[论文解读] Towards a Layered Architectural View for Security Analysis in SCADA Systems

Zhendong Ma, Paul Smith+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2012

Information and Cyber Security参考文献 12被引用 5

一句话总结

本文提出了一种四层架构视图——资产层、通信层、服务层和组织层——用于SCADA系统，以实现系统化的安全分析。通过分层抽象和视角的结构化，该方法支持一致的威胁建模、漏洞分析和风险评估，尤其适用于复杂、大规模的关键基础设施环境。

ABSTRACT

Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) systems support and control the operation of many critical infrastructures that our society depend on, such as power grids. Since SCADA systems become a target for cyber attacks and the potential impact of a successful attack could lead to disastrous consequences in the physical world, ensuring the security of these systems is of vital importance. A fundamental prerequisite to securing a SCADA system is a clear understanding and a consistent view of its architecture. However, because of the complexity and scale of SCADA systems, this is challenging to acquire. In this paper, we propose a layered architectural view for SCADA systems, which aims at building a common ground among stakeholders and supporting the implementation of security analysis. In order to manage the complexity and scale, we define four interrelated architectural layers, and uses the concept of viewpoints to focus on a subset of the system. We indicate the applicability of our approach in the context of SCADA system security analysis.

研究动机与目标

• 解决复杂、大规模SCADA系统中缺乏一致架构视图的问题。
• 通过将SCADA系统组织为不同且相互关联的层次，支持系统化的安全分析。
• 通过架构视角实现聚焦分析，隔离系统关注点以进行威胁和漏洞评估。
• 提高SCADA安全流程中各利益相关者之间的互操作性和共同理解。
• 为SCADA安全分析中的形式化方法和自动化奠定基础。

提出的方法

• 提出一种四层架构模型：资产层、通信层、服务层和组织层。
• 使用架构视角聚焦于与特定安全任务相关的系统子集。
• 建模各层之间的依赖关系（例如，服务依赖于通信和物理基础设施）。
• 应用该架构以支持使用形式化方法（如Petri网）和弹性模式仿真进行攻击建模。
• 利用源自架构属性的模型描述语言，标准化表示形式。
• 通过在各层系统化实例化系统组件，支持仿真和形式化分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何建立SCADA系统的一致、高层级的架构视图以支持安全分析？
• RQ2 如何通过分层抽象和视角管理SCADA系统的复杂性和规模？
• RQ3 该架构模型在何种方式下可支持形式化的威胁和漏洞建模？
• RQ4 如何捕捉并利用系统各层之间的依赖关系以识别级联漏洞？
• RQ5 该架构框架如何支持安全流程中的自动化和工具支持？

主要发现

• 分层架构视图为在四个不同层次（资产、通信、服务和组织）上对SCADA系统进行建模提供了稳定且抽象的框架。
• 视角通过隔离相关系统组件和关系，支持面向特定利益相关者的聚焦分析。
• 该架构通过结构化系统组件和依赖关系，支持形式化安全建模方法，如Petri网和弹性模式仿真。
• 层间依赖关系（例如，服务对通信和物理基础设施的依赖）可被系统化建模，并用于识别级联漏洞。
• 该框架可从架构属性中推导出标准化的模型描述语言，从而提升建模的一致性。
• 该方法为未来在大规模和异构系统中实现SCADA安全分析的自动化和工具支持奠定了基础。