[论文解读] Towards Security of Additive Layer Manufacturing

Mark Yampolskiy, Todd R. Andel+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2015

Additive Manufacturing and 3D Printing Technologies参考文献 2被引用 11

一句话总结

本文研究了增材制造（ALM）中的安全威胁，重点关注通过恶意篡改制造参数来损害零件完整性但不改变设计的攻击。提出了一种安全外包模型，结合密码学强制机制、硬件混淆技术和数字取证，以保护知识产权并确保符合客户规格要求。

ABSTRACT

Additive Layer Manufacturing (ALM), also broadly known as 3D printing, is a new technology to produce 3D objects. As an opposite approach to the conventional subtractive manufacturing process, 3D objects are created by adding thin material layers over layers. Until recently, they have been used, mainly, for plastic models. However, the technology has evolved making it possible to use high-quality printing with metal alloys. Agencies and companies like NASA, ESA, Boeing, Airbus, etc. are investigating various ALM technology application areas. Recently, SpaceX used additive manufacturing to produce engine chambers for the newest Dragon spacecraft. BAE System plans to print on-demand a complete Unmanned Aerial Vehicle (UAV), depending on the operational requirements. Companies expect the implementation of ALM technology will bring a broad variety of technological and economic benefits. This includes, but not limited to, the reduction of the time needed to produce complex parts, reduction of wasted material and thus control of production costs along with minimization of part storage space as companies implement just-in-time and on-demand production solutions. The broad variety of application areas and a high grade of computerization of the manufacturing process will inevitably make ALM an attractive target for various attacks.

研究动机与目标

• 应对日益增长的ALM过程中恶意篡改制造参数所带来的风险，此类篡改会损害零件完整性但不改变三维几何形状。
• 开发一种安全且灵活的外包模型，以保护ALM中的知识产权（IP），包括三维对象设计和制造参数。
• 通过可强制执行的知识产权许可，实现设计师、调优专家和设备所有者等ALM利益相关方之间的安全协作。
• 研究技术解决方案，以检测、预防并重建针对ALM系统的成功网络物理攻击。
• 为ALM环境中的数字取证建立基础，以支持攻击后分析和责任追究。

提出的方法

• 设计一种安全外包模型，将知识产权（三维形状、所需物理性能及制造参数）与授权使用绑定，并设定使用限制（例如运行次数）。
• 采用专门的密码学协议来强制执行许可条款，防止知识产权的未经授权使用。
• 应用硬件混淆技术，以防止ALM设备被逆向工程和篡改。
• 实施非侵入式监控和抗篡改机制，以记录并验证制造过程数据。
• 集成数字 forensic 分析，利用残留数据重建攻击，并在制造后检测知识产权违规行为。
• 开展实验性渗透测试，以评估针对ALM系统潜在攻击的可行性和难度。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些主要攻击向量可以通过篡改制造参数来损害3D打印零件的完整性？
• RQ2 如何在多个利益相关方之间安全地外包与3D对象设计和工艺参数相关的知识产权，并确保其强制执行？
• RQ3 哪些技术机制能够有效预防、检测并重建ALM环境中的网络物理攻击？
• RQ4 如何将密码学协议与抗篡改数据记录技术整合到ALM工作流程中，以确保知识产权合规？
• RQ5 在安全关键应用中，基于参数的攻击对高价值ALM零件的实际可行性及其影响是什么？

主要发现

• 对ALM制造参数的恶意篡改可在不改变三维形状的情况下降低材料性能（如抗机械应力能力），在航空航天发动机等安全关键应用中构成严重风险。
• 提出了一种安全外包模型，将知识产权（设计、性能和工艺参数）与授权使用绑定，并对生产运行次数施加可强制执行的限制。
• 密码学协议和硬件混淆技术是保护敏感制造参数免遭逆向工程和未经授权使用的可行技术手段。
• 非侵入式监控和抗篡改数据记录技术可支持检测知识产权违规行为，并实现攻击后的数字取证分析。
• 计划开展实验性渗透测试，以评估基于参数的攻击的可行性和难度，为风险评估和缓解措施提供依据。
• 将数字取证整合到ALM工作流程中，对于重建攻击并确保工业环境中责任追究至关重要。