Sicurezza dei Sistemi Cyber-Fisici: Tecniche di Protezione degli Attuatori

I Sistemi Cyber-Fisici (CPS) sono sistemi in cui i processi fisici vengono monitorati e controllati da sistemi informatici. Vengono usati in aree importanti come le centrali elettriche, gli impianti di trattamento delle acque e la produzione. Una minaccia significativa per questi sistemi sono gli attacchi di iniezione di comandi e di replay, che possono causare grandi disagi. Questo articolo parla di come migliorare la sicurezza degli Attuatori, i dispositivi che controllano i processi fisici, usando una nuova tecnica.

#Contesto

Nei CPS, la connettività aiuta nel monitoraggio e nel controllo dei processi fisici. Tuttavia, questa connettività crea anche delle sfide per la sicurezza. Ogni componente, come sensori e attuatori, ha le sue vulnerabilità. Mentre i sensori hanno ricevuto molta attenzione per quanto riguarda la sicurezza, gli attuatori necessitano di più focus perché gli attacchi su di essi possono portare a conseguenze gravi, tra cui incidenti e compromissione della qualità del prodotto.

#Paesaggio delle Minacce

Ci sono stati attacchi reali ai CPS, come il worm Stuxnet e lo spegnimento della rete elettrica ucraina. Entrambi gli incidenti hanno coinvolto attacchi a sistemi che controllano dispositivi fisici, evidenziando la necessità di migliori meccanismi di protezione. Gli attaccanti ora sono sofisticati, spesso mirando ai comandi di controllo inviati agli attuatori.

#Comprendere gli Attuatori

Un attuatore funziona rispondendo ai comandi di controllo. Se un attaccante riesce a manipolare questi comandi o a sostituirli, può portare a condizioni pericolose. Pertanto, è cruciale verificare che l'attuatore funzioni come previsto e autenticare le sue risposte. Per farlo, proponiamo di usare il tempo impiegato da un attuatore per operare come un'impronta unica.

#Tecniche Proposte

Sviluppiamo due tecniche per il fingerprinting degli attuatori: un approccio passivo che raccoglie dati senza interferire con le operazioni del sistema e un approccio attivo che introduce una tecnica di Watermarking per tracciare i segnali di controllo.

#Fingerprinting Passivo

Questa tecnica si concentra sulle caratteristiche temporali, che sono uniche per il comportamento di ciascun attuatore. Ad esempio, in un sistema di pompaggio d'acqua, ci vuole tempo perché il flusso d'acqua raggiunga la massima velocità dopo che la pompa è stata accesa. Analizzando questi dati temporali, possiamo creare un'impronta unica per l'attuatore.

#Watermarking Attivo

Per difenderci dagli attaccanti che potrebbero replicare il comportamento di un attuatore, proponiamo di aggiungere un segnale di watermark ai comandi di controllo. Questo significa che quando un comando viene eseguito, viene introdotto un ritardo casuale, che dovrebbe riflettersi nelle misurazioni del sensore. Questo aiuta a rilevare se il comando è stato modificato.

#Sfide e Obiettivi

Una grande sfida per le nostre tecniche è la presenza di una minaccia interna attiva, in cui un attaccante ha accesso ai comandi di controllo e può manipolarli. I nostri metodi mirano a verificare che i comandi di controllo siano stati eseguiti correttamente e che i dati siano autentici.

I principali obiettivi del nostro lavoro includono:

1. Progettare e testare la tecnica di fingerprinting degli attuatori.
2. Creare un metodo di watermarking pratico per proteggere contro gli attacchi di replay.

#Metodologia

La metodologia consiste in due fasi: estrazione dei dati offline e calcolo dell'impronta online. Durante la fase offline, vengono raccolti dati dai CPS, che includono comandi di controllo e letture dei sensori. La fase online aggiorna continuamente i profili degli attuatori e dei processi basati su dati recenti.

#Raccolta Dati

In questa fase, raccogliamo dati da un campo di prova di trattamento delle acque sicuro per capire come gli attuatori operano nel tempo. I dati includono i dettagli temporali delle operazioni degli attuatori insieme alle risposte dei sensori.

#Estrazione delle Caratteristiche

Dopo aver raccolto i dati, identifichiamo le caratteristiche temporali chiave che possono essere utilizzate per creare impronte uniche per ciascun attuatore. Questo implica analizzare il tempo impiegato dall'attuatore per rispondere ai comandi e come questo comportamento cambi in diversi scenari.

#Impostazione Sperimentale

Per convalidare le tecniche proposte, abbiamo allestito un ambiente realistico che coinvolge valvole e pompe motorizzate all'interno di un impianto di trattamento delle acque. Questo ambiente ci consente di testare i nostri metodi di fingerprinting degli attuatori in condizioni reali.

#Risultati e Discussione

Dopo aver implementato queste tecniche, abbiamo osservato alcune scoperte chiave:

#Identificazione degli Attuatori

L'approccio di fingerprinting ci ha permesso di differenziare vari attuatori in base ai loro profili temporali. Anche attuatori dello stesso modello mostrano caratteristiche temporali uniche, permettendo un'identificazione di successo. Questo dimostra che la nostra tecnica può distinguere affidabilmente diversi dispositivi in base a come rispondono ai comandi di controllo.

#Identificazione dello Stato

Siamo stati anche in grado di distinguere tra diversi stati dello stesso attuatore (come aprire e chiudere) usando i dati temporali raccolti. Questa capacità è fondamentale per determinare lo stato reale del sistema, specialmente durante un attacco.

#Rilevamento di Anomalie

Utilizzando un metodo chiamato Somma Cumulativa (CUSUM) per monitorare i tempi di transizione, siamo stati in grado di rilevare comportamenti insoliti legati a potenziali attacchi. Il nostro sistema di rilevamento delle anomalie solleva allarmi ogni volta che i tempi di transizione osservati deviano significativamente dai modelli previsti, consentendo un monitoraggio e una risposta in tempo reale.

#Efficacia del Watermarking

Il watermarking si è rivelato efficace contro gli attacchi di replay. Introdurre un ritardo casuale significa che qualsiasi tentativo di ripetere vecchi comandi non includerebbe questo watermark, avvisando il sistema di un potenziale attacco.

#Sfide nell'Implementazione

Sebbene promettenti, queste tecniche presentano anche delle sfide. Ad esempio, aggiornare costantemente i dati dell'impronta e gestire il watermarking senza interrompere le operazioni regolari richiede un'attenzione particolare.

#Direzioni Future

Ulteriori ricerche si concentreranno sul perfezionamento dei metodi di fingerprinting e delle tecniche di watermarking per migliorarne la robustezza e l'adattabilità. Questo include esplorare approcci di apprendimento automatico per migliorare l'identificazione in condizioni variabili.

#Conclusione

In conclusione, le tecniche proposte per il fingerprinting degli attuatori e il watermarking rappresentano un passo significativo verso la sicurezza dei Sistemi Cyber-Fisici contro attacchi sofisticati. Sfruttando le caratteristiche temporali uniche degli attuatori, possiamo migliorare la sicurezza e l'affidabilità complessiva del sistema.