Un approccio data-driven basato su sistemi geospaziali per la sperimentazione di sistemi ciber-fisici in ambito marittimo

Abstract

La ricerca sulla cybersecurity delle navi si basa sempre più su ambienti simulati, nei quali gli attacchi ai sensori di navigazione possono essere studiati senza rischi per le navi in servizio. Quando i dati prodotti da questi ambienti diventano evidenza sperimentale, ad esempio per addestrare un rilevatore di attacchi, devono essere riconducibili a un riferimento noto, coerenti tra i diversi sensori e disponibili sull’intera area di un esperimento, proprietà che i simulatori costruiti attorno a una scena renderizzata garantiscono solo in parte. Questa tesi propone un framework per la sperimentazione cyber-fisica in ambito marittimo in cui il mondo è descritto da un World Model geospaziale, anziché da una scena tridimensionale, e ogni osservazione dei sensori è derivata da esso su richiesta. Sette requisiti per un simile framework sono ricavati dagli usi sperimentali della simulazione e da una navigazione costiera tra Genova e La Spezia, e rispetto ad essi vengono confrontati tredici testbed e simulatori esistenti. Nell’architettura proposta, la descrizione dell’ambiente fornita dall’esterno della simulazione è tenuta separata dallo stato che la simulazione produce, ed entrambi sono organizzati secondo un metamodello fisso, che nuove fonti di dati e nuovi tipi di oggetti simulati estendono senza modifiche al codice. Moduli indipendenti accedono al World Model solo attraverso un insieme comune di operazioni, si coordinano tramite eventi e un unico clock di simulazione, e raggiungono i sistemi esterni tramite adattatori, in modo che il motore di simulazione di un simulatore convenzionale risulti distribuito tra il clock, gli eventi e i moduli. Un’analisi critica del progetto mostra che ogni requisito è affrontato da almeno una parte dell’architettura e individua le condizioni che restano da definire, come uno storico registrato dello stato simulato e le informazioni che ogni osservazione deve riportare per essere tracciabile.

Cybersecurity research on ships increasingly relies on simulated environments, in which attacks on navigation sensors can be studied without risk to vessels in service. When the outputs of these environments become experimental evidence, for instance to train an attack detector, they must be traceable to a known reference, coherent across sensors, and available over the whole area of an experiment, properties that simulators built around a rendered scene provide only in part. This thesis proposes a framework for maritime cyber-physical experimentation in which a geospatial World Model, rather than a three-dimensional scene, describes the world, and every sensor observation is derived from it on request. Seven requirements for such a framework are derived from the experimental uses of simulation and from a coastal passage between Genoa and La Spezia, and thirteen existing testbeds and simulators are compared against them. In the proposed architecture, the description of the environment supplied from outside the simulation is kept apart from the state that the simulation produces, and both are organized according to a fixed metamodel, which new data sources and new kinds of simulated objects extend without changes to the code. Independent modules access the World Model only through a common set of operations, coordinate through events and a single simulation clock, and reach external systems through adapters, so that the simulation engine of a conventional simulator is distributed among the clock, the events, and the modules. A critical analysis of the design shows that every requirement is addressed by at least one part of the architecture, and identifies the conditions that remain to be defined, such as a recorded history of the simulated state and the information that each observation must carry to be traceable.