IT Security für Cyber-Physical Systems

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1 Munich IT Security Research Group (MuSe) IT Security für Cyber-Physical Systems Prof. Dr. Hans-Joachim Hof

2 Der rote Faden Was sind Cyber-Physical Systems? Anwendungsbeispiel Picture removed for Internet version Vergleich mit anderen Forschungsfeldern Herausforderungen aus Sicht der IT Sicherheit Zusammenfassung Diskussion 2

3 Der rote Faden Was sind Cyber-Physical Systems? Anwendungsbeispiel Picture removed for Internet version Vergleich mit anderen Forschungsfeldern Herausforderungen aus Sicht der IT Sicherheit Zusammenfassung Diskussion 3

4 Cyber-Physical Systems 4

5 Cyber-Physical Systems Cyber (world) - Physical (world) 5

6 Cyber-Physical Systems Cyber (world) - Physical (world) Ein Cyber-Physical System (CPS) ist die Verschmelzung von realer, physischer Welt und informationstechnischer Welt 6

7 Eigenschaften eines Cyber-Physical Systems Ein CPS steht in direkter Interaktion mit der Umwelt und beeinflusst diese - erfasst Aspekte der realen, physischen Welt mit Sensoren - wirkt über Aktoren auf die reale, physische Welt ein bietet domänenübergreifend Dienste - weitgehend ortsunabhängig - jedoch kontextsensitiv - autonom und automatisiert - wird verteilt erbracht ist vernetzt ist offen ist adaptiv ist multifunktional 7

8 Der rote Faden Was sind Cyber-Physical Systems? Anwendungsbeispiel Picture removed for Internet version Vergleich mit anderen Forschungsfeldern Herausforderungen aus Sicht der IT Sicherheit Zusammenfassung Diskussion 8

9 Anwendungsbeispiel CPS: Smart City 9

10 Anwendungsbeispiel CPS: Smart City Smart Transportation Für Waren, Individualverkehr, ÖPNV Auto, Fahrrad, Bahn, Schiff, Flugzeug Lückenlose Verzahnung der Verkehrswege Intelligente Verkehrssteuerung Nicht Verkehrsmittel entscheidend sondern Verfügbarkeit und Geschwindigkeit Picture removed for Internet version 10

11 Integration von erneuerbaren Energien Anwendungsbeispiel CPS: Smart City Ausgleich zwischen Stromerzeugung und Stromverbrauch Dezentrale Stromerzeugung Elektromobilität Berücksichtigt zukünftigen Stromverbrauch Smart Grid 11

12 Anwendungsbeispiel CPS: Smart City Energiesparende Gebäude durch Licht- und Wärmesteuerung Gebäudeinformationssysteme für Benutzer Führung von Fußgängern in öffentlichen Gebäuden Smart Homes Smart Buildings 12

13 Anwendungsbeispiel CPS: Smart City Smart Gardening Automatisierte Pflege von Gartenanlagen Pflanzen haben Sensoren und sind selbstbeschreibend Pflegeroboter Automatisierte Bestellung von Dünger etc. Hof/Hurler: Intelligentes Gewächshaus MIT: Distributed Robotic Garten 13

14 Weitere Use Cases im Anwendungsbeispiel Smart City Quelle: acatech STUDIE 14

15 Der rote Faden Was sind Cyber-Physical Systems? Anwendungsbeispiel Picture removed for Internet version Vergleich mit anderen Forschungsfeldern Herausforderungen aus Sicht der IT Sicherheit Zusammenfassung Diskussion 15

16 Vergleich mit anderen Forschungsbereichen Sensornetze und Sensor- Aktor-Netze Internet der Dinge Cyber Physical Systems Embedded Systems Robotik 16

17 Vergleich: Sensornetze Netz aus Kleinstcomputern, die sich drahtlos miteinander verbinden um kooperativ physikalische Phänomene zu messen Gemeinsamkeiten Sensornetze und CPS: Sensoren erfassen die reale Welt Unterschiede zu CPS: Keine Einwirkung auf reale Welt Starke Konzentration auf leistungsschwache Low-Power Devices Starke Konzentration auf drahtlose Kommunikation Oft fehlende Systemintegration Anwendungsbezogen, d.h. meist nicht multifunktional oder offen Fehlende Dienstorientierung 17

18 Vergleich: Sensor-Aktor-Netz Netz aus Kleinstcomputern, die sich drahtlos miteinander verbinden um kooperativ physikalische Phänomene zu messen und verteilt durch Aktoren auf die physikalische Welt einzuwirken Gemeinsamkeiten Sensor-Aktor-Netze und CPS: Sensoren erfassen die reale, physische Welt Einwirkung auf die reale, physische Welt Unterschiede zu CPS: Starke Konzentration auf leistungsschwache Low-Power Devices Starke Konzentration auf drahtlose Kommunikation Oft fehlende Systemintegration Anwendungsbezogen, d.h. meist nicht multifunktional oder offen Fehlende Dienstorientierung Daten werden nicht zur Verfügung gestellt 18

19 Vergleich: Internet der Dinge Vernetzung von intelligenten Kleinstcomputern, die eine physikalische Repräsentation von Gegenständen in der informationstechnischen Welt erzeugt. Gemeinsamkeiten Internet der Dinge und CPS: Abbildung von Gegenständen in die informationstechnische Welt Systemsicht vorherrschend Unterschiede zu CPS: Auf Gegenstände und deren Interaktion beschränkt Starke Konzentration auf RFID oft keine offenen Systeme CPS gehen mehr Richtung Internet der Dinge, Daten und Dienste 19

20 Vergleich: Embedded Systems Rechner, der in einen technischen Kontext eingebunden ist (Überwachung, Steuerung, Regelung, Signalverarbeitung,...) Gemeinsamkeiten Embedded Systems und CPS: Embedded Systems werden in großer Zahl in CPS eingesetzt werden! Unterschiede zu CPS: Focus mehr auf informationstechnischem Aspekt, weniger auf Verbindung von informationstechnischer Welt und physikalischer Welt Fokus weniger auf Vernetzung 20

21 Vergleich: Robotik Robotertechnik Gemeinsamkeiten Robotik und CPS: Sensorik, um die Umwelt zu erfassen Aktoren, um auf die Umwelt einzuwirken Unterschiede zu CPS: Vernetzungsaspekte meist nicht besonders ausgeprägt Diensteorientierung meist nicht vorhanden Selten offen 21

22 Der rote Faden Was sind Cyber-Physical Systems? Anwendungsbeispiel Picture removed for Internet version Vergleich mit anderen Forschungsfeldern Herausforderungen aus Sicht der IT Sicherheit Zusammenfassung Diskussion 22

23 Herausforderungen in CPS aus Sicht der IT- Sicherheit Schutz der Privatsphäre Offene, unsichere Umgebung Know-How-Schutz Hohe Anforderungen an die Verfügbarkeit Interaktion mit der realen, physischen Welt Energieeffizienz Selbstorganisation Lange Lebenszeit der Systeme 23

24 Herausforderung: Schutz der Privatsphäre Heute: Nutzer können Handeln unterlassen, um Privatsphäre (zum Teil) zu schützen CPS: Vielfältige Daten werden über Sensoren gesammelt, aggregiert und über offene Dienste zur Verfügung gestellt, Handeln der Nutzer egal CPS per se in öffentlichen Bereichen eingesetzt Datensparsamkeit schwierig umzusetzen (Sammeln von Daten ist Ziel des Systems) Picture removed for Internet version Scoring auf Basis der gesammelten Daten Datenschutz von morgen? 24

25 Datenschutz in CPS: Transparenz Überwachte Bereiche müssen sichtbar sein Funktionsweise und Wirkung CPS muss für Betroffene, Nutzer und Betreiber verständlich sein Picture removed for Internet version Verantwortliche müssen klar sein Juristische Zuständigkeit muss klar sein Mögliche Realisierungen - Bestehende intelligente Geräte um Privatsphärenmanagementfunktion erweitern (feingranular) - Datenschutzprofile (feingranular), evtl. erstellt von beauftragter Instanz - CPS-Blocker (grobgranular) - Daten erheben, aber mit Sticky Policy versehen 25

26 Datenschutz in CPS: Intervenierbarkeit Betroffene sollen dem CPS nicht ausgeliefert sein, sondern eingreifen können, so es ihnen notwendig erscheint Recht auf Korrektur, Löschung, Sperrung auch bei verteilter Speicherung (z.b. Cloud) Mögliche Realisierung: - CPS muss für Betroffenen ganz oder teilweise abschaltbar sein - CPS muss für Betroffenen auch manuell bedienbar sein - Zentrale Kontaktmöglichkeit - Zugang über ähnliche Geräte wie bei Transparenz besprochen 26

27 Datenschutz in CPS: Nichtverkettbarkeit Daten aus unterschiedlichen Kontexten sollen nicht miteinander verkettbar sein, um Profilbildung zu verhindern Mögliche Umsetzung: - Daten und Prozesse aus unterschiedlichen Kontexten voneinander trennen (physikalisch und logisch) - Daten anonymisieren bzw. pseudonymisieren - Datenvermeidung - Zweckbindung technisch durchsetzen - Scoring in jeder Form gesetzlich unterbinden 27

28 Herausforderung: Offene, unsichere Umgebung Kein klarer Perimeter, der gut geschützt werden könnte Teile des CPS exponiert (sowohl in informationstechnischer Welt als auch in der realen, physischen Welt) - Tampering - Täuschen von Sensorik Unter Umständen wenig über Kommunikationspartner bekannt Unter Umständen keine klaren Domänengrenzen Maßnahmen: - Für CPS geeignete Vertrauensmodelle notwendig - Authentifikationsverfahren für CPS - Datenauthentizität - Authentische Datenaggregation - Defense in Depth -... (vielfältige weitere Maßnahmen) 28

29 Herausforderung: Know-How-Schutz Know-How-intensive Prozesse nutzen von Dritten angebotene Dienste - Beispiel: Möbelfertigung, Erzeugung der Einzelteile durch unterschiedliche Firmen je nach Kapazität Benötigt werden Verfahren, um Know-How während der Übermittlung zu schützen - Verschlüsselung - Authentifizierung der Dienste - Akkreditierungsverfahren für Dienste Benötigt werden Verfahren, um Zulieferern nur so viele Daten wie notwendig zur Verfügung zu stellen - Evtl. aus Know-How-Gründen notwendige Aufteilung der Dienstenutzung auf mehrere Dienste - Mehrere Sichten pro Blaupause, Zugriffsschutz für Sichten 29

30 Herausforderung: Hohe Anforderungen an die Verfügbarkeit Abhängigkeit von CPS und Konnektivität in allen Lebenslagen - Denial-of-Service-Angriffe bekommen eine neue Qualität - Insbesondere drahtlose Systeme - Weitgehend ungelöstes Problem Umgang von Sicherheitsmechanismen mit erkannten Angriffen? - Blockieren führt unter Umständen zu Kollateralschäden - Akzeptabel? Selbstschutzmechanismen des CPS notwendig Sicherheitsmechanismen für Echtzeitkommunikation 30

31 Herausforderung: Interaktion mit der realen, physischen Welt Cyber-Angriffe auf CPS haben mit hoher Wahrscheinlichkeit Auswirkung auf die reale Welt Stuxnet war in diesem Sinn ein CPS ;-) Mögliche Realisierungen: - Security Engineering mit einer ähnlichen Sorgfalt betrachten wie Safety Engineering - Defense in Depth Picture removed for Internet version 31

32 Herausforderung: Energieeffizienz CPS wird einen weiteren Boom von Embedded Devices auslösen, Energieeffizienz wird dadurch ein wichtiges Thema Sicherheitsverfahren und kryptographische Algorithmen müssen effizient, leichtgewichtig und ressourcensparend sein Mögliche Realisierungen - Siehe Sensornetze (Kryptographische Algorithmen, Sicherheitsprotokolle, Umgang mit Schlafzyklen, Secure Wakeup,...) - Komposition von Kommunikationsprotokollen und Sicherheitsmechanismen aus effizient in Hardware realisierten Bausteinen - Rich Uncles / Cloud Computing 32

33 Herausforderung: Selbstorganisation Es wird erwartet, dass Selbstorganisation ( Self-X ) eine wichtige Rolle in CPS spielen wird Zentral in selbstorganisierenden Systemen ist das Vertrauen in andere Instanzen Besonders in offenen Systemen schwierig Mögliche Realisierungen: - Für CPS zugeschnittene Vertrauensmodelle - Self-X: Siehe Sensornetze 33

34 Herausforderung: Lange Lebenszeit Ähnlich wie in Embedded Systems wird eine lange Lebenszeit der Systeme erwartet Verbauen und vergessen möglich Mechanismus notwendig, um entdeckte Softwareschwachstellen zu beheben und gebrochene Sicherheitsverfahren auszutauschen Mögliche Realisierungen: - Update-Mechanismus, welcher insbesondere die hohen Verfügbarkeitsanforderungen eines CPS berücksichtigen muss - Crypto Agility unbedingt beachten 34

35 Der rote Faden Was sind Cyber-Physical Systems? Anwendungsbeispiel Picture removed for Internet version Vergleich mit anderen Forschungsfeldern Herausforderungen aus Sicht der IT Sicherheit Zusammenfassung Diskussion 35

36 Zusammenfassung Cyber Physical Systems sind die Verschmelzung von realer, physischer Welt und informationstechnischer Welt Aus Sicht der IT Sicherheit bestehen einige große Herausforderungen, die weitgehend ungelöst sind Datenschutzbedenken könnten der Show Stopper für Cyber Physical Systems werden 36

37 Werbeeinblendung Studierende: - Abschlussarbeiten in einem brandaktuellen Themenbereich - Mitarbeit in der Munich IT Security Research Group (=> siehe MuSe Moodle) Firmenvertreter: - Interesse an Forschungskooperationen? Kollegen: - Vielfältige interessante Fragestellungen aus ganz unterschiedlichen Themenfeldern - Zusammenarbeit in Lehre und Forschung 37

38 Der rote Faden Was sind Cyber-Physical Systems? Anwendungsbeispiel Picture removed for Internet version Vergleich mit anderen Forschungsfeldern Herausforderungen aus Sicht der IT Sicherheit Zusammenfassung Diskussion 38

39 Fragen Fragen? 39

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