Detection of attacks against cyber-physical industrial systems

par Jose Manuel Rubio Hernan

Thèse de doctorat en Informatique et réseaux

Sous la direction de Joaquin Garcia-Alfaro.

Soutenue le 18-07-2017

à Evry, Institut national des télécommunications , dans le cadre de École doctorale Informatique, télécommunications et électronique (Paris) , en partenariat avec Université Pierre et Marie Curie (Paris) (1971-2017) (Université) , Services répartis- Architectures- MOdélisation- Validation- Administration des Réseaux / SAMOVAR (laboratoire) et de Département Réseaux et Services de Télécommunications / RST (laboratoire) .

Le président du jury était Pierre Sens.

Le jury était composé de Frédéric Cuppens, Ana Cavalli, Urko Zurutuza, Jean Leneutre, Luca De Cicco.

Les rapporteurs étaient Yves Roudier, Pascal Lafourcade.

  • Titre traduit

    Détection des attaques contre les systèmes cyber-physiques industriels


  • Résumé

    Nous abordons des problèmes de sécurité dans des systèmes cyber-physiques industriels. Les attaques contre ces systèmes doivent être traitées à la fois en matière de sûreté et de sécurité. Les technologies de contrôles imposés par les normes industrielles, couvrent déjà la sûreté. Cependant, du point de vue de la sécurité, la littérature a prouvé que l’utilisation de techniques cyber pour traiter la sécurité de ces systèmes n’est pas suffisante, car les actions physiques malveillantes seront ignorées. Pour cette raison, on a besoin de mécanismes pour protéger les deux couches à la fois. Certains auteurs ont traité des attaques de rejeu et d’intégrité en utilisant une attestation physique, p. ex., le tatouage des paramètres physiques du système. Néanmoins, ces détecteurs fonctionnent correctement uniquement si les adversaires n’ont pas assez de connaissances pour tromper les deux couches. Cette thèse porte sur les limites mentionnées ci-dessus. Nous commençons en testant l’efficacité d’un détecteur qui utilise une signature stationnaire afin de détecter des actions malveillantes. Nous montrons que ce détecteur est incapable d’identifier les adversaires cyber-physiques qui tentent de connaître la dynamique du système. Nous analysons son ratio de détection sous la présence de nouveaux adversaires capables de déduire la dynamique du système. Nous revisitons le design original, en utilisant une signature non stationnaire, afin de gérer les adversaires visant à échapper à la détection. Nous proposons également une nouvelle approche qui combine des stratégies de contrôle et de communication. Toutes les solutions son validées à l’aide de simulations et maquettes d’entraînement


  • Résumé

    We address security issues in cyber-physical industrial systems. Attacks against these systems shall be handled both in terms of safety and security. Control technologies imposed by industrial standards already cover the safety dimension. From a security standpoint, the literature has shown that using only cyber information to handle the security of cyber-physical systems is not enough, since physical malicious actions are ignored. For this reason, cyber-physical systems have to be protected from threats to their cyber and physical layers. Some authors handle the attacks by using physical attestations of the underlying processes, f.i., physical watermarking to ensure the truthfulness of the process. However, these detectors work properly only if the adversaries do not have enough knowledge to mislead crosslayer data. This thesis focuses on the aforementioned limitations. It starts by testing the effectiveness of a stationary watermark-based fault detector, to detect, as well, malicious actions produced by adversaries. We show that the stationary watermark-based detector is unable to identify cyber-physical adversaries. We show that the approach only detects adversaries that do not attempt to get any knowledge about the system dynamics. We analyze the detection performance of the original design under the presence of adversaries that infer the system dynamics to evade detection. We revisit the original design, using a non-stationary watermark-based design, to handle those adversaries. We also propose a novel approach that combines control and communication strategies. We validate our solutions using numeric simulations and training cyber-physical testbeds


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