[论文解读] Identifying Security-Critical Cyber-Physical Components in Industrial Control Systems

Martín Barrère, Chris Hankin+3 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2019

Smart Grid Security and Resilience参考文献 26被引用 9

一句话总结

该论文提出了一种新型工业控制系统（ICS）安全度量方法，通过AND/OR图模型与加权部分MAX-SAT优化，识别关键的网络物理组件。该方法能高效计算出导致系统运行中断的最小成本攻击集合，可在数秒内扩展至数千个节点，并在真实水力输送网络案例研究中得到验证。

ABSTRACT

In recent years, Industrial Control Systems (ICS) have become an appealing target for cyber attacks, having massive destructive consequences. Security metrics are therefore essential to assess their security posture. In this paper, we present a novel ICS security metric based on AND/OR graphs that represent cyber-physical dependencies among network components. Our metric is able to efficiently identify sets of critical cyber-physical components, with minimal cost for an attacker, such that if compromised, the system would enter into a non-operational state. We address this problem by efficiently transforming the input AND/OR graph-based model into a weighted logical formula that is then used to build and solve a Weighted Partial MAX-SAT problem. Our tool, META4ICS, leverages state-of-the-art techniques from the field of logical satisfiability optimisation in order to achieve efficient computation times. Our experimental results indicate that the proposed security metric can efficiently scale to networks with thousands of nodes and be computed in seconds. In addition, we present a case study where we have used our system to analyse the security posture of a realistic water transport network. We discuss our findings on the plant as well as further security applications of our metric.

研究动机与目标

• 为应对日益增长的针对工业控制系统（ICS）的网络攻击威胁，此类攻击可能导致关键基础设施的灾难性故障。
• 开发一种可扩展且高效的新安全度量方法，以识别攻击者为中断系统运行而必须攻破的最小成本组件集合。
• 利用AND/OR图对ICS中的复杂网络物理依赖关系进行建模，并将其转化为可用于优化的逻辑公式。
• 通过整合攻击者成本与修复预算，构建统一的成本函数，以支持安全优先级排序。
• 通过原型工具（META4ICS）实现实际部署，并在真实世界水分配网络中验证该方法的有效性。

提出的方法

• 将表示ICS组件依赖关系的AND/OR图转换为等价的逻辑公式，以确保目标节点保持运行状态。
• 应用Tseitin变换将该逻辑公式转换为合取范式（CNF），以供可满足性优化使用。
• 构建加权部分MAX-SAT问题，其中子句代表系统依赖关系，权重反映组件被攻破的成本。
• 通过求解MAX-SAT问题，计算出最小权重的顶点割集，若该集合被攻破，则目标节点将失效，从而代表最经济高效的攻击路径。
• 扩展成本函数，通过加权线性组合同时纳入攻击者攻破成本与修复预算：$\varphi'_{\alpha,\beta}(n) = \alpha \cdot \varphi(n) + \beta \cdot \gamma(n)$。
• 使用一种优先选择节点数量更少的解的tie-break算法，当存在多个最小成本解时优先选择更简洁的解。

实验结果

研究问题

• RQ1 攻破哪些最小成本的网络物理组件集合将导致工业控制系统范围内的运行故障？
• RQ2 如何联合建模攻击者成本与修复预算，以实现对关键组件加固的优先排序？
• RQ3 所提出的度量方法能否在包含数千个节点的大规模ICS网络中实现高效可扩展？
• RQ4 该度量方法在识别真实世界ICS基础设施（如水分配系统）中的关键组件方面效果如何？
• RQ5 部分组件被攻破或信号异常对组件关键性与系统韧性有何影响？

主要发现

• 所提出的度量方法可扩展至包含数千个节点的ICS网络，并通过META4ICS原型在数秒内完成结果计算。
• 在真实水力输送网络的案例研究中，识别出若干显著影响系统可用性的关键组件与攻击路径，为针对性加固提供了依据。
• 在成本函数中整合攻击者成本与修复预算，实现了安全优先级的平衡，通过系数$\alpha$与$\beta$实现可配置的权衡。
• 该方法通过AND/OR图建模依赖关系并利用最先进的MAX-SAT求解器，成功识别出最小成本攻击集合。
• 该方法在支持安全分析方面展现出多功能性，包括潜在在事件响应与根本原因分析中的应用。
• 研究表明，增加冗余可提升系统韧性，但也可能扩大攻击面，提示在对策设计中需进行Pareto最优性分析。