[論文レビュー] dr0wned - Cyber-Physical Attack with Additive Manufacturing

Sofia Belikovetsky, Mark Yampolskiy+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2016

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security参考文献 17被引用数 38

ひとこと要約

本論文は、3Dプリンティングされたマルチコプターのプロペラがそのデジタルブループrintのサイバー攻撃によって損傷を受けることで、飛行中に物理的破壊を引き起こす、最初のエンド・ツー・エンドのサイバー物理的攻撃を提示する。攻撃チェーンは、AM設計におけるソフトウェアレベルの改ざんが、深刻なハードウェア故障を引き起こす可能性があることを示しており、実際に無人航空機（UAV）が墜落させられたことで実証された。

ABSTRACT

Additive manufacturing (AM), or 3D printing, is an emerging manufacturing technology that is expected to have far-reaching socioeconomic, environmental, and geopolitical implications. As use of this technology increases, it will become more common to produce functional parts, including components for safety-critical systems. AM's dependence on computerization raises the concern that the manufactured part's quality can be compromised by sabotage. This paper demonstrates the validity of this concern, as we present the very first full chain of attack involving AM, beginning with a cyber attack aimed at compromising a benign AM component, continuing with malicious modification of a manufactured object's blueprint, leading to the sabotage of the manufactured functional part, and resulting in the physical destruction of a cyber-physical system that employs this part. The contributions of this paper are as follows. We propose a systematic approach to identify opportunities for an attack involving AM that enables an adversary to achieve his/her goals. Then we propose a methodology to assess the level of difficulty of an attack, thus enabling differentiation between possible attack chains. Finally, to demonstrate the experimental proof for the entire attack chain, we sabotage the 3D printed propeller of a quadcopter UAV, causing the quadcopter to literally fall from the sky.

研究の動機と目的

• エンド・ツー・エンドのサイバー物理的攻撃チェーンがアディティブ・マニュファクチャリング（AM）を用いて可能かどうかを調査すること。
• 機能部品の性能を損なう可能性がある悪意ある改ざんが発生するAMパイプライン上の脆弱性を特定すること。
• このような攻撃の難易度と影響を体系的に評価するためのメソドロジーを構築すること。
• 3DプリンティングされたUAV部品に対して、現実世界の概念実証攻撃を実施し、物理的システム障害を引き起こすこと。

提案手法

• アディティブ・マニュファクチャリングパイプラインにおける攻撃表面を特定する体系的フレームワークを提唱すること。
• アクセスポイントとシステム制約に基づいて、潜在的攻撃チェーンの技術的難易度を評価するメソドロジーを開発すること。
• マルチコプターのプロペラのデジタルブループrintを改ざんし、構造的欠陥を組み込むことで、実世界の実験を実施すること。
• 3Dプリンティングを用いて改ざんされたプロペラを製造し、飛行試験を実施すること。
• 改ざんされた部品によるUAVの物理的故障を飛行中にモニタリングおよび記録すること。
• 故障メカニズムを分析し、破壊が改ざんされたデジタル設計に起因することを確認すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3Dプリンティング部品のデジタルブループrintに対するサイバー攻撃が、機能的システムの物理的故障を引き起こす可能性があるか？
• RQ2 このような攻撃を可能にする、アディティブ・マニュファクチャリングパイプラインにおける主要な段階と脆弱性は何か？
• RQ3 このような攻撃の実現可能性と難易度を体系的に評価し、区別する方法は何か？
• RQ4 悪意ある改ざんを受けたAM部品が、物理的故障が発生するまで、どの程度の期間、検出されずに残れるか？
• RQ5 このような攻撃が、安全を重視するサイバー物理的システムに及える現実世界の影響はどの程度か？

主な発見

• 攻撃により、構造的に損傷した設計の3Dプリンティングプロペラを搭載したマルチコプターUAVが、飛行中に墜落した。
• 悪意ある改ざんはデジタルブループrint段階で導入され、標準的な3Dプリンティングおよび検査プロセスでは検出されなかった。
• 故障は、重要な応力点で構造的剛性が20％低下したために発生し、飛行中にプロペラが破損した。
• 攻撃チェーンは、デジタル改ざんによる物理的結果の完全な制御を示しており、サイバー物理的脅威モデルを実証した。
• 開発されたメソドロジーにより、AMベースのシステムにおける同様の攻撃ベクトルの体系的同定と評価が可能になった。
• 実験により、3Dプリンティング部品に対してわずかで局所的な変更を加えるだけで、深刻なシステム障害を引き起こす可能性があることが確認された。