[논문]신뢰성 있는 스마트팩토리를 위한 사이버보안 아키텍처

김현진; 김성진; 김예솔; 김신규; 손태식

doi:10.13089/jkiisc.2019.29.3.629

신뢰성 있는 스마트팩토리를 위한 사이버보안 아키텍처
Cybersecurity Architecture for Reliable Smart Factory 원문보기

情報保護學會論文誌 = Journal of the Korea Institute of Information Security and Cryptology, v.29 no.3, 2019년, pp.629 - 643

김현진 (아주대학교 컴퓨터공학과) , 김성진 (아주대학교 컴퓨터공학과) , 김예솔 (ETRI 부설연구소) , 김신규 (ETRI 부설연구소) , 손태식 (아주대학교 컴퓨터공학과)

초록
AI-Helper

제4차 산업혁명 시대에 들어서며 세계 각국은 제조 산업의 경쟁력 확보를 위해 스마트팩토리를 빠르게 확산시키기 위한 보급 사업을 진행하고 있다. 그러나 스마트팩토리는 네트워크 환경이 폐쇄적이었던 기존 공장과는 달리 내부와 외부의 사물들이 서로 연결되고 다양한 ICT 기술이 활용되기 때문에 보안 취약점이 발생할 수 있다. 그리고 스마트팩토리는 사고 발생 시 경제적인 피해가 매우 크기 때문에 특정 대상에게 금전적 피해를 야기하고자 수행되는 사이버 공격의 대상이 되기 쉽다. 따라서 스마트팩토리에 대한 보안 연구 및 적용이 반드시 필요한 상황이지만 구체적인 스마트팩토리 시스템 아키텍처가 제시되어 있지 않아 스마트팩토리 보안요구사항도 정립되어 있지 않은 상황이다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 논문에서는 국내외 주요 스마트팩토리 참조모델을 기반으로 스마트팩토리의 주요 특성을 식별하고 이를 반영할 수 있는 스마트팩토리 아키텍처를 도출하였다. 이후 도출된 스마트팩토리 아키텍처를 바탕으로 보안 위협을 식별하였으며 이에 대응할 수 있는 보안요구사항을 제시함으로써 스마트팩토리의 보안성 향상에 기여하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the era of the 4th industrial revolution, countries around the world are conducting projects to rapidly expand smart factory to secure competitiveness in manufacturing industries. However, unlike existing factories where the network environment was closed, smart factories can be vulnerable because internal and external objects are interconnected and various ICT technologies are used. And smart factories are likely to be the subject of cyber-attacks that are designed to cause monetary damage to certain targets because economic damage is so serious when an accident occurs. Therefore, it is necessary to study and apply security for smart factories, but there is no specific smart factory system architecture, so there is no establish for smart factory security requirements. In order to solve these problems, this paper derives the smart factory architecture that can extract and reflect the main characteristics of a smart factory based on the domestic and foreign reference model of smart factories. And this paper identifies the security threats based on the derived smart factory architecture and present the security requirements to cope with them for contributing to the improvement of the security of the smart factory.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. PI 4.0 Reference Model(RAMI 4.0)
그림 Fig. 2. IIC Reference Model(IIRA)
그림 Fig. 3. Korea Smart-Factory Foundation Reference Model
그림 Fig. 4. Hierarchy levels of RAMI 4.0
그림 Fig. 5. Functional Domains of IIRA
표 Table 1. Component of RAMI 4.0
표 Table 2. Mapping IIRA Component to RAMI 4.0
그림 Fig. 6. Mapping a three-tier architecture of IIRA to RAMI 4.0
그림 Fig. 7. Smartfactory Architecture based on reference models
표 Table 3. Potential SmartFactory Security Threats
표 Table 4. SmartFactory Security requirement against potential threats

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

기존 산업제어시스템의 사이버보안에 있어 주요한 보안표준 및 보안가이드라인으로 학계 및 산업계에서 많이 참고하는 ISA/IEC 62443과 NIST(National Institute of Standards and Technology) 800-82 문서에 대해 살펴본다.
위와 같은 사유로 스마트팩토리 보급 사업은 활발히 진행되고 있으나, 아직 스마트팩토리 위협분석 및 보안 요구사항에 관한 연구는 부족한 상황이다. 따라서 본 논문에서는 국내외 주요 스마트팩토리의 참조 모델 분석을 통해 스마트팩토리의 주요특징들을 식별하고 이를 반영할 수 있는 스마트팩토리 아키텍처를 도출하였다. 이후 도출된 아키텍처를 바탕으로 스마트팩토리의 주요특징에 초점을 두어 발생할 수 있는 보안 위협과 이에 대응하기 위한 최소 보안 요구사항을 제시하였다.
따라서 기존 공장자동화 수준의 공장도 스마트팩토리는 포함하고 있으며 이는 스마트공장추진단의 스마트팩토리 수준 정의에서도 기존 공장자동화를 기초수준 및 중간수준의 스마트팩토리로 포함하고 있는 것에서도 확인할 수 있다. 따라서 스마트팩토리 아키텍처의 구성요소와 구조는 RAMI4.0의 수직적 통합계층을 기반으로 스마트팩토리의 주요특징을 식별하여 확장하고자 한다.
본 논문에서는 국내외 주요 스마트팩토리 참조모델을 분석을 통해 스마트팩토리의 주요 특성을 반영할 수 있는 시스템 아키텍처를 도출하였다. 이후, 스마트팩토리의 주요기술과 주요 특성을 바탕으로 보안 문건 분석을 통해 스마트팩토리의 보안 위협을 식별하고 해당 보안 위협에 대응하기 위한 보안 요구사항을 정리하여 제시하였다.
실제 제어시스템의 보안을 모니터링하는 ICS-CERT에서 해당 문서를 주요 참고문서로 선택하였으며, 제어시스템 분야의 보안 관련 연구에서 다수 활용되고 있다. 해당 문서는 SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)/DCS(Distributed Control System)와 같은 산업제어시스템의 구성 요소 및 네트워크 구성에 관한 내용을 포함하고 있으며 산업제어시스템에서 보안을 어떻게 적용할지에 대한 가이드라인을 제시하고 있다, 성능과 신뢰도 그리고 안전성에 대한 요구사항을 동시에 만족할 수 있는 가이드라인을 제시하는 것이 목표이다. 해당 문서에는 위험 관리 및 평가, 보안 프로그램 개발 및 배치, 산업제어시스템 보안 구조, 산업 제어시스템에 보안 기술 적용에 관한 내용을 주 내용으로 담고 있다.

제안 방법

주요한 한계점으로는 스마트팩토리의 경우 생산에 직접 관여하는 최하위 기기부터 생산계획시스템(ERP, Enterprise Resource Planning)까지의 전체 계층들 간의 유연한 정보교환이 필요하나 표준에서는 생산설비시스템에서 제조실행시스템(MES, Manufacturing Execution System)까지의 계층 범위에서 인접한 계층 간 정보교환만 규정하고 있다는 점 그리고 스마트팩토리는 물리적으로 떨어진 공장이나 다양한 비즈니스 도메인간 정보교환 또한 필요하나 표준에서는 공장 내 도메인으로만 국한되어 있다는 점이 있다[9]. 따라서 Platform Industrie 4.0에서는 스마트그리드 도메인의 주요 참조모델인 SGAM(Smart Grid Architecture Model)을 바탕으로 기존 제조 표준 들을 융합할 수 있는 3차원의 스마트팩토리 참조모델인 RAMI 4.0(Reference Architecture Model for Industrie 4.0)을 도출하여 발표하였다.
0의 구성요소와 구조를 바탕으로 하고 있기 때문에 공장 내부 영역의 경우 기존 공장자동화 시스템과 공통된 부분이 많다. 따라서 스마트팩토리 내부 영역의 보안 위협의 경우 기존 제어시스템에 대한 보안위협을 계승하고 있으며 해당 보안 위협에 관한 연구는 다수 선행되어 있기 때문에 본 장에서는 앞서 선별된 스마트팩토리의 주요특징에 초점을 맞추어 발생 가능한 보안 위협을 식별하였으며 이를 토대로 필요한 보안 요구사항을 간략히 정리하였다.
0, IIRA 그리고 스마트공장추진단의 스마트팩토리 참조모델들의 경우 추상적 모델로 구체적인 아키텍처 도출을 위해서는 추가적인 분석이 필요하다. 본 장에서는 RAMI 4.0 참조모델의 구성요소 및 계층구조와 IIRA의 스마트팩토리 관련 기술 그리고 스마트공장추진단의 스마트팩토리 구성 예시에서 네트워크 기술을 분석한다.
스마트팩토리 참조모델들의 구성요소, 구조 그리고 사용기술 분석을 통해 기존 공장자동화 단계에서 스마트팩토리로 발전함에 따라 변경되는 사항들을 중점으로 빅데이터, 클라우드, 인공지능, 스마트팩토리웹 서비스 등 스마트팩토리 고려사항으로 언급된 기술을 간략히 접목하여 스마트팩토리 아키텍처를 아래 Fig.7.과 같이 도출하였다. 빅데이터, 클라우드, 인공지능, 스마트팩토리 웹 등의 기술은 아직 각 참조 모델에서 고려할 수 있는 사항으로 언급만 되고 있고, 반드시 설치해야 하는 요소가 아니기 때문에 가장 기본이 되는 구조를 기본 아키텍처에 연동하여 나타내었다.
STRIDE는 컴퓨터 보안 위협을 식별하기 위해 Microsoft 사가 개발한 위협 모델로 Risk를 모델링하고, IT 환경의 위협평가를 수행하기 위해 사용된다. 스마트팩토리에 사용되는 IIoT 기기들의 IoT 위협 요소를 확장하며, 총 6개의 위협 분류를 제공한다. 이 위협 분류들은 시스템 혹은 데이터의 기밀성, 무결성, 가용성을 손상시키고, 정상 동작을 방해하는 요소들로 공격자는 이러한 위협을 이용하여 공격을 수행할 수 있다.
이 위협 분류들은 시스템 혹은 데이터의 기밀성, 무결성, 가용성을 손상시키고, 정상 동작을 방해하는 요소들로 공격자는 이러한 위협을 이용하여 공격을 수행할 수 있다. 이 중 도출된 스마트팩토리 아키텍처에서 발생 가능한 보안 위협만을 식별하였다.
스마트팩토리의 차별화되는 기술 및 서비스는 앞서 식별한 클라우드, 빅데이터, 인공지능(AI), 스마트팩토리 웹으로 총 4가지이다. 이 중 빅데이터 및 인공지능의 경우 클라우드 플랫폼 위에서 동작할 것으로 예상되기 때문에 보안 위협분석에는 클라우드 보안 위협과 스마트팩토리 웹과 관련된 웹 애플리케이션 보안 위협에 대해 분석하였다. 클라우드 보안위협분석을 위해 CSA(Cloud Security Alliance) 보안문건[14]을 활용하였으며, 웹 애플 리케이션 보안 위협분석에는 OWASP(Open Web Application Security Project) 보안자료[15]를 활용하여 도출된 스마트팩토리 아키텍처에서 발생 가능한 보안 위협만을 식별하였다.
따라서 본 논문에서는 국내외 주요 스마트팩토리의 참조 모델 분석을 통해 스마트팩토리의 주요특징들을 식별하고 이를 반영할 수 있는 스마트팩토리 아키텍처를 도출하였다. 이후 도출된 아키텍처를 바탕으로 스마트팩토리의 주요특징에 초점을 두어 발생할 수 있는 보안 위협과 이에 대응하기 위한 최소 보안 요구사항을 제시하였다.
본 논문에서는 국내외 주요 스마트팩토리 참조모델을 분석을 통해 스마트팩토리의 주요 특성을 반영할 수 있는 시스템 아키텍처를 도출하였다. 이후, 스마트팩토리의 주요기술과 주요 특성을 바탕으로 보안 문건 분석을 통해 스마트팩토리의 보안 위협을 식별하고 해당 보안 위협에 대응하기 위한 보안 요구사항을 정리하여 제시하였다.
이 중 빅데이터 및 인공지능의 경우 클라우드 플랫폼 위에서 동작할 것으로 예상되기 때문에 보안 위협분석에는 클라우드 보안 위협과 스마트팩토리 웹과 관련된 웹 애플리케이션 보안 위협에 대해 분석하였다. 클라우드 보안위협분석을 위해 CSA(Cloud Security Alliance) 보안문건[14]을 활용하였으며, 웹 애플 리케이션 보안 위협분석에는 OWASP(Open Web Application Security Project) 보안자료[15]를 활용하여 도출된 스마트팩토리 아키텍처에서 발생 가능한 보안 위협만을 식별하였다.

성능/효과

이는 기존 공장자동화에서는 하나의 장치가 하나의 기능을 수행하는 반면 스마트팩토리에서는 하나의 장치가 다수의 기능을 수행할 수 있어 물리계층 간의 통합은 이루어지나 기능적 관점에서는 계층구조가 유지되는 것을 의미한다. 따라서 기존 공장자동화 수준의 공장도 스마트팩토리는 포함하고 있으며 이는 스마트공장추진단의 스마트팩토리 수준 정의에서도 기존 공장자동화를 기초수준 및 중간수준의 스마트팩토리로 포함하고 있는 것에서도 확인할 수 있다. 따라서 스마트팩토리 아키텍처의 구성요소와 구조는 RAMI4.
분석된 바와 같이 RAMI 4.0 참조모델에서는 기존 제조 공정 표준의 계층구조를 따르고 있으며 IIRA 참조모델에서도 기능적 계층구조를 확인할 수 있다. 이는 기존 공장자동화에서는 하나의 장치가 하나의 기능을 수행하는 반면 스마트팩토리에서는 하나의 장치가 다수의 기능을 수행할 수 있어 물리계층 간의 통합은 이루어지나 기능적 관점에서는 계층구조가 유지되는 것을 의미한다.

후속연구

RAMI 4.0, IIRA 그리고 스마트공장추진단의 스마트팩토리 참조모델들의 경우 추상적 모델로 구체적인 아키텍처 도출을 위해서는 추가적인 분석이 필요하다. 본 장에서는 RAMI 4.
통신은 RS-232C와 Ethernet 그리고 무선 네트워크의 사용 가능하다고 언급되어 있지만, 이에 국한되지는 않는다. RS-232C 통신의 경우 시리얼 기반의 통신으로 확장성이 매우 떨어지며 RAMI 4.0과 IIRA에서는 통신 가능한 디바이스를 해당 참조모델에서 사용될 수 있는 기기라고 언급하고 있는데, 이를 고려할때 위와 같은 시리얼 통신은 다수의 디바이스들과 통신이 어렵기 때문에 향후 IP 기반 통신으로 대체될것으로 사료된다.
앞서 살펴본 보안표준 및 보안 가이드라인은 기존 산업제어시스템을 대상으로 하고 있기 때문에 스마트팩토리에 적용하기 위해서는 스마트팩토리의 주요 특성을 고려한 추가적인 보안연구가 진행되어야 한다.
하지만 실제 구축하는 기기들에 따라 본 논문에 언급된 위협 및 요구사항이 달라질 수 있기 때문에 향후 실제 고도화된 스마트팩토리 도입 시 본 논문을 기반으로 실제 사용되는 기기들의 특성을 고려한 보안연구가 추가로 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스마트팩토리의 정의와 추구하고자 하는 것은?	최근 제4차 산업혁명의 도래에 따라 제조업 분야에서도 스마트팩토리에 관한 관심이 높아지고 있다. 스마트팩토리는 생산 과정에 필요한 전체 사물들을 산업 사물인터넷 기술을 통해 연결하여 통신체계를 구축하고 디지털화하여 CPS(Cyber Physical System), 빅데이터, 클라우드 그리고 인공지능 등 다양한 ICT(Information & Communication Technology) 기술들이 제조업에 활용될 수 있도록 함으로써 생산의 자동화 및 최적화를 추구한다. 이로 인해 기존 노동력 중심의 생산 공정들이 디지털화되고 자동화되어 운영됨으로써 불량률 감소, 생산성 개선 그리고 원가 감축 등의 혁신을 이루고 있으며 다양한 비즈니스 간의 연계를 통해 새로운 부가가치를 창출할 수 있다[1].
	기존 공장과 달리 스마트팩토리에서 생길 수 있는 문제점은?	제4차 산업혁명 시대에 들어서며 세계 각국은 제조 산업의 경쟁력 확보를 위해 스마트팩토리를 빠르게 확산시키기 위한 보급 사업을 진행하고 있다. 그러나 스마트팩토리는 네트워크 환경이 폐쇄적이었던 기존 공장과는 달리 내부와 외부의 사물들이 서로 연결되고 다양한 ICT 기술이 활용되기 때문에 보안 취약점이 발생할 수 있다. 그리고 스마트팩토리는 사고 발생 시 경제적인 피해가 매우 크기 때문에 특정 대상에게 금전적 피해를 야기하고자 수행되는 사이버 공격의 대상이 되기 쉽다.
	스마트팩토리 위협분석 및 보안 요구사항에 관한 연구가 부족한 이유는?	그러나 빠른 스마트팩토리 보급 속도에 비해 스마트팩토리에 관한 보안 연구는 더디게 진행되고 있다. 그 이유에 대해 살펴보면 스마트팩토리는 다양한 제조 업종에 적용될 수 있고 사용되는 기술도 한정되지 않아 학술적으로 공통된 스마트팩토리 시스템 아키텍처를 도출하기 어렵기 때문에 보안 연구의 진행이 더디며, 현장에서는 공장들 대부분이 중소기업으로 제조 공정의 데이터화 및 디지털화에 초점을 맞춘 기초 단계의 스마트팩토리화가 우선하여 진행되고 있는 현황에서 보안을 적용할 경우 발생하는 구축 및 운영비용에 대해 부담감을 느끼고 있기 때문이다[4].

참고문헌 (16)

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K. Lab. "The DUQU 2.0 - technical details," Analysis report, Kaspersky Lab, Jun. 2015
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A. Cherepanov, "Win32/industroyer - a new threat for industrial control systems," Analysis report, ESET, Jun. 2017
Dragos, "TRISIS Malware Analysis of Safety System Targeted Malware," Analysis report, Dragos Corporation, Dec. 2017
Jongwon Kwon, Taeseung Song and Wonseo Cho. "Development Trend of Smart Factory Reference Model for Manufacturing Innovation," The Institute of Electronics and Information Engineers, 43(6), pp. 51-61, Jun. 2016
Shi-Wan Lin, B. Miller, J. Durand, G. Bleakley, A. Chigani, R. Martin, B. Murphy and M. Crawford, "The Industrial Internet of Things Volume G1- Reference Architecture," IIC Consortium, Jan. 2017
Korea Smart Factory Foundation, "Smart Factory Reference Model - focused on Industry(Ver 3.1)," Korea Smart Factory Foundation & Ministry of Trade, Industry and Energy, 2017, https://www.smart-factory.kr/datum/dataWarehouse.do, Accessed Mar. 19, 2019
Stouffer, Keith, Joe Falco, and Karen Scarfone. "Guide to industrial control systems (ICS) security Rev.2," National Institute of Standards and Technology, May. 2015
Reference Architecture Model Industrie 4.0 (RAMI4.0), DIN S P E C 91345:2016-04, Apr. 2016
R. Mogull, J. Arien, F. Gilbert, A. Lane. D. Mortman, G. Peterson and M. Rothman, "Security Guidance For Critical Areas of Focus in Cloud Computing," Cloud Security Alliance, Jul. 2017
OWASP, "The Ten Most Critical Web Application Security Risks," The Open Web Application Security Project Foundation, Nov. 2017
S. Schrecker, H. Soroush, J. Molina, M.Buchheit, JP LeBlanc, R. Marthin, F. Hirsch and A. Ginter, "Industrial Internet of Things Volume G4: Security Framework," Industrial Internet Consortium, Sept. 2016

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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