WO2021107822A1 - Method for protecting vehicle control systems from intrusions - Google Patents

Method for protecting vehicle control systems from intrusions Download PDF

Info

Publication number
WO2021107822A1
WO2021107822A1 PCT/RU2020/050348 RU2020050348W WO2021107822A1 WO 2021107822 A1 WO2021107822 A1 WO 2021107822A1 RU 2020050348 W RU2020050348 W RU 2020050348W WO 2021107822 A1 WO2021107822 A1 WO 2021107822A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
traffic
data
network
information
vehicle control
Prior art date
Application number
PCT/RU2020/050348
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Дмитрий Михайлович МИХАЙЛОВ
Артем Дмитриевич ДОЛГИХ
Алексей Сергеевич ПРОНИЧКИН
Сергей Валерьевич БАГРОВ
Владимир Александрович ПЕДАНОВ
Original Assignee
Дмитрий Михайлович МИХАЙЛОВ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Дмитрий Михайлович МИХАЙЛОВ filed Critical Дмитрий Михайлович МИХАЙЛОВ
Publication of WO2021107822A1 publication Critical patent/WO2021107822A1/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F21/00Security arrangements for protecting computers, components thereof, programs or data against unauthorised activity
    • G06F21/50Monitoring users, programs or devices to maintain the integrity of platforms, e.g. of processors, firmware or operating systems
    • G06F21/55Detecting local intrusion or implementing counter-measures
    • G06F21/554Detecting local intrusion or implementing counter-measures involving event detection and direct action
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06NCOMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N20/00Machine learning
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04LTRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L63/00Network architectures or network communication protocols for network security
    • H04L63/14Network architectures or network communication protocols for network security for detecting or protecting against malicious traffic
    • H04L63/1408Network architectures or network communication protocols for network security for detecting or protecting against malicious traffic by monitoring network traffic
    • H04L63/1425Traffic logging, e.g. anomaly detection
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04LTRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L63/00Network architectures or network communication protocols for network security
    • H04L63/14Network architectures or network communication protocols for network security for detecting or protecting against malicious traffic
    • H04L63/1441Countermeasures against malicious traffic

Definitions

  • the present invention relates to the field of information technology, in particular to information security, and can be used to analyze and identify anomalies in the behavior of traffic within information networks for data transmission of vehicle control systems.
  • a vehicle should be understood as any type of vehicle (shipping, surface, underground, underwater, etc.) in which there is a control system.
  • the developed method can be used both in conjunction with IPS / IDS systems (i.e., be an integral part), and separately. It is based on Extreme Learning Machines models.
  • the disadvantages of the known method can be recognized that, on the one hand, it characterizes the structure of the system, which is designed to ensure information security (cybersecurity), with a deep degree of detail; on the other hand, a specific use case for ICS power generation and distribution is characterized. There are calculations of probabilistic characteristics to determine the weight of the internal components of the system when solving cybersecurity problems.
  • This system includes a device. This device is installed between the data bus and the electronic control unit (ECU). The device includes the following functional blocks: message receiving unit (monitoring messages between the bus and the ECU electronic control unit), message analysis unit (determining the fact of unauthorized commands, based on the established rules), message transmission unit (sending legitimate commands to the ECU electronic control unit ).
  • message receiving unit monitoring messages between the bus and the ECU electronic control unit
  • message analysis unit determining the fact of unauthorized commands, based on the established rules
  • message transmission unit sending legitimate commands to the ECU electronic control unit ).
  • This system is a device that is designed to implement some of the functions of the hardware Firewall. This technical solution has the following disadvantages:
  • one device of the system is used to ensure the cybersecurity of only one electronic control unit of the ECU; - does not allow to determine the facts of substitution of standard electronic devices on the information bus, including the installation of new ones.
  • US patent 9881165 does not provide for the use of machineleaming technologies to detect the presence of unauthorized interference.
  • the claimed method is based only on the filtering method, which is not an intelligent method for detecting the facts of unauthorized interference in the operation of the system.
  • a system for detecting unauthorized connected devices in a vehicle containing at least one electronic device of a vehicle connected via an electric bus to a module for detecting unauthorized devices, consisting of a measurement unit, an analog-to-digital converter, a digital signal processing unit, a buffer unit, a comparator unit, a control unit and a communication interface driver unit, while the measurement unit and the analog-to-digital converter are configured to obtain the parameters of the electrical signal of the busbar in the first and second time intervals, in the digital signal processing unit, processing and construction of the signal spectrum is carried out, the buffer unit is designed to store the received signal data, the control unit, through commands, executes all transfer and arbitration algorithms, the communication interface driver unit provides interpretation of the field learned data in the corresponding standard or data protocol and their delivery to the communication channel, and in the comparator block, the comparison of the signal spectra obtained in the first and in the second time intervals is performed by analyzing the spectral components of
  • the described method is aimed at identifying the facts of unauthorized connection to the information bus (electric bus) of the vehicle by means of physical methods of fixing parameters without analyzing the directly transmitted data on it.
  • the main element for an attack is data.
  • the method described in RU 2704720 analyzes the physical transmission medium of such data, and not the data itself. Thus, the conclusion about unauthorized connection / intrusion is made on the basis of secondary signs.
  • the technical problem solved by the implementation of the developed technical solution consists in the development of a method for detecting unauthorized intrusion into the information bus of data transmission on a vehicle, and the developed method will allow the most reliable determination of the presence of an intrusion.
  • the technical result achieved by the implementation of the developed method consists in leveling the facts of unauthorized access to the information bus of vehicle control systems, which in turn prevents possible losses (material, image), death of people, etc., ensuring the possibility of creating on the basis of developed method of ips / ids (Intrusion detection, prevention system) level systems and their components.
  • the developed method of protecting information buses of vehicle control systems from intrusions When implementing the developed method, all nodes / devices in the control network are identified, the traffic of information networks for data transmission inside the vehicle management system is collected and analyzed using the machine learning method, the normal state of the system traffic is determined, the change in the traffic state from normal to abnormal is detected, when In this case, the system used is made with the possibility, after detecting a change in traffic, only to inform the user about the traffic state and with the possibility of blocking abnormal traffic.
  • network traffic analysis is carried out according to static characteristics and dynamic characteristics.
  • the traffic in the network is collected in a passive mode, after which the traffic is forwarded to a data preprocessing module from the network, in which features are extracted for further processing to compose a general structure, which is a structured dataset, for processing by the neural network.
  • a data preprocessing module from the network, in which features are extracted for further processing to compose a general structure, which is a structured dataset, for processing by the neural network.
  • the collection and analysis of traffic is carried out using a system of modules made on the basis of industrial computers.
  • the developed method has a more detailed description of the technology itself, which allows you to record the facts of unauthorized connection / intrusion into various vehicle control networks.
  • the developed method in contrast to the known ones, shows the use of machineleaming technologies to identify these threats.
  • the developed method is more versatile from the point of view of its application, since it can be used as an independent system, as well as as separate components of an integrated system, in contrast from that described in RU, 2583703, where a description of the general architecture of the system for ensuring its application is presented.
  • the developed method of protecting vehicle control systems from intrusions allows collecting and analyzing the traffic of information networks for data transmission within the system in real time in order to determine the current state. After detecting a change in state from normal to abnormal, the system can only inform the user, and the functionality of blocking abnormal traffic (for example, blocking abnormal data packets) can also be implemented.
  • blocking abnormal traffic for example, blocking abnormal data packets
  • One of the main tasks solved by the developed method is to ensure the security of data exchange between nodes in information networks of vehicle control systems.
  • the rules by which the process takes place exchange of data (packets) within information networks depend on the protocols and standards used.
  • Fig. 1 The most vulnerable parts of such systems can be identified, as shown in Fig. 1, where sensors, data acquisition modules, and actuators are represented as nodes 101.
  • the number of such units in a vehicle is not limited. Data from such nodes enter the data collection and processing devices (node 102) (for example, for cars, ECUs can act as such nodes).
  • the transmission of processed data from nodes 102 occurs to information collection centers (node 103).
  • the main vulnerable elements in these control systems are data transmission buses (nodes 201).
  • These nodes can represent various options for interfaces or standards (CAN, Ethernet, NMEA, Seatalk, RS485, etc.). The interface type is irrelevant to the implementation of the developed method.
  • the OS-ELM machine learning method is used, which can be effectively used to detecting abnormal behavior that could be caused by an external attack or malfunction.
  • the learning process is to get an idea of the normal state of the system.
  • the traffic that takes place during the normal operation of the vehicle control system is recorded.
  • Network traffic is analyzed for static characteristics and dynamic characteristics to identify its abnormal behavior. So, in the event of a malicious effect on the network, it will be detected due to a deviation from normal behavior. So, for example, in the standard case, an exploit involves several attack options. Attackers send packets containing overloaded data, which is a clear deviation from the normal behavior of devices, as a result of which this can lead to a denial of service (DDoS) implementation on the receiving device. Implementation of such attacks was evaluated experimentally on a test bench and proved to be effective.
  • DDoS denial of service
  • the network detection of such anomalies is realized due to the knowledge of the initial normal state of the network.
  • the test results show that the false positive rate and the false negative rate are 0.19% and 0.42%, respectively, when anomalies are detected.
  • the result shows that the developed behavioral solution can effectively identify the change in the normal state in a given experiment.
  • the state detection process is shown in FIG. 2.
  • the figure graphically displays the difference between the predicted data at ideal signal (solid line), and tamper / attack (dashed line). These differences in signals are due to the introduced unpredictable deviations from the ideal signal in the presence of an attack.
  • the traffic processing algorithm is shown in FIG. 3.
  • All traffic in the network was recorded in a passive mode, after which the registered information goes to the module for preprocessing data from the network, then after the preprocessing module extracts features for further processing, after which they form a general structure, which is a structured a dataset to be processed by a neural network.
  • the next intrusion detection module receives as input the intrusion detection input structure prepared at the preliminary stage.
  • the basis of this module is an improved trained neural network model, which, based on the data obtained, determines the state of the network at a given time. For the subsequent processing of the incident, if the state of the network deviates from normal, we use the intrusion processing module.
  • the data collection module performs the task of sniffing and filtering data across the entire network segment.
  • Ethemet packet consists of MAC header, data and CRC sum.
  • the MAC header in turn, consists of three components: the MAC address of the data source, the MAC address of the data receiver, EtherType, which is used to identify the type of protocol used in payload.
  • CRC - the sum is used to check the integrity of the data when receiving data.
  • FIG. 4 shows the Ethernet protocol frame format.
  • Libpcap provides a wide range of analysis of incoming traffic, in particular, determination of data integrity, data type, MAC - addresses of the source and destination of data, as well as receive data.
  • packets are filtered by data type, source and destination MAC addresses, and data format.
  • the data collection module is implemented using libpcap.
  • Libpcap is a powerful library for capturing network packets. Libpcap can monitor and collect data packets across an entire network segment. After receiving the headers of network packets, this step determines the correctness of the packet, as well as its type. Depending on the type of packets, the data of protocols differing in semantic analysis will be sent to the data processing module.
  • the data processing module performs the task of preparing input data for the OS - ELM.
  • data is extracted from packets with the subsequent vectorization of a sequence of Ethernet packets into a multidimensional time series of size (n, t), where n is the number of features, m is the number of points within the considered time interval window size.
  • n is the number of features
  • m is the number of points within the considered time interval window size.
  • data normalization is applied so that at the stages of OS training - ELM and inference, each separate time series makes the same contribution to the processing of the OS - ELM model.
  • the resulting normalized multidimensional time series is used as a featuremap of the intrusion detection module.
  • FIG. 5 shows the dependences of network traffic on time.
  • FIG. 6 shows a block diagram of the work of the Data Processing Module.
  • the data processing module is implemented primarily for converting raw packets into data that can be recognized by the intrusion detection module. This module implements the functions of fast data extraction from the package. After the applied normalization algorithms, as well as the search for dimensional features, they can be used as input to the intrusion detection module.
  • One of the prerequisites for the intrusion detection engine is a high processing speed for detecting attacks in real time.
  • One of the main problems solved by this module in addition to intrusion detection itself, is the solution of scalability problems, including in the absence of malicious traffic (for the training process).
  • An improved OS-ELM is used to solve these problems.
  • the advantage of this system is the high learning rate for classifying one class. Unlike existing neural networks, ELM randomly generates weights between input layers and hidden layers. In addition, ELM trains these weights by solving a least squares optimization problem instead of backpropagating the operation error. Because of the aforementioned advantages, ELM can usually achieve high learning rates and good generalizability.
  • a training set Ch c d is given containing n data points with d dimensions and L hidden nodes.
  • OS-ELM directly maps all hidden layer outputs to one target output value.
  • the output data of the OS-ELM of the given training set y [yl, ..., yn]
  • the error of mapping the training set xi to the target value yi is
  • the dT threshold can be selected, to exclude a small fraction (p) of the farthest learning points (di> dT).
  • the intrusion handling module is designed to:
  • the module can block the transmitted data according to preset conditions.
  • FIG. 7 shows a diagram of the operation of the Intrusion Handling Module.
  • the scheme describes the basic principle of the construction of the algorithm; a set of parameters is fed to the input (input Node), on the basis of which the detection and classification of incidents occurs.
  • the Output Node value indicates the presence or absence of an intrusion
  • the end-user interaction module provides an interface for displaying current information as well as managing the system. Of the control functions, it is worth highlighting the ability to enter tuning parameters, make configurations for the operation of the system, etc.
  • the tasks of the system are reduced to studying all possible situations of the system's behavior and identifying hidden dependencies of the mutual influence of network parameters and predicting the behavior of the system in normal mode.
  • the first stage is training the system, for this on the basis of the module data collection is performed by sniffing and filtering data across the entire network segment.
  • the received data should cover as much as possible all possible situations of network behavior in normal mode.
  • this data is processed using a data processing module and a featuremap is extracted, which in a specialized way describes the state of the system and allows you to predict how the system would behave during normal operation.
  • the system is integrated into the object and, on the basis of regularly received data on the current state of the system (from the data collection module), predicts the parameters of the system's behavior during normal operation.
  • the intrusion detection module analyzes the real data received from the data collection module and compares it with the expected traffic parameters for normal operation. If there is a discrepancy between the parameters of the expected and actual network traffic, alerts are generated to the user.
  • the received warning can be interpreted in different ways by the user, depending on the type of applied system to which it is sent.
  • IPS Intrusion Detection System
  • generated alerts are sent to the user in the SIEM / SOC module. Messages of this kind are filtered, and the user takes appropriate action as appropriate.
  • the measures should be of an organizational nature: stopping the vehicle, disconnecting individual modules from the general information management of the vehicle, physical examination of individual modules for defect or operability, etc.
  • the warnings transmitted to higher hierarchical levels can be markers for making a decision on blocking separate data packages.
  • IPS Intrusion Prevention System
  • Each individual scenario is configured depending on the purpose of the system, equipment used, structure, etc. In this case, the system can automatically respond to unauthorized intrusions into vehicle management information systems and eliminate them.
  • the described methods ensure information security of information control systems in vehicles.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Security & Cryptography (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Data Exchanges In Wide-Area Networks (AREA)
  • Small-Scale Networks (AREA)

Abstract

The present invention relates to the field of information technology, more specifically to information security, and can be used to analyse and detect anomalies in traffic behaviour within information networks for transmitting data of vehicle control systems. During the implementation of the method, all the nodes/devices in the control information systems are identified, the traffic in the information networks for transmitting data within a vehicle control system is collected and analysed, and, following this, a machine learning method is used to determine a normal traffic state for the system and detect anomalous changes in the traffic state in comparison to the normal state, wherein the system used is able to merely inform a user of the traffic state and to block anomalous traffic, and the system used is also able to be implemented as an independent system or as a subsystem.

Description

СПОСОБ ЗАЩИТЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ METHOD FOR PROTECTING TRANSPORT CONTROL SYSTEMS
СРЕДСТВ ОТ ВТОРЖЕНИЙ INTRUSION FUNDS
Настоящее изобретение относится к области информационных технологий, в частности, к информационной безопасности, и может быть использовано для анализа и выявление аномалий в поведении трафика внутри информационных сетей передачи данных систем управления транспортных средств. The present invention relates to the field of information technology, in particular to information security, and can be used to analyze and identify anomalies in the behavior of traffic within information networks for data transmission of vehicle control systems.
Здесь и далее под транспортным средством следует понимать любой вид транспортного средства (судоходное, наземное, подземное, подводное и т. д.) в котором имеется система управления. Hereinafter, a vehicle should be understood as any type of vehicle (shipping, surface, underground, underwater, etc.) in which there is a control system.
Разработанный способ может быть использован как совместно с системами IPS/IDS (т. е. быть составной частью), так и отдельно. Он основан на моделях Extreme Learning Machines. The developed method can be used both in conjunction with IPS / IDS systems (i.e., be an integral part), and separately. It is based on Extreme Learning Machines models.
В современном мире число кибератак на системы управления, в том числе транспортных средств, увеличивается с каждым годом. Количество атак, а также различных вредоносных программ увеличивается в геометрической прогрессии. По этой причине важно разработать и использовать более совершенные системы для обнаружения вторжений в систему управления транспортных средств. Данное обстоятельство способствует увеличению скорости реакции и эффективность обработки инцидентов. Что в свою очередь на прямую влияет на увеличение отказоустойчивости таковых систем. In the modern world, the number of cyberattacks on control systems, including vehicles, is increasing every year. The number of attacks, as well as various malicious programs, is increasing exponentially. For this reason, it is important to develop and use better systems for detecting intrusions into vehicle management systems. This circumstance contributes to an increase in the speed of reaction and the efficiency of incident handling. That, in turn, directly affects the increase in the fault tolerance of such systems.
Известен (RU, патент 2583703, опубл. 10.05.2016) способ характеризации злоумышленной активности злоумышленника в системе интеллектуальной сети инженерного обслуживания, исполняемый компьютером, имеющим по меньшей мере один процессор и по меньшей мере одно запоминающее устройство, содержащий этапы, на которых: принимают от системы интеллектуальной сети, с помощью указанного по меньшей мере одного процессора, данные информационной техники (IT), включающие в себя относящуюся к IT активность; принимают, с использованием указанного по меньшей мере одного процессора, данные, не относящиеся к IT данным и включающие в себя данные о событии, относящемся к определенному местоположению, от множества электронных источников, данные аналоговых измерений в сети, содержащие данные измерений фазового вектора, и список целей с соответствующими им географическими местоположениями; выполняют предварительную обработку, с использованием указанного по меньшей мере одного процессора, не относящихся к IT данных, включающую в себя подэтап, на котором: игнорируют не относящиеся к IT данные, не удовлетворяющие заданному уровню соответствия одному из множества связанных с риском событий; применяют, с использованием указанного, по меньшей мере, одного процессора, множество правил к предварительно обработанным не относящимся к IT данным, при этом указанный этап применения содержит подэтапы, на которых: ассоциируют нежелательное событие с относящейся к IT активностью; определяют вероятность того, что нежелательное событие указывает на злоумышленную деятельность, при этом подэтап определения содержит сопоставление заданного критерия с не относящимися к IT данными для генерирования одного из множества уровней вероятности в виде суммы: произведения вероятности возникновения преднамеренной злоумышленной атаки и вероятности существования уязвимости, используемой при указанной преднамеренной злоумышленной атаке; и произведения вероятности возникновения непредвиденного отказа и вероятности существования уязвимости, ассоциированной с указанным непредвиденным отказом, при этом указанная преднамеренная злоумышленная атака и указанный непредвиденный отказ содержат взаимно независимые события; и применяют к нежелательному событию, с помощью указанного по меньшей мере одного процессора, характеризацию риска на основе указанного уровня вероятности и относящейся к IT активности. Недостатками известного способа можно признать то, что, с одной стороны, он с глубокой степенью детализации характеризует структуру системы, которая предназначена для обеспечения информационной безопасности (кибербезопасности); с другой стороны, охарактеризован конкретный вариант ее использования для ICS выработки и распределения электроэнергии. Присутствуют расчеты вероятностных характеристик для определения веса внутренних компонентов системы при решении задач обеспечения кибербезопасности. It is known (RU, patent 2583703, publ. 05/10/2016) a method for characterizing the malicious activity of an attacker in an intelligent network of engineering services, executed by a computer having at least one processor and at least one memory device, comprising the steps of: intelligent network system, using the specified at least one processor, information technology (IT) data, including IT-related activity; receive, using the at least one processor, non-IT data including location event data from a plurality of electronic sources, network analog measurement data containing phase vector measurement data, and a list targets with their corresponding geographic locations; performing preprocessing using the at least one non-IT data processor, including a sub-step of: ignoring non-IT data that does not meet a predetermined compliance level with one of a plurality of risk events; applying, using said at least one processor, a plurality of rules to preprocessed non-IT data, said application step comprising sub-steps in which: associating an undesirable event with IT-related activity; determine the likelihood that an undesirable event indicates malicious activity, while the determination sub-stage involves comparing a given criterion with non-IT data to generate one of a plurality of probability levels as the sum of the product of the probability of an intentional malicious attack and the probability of a vulnerability the specified deliberate malicious attack; and the product of the probability of occurrence of an unexpected failure and the probability of existence of a vulnerability associated with the specified unforeseen failure, while the specified intentional malicious attack and the specified unexpected failure contain mutually independent events; and applying to the undesirable event, by means of said at least one processor, a risk characterization based on the specified level of likelihood and IT-related activity. The disadvantages of the known method can be recognized that, on the one hand, it characterizes the structure of the system, which is designed to ensure information security (cybersecurity), with a deep degree of detail; on the other hand, a specific use case for ICS power generation and distribution is characterized. There are calculations of probabilistic characteristics to determine the weight of the internal components of the system when solving cybersecurity problems.
Известны также (US, патент 9881165, опубл. 30.01.2018) система и способ для обеспечения защиты электронных систем транспортных средств. В состав данной системы входит устройство. Данное устройство устанавливают между информационной шиной и электронным блоком управления (ЭБУ). В состав устройства входят следующие функциональные блоки: блок приема сообщений (мониторинг сообщений между шиной и электронным блоком управления ЭБУ), блок анализа сообщений (определение факта несанкционированных команд, на основании установленных правил), блок передачи сообщений (пересылка правомерных команд в электронный блок управления ЭБУ). Also known (US, patent 9881165, publ. 01/30/2018) a system and method for ensuring the protection of electronic systems of vehicles. This system includes a device. This device is installed between the data bus and the electronic control unit (ECU). The device includes the following functional blocks: message receiving unit (monitoring messages between the bus and the ECU electronic control unit), message analysis unit (determining the fact of unauthorized commands, based on the established rules), message transmission unit (sending legitimate commands to the ECU electronic control unit ).
Данная система представляет собой устройство, которое предназначено для реализации некоторых функций аппаратного Firewall. Данному техническому решению присущи следующие недостатки: This system is a device that is designed to implement some of the functions of the hardware Firewall. This technical solution has the following disadvantages:
- факт несанкционированного воздействия может быть определен только в момент выставления команд; - the fact of unauthorized influence can be determined only at the moment of placing commands;
- требует от производителя постоянных работ по усовершенствованию алгоритмов и встроенного программного обеспечения; одно устройство системы используется для обеспечения кибербезопасности только одного электронного блока управления ЭБУ; - не позволяет определять факты подмены штатных электронных устройств на информационной шине, в том числе и установка новых. - requires the manufacturer to constantly improve algorithms and embedded software; one device of the system is used to ensure the cybersecurity of only one electronic control unit of the ECU; - does not allow to determine the facts of substitution of standard electronic devices on the information bus, including the installation of new ones.
Способ, охарактеризованный в патенте US 9881165 не предусматривает использование технологий machineleaming для детектирования фактов наличия несанкционированного вмешательства. Заявленный способ основан только на методе фильтрации, что не является интеллектуальным методом обнаружения фактов несанкционированного вмешательства в работу системы. The method described in US patent 9881165 does not provide for the use of machineleaming technologies to detect the presence of unauthorized interference. The claimed method is based only on the filtering method, which is not an intelligent method for detecting the facts of unauthorized interference in the operation of the system.
Известна также (RU, патент 2704720, опубл. 30.10.2019) система обнаружения несанкционированно подключенных устройств в транспортном средстве, содержащая, по меньшей мере, одно электронное устройство транспортного средства, подключенное через электрическую шину к модулю обнаружения несанкционированных устройств, состоящего из блока измерений, аналого-цифрового преобразователя, блока цифровой обработки сигнала, блока буфера, блока компаратора, блока управления и блока драйвера интерфейса связи, при этом блок измерений и аналого-цифровой преобразователь выполнены с возможностью получения параметров электрического сигнала электрической шины в первый и во второй промежутки времени, в блоке цифровой обработки сигнала осуществляется обработка и построение спектра сигнала, блок буфера предназначен для хранения полученных данных сигнала, блок управления посредством команд осуществляет выполнение всех алгоритмов пересылки и арбитража, блок драйвера интерфейса связи обеспечивает интерпретацию полученных данных в соответствующем стандарте или протоколе данных и выдачу их в канал связи, а в блоке компаратора выполняется сравнение спектров сигналов, полученных в первый и во второй промежутки времени путем анализа спектральных составляющих электрических сигналов, и выявление несанкционированно установленных устройств на электрической шине транспортного средства по результатам сравнения спектров сигналов, полученных в первый и во второй промежутки времени. Недостатками известного технического решения можно признать то, что описываемый метод направлен на выявление фактов несанкционированного подключения к информационной шине (электрической шине) транспортного средства посредством физических методов фиксации параметров без анализа непосредственно передаваемых данных на ней. В рассматриваемых информационных системах основным элементом для атаки являются данные. Охарактеризованный в патенте RU, 2704720 способ анализирует физическую среду передачи таких данных, а не сами данные. Тем самым вывод об несанкционированном подключении/вторжении делают по второстепенным признакам. It is also known (RU, patent 2704720, publ. 10/30/2019) a system for detecting unauthorized connected devices in a vehicle, containing at least one electronic device of a vehicle connected via an electric bus to a module for detecting unauthorized devices, consisting of a measurement unit, an analog-to-digital converter, a digital signal processing unit, a buffer unit, a comparator unit, a control unit and a communication interface driver unit, while the measurement unit and the analog-to-digital converter are configured to obtain the parameters of the electrical signal of the busbar in the first and second time intervals, in the digital signal processing unit, processing and construction of the signal spectrum is carried out, the buffer unit is designed to store the received signal data, the control unit, through commands, executes all transfer and arbitration algorithms, the communication interface driver unit provides interpretation of the field learned data in the corresponding standard or data protocol and their delivery to the communication channel, and in the comparator block, the comparison of the signal spectra obtained in the first and in the second time intervals is performed by analyzing the spectral components of electrical signals, and the identification of unauthorized devices installed on the electric bus of the vehicle by the results of comparison of the spectra of the signals obtained in the first and in the second time intervals. The disadvantages of the known technical solution can be recognized that the described method is aimed at identifying the facts of unauthorized connection to the information bus (electric bus) of the vehicle by means of physical methods of fixing parameters without analyzing the directly transmitted data on it. In the considered information systems, the main element for an attack is data. The method described in RU 2704720 analyzes the physical transmission medium of such data, and not the data itself. Thus, the conclusion about unauthorized connection / intrusion is made on the basis of secondary signs.
В ходе проведения поиска по научно-технической и патентной литературе не выявлен источник информации, который мог бы быть использован в качестве ближайшего аналога. During the search for scientific, technical and patent literature, no source of information was found that could be used as the closest analogue.
Техническая проблема, решаемая посредством реализации разработанного технического решения, состоит в разработке способа обнаружения несанкционированного вторжения в информационную шину передачи данных на транспортном средстве, причем разработанный способ позволит максимально достоверно определить наличие вторжения. The technical problem solved by the implementation of the developed technical solution consists in the development of a method for detecting unauthorized intrusion into the information bus of data transmission on a vehicle, and the developed method will allow the most reliable determination of the presence of an intrusion.
Технический результат, достигаемый при реализации разработанного способа, состоит в нивелировании фактов несанкционированного доступа к информационной шине систем управления транспортного средства, что в свою очередь позволяет предотвратить возможные потери (материальные, имиджевые), гибель людей и т.д., обеспечение возможности создания на базе разработанного способа систем уровня ips/ids (Intrusion detection, prevention system) и их компонентов. The technical result achieved by the implementation of the developed method consists in leveling the facts of unauthorized access to the information bus of vehicle control systems, which in turn prevents possible losses (material, image), death of people, etc., ensuring the possibility of creating on the basis of developed method of ips / ids (Intrusion detection, prevention system) level systems and their components.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанный способ защиты информационных шин систем управления транспортных средств от вторжений. При реализации разработанного способа проводят идентификацию всех узлов/устройств в сети управления, собирают и анализируют трафик информационных сетей передачи данных внутри системы управления транспортными средствами, с использованием метода машинного обучения, определяют нормальное состояние трафика системы, выявляют изменение состояния трафика с нормального на аномальное, при этом используемая система выполнена с возможностью после выявления изменения трафика только информировать пользователя о состоянии трафика и с возможностью блокирования аномального трафика. To achieve the specified technical result, it is proposed to use the developed method of protecting information buses of vehicle control systems from intrusions. When implementing the developed method, all nodes / devices in the control network are identified, the traffic of information networks for data transmission inside the vehicle management system is collected and analyzed using the machine learning method, the normal state of the system traffic is determined, the change in the traffic state from normal to abnormal is detected, when In this case, the system used is made with the possibility, after detecting a change in traffic, only to inform the user about the traffic state and with the possibility of blocking abnormal traffic.
В некоторых вариантах реализации разработанного способа для выявления аномального поведения трафика анализ сетевого трафика проводят по статическим характеристикам и динамическим характеристикам. In some implementations of the developed method for detecting abnormal traffic behavior, network traffic analysis is carried out according to static characteristics and dynamic characteristics.
Предпочтительно трафик в сети собирают в пассивном режиме, после чего трафик передают в модуль для предварительной обработки данных из сети, в котором извлекают признаки для дальнейшей обработки для составления общей структуры, представляющей собой структурированный набор данных, для обработки нейронной сетью. Preferably, the traffic in the network is collected in a passive mode, after which the traffic is forwarded to a data preprocessing module from the network, in which features are extracted for further processing to compose a general structure, which is a structured dataset, for processing by the neural network.
В некоторых вариантах разработанного способа сбор и анализ трафика осуществляют с использованием системы модулей, выполненых на базе промышленных компьютеров. In some variants of the developed method, the collection and analysis of traffic is carried out using a system of modules made on the basis of industrial computers.
Разработанный способ имеет более детальное описание самой технологии, которая позволяет фиксировать факты несанкционированного подключения/вторжения в различные сети управления транспортного средства. Разработанный способ, в отличие от известных, показывает вариант использования технологий machineleaming для выявления указанных угроз. Разработанный способ является более универсальным с точки зрения его применения, так как может быть использован в качестве самостоятельной системы, так и как отдельным компонентов комплексной системы, в отличии от охарактеризованного в RU, 2583703 где представлено описание общей архитектуры системы обеспечения ее применения. The developed method has a more detailed description of the technology itself, which allows you to record the facts of unauthorized connection / intrusion into various vehicle control networks. The developed method, in contrast to the known ones, shows the use of machineleaming technologies to identify these threats. The developed method is more versatile from the point of view of its application, since it can be used as an independent system, as well as as separate components of an integrated system, in contrast from that described in RU, 2583703, where a description of the general architecture of the system for ensuring its application is presented.
Изучение способов и методов выполнения несанкционированных вторжений или атак злоумышленниками, показывает на то, что в основном все сводится к использованию одной и той же уязвимости, но в различных способах ее интерпретации. Данное обстоятельство дает основание утверждать, что большинство кибератак являются однородными, полиморфными. А, следовательно, описать одним набором сигнатур не представляется возможным. В связи с этим основная задача описываемого метода - поведенческий анализ сети. Основными критериями при таком анализе является идентификация системы или присвоение одного из признаков состояния в текущий момент: A study of the ways and methods of unauthorized intrusions or attacks by intruders shows that basically it all comes down to using the same vulnerability, but in different ways of interpreting it. This circumstance gives grounds to assert that most cyberattacks are homogeneous, polymorphic. And, therefore, it is not possible to describe with one set of signatures. In this regard, the main task of the described method is behavioral network analysis. The main criteria for such an analysis is the identification of the system or the assignment of one of the status indicators at the current moment:
• нормальное поведение; • normal behavior;
• аномальное поведение. • abnormal behavior.
Решение данной задачи, а именно определение состояния системы предложено выполнять с использованием алгоритмов машинного обучения, а именно за счет алгоритма машинного обучения, конкретно ОС-ELM One-Class Classification with Extreme Learning Machine. It is proposed to solve this problem, namely, to determine the state of the system using machine learning algorithms, namely, by means of a machine learning algorithm, specifically OS-ELM One-Class Classification with Extreme Learning Machine.
Разработанный способ защиты систем управления транспортных средств от вторжений позволяет в реальном времени собирать и анализировать трафик информационных сетей передачи данных внутри системы с целью определения текущего состояния. После обнаружения изменения состояния с нормального на аномальное, система может выполнять только информирование пользователя, а также может быть реализован функционал блокирования аномального трафика (например, блокирование аномальных пакетов данных). The developed method of protecting vehicle control systems from intrusions allows collecting and analyzing the traffic of information networks for data transmission within the system in real time in order to determine the current state. After detecting a change in state from normal to abnormal, the system can only inform the user, and the functionality of blocking abnormal traffic (for example, blocking abnormal data packets) can also be implemented.
Одна из главных задач, решаемая разработанным способом - обеспечение безопасности обмена данными между узлами в информационных сетях систем управления транспортных средств. Правила, по которым происходит процесс обмена данными (пакетами) внутри информационных сетей, зависят от используемых протоколов и стандартов. One of the main tasks solved by the developed method is to ensure the security of data exchange between nodes in information networks of vehicle control systems. The rules by which the process takes place exchange of data (packets) within information networks depend on the protocols and standards used.
Можно выделить наиболее уязвимые части таких систем, как это показано на фиг. 1, где в качестве узлов 101 представлены датчики, модули сбора данных, исполнительные механизмы. Число таких узлов в транспортном средстве не ограничено. Данные с таких узлов поступают в устройства сбора и обработки данных (узел 102) (например, для автомобилей в качестве таких узлов могут выступать блоки ECU). Передача обработанных данных от узлов 102 происходит в центры сбора информации (узел 103). Основными уязвимыми элементами в указанных системах управления являются информационные шины передачи данных (узлы 201). Данные узлы могут представлять собой различные варианты интерфейсов или стандартов (CAN, Ethernet, NMEA, Seatalk, RS485 и т.д.). Тип интерфейса не имеет значение на реализацию разработанного метода. The most vulnerable parts of such systems can be identified, as shown in Fig. 1, where sensors, data acquisition modules, and actuators are represented as nodes 101. The number of such units in a vehicle is not limited. Data from such nodes enter the data collection and processing devices (node 102) (for example, for cars, ECUs can act as such nodes). The transmission of processed data from nodes 102 occurs to information collection centers (node 103). The main vulnerable elements in these control systems are data transmission buses (nodes 201). These nodes can represent various options for interfaces or standards (CAN, Ethernet, NMEA, Seatalk, RS485, etc.). The interface type is irrelevant to the implementation of the developed method.
Стоит отметить, что любая угроза, которая остается не замеченная из-за невозможности осуществления полного мониторинга сети, может привести к экономическому, физическому, репутационному и другим видам ущерба. Поэтому, обеспечение защиты, а в частности детектирование и блокирование аномальных поведений внутри протоколов или стандартов описывающих правила передачи данных между узлами/устройствами, является важной задачей. It is worth noting that any threat that remains unnoticed due to the impossibility of fully monitoring the network can lead to economic, physical, reputational and other types of damage. Therefore, providing protection, and in particular the detection and blocking of anomalous behaviors within protocols or standards describing the rules for transferring data between nodes / devices, is an important task.
В основном это связано со следующим двумя аспектами: This is mainly due to the following two aspects:
• реализация коммуникаций по протоколам внутри системы управления транспортного средства сами по себе несут риски безопасности; • Implementation of communications using protocols within the vehicle control system itself carries security risks;
• отсутствие эффективных способов обнаружения, позволяющих решить эти риски. • lack of effective detection methods to address these risks.
Исходя из указанной проблематики, использование описанного способа в системах управления транспортными средствами весьма желательно. В предпочтительном варианте изобретения используют метод машинного обучения ОС-ELM, который может быть эффективно использован для обнаружения аномального поведения, которое может быть вызвано внешней атакой или неправильной работой. Based on the above problems, the use of the described method in vehicle control systems is highly desirable. In a preferred embodiment of the invention, the OS-ELM machine learning method is used, which can be effectively used to detecting abnormal behavior that could be caused by an external attack or malfunction.
Процесс обучения состоит в получении представления о нормальном состоянии системы. Для этой цели фиксируют трафик, который имеет место быть при нормальном режиме работы системы управления транспортным средством. Сетевой трафик анализируют по статическим характеристикам и динамическим характеристикам для выявления аномального его поведения. Так в случае появления в сети вредоносного воздействия он будет обнаружен из-за отклонения от нормально поведения. Так, к примеру, в стандартном случае эксплойт предполагает несколько вариантов атаки. Атакующие отправляют пакеты, содержащие перегруженные данные, что является явным отклонением от нормально поведения устройств, в следствии чего на принимающем устройстве это может привести к реализации отказа в обслуживании (DDoS). Реализации подобных атак были оценены экспериментально на испытательном стенде и доказали свою эффективность. При реализации разработанного способа сетевое обнаружение подобных аномалий реализуют за счет знания изначального нормального состояния сети. Результаты испытаний показывают, что уровень ложноположительных результатов и уровень ложных отрицательных результатов составляют 0,19% и 0,42% соответственно при обнаружении аномалий. Результат показывает, что разработанное поведенческое решение может эффективно идентифицировать изменение нормального состояния в данном эксперименте. Анализируя захваченный пакет индустриального протокола, можно классифицировать его по определенным полям. Для каждого протокола поля выбирают в зависимости от его спецификации, так как не все поля в данном случае является значимыми, однако в общем случае обработка пакетов и их преобразования к общему потоку данных остается на низкоуровневых API модулях. The learning process is to get an idea of the normal state of the system. For this purpose, the traffic that takes place during the normal operation of the vehicle control system is recorded. Network traffic is analyzed for static characteristics and dynamic characteristics to identify its abnormal behavior. So, in the event of a malicious effect on the network, it will be detected due to a deviation from normal behavior. So, for example, in the standard case, an exploit involves several attack options. Attackers send packets containing overloaded data, which is a clear deviation from the normal behavior of devices, as a result of which this can lead to a denial of service (DDoS) implementation on the receiving device. Implementation of such attacks was evaluated experimentally on a test bench and proved to be effective. When implementing the developed method, the network detection of such anomalies is realized due to the knowledge of the initial normal state of the network. The test results show that the false positive rate and the false negative rate are 0.19% and 0.42%, respectively, when anomalies are detected. The result shows that the developed behavioral solution can effectively identify the change in the normal state in a given experiment. By analyzing the captured industrial protocol packet, you can classify it according to specific fields. For each protocol, the fields are selected depending on its specification, since not all fields are significant in this case, however, in the general case, the processing of packets and their transformation to the general data stream remains at the low-level API modules.
Процесс обнаружения состояния представлен на фиг.2. На фигуре графически отображено отличие прогнозируемых данных при идеальном сигнале (сплошная линия), и получаемых при несанкционированном воздействии/атака (прерывистая линия). Данные отличия в сигналах происходят из-за вносимых непрогнозируемых отклонений от идеального сигнала при наличии атаки. The state detection process is shown in FIG. 2. The figure graphically displays the difference between the predicted data at ideal signal (solid line), and tamper / attack (dashed line). These differences in signals are due to the introduced unpredictable deviations from the ideal signal in the presence of an attack.
Алгоритм обработки трафика приведен на фиг. 3. The traffic processing algorithm is shown in FIG. 3.
Весь трафик в сети регистрировали в пассивном режиме, после чего зарегистрированные сведения поступают в модуль для предварительной обработки данных из сети, затем после того, как модуль предварительной обработки извлекает признаки для дальнейшей обработки, после чего на их основе составляют общую структуру, которая представляет собой структурированный набор данных, для обработки нейронной сетью. Следующий модуль обнаружения вторжения принимает на вход подготовленную на предварительном этапе структуру ввода для обнаружения вторжения. Основа данного модуля является улучшенная обученная модель нейросети, которая на основе полученных данных определяет состояние сети на данный момент времени. Для последующей обработки инцидента, в случае если состояние сети отклонилось от нормального, нами используются модуль обработки вторжений.All traffic in the network was recorded in a passive mode, after which the registered information goes to the module for preprocessing data from the network, then after the preprocessing module extracts features for further processing, after which they form a general structure, which is a structured a dataset to be processed by a neural network. The next intrusion detection module receives as input the intrusion detection input structure prepared at the preliminary stage. The basis of this module is an improved trained neural network model, which, based on the data obtained, determines the state of the network at a given time. For the subsequent processing of the incident, if the state of the network deviates from normal, we use the intrusion processing module.
Модуль сбора данных выполняет задачу сниффинга и фильтрации данных по всему сегменту сети. The data collection module performs the task of sniffing and filtering data across the entire network segment.
Входящий сетевой трафик представляет собой последовательность Ethemet-кадров. Ethemet-пакет состоит из МАС-заголовка, данных и CRC- суммы. МАС-заголовок в свою очередь состоит из трех составляющих: МАС- адреса источника данных, МАС-адреса получателя данных, EtherType, который используется для идентификации типа, используемого протокола в payload. CRC - сумма используется для проверки целостности данных при получении данных. На фиг. 4 приведен формат кадра протокола Ethernet. Incoming network traffic is a sequence of Ethemet frames. Ethemet packet consists of MAC header, data and CRC sum. The MAC header, in turn, consists of three components: the MAC address of the data source, the MAC address of the data receiver, EtherType, which is used to identify the type of protocol used in payload. CRC - the sum is used to check the integrity of the data when receiving data. FIG. 4 shows the Ethernet protocol frame format.
Для захвата сетевого трафика и дальнейшего его анализа используют библиотеку с открытым исходным кодом - libpcap. Libpcap предоставляет возможность широкого спектра анализа входного трафика, в частности, определение целостности данных, типа данных, MAC - адреса источника и приемника данных, а также получать данные. To capture network traffic and further analyze it, use the open source library - libpcap. Libpcap provides a wide range of analysis of incoming traffic, in particular, determination of data integrity, data type, MAC - addresses of the source and destination of data, as well as receive data.
При необходимости, на этапе обработки входящего трафика библиотекой libpcap происходит фильтрация пакетов по типу данных, MAC - адресам источника и приемника, а также по формату данных. If necessary, at the stage of processing incoming traffic by the libpcap library, packets are filtered by data type, source and destination MAC addresses, and data format.
Модуль сбора данных реализован с использованием libpcap. Libpcap — это мощная библиотека для захвата сетевых пакетов. Libpcap может отслеживать и собирать пакеты данных по всему сегменту сети. После получения заголовков сетевых пакетов на данном шаге определяется корректность пакета, а также его тип. В зависимости от типа пакетов данные протоколов, различающихся семантическим анализом, будут отправляется в модуль обработки данных. The data collection module is implemented using libpcap. Libpcap is a powerful library for capturing network packets. Libpcap can monitor and collect data packets across an entire network segment. After receiving the headers of network packets, this step determines the correctness of the packet, as well as its type. Depending on the type of packets, the data of protocols differing in semantic analysis will be sent to the data processing module.
Модуль обработки данных выполняет задачу подготовки входных данных для ОС - ELM. The data processing module performs the task of preparing input data for the OS - ELM.
На этапе сбора данных была получена последовательность из Ethernet - кадров, которая соответствует промежутку времени от t_i до t_(i+l), причем t_(i+l) - t_i = window size, где window size - это размер рассматриваемого временного интервала. At the stage of data collection, a sequence of Ethernet frames was obtained, which corresponds to the time interval from t_i to t_ (i + l), and t_ (i + l) - t_i = window size, where window size is the size of the considered time interval.
На этапе препроцессинга данных происходит извлечение данных из пакетов с последующей векторизацией последовательности Ethernet - пакетов в многомерный временной ряд размера (n, т), где п - количество признаков, m - количество точек внутри рассматриваемого временного интервала window size. После операции векторизации применяют нормализацию данных, чтобы на этапах обучения ОС - ELM и inference, каждый отдельный временной ряд вносил одинаковый вклад при обработке ОС - ELM моделью. Полученный нормализованный многомерный временной ряд используют как featuremap модуля обнаружения вторжения. На фиг. 5 приведены зависимости сетевого трафика от времени. At the stage of data preprocessing, data is extracted from packets with the subsequent vectorization of a sequence of Ethernet packets into a multidimensional time series of size (n, t), where n is the number of features, m is the number of points within the considered time interval window size. After the vectorization operation, data normalization is applied so that at the stages of OS training - ELM and inference, each separate time series makes the same contribution to the processing of the OS - ELM model. The resulting normalized multidimensional time series is used as a featuremap of the intrusion detection module. FIG. 5 shows the dependences of network traffic on time.
На фиг. 6 представлена структурная схема работы Модуля обработки данных. Модуль обработки данных реализован в первую очередь для преобразования необработанных пакетов в данные, которые могут быть распознаны модулем обнаружения вторжения. В данном модуле реализованы функции быстрого извлечения данных из пакета. После применяемых алгоритмов нормализации, а, так же поиска размерных признаков, их можно использовать в качестве входных данных модуля обнаружения вторжения. FIG. 6 shows a block diagram of the work of the Data Processing Module. The data processing module is implemented primarily for converting raw packets into data that can be recognized by the intrusion detection module. This module implements the functions of fast data extraction from the package. After the applied normalization algorithms, as well as the search for dimensional features, they can be used as input to the intrusion detection module.
Одно из необходимых условий модуля обнаружения вторжений — это высокая скорость обработки данных для обнаружения атак в реальном времени. Одна из главных проблем решаемая данным модулем, помимо самого обнаружения вторжений, решение проблем масштабируемости в том числе в условиях отсутствия вредоносного трафика (для процесса обучения). Для решения данных проблем используют улучшенный ОС-ELM. Преимуществом данной системы является высокая скорость обучения для классификации одного класса. В отличие от существующих нейронных сетей, ELM случайным образом генерирует веса между входными слоями и скрытыми слоями. Кроме того, ELM обучает эти веса, решая задачу оптимизации наименьших квадратов вместо обратного распространения ошибки работы. Из-за вышеупомянутых преимуществ ELM обычно может достичь высокой скорости обучения и получить хорошую способность к обобщению. One of the prerequisites for the intrusion detection engine is a high processing speed for detecting attacks in real time. One of the main problems solved by this module, in addition to intrusion detection itself, is the solution of scalability problems, including in the absence of malicious traffic (for the training process). An improved OS-ELM is used to solve these problems. The advantage of this system is the high learning rate for classifying one class. Unlike existing neural networks, ELM randomly generates weights between input layers and hidden layers. In addition, ELM trains these weights by solving a least squares optimization problem instead of backpropagating the operation error. Because of the aforementioned advantages, ELM can usually achieve high learning rates and good generalizability.
В данном случае дан обучающий набор Ch c d, содержащий п точек данных с d измерениями и L скрытыми узлами. In this case, a training set Ch c d is given containing n data points with d dimensions and L hidden nodes.
В = НЛТ (1/С + Н*НлТ)л-1 * Т где С и Т - коэффициент регуляризации и целевой результат. Предсказание точки входных данных х определяется как: f(x) = g(x)B=g(x) Н AT=h (х) * Н АТ( 1/С + Н*НЛТ)Л-1 * Т где g(x) - случайное отображение х; С и Т коэффициенты регуляризации и целевой результат. B = H L T (1 / C + H * H l T) l -1 * T where C and T are the regularization coefficient and the target result. The prediction of the input data point x is defined as: f (x) = g (x) B = g (x) H A T = h (x) * H A T (1 / C + H * H L T) L -1 * T where g (x) is a random mapping x; С and Т regularization coefficients and target result.
ОС-ELM напрямую отображает все выходные данные скрытого уровня в одно целевое выходное значение. Учитывая выходные данные ОС-ELM данного обучающего набора у = [yl, ..., уп], ошибка отображения обучающей выборки xi на целевое значение yi составляет | di — yi |. Порог dT может быть выбран, чтобы исключить небольшую долю (р) самых дальних точек обучения (di>dT).OS-ELM directly maps all hidden layer outputs to one target output value. Considering the output data of the OS-ELM of the given training set y = [yl, ..., yn], the error of mapping the training set xi to the target value yi is | di - yi |. The dT threshold can be selected, to exclude a small fraction (p) of the farthest learning points (di> dT).
Модуль обработки вторжения предназначен для: The intrusion handling module is designed to:
• Информирования о вторжении (отображение на устройствах человеко- машинного интерфейса); • Informing about intrusion (display on human-machine interface devices);
• Предоставления информации о произошедших инцидентов; • Providing information about incidents that have occurred;
• Дополнительно модуль может осуществлять блокировку передаваемых данных по предустановленным условиям. • Additionally, the module can block the transmitted data according to preset conditions.
На фиг. 7 показана схема работы Модуля обработки вторжения. Схема описывает основной принцип построения алгоритма, на вход (input Node) подается набор параметров, на основании которых происходит детектирование и классификация инцидентов.FIG. 7 shows a diagram of the operation of the Intrusion Handling Module. The scheme describes the basic principle of the construction of the algorithm; a set of parameters is fed to the input (input Node), on the basis of which the detection and classification of incidents occurs.
В процессе обучения происходит распределение весов между Nod-ами скрытых слоев. Значение Output Node сообщает о наличии или отсутствии вторжения During the training process, weights are distributed between the Nods of the hidden layers. The Output Node value indicates the presence or absence of an intrusion
Модуль взаимодействия с конечным пользователем предоставляет интерфейс для отображения текущей информации, а также управления системой. Из функций управления стоит выделить возможность ввода настроечных параметров, составления конфигураций для функционирования системы и т.д. The end-user interaction module provides an interface for displaying current information as well as managing the system. Of the control functions, it is worth highlighting the ability to enter tuning parameters, make configurations for the operation of the system, etc.
В дальнейшем сущность разработанного способа будет раскрыта на примере. In the future, the essence of the developed method will be disclosed by example.
К примеру, существует некоторая локальная сеть объекта. В зависимости от времени суток, дня недели, различных штатных ситуаций трафик в сети может вести себя различным образом и все это будут корректные ситуации. For example, there is some local area network of the object. Depending on the time of day, day of the week, various standard situations, traffic in the network can behave in different ways, and all these will be correct situations.
Так же существует большая вариативность осуществления атак, которая так же совершенно различным образом сказывается на поведении сети. There is also a great variety of attacks, which also affects the behavior of the network in completely different ways.
Задачи системы сводятся к изучению всех возможных ситуаций поведения системы и выявления скрытых зависимостей взаимовлияния параметров сети и предсказанию поведения системы в нормальном режиме. Первым этапом проводят обучение системы, для этого на базе модуля сбора данных производится сниффинг и фильтрации данных по всему сегменту сети. Полученные данные должны максимально покрывать все возможные ситуации поведения сети в нормальном режиме. The tasks of the system are reduced to studying all possible situations of the system's behavior and identifying hidden dependencies of the mutual influence of network parameters and predicting the behavior of the system in normal mode. The first stage is training the system, for this on the basis of the module data collection is performed by sniffing and filtering data across the entire network segment. The received data should cover as much as possible all possible situations of network behavior in normal mode.
Далее эти данные обрабатывают с использованием модуля обработки данных и происходит извлечение карты фич (featuresmap), которая специализированным образом описывает состояние системы и позволяет предсказывать как бы повела себя система при нормальном режиме работы. Further, this data is processed using a data processing module and a featuremap is extracted, which in a specialized way describes the state of the system and allows you to predict how the system would behave during normal operation.
На втором этапе система интегрируется на объект и на базе регулярно получаемых данных о текущем состоянии системы (от модуля сбора данных) предсказывает параметры поведения системы при нормальном режиме работы. At the second stage, the system is integrated into the object and, on the basis of regularly received data on the current state of the system (from the data collection module), predicts the parameters of the system's behavior during normal operation.
Модуль обнаружения вторжения анализирует реальные данные, полученные от модуля сбора данных, и сравнивает с ожидаемыми параметрами трафика для нормального режима работы. При расхождении параметров ожидаемого и реального трафиков сети происходит генерация предупреждений пользователю. The intrusion detection module analyzes the real data received from the data collection module and compares it with the expected traffic parameters for normal operation. If there is a discrepancy between the parameters of the expected and actual network traffic, alerts are generated to the user.
Полученное предупреждение может быть интерпретировано на стороне пользователя по-разному, в зависимости от типа применяемой системы, в которую оно передается. The received warning can be interpreted in different ways by the user, depending on the type of applied system to which it is sent.
Если описанный метод реализуется в системе IPS (Intrusion Detection System) сформированные предупреждения передаются пользователю в модуль SIEM/SOC. Сообщения такого рода фильтруются, а также пользователь по назначению принимает соответствующие меры. Меры должны носить организационный характер: остановка транспортного средства, отключение отдельных модулей от общей информационной управления транспортного средства, физический осмотр отдельных модулей на предмет дефекта или работоспособности и т.д. If the described method is implemented in the IPS (Intrusion Detection System), generated alerts are sent to the user in the SIEM / SOC module. Messages of this kind are filtered, and the user takes appropriate action as appropriate. The measures should be of an organizational nature: stopping the vehicle, disconnecting individual modules from the general information management of the vehicle, physical examination of individual modules for defect or operability, etc.
Если описанный метод реализуется в системе IPS (Intrusion Prevention System), то передаваемые предупреждения на вышестоящие иерархические уровни, могут являться маркерами для принятия решения о блокировки отдельных пакетов с данными. Каждый отдельный сценарий настраивается в зависимости от назначения системы, используемого оборудования, структуры и т.д. В данном случае система может автоматически реагировать на несанкционированные вторжения в информационные системы управления транспортных средств и ликвидировать их. If the described method is implemented in the IPS (Intrusion Prevention System), then the warnings transmitted to higher hierarchical levels can be markers for making a decision on blocking separate data packages. Each individual scenario is configured depending on the purpose of the system, equipment used, structure, etc. In this case, the system can automatically respond to unauthorized intrusions into vehicle management information systems and eliminate them.
Описанными способами обеспечивается информационная безопасность информационных систем управления в транспортных средствах. The described methods ensure information security of information control systems in vehicles.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ CLAIM
1. Способ защиты систем управления транспортных средств от вторжений, характеризуемый тем, что проводят идентификацию всех узлов/устройств в информационных системах управления, собирают и анализируют трафик информационных сетей передачи данных внутри системы управления транспортными средствами, а затем с использованием метода машинного обучения, проводят определение нормального состояния трафика системы, а также выявление аномальных изменений состояния трафика по сравнению с нормальным, при этом используемая система выполнена с возможностью только информировать пользователя о состоянии трафика и с возможностью блокирования аномального трафика, причем используемая система выполнена с возможностью реализации как самостоятельная, так и в качестве подсистемы. 1. A method of protecting vehicle control systems from intrusions, characterized by the fact that they identify all nodes / devices in information control systems, collect and analyze the traffic of information networks for data transmission within the vehicle control system, and then, using the machine learning method, determine the normal state of the traffic of the system, as well as the detection of abnormal changes in the state of the traffic in comparison with the normal one, while the used system is made with the ability to only inform the user about the state of the traffic and with the ability to block abnormal traffic as a subsystem.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для выявления аномального поведения трафика анализ сетевого трафика проводят по статическим характеристикам и динамическим характеристикам. 2. The method according to claim 1, characterized in that in order to detect abnormal traffic behavior, network traffic is analyzed according to static characteristics and dynamic characteristics.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что трафик в информационной сети собирают в пассивном режиме, после чего трафик передают в модуль для предварительной обработки данных из сети, в котором извлекают признаки для дальнейшей обработки для составления общей структуры, представляющей собой структурированный набор данных, для обработки нейронной сетью. 3. The method according to claim 1, characterized in that the traffic in the information network is collected in a passive mode, after which the traffic is transmitted to the module for preprocessing data from the network, in which features are extracted for further processing to compose a general structure, which is a structured set data for processing by a neural network.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сбор и анализ трафика осуществляют с использованием системы модулей, выполненных на базе промышленных компьютеров. 4. The method according to claim 1, characterized in that the collection and analysis of traffic is carried out using a system of modules based on industrial computers.
PCT/RU2020/050348 2019-11-25 2020-11-24 Method for protecting vehicle control systems from intrusions WO2021107822A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019137876 2019-11-25
RU2019137876A RU2737229C1 (en) 2019-11-25 2019-11-25 Protection method of vehicle control systems against intrusions

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021107822A1 true WO2021107822A1 (en) 2021-06-03

Family

ID=73543567

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2020/050348 WO2021107822A1 (en) 2019-11-25 2020-11-24 Method for protecting vehicle control systems from intrusions

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2737229C1 (en)
WO (1) WO2021107822A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20220263709A1 (en) * 2020-05-26 2022-08-18 Panasonic Intellectual Property Corporation Of America Anomaly detecting device, anomaly detecting system, and anomaly detecting method

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030133443A1 (en) * 2001-11-02 2003-07-17 Netvmg, Inc. Passive route control of data networks
CN102092477B (en) * 2010-11-30 2013-02-20 中国民航大学 Device and method for automatic test and fault diagnosis of plane audio integrated system
US20150195297A1 (en) * 2014-01-06 2015-07-09 Argus Cyber Security Ltd. Global automotive safety system
US20160261482A1 (en) * 2015-03-04 2016-09-08 Fisher-Rosemount Systems, Inc. Anomaly detection in industrial communications networks
US20180109975A1 (en) * 2016-10-18 2018-04-19 Nokia Solutions And Networks Oy Detection and Mitigation of Signalling Anomalies in Wireless Network

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7904569B1 (en) * 1999-10-06 2011-03-08 Gelvin David C Method for remote access of vehicle components
US9173100B2 (en) * 2011-11-16 2015-10-27 Autoconnect Holdings Llc On board vehicle network security
RU2706887C2 (en) * 2018-03-30 2019-11-21 Акционерное общество "Лаборатория Касперского" System and method for blocking computer attack on vehicle

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030133443A1 (en) * 2001-11-02 2003-07-17 Netvmg, Inc. Passive route control of data networks
CN102092477B (en) * 2010-11-30 2013-02-20 中国民航大学 Device and method for automatic test and fault diagnosis of plane audio integrated system
US20150195297A1 (en) * 2014-01-06 2015-07-09 Argus Cyber Security Ltd. Global automotive safety system
US20160261482A1 (en) * 2015-03-04 2016-09-08 Fisher-Rosemount Systems, Inc. Anomaly detection in industrial communications networks
US20180109975A1 (en) * 2016-10-18 2018-04-19 Nokia Solutions And Networks Oy Detection and Mitigation of Signalling Anomalies in Wireless Network

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JING YUAN, RUIXI YUAN, XI CHEN: "Network anomaly detection based on multi-scale dynamic characteristics of traffic", INTERNATIONAL JOURNAL OF COMPUTERS COMMUNICATIONS & CONTROL, vol. 9, no. 21, 2014, pages 101 - 112, XP055831479, ISSN: 1841-9844, Retrieved from the Internet <URL:http://univagora.ro/jour/index.php/ijccc/article/view/870/212> [retrieved on 20210228] *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20220263709A1 (en) * 2020-05-26 2022-08-18 Panasonic Intellectual Property Corporation Of America Anomaly detecting device, anomaly detecting system, and anomaly detecting method
US11792219B2 (en) * 2020-05-26 2023-10-17 Panasonic Intellectual Property Corporation Of America Anomaly detecting device, anomaly detecting system, and anomaly detecting method

Also Published As

Publication number Publication date
RU2737229C1 (en) 2020-11-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11546359B2 (en) Multidimensional clustering analysis and visualizing that clustered analysis on a user interface
Saxena et al. General study of intrusion detection system and survey of agent based intrusion detection system
EP2040435B1 (en) Intrusion detection method and system
US9369484B1 (en) Dynamic security hardening of security critical functions
US20090178139A1 (en) Systems and Methods of Network Security and Threat Management
KR20150091775A (en) Method and System of Network Traffic Analysis for Anomalous Behavior Detection
US9961047B2 (en) Network security management
CN114006723B (en) Network security prediction method, device and system based on threat information
CA2954552A1 (en) Method for detecting an attack in a computer network
CN111224973A (en) Network attack rapid detection system based on industrial cloud
US11297082B2 (en) Protocol-independent anomaly detection
EP3742677B1 (en) Detection device, detection method, and program
RU2737229C1 (en) Protection method of vehicle control systems against intrusions
CN117749426A (en) Abnormal flow detection method based on graph neural network
CN104580087A (en) Immune network system
CN116366319A (en) Method and system for detecting network security
CN106330975A (en) Method for periodic exception detection based on SCADA system
Faizal et al. Time based intrusion detection on fast attack for network intrusion detection system
EP2911362B1 (en) Method and system for detecting intrusion in networks and systems based on business-process specification
Sapozhnikova et al. Intrusion detection system based on data mining technics for industrial networks
CN114006719B (en) AI verification method, device and system based on situation awareness
Larriva-Novo et al. Dynamic risk management architecture based on heterogeneous data sources for enhancing the cyber situational awareness in organizations
Levonevskiy et al. Network attacks detection using fuzzy logic
KR101761798B1 (en) Scanning attack detection apparatus in control network
KR102037192B1 (en) Device and method for continuous signal traffic detection of network traffic through hierarchical structure learning

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 20892045

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 20892045

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1