Ethercat tabanlı bir SCADA sisteminde kural ve makine öğrenmesine dayalı saldırı ve anomali tespiti
Rule and machine learning based intrusion and anomaly detection in an ethercat based SCADA system
Yazar: KEVSER OVAZ AKPINAR
Danışman: DOÇ. DR. İBRAHİM ÖZÇELİK
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilgisayar ve Bilişim Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control

Özet:
Endüstriyel kontrol sistemleri (EKS) bulundukları konum ve bileşenleri bakımından kritik altyapıya sahip sistemler olup, bilişim teknolojilerinden (BT) bağımsız olarak uygulama alanına göre kendilerine ait kabul ve işleyişleri bulunmaktadır. Bu sistemler, günümüzde otomasyon hiyerarşisinde yer alan seviyeler arası yatay ve dikey entegrasyonun tek bir protokolle sağlanması fikrinden yola çıkılarak Ethernet ile de adapte edilmiş durumdadır. Dolayısıyla EKS'ler hem doğalarından hem de Ethernet üzerinden bilişim teknolojilerinin sunduğu hizmetlerin içerisine dahil edildiklerinden dolayı siber saldırılara karşı tehdit altındadır. Bu durum, çoğunlukla iletişim altyapısı üzerinden gelen saldırıların tespiti için özelinde EKS çözümlerini gerektirir.

Bu çalışmada, otomasyon uygulamalarında yaygın bir kullanıma sahip olan, Ethernet tabanlı gerçek zamanlı EtherCAT protokolü için Snort saldırı tespit sistemi üzerinde bilinen ve bilinmeyen saldırıları tespit eden bütüncül bir yapı ve makine öğrenmesi teknikleriyle anomali tespiti olmak üzere ikisi kural biri anomali tespitine dayanan 3 farklı yaklaşım sunulmaktadır. Sistem, geliştirilen önişlemci yardımıyla, bilinen saldırılar için güvenli düğüm yaklaşımı, bilinmeyen saldırılar için ise saha veri yolu tekrar periyodunu tespit ederek istatistiksel tekniklerle ve özgün çözümlerle kural tabanlı olarak saldırı tespitini kapsamaktadır. Tespitler bir günlükleme ve izleme yapısı olan ELK yığını üzerinde kullanıcıya sunulmaktadır. Ayrıca, yine bilinmeyen saldırılar için oluşturulan su seviye kontrol otomasyonu test ortamı üzerinde olaylar gerçeklenerek bir veri seti hazırlanması ve çeşitli öğrenme tekniklerinin veri seti üzerinde anomali tespitini kapsamaktadır. 

Bilinmeyen saldırıların tespiti kapsamında uygulanan periyot tespitinin %95-%99 doğrulukla yapılabildiği görülmüştür. Önerilen sistem üzerinde ise MAC aldatma, veri enjeksiyonu, DoS, köle saldırıları gibi ataklar gerçeklenmiş, alarm ve günlüklemeler incelendiğinde saldırıların başarıyla tespit edildiği görülmüştür. Ayrıca, k-NN ve SVM GA tekniklerinin olay tespitinde başarılı sonuç verdikleri belirlenmiştir.

Abstract:
Industrial control systems (ICS) are critical infrastructures in terms of their location and components. These systems have their own features and operation related to the application field independent from the information technologies (IT). They are also adapted with the Ethernet technologies based on the idea of providing horizontal and vertical integration between the levels in the automation hierarchy with a single protocol. Therefore, ICSs are threatened by cyber attacks, due to both their nature and support of IT services through Ethernet. This risk requires ICS specific solutions to detect and prevent attacks which use communication infrastructure.

In this study, two rule based which detect known and unknown attacks on the Snort system and one anomaly based which uses machine learning techniques, in total of three different approaches were presented as a holistic structure for Ethernet based real-time EtherCAT protocol, which is widely used in automation applications. In the case of rule based intrusion detection, the EtherCAT preprocessor was proposed, which applies the trust node approach for known attacks, and identifies the field bus repetition period for unknown attacks, with statistical techniques and novel solutions. The findings were presented to the user on the ELK stack, which is a logging and monitoring structure. For anomaly based intrusion detection, the water level control automation testbed was developed, a dataset was prepared by generating events and various machine learning techniques were applied on the dataset.

According to the findings obtained in this research, it was concluded that the period determination which was applied within the scope of unknown attack detection can be made with 95% - 99% accuracy. When the logs and alerts of the realized MAC spoofing, data injection, DoS, slave attacks were investigated, it was seen that the attacks were able to be detected successfully. For anomaly detection part of the study, k-NN and SVM GA techniques were found to be successful in detecting events.