Joint Safety and Security Modeling for Risk Assessment in Cyber Physical Systems
Siwar Kriaa · HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe) · 2016
Les Systèmes Cyber Physiques (CPS) intègrent des composants programmables afin de contrôler un processus physique. Ils sont désormais largement répandus dans différentes industries comme l’énergie, l’aéronautique, l’automobile ou l’industrie chimique. Parmi les différents CPS existants, les systèmes SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) permettent le contrôle et la supervision des installations industrielles critiques. Leur dysfonctionnement peut engendrer des impacts néfastes sur l’installation et son environnement.Les systèmes SCADA ont d’abord été isolés et basés sur des composants et standards propriétaires. Afin de faciliter la supervision du processus industriel et réduire les coûts, ils intègrent de plus en plus les technologies de communication et de l’information (TIC). Ceci les rend plus complexes et les expose à des cyber-attaques qui exploitent les vulnérabilités existantes des TIC. Ces attaques peuvent modifier le fonctionnement du système et nuire à sa sûreté.On associe dans la suite la sûreté aux risques de nature accidentelle provenant du système, et la sécurité aux risques d’origine malveillante et en particulier les cyber-attaques. Dans ce contexte où les infrastructures industrielles sont contrôlées par les nouveaux systèmes SCADA, les risques et les exigences liés à la sûreté et à la sécurité convergent et peuvent avoir des interactions mutuelles. Une analyse de risque qui couvre à la fois la sûreté et la sécurité est indispensable pour l’identification de ces interactions ce qui conditionne l’optimalité de la gestion de risque.Dans cette thèse, on donne d’abord un état de l’art complet des approches qui traitent la sûreté et la sécurité des systèmes industriels et on souligne leur carences par rapport aux quatre critères suivants qu’on juge nécessaires pour une bonne approche basée sur les modèles : formelle, automatique, qualitative et quantitative, et robuste (i.e. intègre facilement dans le modèle des variations d’hypothèses sur le système).On propose ensuite une nouvelle approche orientée modèle d’analyse conjointe de la sûreté et de la sécurité : S-cube (SCADA Safety and Security modeling), qui satisfait les critères ci-dessus. Elle permet une modélisation formelle des CPS et génère l’analyse de risque qualitative et quantitative associée. Grâce à une modélisation graphique de l’architecture du système, S-cube permet de prendre en compte différentes hypothèses et de générer automatiquement les scenarios de risque liés à la sûreté et à la sécurité qui amènent à un évènement indésirable donné, avec une estimation de leurs probabilités.L’approche S-cube est basée sur une base de connaissance (BDC) qui décrit les composants typiques des architectures industrielles incluant les systèmes d’information, le contrôle et la supervision, et l’instrumentation. Cette BDC a été conçue sur la base d’une taxonomie d’attaques et modes de défaillances et un mécanisme de raisonnement hiérarchique. Elle a été mise en œuvre à l’aide du langage de modélisation Figaro et ses outils associés. Afin de construire le modèle du système, l’utilisateur saisit graphiquement l’architecture physique et fonctionnelle (logiciels et flux de données) du système. L’association entre la BDC et ce modèle produit un modèle d’états dynamiques : une chaîne de Markov à temps continu. Pour limiter l’explosion combinatoire, cette chaîne n’est pas construite mais peut être explorée de deux façons : recherche de séquences amenant à un évènement indésirable ou simulation de Monte Carlo, ce qui génère des résultats qualitatifs et quantitatifs.On illustre enfin l’approche S-cube sur un cas d’étude réaliste : un système de stockage d’énergie par pompage, et on montre sa capacité à générer une analyse holistique couvrant les risques liés à la sûreté et à la sécurité. Les résultats sont ensuite analysés afin d’identifier les interactions potentielles entre sûreté et sécurité et de donner des recommandations.