[论文解读] The Future Internet of Things and Security of its Control Systems

Misty Blowers, José Iribarne+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2016

IoT and Edge/Fog Computing参考文献 14被引用 7

一句话总结

本文将工业控制系统（ICS）的未来设想为深度融入物联网（IoT）的形态，其中网络安全依赖于系统敏捷性、移动目标防御、网络机动性以及自主行为。论文提出，基于物联网的控制系统将从混合信任环境的新设计范式以及大数据分析中受益，从而实现预测性、自我保护型的运行模式。

ABSTRACT

We consider the future cyber security of industrial control systems. As best as we can see, much of this future unfolds in the context of the Internet of Things (IoT). In fact, we envision that all industrial and infrastructure environments, and cyber-physical systems in general, will take the form reminiscent of what today is referred to as the IoT. IoT is envisioned as multitude of heterogeneous devices densely interconnected and communicating with the objective of accomplishing a diverse range of objectives, often collaboratively. One can argue that in the relatively near future, the IoT construct will subsume industrial plants, infrastructures, housing and other systems that today are controlled by ICS and SCADA systems. In the IoT environments, cybersecurity will derive largely from system agility, moving-target defenses, cybermaneuvering, and other autonomous or semi-autonomous behaviors. Cyber security of IoT may also benefit from new design methods for mixed-trusted systems; and from big data analytics -- predictive and autonomous.

研究动机与目标

• 考察工业控制系统（ICS）与物联网（IoT）未来融合的前景，预测物联网将涵盖传统ICS和SCADA环境。
• 识别在控制关键基础设施的密集互联、异构物联网系统中出现的新兴网络安全挑战。
• 提出传统安全模型不足以应对未来基于物联网的控制系统，需采用新型防御策略。
• 研究系统敏捷性、网络机动性与自主行为如何增强物联网赋能的控制系统韧性。
• 探讨大数据分析与混合信任系统设计在实现网络物理系统预测性与自适应安全中的作用。

提出的方法

• 提出未来控制系统将在异构、高度互联的物联网框架内运行，整合工业、基础设施与住宅领域内的多样化设备。
• 倡导采用移动目标防御策略，通过动态改变系统配置以减小攻击面并增加攻击者的不确定性。
• 将网络机动性作为核心防御机制，使系统能够自主重新配置或迁移以规避持续性威胁。
• 强调系统敏捷性作为基础安全属性，通过运行时重新配置与自适应行为实现对威胁的快速响应。
• 建议利用大数据分析实现预测性威胁检测与自主响应，借助来自分布式物联网设备的实时数据。
• 提出针对混合信任系统的新型设计方法，通过架构隔离与运行时验证，使不同信任等级的组件能够安全共存。

实验结果

研究问题

• RQ1 工业控制系统与更广泛的物联网融合将如何重塑关键基础设施的威胁格局？
• RQ2 系统敏捷性与动态重新配置在提升物联网控制系统抵御网络攻击的韧性方面可发挥何种作用？
• RQ3 如何系统性地将移动目标防御与网络机动性应用于工业物联网环境，以降低可利用性？
• RQ4 大数据分析如何在大规模、异构的物联网系统中实现预测性与自主的网络安全响应？
• RQ5 未来物联网控制系统中，安全集成不同信任等级组件所需的架构与设计原则是什么？

主要发现

• 本文结论认为，工业控制系统的未来将与更广泛的物联网无法区分，所有关键基础设施系统都将演变为原生物联网环境。
• 基于物联网的控制系统的网络安全将越来越多地依赖于动态、自适应行为，如系统敏捷性与移动目标防御，而非静态的边界防御。
• 网络机动性——即自主重新配置或迁移系统组件的能力——已成为规避持续性威胁的关键策略。
• 大数据分析的集成可实现预测性威胁建模与自主响应，显著提升威胁检测与缓解速度。
• 针对混合信任系统的新型设计方法对于管理异构、互联设备带来的安全风险至关重要，这些设备具有不同的信任等级。
• 传统安全模型无法满足未来基于物联网的控制系统需求，亟需向自适应、高韧性架构范式转变。