Using Ontologies to Detect Anomalies in the Sky
Louis-Philippe Morel · PolyPublie (École Polytechnique de Montréal) · 2017
DEDICATIONÀ mes parents, pour leur soutien et leurs encouragements durant toutes ces années.À Cleo, pour m'avoir appuyé et encouragé durant cette aventure.Oui oui! J'ai fini!Aux joueurs de musique traditionnelle, pour toutes les belles soirées de musique.To my parents, for their support and their encouragements during all these years. To Cleo, for supporting me and cheering me on. Yes! I'm really done!To traditional musicians, for all the amazing evenings of music. RÉSUMÉCe mémoire de maîtrise présente une solution pour améliorer la sécurité des systèmes de contrôle de trafic aérien.Cette solution prend la forme d'un détecteur d'anomalies qui va déceler les manipulations malicieuses de données.Par les mêmes mécanismes, ce détecteur peut aussi détecter les situations d'urgences et les violations des lois du trafic aérien.Les systèmes de contrôle de trafic aérien sont composés de plusieurs capteurs qui envoient des données aux stations de travail des contrôleurs aérien sur un réseau IP en utilisant un protocole de partage de données en temps réel nommé Data Distribution Service.Des données malicieuses comme de fausses positions d'avions peuvent être insérées dans le trafic du réseau en compromettant une machine connectée à celui-ci ou en émettant des signaux contenant les données falsifiées qui seront captées et transmises sur le réseau par les capteurs.Actuellement, une fois que ces données sont sur le réseau, les systèmes ne disposent pas de mécanismes pour différencier les données malicieuses des vraies données et les traiteront de la même façon.La présence de données falsifiées sur le réseau peut causer de la confusion qui peut mener à des situations dangereuses incluant une sécurité aérienne réduite.Nous avons évalué l'impact des différentes attaques sur les systèmes de contrôle de trafic aérien en construisant un modèle de menaces tout en considérant les procédures d'urgence déjà en place dans le monde de l'aviation.Nous avons conclu qu'il y a plusieurs façons selon lesquelles un adversaire peut injecter des données malicieuses dans les systèmes.Il peut le faire soit en injectant les données directement dans le réseau ou en utilisant une radio logicielle pour émettre des données malicieuses sur les fréquences utilisées par les capteurs qu'ils les transmettent euxmêmes sur le réseau.Ces données peuvent induire les contrôleurs de trafic aérien en erreur et leur faire prendre une décision dangereuse.Ce modèle de menaces a servi dans l'ébauche des méthodes de détection.Pour contrer ces menaces, nous avons conçu un système de détection qui utilise les ontologies pour entreposer les données et un moteur de requêtes ontologiques qui s'occupe des requêtes de détection.Utiliser les ontologies nous a permis d'ajouter de la sémantique dans les données, ce qui facilita la création de requêtes de détection dans le langage de requêtes SPARQL.Le système de détection utilise un tableau d'équivalences entre les structures des données circulant sur le réseau et les concepts ontologiques.Le système de détection est installé sur des machines dédiées et envoie des alertes lorsqu'une requête détecte une anomalie.Nous avons conçu le modèle ontologique en nous basant sur les hypothèses à propos des données qui circulent dans les systèmes vi de contrôle de trafic aérien.Concevoir un modèle ontologique qui est assez précis pour pouvoir faire une détection appropriée, mais aussi assez générique pour permettre l'ajout de nouvelles capacités de détection sans trop de problèmes s'est avéré être un défi.Nous avons eu des difficultés à ajouter de nouvelles requêtes de détection sans devoir ajouter des concepts au modèle.Pour tester notre solution, nous avons conçu et construit un simulateur de système de contrôle de trafic aérien qui se veut une imitation de l'architecture et du comportement d'un vrai système de contrôle de trafic aérien.Le simulateur simule le trafic aérien et l'activité réseau qui en découlerait dans un vrai système.Le but est d'avoir une plateforme pour reproduire et démontrer l'impact des attaques identifiées dans notre modèle de menaces et pour éventuellement tester notre système de détection.Nous avons incorporé des logiciels gratuits utilisés dans les communautés d'amateurs de simulation de vol en ligne pour reproduire les composantes physiques d'un vrai système de contrôle de trafic aérien et atteindre les fonctionnalités de base.Il y a plusieurs fonctionnalités avancées qui ajouteraient au réalisme de la simulation comme la météo que nous n'avons pas pu implémenter.