Identificação Automatizada de Riscos de Segurança em Sistemas Ciber-Físicos de Produção Usando Dados de Engenharia Baseados em AutomationML

Este protótipo implementa os métodos apresentados nas duas publicações a seguir:

1. Eckhart, M., Ekelhart, A., & Weippl, E. R. (2020). Automated Security Risk Identification Using AutomationML-Based Engineering Data. IEEE Transactions on Dependable and Secure Computing.
2. Eckhart, M., Ekelhart, A., Biffl S., Lüder A., & Weippl, E. R. (2022). QualSec: An Automated Quality-Driven Approach for Security Risk Identification in Cyber-Physical Production Systems. IEEE Transactions on Industrial Informatics.

Em essência, ele identifica fontes de risco de segurança (isto é, ameaças e vulnerabilidades) e tipos de consequências de ataques com base em artefatos AutomationML (AML). Os resultados do processo de identificação de riscos podem ser usados para gerar grafos de ataque ciber-físicos, que modelam ataques cibernéticos de múltiplos estágios que potencialmente levam a danos físicos. Além disso, são identificados efeitos em cascata e consequências de ataques que afetam a qualidade do produto.

Instalação

1. Construir AML2OWL

Este protótipo depende de uma versão bifurcada da implementação da tradução bidirecional entre AML e OWL para o artigo ETFA 2019 "Interpreting OWL Complex Classes in AutomationML based on Bidirectional Translation" de Hua e Hein. Clone o repositório, compile os projetos e monte um pacote de aplicação de aml_owl:

$ cd aml_models
$ mvn clean compile install
$ cd ../aml_io
$ mvn clean compile install
$ cd ../aml_owl
$ mvn clean compile install assembly:single

2. Configurar o Diretório Base do AMLsec

Clone este repositório, crie o diretório base da aplicação (geralmente localizado no diretório home do usuário) e coloque os arquivos localizados em amlsec-base-dir e o JAR do AML2OWL montado (localizado em aml_owl/target/) lá. O diretório base do AMLsec e o caminho para o JAR do AML2OWL devem ser definidos no arquivo de configuração usando as chaves baseDir e amlToOwlProgram, respectivamente.

3. Configurar Apache Jena Fuseki

Instale e inicie o Apache Jena Fuseki:

$ java -jar <path_to_apache-jena-fuseki-X.Y.Z>/fuseki-server.jar --update

4. Instalar LoLA 2 (aplica-se apenas ao QualSec)

Se você quiser executar o QualSec, precisa instalar o LoLA - A Low Level Petri Net Analyzer.

5. Construir e Executar a Aplicação

Finalmente, construa e inicie o aplicativo usando sbt.

$ sbt "runMain org.sba_research.worker.Main -q"

Use as flags -s e -q para executar AMLsec e QualSec, respectivamente.

Uso

Os métodos implementados utilizam um mecanismo de mapeamento de informações semânticas realizado por meio de bibliotecas AML. Estas bibliotecas de extensão de segurança AML e bibliotecas de extensão de qualidade AML podem ser facilmente reutilizadas em projetos de engenharia ao importá-las para arquivos AML.

Novamente, se você quiser executar o protótipo do método apresentado no artigo IEEE TDSC, use a flag -s. A flag -q, por outro lado, corresponde ao método apresentado no artigo IEEE TII.

As capacidades deste protótipo são demonstradas em estudos de caso (AMLsec, QualSec). Executar este protótipo como está produzirá a base de conhecimento (pode ser acessada via Fuseki), que também inclui os resultados do processo de identificação de riscos e os resultados do estudo de caso.

Além disso, se você executar o protótipo com o estudo de caso padrão e a flag -s, o seguinte grafo de ataque ciber-físico podado será criado:

Cluster

O protótipo utiliza o framework Akka e é capaz de distribuir a carga de trabalho de identificação de riscos entre múltiplos nós. O exemplo de workers distribuídos do Akka foi usado como modelo.

Para executar o cluster com múltiplos nós (exemplos com a flag -q):

1. Iniciar Cassandra:

$ sbt "runMain org.sba_research.worker.Main cassandra -q"

2. Iniciar o primeiro nó semente:

$ sbt "runMain org.sba_research.worker.Main 2551 -q"

3. Iniciar um nó front-end:

$ sbt "runMain org.sba_research.worker.Main 3001 -q"

4. Iniciar um nó worker (o segundo parâmetro denota o número de atores worker, ex., 3):

$ sbt "runMain org.sba_research.worker.Main 5001 3 -q"

Se você executar os nós em máquinas separadas, terá que adaptar as configurações do Akka no arquivo de configuração.

Avaliação de Desempenho

As medições e arquivos de log obtidos durante a avaliação de desempenho estão disponíveis mediante solicitação.

Como Citar

Se você usar este protótipo em sua pesquisa, considere citar nossa publicação IEEE TDSC 2020 ou IEEE TII 2022. Sinta-se à vontade para usar as entradas BibTeX dos artigos (TDSC, TII).

Agradecimentos

Os autores gostariam de agradecer a Yameng An por fornecer a versão inicial do OntoPLC.