Détection d'intrusions pour les systèmes de contrôle industriels

par Oualid Koucham

Thèse de doctorat en Automatique - productique

Sous la direction de Jean-Marc Thiriet.

Le président du jury était Isabel Demongodin.

Le jury était composé de Gregory Blanc, Guillaume Hiet, Stéphane Mocanu, Frédéric Majorczyk.

Les rapporteurs étaient Isabelle Chrisment, Michel Combacau.


  • Résumé

    L’objectif de ce travail de thèse est le développement de techniques de détection d’intrusions et de corrélation d’alertes spécifiques aux systèmes de contrôle industriels (ICS). Cet intérêt est justifié par l’émergence de menaces informatiques visant les ICS, et la nécessité de détecter des attaques ciblées dont le but est de violer les spécifications sur le comportement correct du processus physique.Dans la première partie de nos travaux, nous nous sommes intéressés à l’inférence automatique de spécifications pour les systèmes de contrôle séquentiels et ce à des fins de détection d’intrusions. La particularité des systèmes séquentiels réside dans leur logique de contrôle opérant par étapes discrètes. La détection d’intrusions au sein de ces systèmes a été peu étudiée malgré leur omniprésence dans plusieurs domaines d’application. Dans notre approche, nous avons adopté le formalisme de la logique temporelle linéaire (LTL) et métrique (MTL) permettant de représenter des propriétés temporelles d’ordre qualitatif et quantitatif sur l’état des actionneurs et des capteurs. Un algorithme d’inférence de propriétés a été développé afin d’automatiser la génération des propriétés à partir de motifs de spécifications couvrant les contraintes les plus communes. Cette approche vise à pallier le nombre conséquent de propriétés redondantes inférées par les approches actuelles.Dans la deuxième partie de nos travaux, nous cherchons à combiner l’approche de détection d’intrusions développée dans le premier axe avec des approches de détection d’intrusions classiques. Pour ce faire, nous explorons une approche de corrélation tenant compte des spécificités des systèmes industriels en deux points: (i) l’enrichissement et le prétraitement d’alertes venant de domaines différents (cyber et physique), et (ii) la mise au point d’une politique de sélection d’alertes tenant compte du contexte d’exécution du processus physique. Le premier point part du constat que, dans un système industriel, les alertes qui sont remontées au corrélateur sont caractérisées par des attributs hétérogènes (attributs propres aux domaines cyber et physique). Cependant, les approches de corrélation classiques présupposent une certaine homogénéité entre les alertes. Afin d’y remédier, nous développons une approche d’enrichissement des alertes du domaine physique par des attributs du domaine cyber sur la base d’informations relatives aux protocoles supportés par les contrôleurs et à la distribution des variables du processus au sein des contrôleurs. Le deuxième point concerne le développement d’une politique de sélection d’alertes qui adapte dynamiquement les fenêtres de sélection des alertes selon l’évolution des sous-processus.Les résultats de l’évaluation de nos approches de détection et de corrélation montrent des performances améliorées sur la base de métriques telles que le nombre de propriétés inférées, le taux de réduction des alertes et la complétude des corrélations.

  • Titre traduit

    Intrusion detection for industrial control systems


  • Résumé

    The objective of this thesis is to develop intrusion detection and alert correlation techniques geared towards industrial control systems (ICS). Our interest is driven by the recent surge in cybersecurity incidents targeting ICS, and the necessity to detect targeted attacks which induce incorrect behavior at the level of the physical process.In the first part of this work, we develop an approach to automatically infer specifications over the sequential behavior of ICS. In particular, we rely on specification language formalisms such as linear temporal logic (LTL) and metric temporal logic (MTL) to express temporal properties over the state of the actuators and sensors. We develop an algorithm to automatically infer specifications from a set of specification patterns covering the most recurring properties. In particular, our approach aims at reducing the number of redundant and unfalsifiable properties generated by the existing approaches. To do so, we add a pre-selection stage which allows to restrict the search for valid properties over non redundant portions of the execution traces. We evaluate our approach on a complex physical process steered by several controllers under process oriented attacks. Our results show that a significant reduction in the number of inferred properties is possible while achieving high detection rates.In the second part of this work, we attempt to combine the physical domain intrusion detection approach developed in the first part with more classical cyber domain intrusion detection approaches. In particular, we develop an alert correlation approach which takes into account some specificities of ICS. First, we explore an alert enrichment approach that allows to map physical domain alerts into the cyber domain. This is motivated by the observation that alertscoming from different domains are characterized by heterogeneous attributes which makes any direct comparison of the alerts difficult. Instead, we enrich the physical domain alerts with cyber domain attributes given knowledge about the protocols supported by the controllers and the memory mapping of process variables within the controllers.In this work, we also explore ICS-specific alert selection policies. An alert selection policy defines which alerts will be selected for comparison by the correlator. Classical approaches often rely on sliding, fixed size, temporal windows as a basis for their selection policy. Instead, we argue that given the complex interdependencies between physical subprocesses, agreeing on analert window size is challenging. Instead, we adopt selection policies that adapt to the state of the physical process by dynamically adjusting the size of the alert windows given the state of the subprocesses within the physical process. Our evaluation results show that our correlator achieves better correlation metrics in comparison with classical temporal based approaches.


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