Asegurando Sistemas Ciber-Físicos: Técnicas de Protección de Actuadores

Los Sistemas Ciber-Físicos (CPS) son sistemas donde procesos físicos son monitoreados y controlados por sistemas computacionales. Se usan en áreas importantes como plantas de energía, instalaciones de tratamiento de agua y manufactura. Una amenaza significativa para estos sistemas son los ataques de inyección de comandos y de repetición, que pueden causar grandes interrupciones. Este artículo discute cómo mejorar la seguridad de los Actuadores, los dispositivos que controlan procesos físicos, usando una nueva técnica.

#Antecedentes

En los CPS, la conectividad ayuda a monitorear y controlar procesos físicos. Sin embargo, esta conectividad también crea desafíos de seguridad. Cada componente, como sensores y actuadores, tiene sus vulnerabilidades. Mientras que los sensores han recibido mucha atención en cuanto a seguridad, los actuadores necesitan más enfoque porque los ataques en ellos pueden llevar a consecuencias graves, incluyendo accidentes y compromisos en la calidad del producto.

#Panorama de Amenazas

Ha habido ataques en el mundo real a los CPS, como el gusano Stuxnet y el apagón de la red eléctrica de Ucrania. Ambos incidentes involucraron ataques a sistemas que controlan dispositivos físicos, enfatizando la necesidad de mejores mecanismos de protección. Los atacantes ahora son sofisticados y a menudo apuntan a los comandos de control enviados a los actuadores.

#Entendiendo los Actuadores

Un actuador funciona respondiendo a comandos de control. Si un atacante puede manipular estos comandos o reemplazarlos, puede llevar a condiciones peligrosas. Por lo tanto, es crucial verificar que el actuador esté funcionando como se espera y autenticar sus respuestas. Para hacer esto, proponemos usar el tiempo que toma a un actuador operar como una huella única.

#Técnicas Propuestas

Desarrollamos dos técnicas para la huella digital de actuadores: un enfoque pasivo que recoge datos sin interferir en las operaciones del sistema y un enfoque activo que introduce una técnica de marcas de agua para rastrear señales de control.

#Huella Pasiva

Esta técnica se centra en las características de tiempo, que son únicas para el comportamiento de cada actuador. Por ejemplo, en un sistema de bombeo de agua, toma tiempo que el flujo de agua alcance su velocidad máxima después de que se enciende la bomba. Al analizar estos datos de tiempo, podemos crear una huella digital única para el actuador.

#Marcas de Agua Activas

Para defendernos de atacantes que podrían replicar el comportamiento de un actuador, proponemos añadir una señal de Marca de agua a los comandos de control. Esto significa que cuando se ejecuta un comando, se introduce un retraso aleatorio, que debería reflejarse en las mediciones de los sensores. Esto ayuda a detectar si el comando ha sido alterado.

#Desafíos y Objetivos

Un gran desafío para nuestras técnicas es la presencia de una amenaza interna activa, donde un atacante tiene acceso a los comandos de control y puede manipularlos. Nuestros métodos buscan verificar que los comandos de control se hayan ejecutado correctamente y que los datos sean auténticos.

Los principales objetivos de nuestro trabajo incluyen:

1. Diseñar y probar la técnica de huella digital para actuadores.
2. Crear un método práctico de marcas de agua para proteger contra ataques de repetición.

#Metodología

La metodología consiste en dos fases: extracción de datos fuera de línea y cálculo de huellas digitales en línea. Durante la fase fuera de línea, se recopilan datos del CPS, que incluyen comandos de control y lecturas de sensores. La fase en línea actualiza continuamente los perfiles de actuadores y procesos basándose en datos recientes.

#Recolección de Datos

En esta fase, recopilamos datos de una prueba de tratamiento de agua segura para entender cómo operan los actuadores a lo largo del tiempo. Los datos incluyen los detalles de tiempo de las operaciones de los actuadores junto con las respuestas de los sensores.

#Extracción de Características

Después de recopilar los datos, identificamos características de tiempo clave que se pueden usar para crear huellas digitales únicas para cada actuador. Esto implica analizar el tiempo que tarda el actuador en responder a los comandos y cómo este comportamiento cambia en diferentes escenarios.

#Configuración Experimental

Para validar las técnicas propuestas, configuramos un entorno realista que involucra válvulas y bombas motorizadas dentro de una instalación de tratamiento de agua. Este entorno nos permite probar nuestros métodos de huella digital de actuadores bajo condiciones del mundo real.

#Resultados y Discusión

Al implementar estas técnicas, observamos algunos hallazgos clave:

#Identificación de Actuadores

El enfoque de huella digital nos permitió diferenciar entre varios actuadores basándonos en sus perfiles de tiempo. Incluso actuadores del mismo modelo mostraron características de tiempo únicas, permitiendo una identificación exitosa. Esto demuestra que nuestra técnica puede distinguir de manera confiable entre diferentes dispositivos según cómo responden a los comandos de control.

#Identificación de Estados

También pudimos distinguir entre diferentes estados del mismo actuador (como abrir y cerrar) usando los datos de tiempo recopilados. Esta capacidad es crítica para determinar el estado en tiempo real del sistema, especialmente durante un ataque.

#Detección de Anomalías

Al usar un método llamado Suma Acumulativa (CUSUM) para monitorear los tiempos de transición, pudimos detectar comportamientos inusuales relacionados con posibles ataques. Nuestro sistema de detección de anomalías activa alarmas cada vez que los tiempos de transición observados se desvían significativamente de los patrones esperados, permitiendo un monitoreo y respuesta en tiempo real.

#Eficacia de la Marca de Agua

La marca de agua demostró ser efectiva contra ataques de repetición. Al introducir un retraso aleatorio, cualquier intento de repetir comandos antiguos no incluiría esta marca de agua, alertando al sistema sobre un posible ataque.

#Desafíos en la Implementación

Aunque prometedoras, estas técnicas también presentan desafíos. Por ejemplo, actualizar constantemente los datos de huellas digitales y manejar la marca de agua sin interrumpir las operaciones regulares requiere una consideración cuidadosa.

#Direcciones Futuras

La investigación futura se centrará en refinar los métodos de huella digital y técnicas de marcas de agua para mejorar su robustez y adaptabilidad. Esto incluye explorar enfoques de aprendizaje automático para mejorar la identificación en condiciones variables.

#Conclusión

En conclusión, nuestras técnicas propuestas para la huella digital de actuadores y la marca de agua presentan un avance significativo en la seguridad de los Sistemas Ciber-Físicos contra ataques sofisticados. Aprovechando las características de tiempo únicas de los actuadores, podemos mejorar la seguridad y confiabilidad del sistema en general.