Energy-Constrained False Data Injection Attacks in Cyber-Physical Systems Using Wasserstein Distance

تعتمد البنية التحتية الحديثة، من شبكات الطاقة إلى المركبات ذاتية القيادة، على زواج دقيق بين العالم المادي والشبكات الرقمية. وتستخدم هذه الأنظمة، المعروفة باسم الأنظمة السيبرانية الفيزيائية، أجهزة استشعار لقياس الظروف الواقعية مثل درجة الحرارة أو السرعة أو الضغط، وترسل تلك البيانات عبر الشبكات اللاسلكية إلى حاسوب مركزي. يعمل هذا الحاسوب بمثابة ملاح، يقوم باستمرار بحساب الحالة الحقيقية للنظام لاتخاذ قرارات حاسمة. ومع ذلك، فإن الاعتماد على الاتصال اللاسلكي يخلق ثغرة أمنية: إذ يمكن اعتراض تدفق البيانات وتعديله. لا يحتاج المهاجم إلى تحطيم الآلة المادية؛ بل يحتاج فقط إلى إقناع الملاح الرقمي بأن الآلة تتصرف بشكل مختلف عما هي عليه في الواقع. فإذا اعتقد الملاح بوجود واقع زائف، فقد يقود طائرة بعيدًا عن مسارها أو يوقف تشغيل شبكة طاقة دون داعٍ. ويتمثل التحدي الذي يواجه الباحثين الأمنيين في فهم كيف يمكن للمهاجم إخفاء هذه الأكاذيب داخل ضجيج البيانات العادية، مما يجعل الخداع دقيقًا للغاية لدرجة أن إنذارات النظام المدمجة لا تنطلق أبدًا.

في دراسة جديدة، رسم الباحثون جياوي فو، وجيانينغ شين، وتشينغهان وانغ، وتيانجو سوي، خارطة طريق لطريقة متطورة يمكن للمهاجم من خلالها استغلال هذه الأنظمة مع البقاء مختفيًا. لقد ركزوا على نوع محدد من الخداع يسمى هجوم حقن البيانات الزائفة، حيث يقوم الخصم بحقن أرقام مزيفة في تدفق البيانات المرسلة من مستشعر إلى مُقدِّر عن بُعد. والهدف من مثل هذا الهجوم ليس تحطيم النظام فورًا، بل إضعاف دقة حسابات الحاسوب ببطء حتى يعمل النظام بناءً على فهم خاطئ جوهري للواقع. وكان الباحثون مهتمين بشكل خاص بكيفية تعظيم هذا الضرر مع مواجهة قيدين صارمين: إمداد محدود من الطاقة لتشغيل الهجوم، والحاجة إلى البقاء غير مكتشف من قبل المراقبين الإحصائيين الذين يراقبون الشذوذ.

ولحل هذه المعضلة، طور الفريق استراتيجية تتعامل مع الهجوم كمسألة تحسين رياضي. لقد تخيلوا سيناريو يرسل فيه مستشعر ذكي تدفقًا من تحديثات البيانات، المعروفة باسم الابتكارات، إلى حاسوب بعيد. ويجب على المهاجم، الجالس في منتصف الوصلة اللاسلكية، أن يقرر في كل لحظة ما إذا كان سيقوم باعتراض الرسالة واستبدالها بنسخة فاسدة. يمتلك المهاجم بطارية محدودة، مما يعني أنه لا يستطيع تشويش أو إفساد الإشارة في كل لحظة؛ بل يجب عليه اختيار الأوقات الأكثر ضررًا للضرب. علاوة على ذلك، إذا بدت البيانات الفاسدة مختلفة جدًا عن البيانات العادية، فستكتشفها أجهزة الكشف في النظام. احتاج الباحثون إلى وسيلة لقياس مدى "اختلاف" البيانات المزيفة عن البيانات الحقيقية بدقة دون إطلاق إنذار.

اعتمدت الطرق السابقة لقياس هذا الاختلاف على أدوات إحصائية فشلت أحيانًا في التقاط الصورة الكاملة، خاصة عند مقارنة توزيعات احتمالية معقدة. وقد لجأ المؤلفون إلى مفهوم رياضي أكثر قوة يسمى "مسافة واسرتاين" (Wasserstein distance). وببساطة، يقيس هذا المقياس الجهد المطلوب لتحويل توزيع بيانات إلى آخر؛ فهو يوفر طريقة دقيقة قائمة على الهندسة لتحديد مدى تغير الشكل الإحصائي للبيانات. ومن خلال استخدام هذا المقياس، تمكن الباحثون من ضمان بقاء البيانات المزيفة قريبة إحصائيًا من البيانات الحقيقية بما يكفي لخداع أجهزة الكشف، حتى مع دفع خطأ النظام إلى نقطة الانهيار.

يكمن جوهر اكتشافهم في عملية مكونة من خطوتين لتصميم الهجوم المثالي. أولاً، حددوا الشكل والكثافة الدقيقين لإشارة البيانات الزائفة التي من شأنها أن تسبب أقصى خطأ ممكن في الحساب النهائي، بشرط بقائها ضمن حد التخفي. ووجدوا أنه يمكن حساب هذه الإشارة المثلى في شكل مغلق دقيق، مما يعني وجود صيغة محددة لـ "أفضل" كذبة يمكن قولها في أي لحظة معينة. ثانياً، حلوا لغز متى يتم قول تلك الكذبة. نظرًا لأن المهاجم لديد ميزانية طاقة محدودة، فلا يمكنه الكذب باستمرار؛ لذا اختزل الباحثون مشكلة الجدولة هذه إلى خيار ثنائي: في كل خطوة زمنية، إما أن يشن المهاجم الهجوم أو يظل صامتًا. ومن خلال حل هذه المشكلة كنوع من أنواع البرمجة الصحيحة (integer programming)، حددوا التسلسل الدقيق للحظات التي سيكون فيها شن الهجوم هو الأكثر تسببًا في الضرر التراكمي لدقة النظام.

اختبر الفريق نظريتهم باستخدام محاكاة لمركبة طيران، وهو نظام تعد دقة تقدير الحالة فيه أمرًا بالغ الأهمية للسلامة. لقد صمموا سيناريو حيث تمتلك المركبة ثلاثة مستشعرات ومُقدِّرًا عن بُعد، وكان لدى المهاجم عدد محدود من "الهجمات" التي يمكنه شنها على مدار مائة خطوة زمنية. وأظهرت النتائج أن الاستراتيجية المقترحة كانت أكثر ضررًا بكثير من المحاولات العشوائية لتعطيل النظام. فعندما استخدم المهاجم الإشارة المثلى والجدول الزمني الدقيق، نما الخطأ في تقدير الحالة النهائية للنظام بشكل أكبر بكثير من أي سيناريو آخر. كما كشفت المحاكاة عن مقايضة واضحة: فكلما خفف المهاجم من حاجته للتخفي (أي سمح للبيانات بأن تبدو مختلفة قليلاً عن الطبيعي)، زاد الضرر الذي يمكن أن يلحقه. وعلى العكس من ذلك، فإن متطلبات التخفي الأكثر صرامة تجبر المهاجم على أن يكون أكثر تحفظًا، مما يقلل من الضرر المحتمل. وبالمثل، فإن ميزانية الطاقة الأكبر تسمح للمهاجم بالاستمرار في عملية التدهيد لفترة أطول، مما يؤدي إلى خطأ نهائي أكثر شدة.

لا يقترح هذا العمل سلاحًا جديدًا للمهاجمين، بل يقدم مخططًا صارمًا لأسوأ السيناريوهات. ومن خلال إثبات أن المهاجم يمكنه رياضيًا تحديد المسار الأكثر تدميرًا مع البقاء مختفيًا، تسلط الدراسة الضوء على هشاشة أنظمة التقدير عن بُعد الحالية. وتشير النتائج إلى أن مجرد مراقبة الشذوذ الواضح ليس كافيًا، حيث يمكن لخصم متطور صياغة خداع لا يمكن تمييزه إحصائيًا عن الضوضاء العادية حتى يقع الضرر. ويخلص الباحثون إلى أن فهم مسارات الهجوم المثلى هذه أمر ضروري لتصميم دفاعات أفضل، مما يجبر مصممي الأنظمة على وضع اعتبار لمهاجم لا يكتفي بالتخمين، بل يحسب اللحظة المثالية للضرب.