Détection d'Intrusions basée sur les spécifications pour les Systèmes de Contrôle-Commande Industriels Hiérarchiques Hybrides

Specification-based Intrusion Detection for Hierarchical Hybrid Industrial Control Systems

• Auteur / Autrice : Estelle Hotellier
• Direction : Stéphane Mocanu, Franck Sicard, Julien Francq
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 09/04/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences et technologies de l'information, informatique (Grenoble ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Centre de recherche de l'université Grenoble Alpes (1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Laure Potet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Isabelle Chrisment, Ludovic Mé
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Hervé Debar, Valérie Viêt Triêm Tông

Mots clés

Mots clés contrôlés

Scalabilité (informatique)

Systèmes de détection d'intrusion (informatique)

Mots clés libres

Détection d'intrusions réseau

Système de contrôle-Commande industriel

Cybersécurité

Détection d'anomalies

Détection comportementale

Vérification à l'exécution

Network intrusion detection

Industrial control system

Cybersecurity

Anomaly detection

Behavioral detection

Runtime verification

Résumé

Cette thèse apporte une contribution au domaine de la cybersécurité, en particulier la détection d'intrusions réseau pour les systèmes de contrôle-commande industriels (ICSs en anglais). Notre intérêt découle de l'augmentation des incidents de cybersécurité ciblant les ICS et de la nécessité d'identifier les attaques qui manipulent les processus physiques de ces systèmes. Ces attaques (process aware en anglais), sont des cyberattaques sophistiquées conçues pour cibler les processus physiques et provoquer des comportements incorrects du système.Dans ce manuscrit, nous développons un système de détection d'intrusions (IDS) adapté aux ICSs. Notre approche est basée sur des spécifications et prend en compte la connaissance des processus physiques des systèmes. Les ICSs sont des systèmes de contrôle distribués et hiérarchiques construits à partir de boucles de contrôle locales, qui constituent les blocs élémentaires de ces systèmes.Notre méthodologie vise à établir un lien entre les spécifications de sécurité et les propriétés de sûreté d'un système. Pour cela, nous utilisons des spécifications issues de normes internationales et de standards industriels concernant la sécurité locale et globale, ainsi que les spécifications des protocoles réseau, dans les processus industriels. L'extraction de ces spécifications est réalisée de manière systématique et permet l'obtention de propriétés de sûreté (security properties en anglais). Ces propriétés de sûreté forment des exigences ayant une signification au niveau du réseau et peuvent être évaluées pendant l'exécution du système. Nous utilisons des formalismes tels que la logique temporelle linéaire (LTL), la logique temporelle métrique (MTL) et la logique temporelle pour les signaux (STL) permettant de formaliser des propriétés temporelles et de prendre en compte les dynamiques hybrides propres aux ICSs. Notre approche est réalisée à l'aide de captures de trafic réseau entre les boucles locales et le niveau de contrôle distribué (sur les bus de terrain notamment), ainsi qu'entre le contrôle distribué et la supervision.Dans un second temps, nos travaux explorent une configuration distribuée pour le déploiement de notre IDS. Cette architecture est motivée par la nécessité de déployer plusieurs instances d'IDS lorsque des capacités de détection accrues sont requises, par exemple pour une détection sur des systèmes industriels de plus grande dimension. Notre approche distribuée se compose de plusieurs instances de notre IDS, structurellement identiques, déployées dans l'ensemble du système et coordonnées pour surveiller des propriétés de sûreté locales et globales du système.Nous avons mis en œuvre et évalué notre approche sur des plateformes expérimentales de systèmes industriels, démontrant expérimentalement sa capacité à détecter un large spectre d'attaques. Nous avons présenté les capacités de détection de notre déploiement distribué et illustré son adaptabilité lorsque notre approche est déployée sur différents systèmes. Enfin, nous avons montré la scalabilité de notre approche, puisque la relation entre le temps de détection et le nombre de propriétés de sûreté évaluées est linéaire.

This thesis tackles the question of cybersecurity through network intrusion detection for Industrial Control Systems (ICSs). Our interest arises from the increasing number of cybersecurity incidents targeting ICSs and the need to detect attacks that manipulate the physical process. Such attacks are called process aware attacks: they are sophisticated cyberattacks aiming at disrupting the physical process and inducing incorrect behaviors of the system.In this manuscript, we propose a significant contribution by developing a specification-based, process aware, Intrusion Detection System (IDS) for ICSs. ICSs are distributed and hierarchical control systems, built on top of local control loops which are the system's elementary building blocks.Our approach aims to link safety specifications and security properties. Thus, we use international and industry standards specifications concerning local safety, global safety and networks of the industrial process, in order to systematically obtain security properties. The obtained security properties are cybersecurity related requirements. They are translated into security patterns in order to be runtime monitored by our network IDS. We rely on specification language formalism such as Linear Temporal Logic (LTL), Metric Temporal Logic (MTL) and Signal Temporal Logic (STL) to express temporal properties and tackle the hybrid dynamics of ICSs. Our approach relies on a monitoring framework, capturing network traffic between the local loops and the distributed control level (i.e. on fieldbuses notably), as well as between distributed control and supervisory control.In our work, we also explore a distributed deployment framework for our IDS. This is motivated by the necessity to deploy multiple IDS instances when more detection capacities are required, in order to monitor larger industrial systems in spread out environments. Our distributed framework consists in structurally identical IDS instances deployed across the system and coordinated in a way that they can monitor system's local and global security properties.We implemented and evaluated our IDSs on physical ICS testbeds. We experimentally show that our IDS detects a large spectrum of attacks. We showed the detection capacities of our distributed deployment. We show that our approach is scalable since its detection response time as a function of the number of monitored security patterns, is linear. Finally, we illustrated our approach's extensibility by deploying it on two distinct ICS testbeds.