 제어 시스템 환경에서 전통적인 IT 보트넷과 비교할 때 사이버-물리 보트넷은 공격 효과성과 스텔스성 측면에서 어떤가?

주요 결과

• CPSBot은 추가 지연 없이 조율된 저지연 공격을 수행할 수 있으며, μd = 0이므로 시간 기반 운영 경고 시스템으로서의 탐지가 거의 불가능하다.
• PubSub 기반 C&C 프로토콜을 사용함으로써, 지리적으로 분산된 시스템에서도 저비용이며 정밀한 보트 간 조율이 보장된다.
• 분산된 위조 공격은 동시에 여러 변전소의 원격 단말 장치를 위조하여 성공적으로 스케일러빌리티와 스텔스성을 입증하였다.
• 분산된 재생 공격는 트래픽 타이밍 패턴을 유지하여, 시간적 비정상성에 기반한 탐지 메커니즘을 효과적으로 회피하였다.
• 모듈식 '특성' 아키텍처는 하드웨어 및 소프트웨어 기능에 따라 보트와 C&C 서버의 효과적인 전문화를 가능하게 하여 시스템의 유연성과 내구성을 향상시켰다.
• 실제 및 시뮬레이션된 물 공급 시스템에서의 평가를 통해 CPSBot이 물리적 프로세스 일관성을 유지하면서도 복잡한 조율된 공격을 수행할 수 있음을 확인하였다.