[論文レビュー] Taking Control: Design and Implementation of Botnets for Cyber-Physical Attacks with CPSBot

Daniele Antonioli, Giuseppe Bernieri+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2018

Smart Grid Security and Resilience参考文献 18被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、産業制御システムに対する同期的で低遅延な攻撃を可能にする、新しいフレームワークCPSBotを紹介する。公開・購読型のC&Cチャネルと、ボットの特徴を定義するモジュラーな「トレイト」を活用することで、リアルタイムでの敵対的制御が実現される。水の分配システムに対する分散型すり替え攻撃および再再生攻撃の実証により、追加遅延がゼロ（μd = 0）であることが確認された。

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.

研究の動機と目的

• リアルタイムで同期的な制御攻撃が可能なボットネットの不足に取り組み、正確なタイミング制御と物理プロセスの操作を要するサイバー物理システム（CPS）を標的とすること。
• 従来のITボットネットの主な欠陥（協調性の欠如、遅延制御の不十分さ、異種デバイスの能力への対応不能）を特定し、CPS標的攻撃において問題となる点を明らかにすること。
• 敵対的制御戦略と物理的システムの制約を統合する新しいボットネットのクラス、すなわちサイバー物理的ボットネットを設計すること。
• CPSにおける多様なネットワークアーキテクチャ、プロトコル、攻撃戦略をサポートする柔軟で拡張可能なフレームワーク（CPSBot）を開発すること。
• 実世界およびシミュレーテッドなCPS環境を用いて、検知困難で高影響力の攻撃の実現可能性を実証し、測定可能なパフォーマンス指標を用いて評価すること。

提案手法

• 異種のボット間での低コストで同期的な協調を実現するため、公開・購読型（PubSub）のコマンド・アンド・コントロール（C&C）プロトコルを採用する。
• デバイスの能力（例：パケット操作）やC&Cサーバーの役割（例：意思決定）に応じてカスタマイズ可能な、直交的で合成可能な機能である「トレイト」を導入する。
• C&CにMQTTを、標的となる産業制御プロトコルとしてModbus/TCPを用い、水の分配システムを制御する集中型CPSBotを実装する。
• 2つの同期攻撃を設計および実行する：分散型すり替え（複数の変電所に同時にリモート端末ユニットを模倣）と、分散型再再生（時間的正確さを保ったまま制御コマンドを再送）。
• 実際の水の分配システムとシミュレーテッドなシステムを用いて、攻撃の検知困難性とパフォーマンスを評価し、遅延と通信トラフィックの一貫性を測定する。
• 遅延（μd）などの指標を適用して検知困難性を定量化し、攻撃が通常動作と比較して追加遅延を発生させないことを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最小限の遅延と高い検知困難性を備えた、サイバー物理システムに対して同期的でリアルタイムの制御攻撃を実行可能なボットネットを設計できるか？
• RQ2 C&Cアーキテクチャは、CPS環境における異種ボット間で低コストの協調をどのように実現できるか？
• RQ3 産業制御システムにおける敵対的制御戦略（例：すり替え、再再生）を実現するために必要なアーキテクチャ的および実装的選択肢は何か？
• RQ4 既存のボットネット設計は、検知可能な遅延を発生させることなく、物理プロセスの操作を実行するためにどの程度適合可能か？
• RQ5 産業制御システム環境において、サイバー物理的ボットネットは従来のITボットネットと比較して、攻撃の効果性と検知困難性の面でどのように異なるか？

主な発見

• CPSBotは、追加遅延ゼロ（μd = 0）の同期的で低遅延な攻撃をCPSに実行可能であり、タイミングに基づく運用アラームによる検知はほぼ不可能となる。
• PubSubベースのC&Cプロトコルの使用により、地理的に分散したシステムであっても、低コストで正確なボット間協調が保証される。
• 分散型すり替え攻撃は、複数の変電所に同時にリモート端末ユニットを模倣し、スケーラビリティと検知困難性を実証した。
• 分散型再再生攻撃は、通信の時間的パターンを維持したまま、時間的不審な挙動に依存する検知メカニズムを効果的に回避した。
• モジュラーな「トレイト」アーキテクチャにより、ハードウェアおよびソフトウェア能力に応じたボットおよびC&Cサーバーの効果的特化が可能となり、システムの柔軟性とレジリエンスが向上した。
• 実際およびシミュレーテッドな水の分配システムを用いた評価により、CPSBotが物理的プロセスの一貫性を保ちながら、複雑で同期的な攻撃を実行可能であることが確認された。