AIS Data Vulnerability Indicated by a Spoofing Case-Study

ثغرات بيانات نظام التعريف الآلي (AIS) كما تكشفها دراسة حالة انتحال قرب جزيرة إلبا

👤 Andrej Androjna, Marko Perkovič, Ivica Pavic, Jakša Mišković 📄 Appl. Sci. 2021 · Vol. 11(11), 5015 🔗 10.3390/app11115015 ✓ CC BY 4.0

الملخص

تتناول هذه الورقة عن كثب منظومة نظام التعريف الآلي (AIS) بوصفه مصدرًا رئيسيًا للمعلومات اللازمة للوعي الظرفي البحري (MSA)، وتحدد ثغراته وتحدياته أمام سلامة الملاحة والشحن. وبوصفه جزءًا مهمًا من التهديدات السيبرانية التي تصيب الأنظمة البحرية، يتعرض AIS لمشكلات العبث وعدم الموثوقية؛ فالرسائل المستلمة قد تكون خاطئة دون قصد، أو مشوشة، أو منتَحلة عمدًا. أُجريت مراجعة منهجية للأدبيات لهذه المقالة، واستُكملت بدراسة حالة لحدث انتحال محدد قرب جزيرة إلبا في ديسمبر 2019، أكدت أن نظام AIS البحري النمطي يمكن انتحاله بسهولة وتوليد معلومات موقع خاطئة. وقد أثّر هذا الانتحال المتعمد على الملاحة في المياه الدولية والعبور عبر المياه الإقليمية. فالصناعة البحرية ليست بمنأى عن الهجمات السيبرانية ولا مستعدة تمامًا للمخاطر المرتبطة باستخدام الأنظمة الرقمية الحديثة. ويتطلب الحفاظ على الصلاحية للإبحار في مواجهة أثر التقنيات الرقمية إطارًا قويًا للأمن السيبراني.

1. المقدمة

بنى أصحاب المصلحة في الصناعة البحرية نظام AIS بهدف تحسين السلامة والأمن والوعي الظرفي البحري. وقد أُطلق كجهد مشترك بين المنظمة البحرية الدولية (IMO)، والرابطة الدولية لهيئات المساعدات الملاحية والمنارات (IALA)، والاتحاد الدولي للاتصالات (ITU)، واللجنة الكهروتقنية الدولية (IEC) [1]. تضع IMO متطلبات الحمل ومعايير الأداء، وتوفر IALA المتطلبات التقنية الأساسية، بينما يوفر ITU وIEC معايير البث والمعايير الكهروتقنية لنظام AIS. ورغم أن تطوير AIS ونشره أسهما إسهامًا كبيرًا في زيادة سلامة الملاحة، فقد أديا أيضًا إلى مسائل عديدة في السلامة والأمن.

أُدخل AIS أصلًا على أنواع معينة من سفن الاتفاقية الدولية لسلامة الأرواح في البحر (SOLAS) لمساعدة ضابط المناوبة (OOW) في اتخاذ القرارات عند خطر الاصطدام. يزود AIS الضابط بأدق البيانات وأكثرها تفصيلًا عن جميع الأهداف المكتشفة، وهو أمر بالغ الأهمية خاصة للأهداف المعرضة لخطر الاصطدام [2]. ويمكن دمج بيانات AIS في نظام التخطيط الراداري الآلي (ARPA) وأنظمة الخرائط (ECDIS أو ECS) [2، 3]، مما يوفر للضابط مصدرًا إضافيًا لبيانات الملاحة (مثل أقرب نقطة اقتراب CPA) قد يساعده في الملاحة — أو يضلله عند انتحال محطة AIS. ورغم أن استخدام AIS على السفن زاد سلامة الملاحة، من المهم التأكيد أن AIS ليس مخصصًا لتوجيه الملاحة بل لتبادل البيانات الملاحية وغيرها من البيانات ذات الصلة بين السفن والمحطات الشاطئية [4].

وبموجب اللائحة V/19.2.4 من اتفاقية SOLAS، يجب تجهيز جميع السفن من 300 طن إجمالي فأكثر العاملة في رحلات دولية، وسفن الشحن من 500 طن فأكثر غير العاملة في رحلات دولية، وكذلك سفن الركاب بغض النظر عن حجمها، بنظام AIS [5]. وطورت عدة جهات أوروبية ووطنية التزامات إضافية بشأن AIS لسفن غير خاضعة لـ SOLAS (مثل سفن الصيد واليخوت). وتُصنف محطات AIS، وفق الدليل 1082 الصادر عن IALA، إلى محطات متنقلة (سفينة فئة A وفئة B، وSART، وMOB-AIS، وEPIRB-AIS، وطائرات البحث والإنقاذ) ومحطات ثابتة (محطات قاعدية، ومكررات، ومساعدات ملاحية AtoN) [1]. كما أُدخل AIS عبر الأقمار الصناعية (S-AIS) [7، 8]، موسعًا منطقة تغطية AIS من مدى VHF حتى 400 كم [9]، مع تطبيقات إقليمية وعالمية متنوعة تشمل التخطيط المكاني البحري [8، 12].

تُرسل أجهزة إرسال واستقبال AIS معلومات محددة وتستقبلها على ترددات VHF مخصصة [13]، باستخدام بروتوكول النفاذ المتعدد بتقسيم الزمن ذاتي التنظيم (SOTDMA) بمعدل 9600 بت/ثانية وبتضمين GMSK. تُشفَّر المعلومات في سلسلة رسائل AIS حتى 256 بت، وتُجزَّأ الرسائل وفق معيار NMEA-0183 بحد أقصى 82 حرفًا للجملة. ويعتمد البروتوكول على مرجع زمني دقيق من إشارة GNSS التي تتزامن معها جميع المحطات لتجنب التداخل [16]. وتبلغ قدرة القناة الواحدة 2250 رسالة في الدقيقة، وتتضاعف القدرة باستخدام قناتين (87B على 161.975 ميغاهرتز و88B على 162.025 ميغاهرتز). ويتراوح النطاق النمطي بين 20 ميلًا بحريًا بين السفن وحتى 40 ميلًا بين السفينة والشاطئ، مع احتمال ازدحام وصلة البيانات VHF (VDL) في المناطق ذات الكثافة العالية — وهو سياق تزداد فيه خطورة الانتحال على السلامة الملاحية.

تحولت تطبيقات بيانات AIS اليوم من تجنب الاصطدام والتعريف والتتبع إلى مراقبة طرق الشحن، واتجاهات الحركة، وتحليل المخاطر، والتحقيق في الحوادث، وعمليات البحث والإنقاذ، وتخطيط الممرات المائية، ومحاكاة الحركة والتنبؤ بها، ومراقبة المصايد، ومنع الأنشطة غير القانونية في البحر [1، 8، 16–21]. وتركز هذه الورقة على الانتحال تحديدًا، إذ تؤكد دراسة الحالة قرب إلبا في ديسمبر 2019 أن نظام AIS النمطي يمكن انتحاله بسهولة وتوليد معلومات موقع خاطئة، وتوصي في الختام بتطبيق إطار قوي للأمن السيبراني. وهيكل الورقة كالتالي: يعرض القسم 2 المنهجية، والقسم 3 ثغرات AIS وأمثلة عملية لحوادث انتحال بارزة، والقسم 4 تحقيقًا عمليًا في حدث انتحال، والقسم 5 المناقشة، والقسم 6 الاستنتاجات.

2. المنهجية

أُجريت مراجعة منهجية للأدبيات تلتها طريقة منظمة وشاملة وقابلة للتكرار لجمع البيانات، وفق المبادئ التوجيهية الموثقة [23–25]. تتكون الطريقة من عشر خطوات موزعة على ثلاث مراحل رئيسية. في المرحلة الأولى (التخطيط) حُدد سؤال المراجعة الموجِّه للبحث: «ما آثار انتحال AIS في المجال البحري؟». وفي المرحلة الثانية (المراجعة) حُدد الإطار الزمني للوثائق من قواعد بيانات بحثية مثل Scopus وScience Direct وWeb of Science وGoogle Scholar والمصادر المفتوحة، باستخدام الكلمتين المفتاحيتين «AIS» و«spoofing». وبعد تنقيح الاختيار وتحديد الوثائق ذات الصلة، حُللت ولُخِّصت حسب السياق والمناهج والنتائج. وضمت القائمة النهائية 55 وثيقة محصورة في انتحال AIS (28 مقالة، و18 مقالة محكمة، و9 تقارير من وكالات متخصصة) تغطي الفترة 2019–2020، مع الاستعانة ببعض الدراسات السابقة حول الموضوع.

وفي المرحلة الثالثة (التقرير والنشر) عُرضت نتائج مراجعة الأدبيات، وعُزز الجانب الخاص بانتحال AIS/GPS بتحليل دراسة حالة من كلية الدراسات البحرية والنقل بجامعة ليوبليانا، تتعلق بحدث انتحال محدد قرب جزيرة إلبا أواخر 2019. وكجزء من البحث، حُصل على بيانات AIS أولًا بالتعاون مع الإدارة البحرية السلوفينية المخزنة في برنامج التبادل الإقليمي للبيانات MARES، ثم حُصل على بيانات يوم إضافية من خفر السواحل الإيطالي. واستُخدمت هذه البيانات لتحليل قوة الإشارات المستلمة في المحطة القاعدية بجزيرة إلبا. كما جرى التواصل مع الوكالة الفرنسية المشرفة على نظام AIS والمزودين التجاريين MarineTraffic وVesselFinder. وتبع ذلك تحقيق في عواقب الحدث؛ فوُجدت سبع سفن داخل سحابة الانتحال، وأُرسلت رسالة إلى المسؤولين عن تطبيق مدونة الإدارة الآمنة (ISM) للاستفسار عن العواقب المحتملة على سلامة الشحن. وبعد ذلك أُعيد بث البيانات الأرشيفية باستخدام تطبيق AIS Network Data Client وشُغلت في نظامين مختلفين لإدارة حركة السفن (Navi-Harbor من Wärtsilä وPelagus من Elman). وضُبط سيناريو ملاحي في المنطقة المتأثرة، وعُرضت بيانات الانتحال على تطبيقي ECDIS والرادار عبر محاكي تتبع السفن Navi Trainer Pro. وأخيرًا، وباستخدام منهجية الشبكة الأوروبية لرصد البحار والبيانات (EMODnet) [26]، أُنشئت خريطة كثافة الحركة (TDM) باستخدام بيانات التموضع من مصادر AIS الأرضية والفضائية والبنية البحرية وتطبيق SEG التابع لمنظومة SafeSeaNet.

3. النتائج

يسلط هذا الفصل الضوء على تحديات AIS الفريدة المرتبطة بمشكلات تأمين السفن في البحر. ويعرض نتائج حول ثغرات AIS، وبعض الأمثلة الحديثة لمسارات الانتحال، وتحقيقات عملية في حدث انتحال. ولفهم البحث الحالي من المهم فهم الخلفية: كيف يعمل AIS، وما التزاماته، وما الطرق التي يمكن بها استغلال ثغرات النظام. فطبيعة المجال السيبراني تتغير اليوم، والقطاع البحري يشهد هجمات متطورة ومعقدة لم يكن أحد ليتوقعها قبل سنوات.

3.1 ثغرات نظام AIS

أُجريت حتى اليوم بعض الدراسات حول ثغرات AIS. ناقش بالدوتزي وآخرون [27] التقييم الأمني لنظام AIS وقسموا تهديداته إلى ثلاث فئات كبرى: الانتحال، والاختطاف، وتعطيل التوافر، استنادًا إلى تهديدات برمجية أو تهديدات الترددات الراديوية (RF). وأشار كيسلر إلى أن ثغرة تردد البث VHF في AIS قد تؤدي إلى استيلاء المهاجمين على عرض النطاق ومنع الأجهزة الأخرى من الإرسال، والتأثير سلبًا على عملية التزامن، أو تغيير معلومات حجز الخانات الزمنية [28]. وأكد غودوسيس وكاتسكياس [16] وعزيز وآخرون [9] أن رسائل البث في AIS غير مشفرة وغير موثقة، مما يجعلها عرضة للتلاعب غير المصرح به.

تنبع ثغرات AIS أساسًا من أدائه التقني: فهو نظام مفتوح المصدر يُرسل على قنوات VHF في النطاق البحري المتنقل [1، 3]، والبيانات التي ترسلها أجهزة الإرسال والاستقبال لا تخضع لأي رقابة أو تحقق من سلامتها [16، 29]. ويعتمد تبادل البيانات بين المحطات إلى حد كبير على الإرسال والاستقبال عبر الترددات الراديوية، ومن ثم فهو عرضة للإرسالات الخبيثة ومخاطر التلاعب بالبيانات [1]. وفي قلب خدمة AIS توجد المحطات القاعدية المصممة للاستخدام الحكومي لإدارة وصلة البيانات وتوفير تغطية واسعة لأنظمة حركة السفن (VTS) والمراقبة الساحلية [1]. وهي عرضة لهجوم محتمل إذا أرسل أحدهم إشارات AIS زائفة تُحمّل الخانات الزمنية وتمنع عمل المحطات النظامية أو تعقّده. كما أن أجهزة AIS الخاصة بالبحث والإنقاذ (MOB-AIS وEPIRB-AIS ومحطات AIS SART) ترسل إشارات استغاثة بإحداثيات جغرافية؛ فإذا ولّد المهاجمون إشارات استغاثة زائفة فقد يؤدي ذلك إلى خداع محطات AIS السفينية وخدمات VTS والبحث والإنقاذ. وتُعد المساعدات الملاحية AtoN جزءًا من خدمة AIS يعزز سلامة الملاحة خاصة في الملاحة الساحلية، مع ملاحظة أن ليست كل السفن مجهزة بـ AIS وECDIS [30].

من منظور تشغيلي، تُعرَّف مساعدات AIS الملاحية بأنها مادية وتركيبية وافتراضية [1]. وبناءً على الخصائص التقنية، من الواضح أن المساعدات التركيبية والافتراضية (V-AtoN) أكثر عرضة للانتحال من المادية؛ إذ يمكن انتحال V-AtoN عمدًا بسهولة [31]، وإشارات AtoN المنتحلة قد تضلل الضابط أثناء الملاحة. ويُعد الجمع بين المساعدات الافتراضية والمادية إجراءً فعالًا لتجنب العواقب السلبية لانتحال V-AtoN [32]، ويجب اعتبار احتمال انتحالها الثغرة الرئيسية نظرًا لاعتماد AIS على نظام GNSS المعرض بدوره للانتحال [30، 33]. أما محطات السفن فئة A وفئة B بوصفها المكون الرئيسي لخدمة AIS فقد تعزز الوعي الظرفي وتجنب الاصطدام، لكن ثغرات AIS قد تسفر عن أخطاء وتزييفات مختلفة للرسائل قد تكون ذات أثر كبير على البحارة والسلطات المحلية؛ ففي حال هجوم خبيث قد تظهر صورة بحرية زائفة تضلل الضابط في الملاحة أو مشغل VTS، وتؤثر في عمليات اتخاذ القرار.

وقدم إيفر وآخرون [34] تحليل مخاطر لنظام AIS مدعومًا بمنهجية EBIOS (التعبير عن الاحتياجات وتحديد أهداف الأمن) وتصنيفًا للشذوذ. وتتكون المنهجية من إجراء من خمس وحدات: دراسة السياق، ودراسة الأحداث المروعة، ودراسة سيناريوهات التهديد، ودراسة المخاطر، ودراسة التدابير الأمنية. وبناءً على تحليلات EBIOS، عُرضت سيناريوهات رهبة وتهديدات ومخاطر مختلفة [34، 35]، وحُددت 11 مخاطرة بمستوى غير مقبول مرتبطة باستخدام AIS، تتعلق بالسلامة والتوافر: البيانات الديناميكية، وبيانات AIS، ووظيفة الإرسال والاستقبال، والتموضع والعرض. وتتعامل بعض المخاطر المحددة مع قضايا سلامة البيانات — وهي أحد أبعاد جودة البيانات — ولتقييم جودة بيانات AIS وكشف شذوذها جرى التعرف على أنواع مختلفة من الشذوذ المحتمل في رسائل AIS وعرضها في الجدول 3 من الورقة الأصلية. ولتقييم بيانات AIS وكشف الشذوذ يمكن استخدام خوارزميات ومرشحات مختلفة لتزويد مجتمع المراقبة البحرية بمعلومات عن السلوك غير المعتاد [36]. وللوقاية من نقاط الضعف الأمنية في AIS اقتُرحت حلول منها: AIS المحمي (pAIS) القائم على التشفير بالمفتاح العام لمصادقة المرسلين وسلامة الرسائل [28]؛ وبروتوكول Secure AIS القائم على مفتاح ثنائي لتشفير الإرسال ومصادقته بين محطتين بآلية شهادات [9]؛ ومخطط Auth-AIS القائم على نموذج TESLA الحتمي أو الاحتمالي المقترن بمرشح Bloom [15]؛ وبنية mIBC للتشفير القائم على الهوية دون شهادات [16]. وجميع هذه المقترحات قائمة على التشفير ومتوافقة رجعيًا مع أجهزة AIS القائمة.

3.2 نظرة عامة على حوادث انتحال AIS في السنوات الأخيرة

كانت السنتان الأخيرتان من العقد حافلتين بكثير من النواحي؛ فبينما عطلت جائحة كورونا العمليات حول العالم، استمرت بعض الاتجاهات العالمية دون توقف، ومنها اعتمادنا المتزايد على أنظمة GNSS [38، 39]. وفي السنوات الأخيرة وقعت عدة حوادث معطلة أثارت ضجة في صناعة الشحن، كما يلخص الجدول 4 من الورقة الأصلية: انتحال هوية للصيد غير القانوني في المحيط الجنوبي (2008–2018)؛ وسفينة Ramtin بهوية زائفة قبالة عُمان/ماليزيا (2013)؛ و9883 حادث انتحال مشتبه به في عشرة مواقع عالمية (2016–2019)؛ وحادث البحر الأسود قرب نوفوروسيسك (يونيو 2017) حيث ظهرت السفن قرب مطار غيليندجيك؛ وانتحال سفينة Yuk Tung في بحر الصين الشرقي (2018)؛ وحلقات GPS الغامضة قبالة بوينت رييس بكاليفورنيا (2018–2019)؛ وتشويش شرقي المتوسط والبحر الأحمر (2018–2019)؛ واحتجاز الناقلة البريطانية Stena Impero بعد انتحال مسارها إلى المياه الإيرانية (يوليو 2019)؛ وتلاعب السفينة Fu Xing 12 بهويتها بأربعة أسماء (2019)؛ وإشارات وهمية حلقية في ميناء شنغهاي (2018–2019)؛ وأربع مساعدات ملاحية بصرية وهمية في فلوريدا (2020)؛ وانتحال إلبا المتعمد (3 ديسمبر 2019)؛ وأسطول صيد أبلغ عن موقع يبعد 10,000 كم عن موقعه الحقيقي قرب غالاباغوس (يوليو 2020).

يُستنتج من ذلك أن الغرض الأصلي من انتحال AIS حتى اليوم هو إخفاء الصيد غير القانوني والأنشطة غير القانونية الأخرى في البحر، بما يشمل انتحال السفن واختطاف AIS، مع أمثلة على انتحال المساعدات الملاحية (فلوريدا). وفي السنوات الأخيرة ظهر انتحال GNSS ضمن التطوير الدفاعي في سياق مدني، واستُخدم انتحال AIS عمدًا في الحرب الإلكترونية وإخفاء الأنشطة العسكرية، كما في شرقي المتوسط والبحر الأحمر. وأثار حادث البحر الأسود تكهنات بأنه اختبار لتقنية انتحال الأقمار الصناعية من إحدى القوى الفضائية — ضمن ترسانة الحرب الإلكترونية أو مجرد تدبير مضاد للطائرات المسيّرة لحماية شخصيات مهمة [40]. ومن الأمثلة العملية على التنافس الجيوسياسي والجيواقتصادي احتجاز الناقلة Stena Impero في يوليو 2019 بعد خداعها (انتحالها) لتغيير مسارها إلى المياه الإيرانية، فصارت السفينة وشحنتها وطاقمها بيادق في حرب جيوسياسية [41]. وأوعزت شركات شحن كثيرة عاملة في المنطقة لسفنها بعبور هرمز بسرعة عالية ونهارًا فقط، علمًا أن ثلث نفط العالم المنقول بحرًا — نحو 17 مليون برميل يوميًا — يعبر المضيق [40، 41].

وفي الوقت نفسه ظهر في الصين جهاز إلكتروني غامض جديد ينتحل إشارات AIS بطرق لم يرها الخبراء من قبل: أُبلغ عن حوادث انتحال متعددة في أكثر من 20 منطقة ساحلية وميناء (منها شنغهاي وفوتشو وتشينغداو وتشوانتشو وداليان وتيانجين) استمرت شهورًا. وعلى خلاف الانتحال «التقليدي»، تجمعت إشارات GNSS في دوائر كبيرة سُميت لاحقًا «دوائر المحاصيل»، وتحركت الإشارات إلى الموقع نفسه، مما أربك حركة المرور أمام مرشدي السفن [42]. ولاحظ بيرغمان [43] أن مواقع «دوائر الانتحال» كانت محطات نفطية، وأن توقيت الانتحال وفرض العقوبات الأمريكية على شراء النفط الإيراني وملاحظات دخول النفط الإيراني إلى الصين توحي بأن بعض الانتحال يُستخدم لإخفاء هذه المعاملات. ورُصدت ظواهر الدوران أيضًا في طهران [44]، وفي كل هذه الحالات كان الموقع الحقيقي قريبًا نسبيًا من المواقع الوهمية والدائرية. أما في حالات أخرى رُصدت في 2019، فكانت المواقع الحقيقية للسفن على بعد آلاف الأميال — حرفيًا على الجانب الآخر من الكرة الأرضية — وتُحقق من الموقع الحقيقي التقريبي بفحص مجال رؤية القمر الصناعي الذي استقبل تقارير المواقع. ومع ذلك لا يزال غير واضح ما إذا كانت هذه الأخطاء ناجمة عن AIS السفن أم عن خطأ أو تداخل في مستقبلات GPS الملاحية.

ومثال آخر رُصد في يوليو 2020، حين اتُهم أحد أكبر أساطيل الصيد في العالم بالإبلاغ الخاطئ عن موقعه لإخفاء أنشطة صيد غير قانونية في المنطقة الاقتصادية الخالصة حول جزر غالاباغوس: أبلغت السفن عبر AIS عن موقع يبعد نحو 10,000 كم عن موقعها المرصود، بينما كانت في الواقع قرب غالاباغوس حيث وقع صيد غير قانوني من قبل. وكشف نظام HawkEye360 الفضائي — الذي يوفر منهجية فريدة للوعي البحري عبر الاستخبارات الجغرافية المكانية للترددات الراديوية — حالات كثيرة من السلوك المشبوه، منها أدلة على توقف سفن كثيرة عن الإرسال لثماني ساعات أو أكثر وربما توغلها عميقًا في المنطقة الاقتصادية الخالصة لغالاباغوس [38، 45]. وهذا النوع من «التخفي» عبر AIS ليس سوى واحد من طرق كثيرة يستخدم فيها المجرمون انتحال المواقع في نظام معتمد على GNSS لدعم أنشطتهم [38]. ويبقى السؤال مفتوحًا حول التلاعب بالمساعدات الملاحية في فلوريدا وانتحال نظام AIS المرصود أواخر 2019 قرب جزيرة إلبا — ويُعرض التحقيق في الأخير في القسم التالي.

4. دراسة حالة: انتحال كمّ هائل من أهداف AIS الوهمية قرب جزيرة إلبا وأثره على وصلة البيانات VDL

مع الطلب المتزايد على الاتصالات البحرية عبر بيانات VHF، يُستخدم AIS بكثافة للأمن البحري والوعي الظرفي وأمن الموانئ [46]. ولا يزال تعرض وصلة البيانات (VDL) مشكلة خطيرة متفاقمة في أنحاء كثيرة من العالم بسبب انتشار تطبيقات AIS وأنواع رسائله وخدماته ومعداته، فضلًا عن زيادات غير متوقعة في حركة المستخدمين. وقد تجاوزت العتبة الحرجة البالغة 50% من حمل VDL فعلًا في بعض مناطق العالم ذات الكثافة الملاحية العالية. ولكن عندما يحدث بث متعمد لأهداف افتراضية إضافة إلى حركة AIS العالية، يمكن لمثل هذه الأفعال أن تعرض عمل النظام لمزيد من الخطر. وقد أشارت IALA إلى الحاجة إلى قنوات AIS إضافية لتوفير معلومات السلامة البحرية والاتصالات البيانية العامة وحماية سلامة وصلة البيانات [46].

تُرسل كل سفينة بيانات AIS الخاصة بها وتستقبل بيانات جميع السفن ضمن مداها الراديوي VHF. وفي حالات الكثافة العالية يصبح من الضروري تقليل عدد السفن في خلية الاتصال؛ وعندما تبدأ رسائل AIS بإثقال الشبكة، يمكن لمحطة AIS أن تقلل تلقائيًا حجم خليتها بتجاهل المحطات الأضعف والأبعد لصالح القريبة. وعندما يصل الازدحام إلى حد يهدد إرسال معلومات السلامة، تتوفر طريقتان لحله [47–49]: الأولى أن تعيد المحطة عمدًا استخدام خانات أبعد محطة ضمن فترة اختيار الخانات — فيما يُعرف بمبدأ «روبن هود» [50]؛ والثانية أن تخصص المحطة القاعدية معدل إبلاغ الفئة A لجميع المحطات المتنقلة من غير الفئة A، وتستخدم تخصيص الخانات لإعادة توجيهها إلى خانات FATDMA المحجوزة، بحيث يمكن تحميل نظام البث حتى 500% مع الحفاظ على إنتاجية تقارب 100% للسفن الأقرب من 8–10 أميال في نمط سفينة-لسفينة. وعمليًا فإن سعة النظام شبه غير محدودة لاستيعاب عدد كبير من السفن في آن واحد.

حالة الانتحال الوحيدة المعروفة التي بُث فيها عدد كبير من رسائل AIS الوهمية وقعت في 3 ديسمبر 2019 بدءًا من 13:13 UTC، في المنطقة البحرية بين جزيرة إلبا وكورسيكا. استُقبلت آلاف تدفقات AIS وفُسرت على أنها وحدات بحرية ترفع العلم الهولندي، مولّدة صناعيًا برموز تعريف ومواقع ومسارات وسرعات مختلفة. وشبعّت هذه المعلومات بالكامل منطقة بحرية دائرية بنصف قطر نحو 11 ميلًا بحريًا. وتكرر الهجوم ثلاث مرات: عند 13:13 UTC (لمدة 3 دقائق)، وعند 13:28 (لمدة 4 دقائق)، وبدأت الدفعة الأخيرة عند 13:37 واستمرت ثوانٍ معدودة فقط. وخلال الدفعة الأولى استُقبلت 2389 رسالة كلها من الرسالة رقم 1، وكان أصغر رقم MMSI هو 244800009 وأكبرها 244803507. وفي الدفعة الثانية كان أصغر MMSI هو 244803510 وآخرها 244807010 — ويمكن الافتراض أن جهاز الانتحال أرسل جميع أرقام MMSI المتتالية، أي 3500 في البث الأول ومثلها في الثاني. أما البث الثالث فأُجهض فور بدئه لسبب غير مفهوم. وبلغ المجموع 5241 رسالة AIS أو 3741 MMSI مختلفًا (سفينة). وخلال الإرسال الثاني استُقبل عدد كبير من الرسائل رقم 5 متضمنة تعريف السفن وأبعادها ونوعها: عُرفت جميع السفن بأنها سفن ركاب (نوع AIS رقم 60) بطول 90 م وعرض 24 م، دون معلومات الغاطس والوجهة. وكانت أسماء السفن ونداءاتها عامة، أي VESS0 وCAL متبوعة بآخر ثلاثة أرقام من MMSI (من 000 حتى 999).

تُظهر الأشكال في الورقة الأصلية التوزيع المكاني للرسائل المستلمة (للدفعتين الأولى والثانية)، مبيّنة الأهداف الحقيقية في المنطقة وسحابة الأهداف الصناعية وأهدافًا منتَحلة ذات اهتمام خاص. ففي بداية الانتحال الأول ظهر هدفان مثيران للاهتمام عند حافة السحابة: الأول برقم MMSI غير صالح 999999999 — وهو شائع في AIS وغالبًا ما يرتبط بالسفن الحربية؛ والثاني ناقلة بضائع سائبة مسجلة في بليز (MMSI 312320000) خُردت منذ 2016 (ومن المعروف أن بعض سفن الصيد تتقمص هوية سفن خُردت). وفي بداية الانتحال الثاني ظهرت أيضًا سفن مثيرة للاهتمام عند حافة السحابة: خرجت إحدى السفن الصناعية العامة من السحابة وظهرت قريبة جدًا من سفن الدفعة الأولى، وظهرت إحدى السفن كمحطة ساحلية برقم MMSI غير صالح 4803509 ناتج عن اقتطاع أول رقمين من MMSI الصناعي العام (MID 24480****) — أي أن أحد أهداف AIS، وربما 244803509، حُوّل إلى إشارة محطة قاعدية. ومن بين الدفعات ظهرت أيضًا على الجانب الجنوبي سفينة مسجلة في الولايات المتحدة (MMSI 367309390) وهي وهمية أيضًا. ومن بين الأهداف الصناعية الكثيرة برزت السفينة MMSI 244805000 — وهو رقم سفينة صيد انتُحل عدة مرات في الماضي — وُضعت مباشرة أمام السفينة الحقيقية Crudemed، وكانت ترسل بيانات ثابتة مثل كثيرين في الدفعة الثانية، بسرعة 40 عقدة.

4.1 تحليل حمل وصلة البيانات ومصدر الانتحال

في هذا الجزء تجدر الإشارة أولًا إلى أن هيئة ITCG زودتنا بالبيانات المستلمة من السفن الأخرى (VDM)، والتي تُظهر أن معظم رسائل AIS استُقبلت عبر المحطة القاعدية في مونتي كابانيه بجزيرة إلبا. ويُستدل من قاعدة البيانات أن 20 رسالة فقط مرسلة من السفن الصناعية استُقبلت لدى المحطة القاعدية في كورسيكا. وفي الوقت نفسه حللنا إشارات السفن الحقيقية التي استُقبلت كلها تقريبًا من محطة قاعدية أخرى مثل مونتي أرجنتاريو أو لا كاستيلانا. وأظهرت الرسوم نطاق أرقام MMSI المستخدمة في الانتحال مع عدد مرات تكرار كل MMSI (من 1 إلى 4)، وكذلك أرقام MMSI المفقودة. وتشير البيانات المستلمة إلى تشغيل خوارزمية انتحال بأرقام MMSI متزايدة تلقائيًا، وأن أرقام MMSI المفقودة في مجموعات البيانات المستلمة راجعة على الأرجح إلى تصادمات الإرسال مع السفن القريبة.

يُظهر توزيع الأهداف المنتحلة خلال الدفعة الثانية — عبر تحليل المكونات الرئيسية بمحورين رئيسيين للتوزيع — أن مواقع السفن معروضة بنظام الإحداثيات المستعرض العالمي (UTM)، وأن التوزيع على الأرجح توزيع مكاني قطع مكافئ، بينما سرعات السفن ومساراتها موزعة طبيعيًا. ويُعرض نموذج التوزيع الأرجح في المعادلة (4) من الورقة الأصلية، كما تُظهر المنحنيات الغاوسية للتوزيع على المحور الرئيسي للدفعتين أن المصدرين منزاحان بنحو 5 كم ولهما الانحراف المعياري نفسه (7.7 كم). وأظهرت منهجية EMODnet كثافة شحن تصل إلى 45 سفينة/كم² [26]. وفيما يخص حمل VDL، يشير عدد الخانات ذات مؤشر قوة الإشارة المستلمة (RSSI) فوق مستوى الضجيج إلى أن جهاز الانتحال ولّد حمل VDL بنسبة 100% تقريبًا. وتُظهر الرسالة رقم 4 (تقرير المحطة القاعدية) أن ذاكرة المحطة مشبعة، أي أن المحطة القاعدية في مونتي كابانيه استقبلت أكثر من 2048 تقريرًا لمحطات AIS مختلفة خلال آخر 9 دقائق.

يصعب تحديد موقع مولد AIS لأن الإشارات لم تُرسل بتزامن مع إطار AIS، فلا يمكن الاعتماد على معلومات زمن الوصول (TOA) لحساب المسافة إلى محطة الاستقبال [51]. والمرشح المحتمل الأول هو السفينة المعرفة برقم MMSI 999999999؛ إذ تُظهر المسارات هذا الرقم على مدى عدة أشهر، وتكون السفينة غالبًا داخل القاعدة البحرية الرئيسية في المنطقة وخارجها. ومن المرجح جدًا أن السفينة القادمة من القاعدة البحرية مختلفة عن تلك المستلمة قرب إلبا، والتي قد تكون بدورها هي نفسها المستلمة مجددًا قرب بونيفاتشيو بعد ساعات — مما قد يشير إلى احتمال تقاسم عدة سفن حربية للرقم MMSI الصناعي نفسه، وهو أمر غير غريب على أجهزة AIS الحربية. فأنظمة السفن الحربية قادرة على توليد حدث انتحال كهذا. كما تُشتبه السفينتان برقمي MMSI 312320000 وMMSI 367309390؛ فمن الملحوظ أن خطأ الاهتزاز ومستوى RSSI لهذين الهدفين يطابقان رسائل الانتحال ذات أرقام MMSI الهولندية وكذلك MMSI 999999999 — مما قد يشير إلى سفينة حربية تجري تدريب حرب إلكترونية باستخدام رقمي MMSI. ومع ذلك يمكن لجهازي إرسال يرسلان AIS بالقدرة نفسها أن يُستقبلا بالمستوى RSSI نفسه حتى لو كانا في موقعين مختلفين تمامًا (لكونهما على المسافة نفسها تقريبًا من المحطة المستقبلة). لكن يجدر التنبيه إلى أن السفن الحربية في مثل هذه الأنشطة ترغب على الأرجح في الحفاظ على مستوى منخفض الظهور نظرًا لحساسية هذه الأنشطة. وبالطبع لا يمكن استبعاد احتمال قيام سفن صيد بالانتحال، لكنها عادة تفضل تجنب لفت الانتباه لا جذبه، وتميل إلى أساليب تلاعب أبسط في AIS — وإن كانت تزداد مهارة في التلاعب.

وعند النظر إلى تحليل الإشارة المستلمة، تظهر تغيرات سريعة بين إرسال وآخر، مما قد يشير إلى أن محطتي الإرسال والاستقبال ليستا في خط رؤية مباشر ومن ثم تخضعان لتلاشي الإشارة: فسفينة في البحر تتمايل على الأمواج قد تسهم في ذلك. وهناك انخفاض كبير ومفاجئ في نهاية الدفعة الأولى لا نفهمه تمامًا؛ قد يكون قطاعًا أعمى للمحطة القاعدية أو نوعًا من العوائق. وهناك انخفاض طفيف وثابت في متوسط RSSI من منتصف الدفعة الثانية إلى نهايتها، مما قد يشير إلى زيادة المسافة بين محطتي الإرسال والاستقبال — أي مجددًا إلى متحرك متنقل مصدر للانتحال.

4.2 العواقب المحتملة للانتحال قرب جزيرة إلبا

وُجدت سبع سفن داخل سحابة الانتحال، كما يبين الجدول 5 من الورقة الأصلية (La Suprema، وBlue Star، وEliana Marino، وMega Express Five، وLeale، وCrudemed، وCruise Ausonia). ولتعزيز البحث أُرسلت رسالة إلى المسؤولين عن مدونة ISM لتلك السفن للاستفسار عن العواقب المحتملة على سلامة الشحن. وحتى دون ردهم، تمكنا في دراسة الحالة من ضبط سيناريو ملاحي في المنطقة المتأثرة: بُثت البيانات الأرشيفية باستخدام تطبيق AIS Network Data Client وشُغلت في نظامي VTS مختلفين (Navi-Harbor من Wärtsilä وPelagus من Elman)، وعُرضت بيانات الانتحال على تطبيقي ECDIS والرادار عبر محاكي تتبع السفن Navi Trainer Pro.

في دراسة الحالة اخترنا السفينة «Eliana Marino» داخل المنطقة المغطاة بسحابة الانتحال: زامَنّا الساعة مع بيانات AIS، وباستخدام موقعها ومسارها وسرعتها الحقيقيين تمكنا من محاكاة ما ظهر على شاشة ECDIS قبل دقيقة واحدة فقط من الانتحال — فبدت بيانات الملاحة ملائمة نظرًا لتطابق الخريطة الإلكترونية مع الرادار وبيانات AIS، مما يتيح للضابط وعيًا ظرفيًا مناسبًا. ثم عرضت الدفعة الأولى من الانتحال على ECDIS مع تراكب الرادار وبيانات AIS، فحدث تدهور كبير في الوعي الظرفي وبلغ حمل معالجة إشارات AIS نسبة 95%. ونتيجة لذلك أظهرت صورة الرادار وضعًا خطيرًا للسفينة «Eliana Marino» في مسار اصطدام مع أكثر من اثنتي عشرة سفينة وهمية. وبترشيح عرض أهداف AIS النائمة وقصر السفن على مدى 6 أميال بحرية، صارت الصورة أوضح قليلًا وتخفف العبء عن نظام ECDIS/ARPA مع إمكانية تغيير مرشح CPA وTCPA — لكن من منظور الضباط يبقى الوضع خطرًا ملاحيًا لأن عددًا كبيرًا نسبيًا من الإشارات الزائفة في مسار اصطدام وبأقصر CPA يولّد عددًا كبيرًا من إنذارات الاصطدام، مما قد يؤدي إلى قرارات غير ملائمة. فالضابط المتمرس سيلجأ في هذا الوضع إلى صورة رادار «خام» دون دعم AIS ويعزز المراقبة البصرية الحادة. ولحسن الحظ وقع الحدث نهارًا وفي منطقة ملاحية مواتية؛ فلو وقع ليلًا وفي منطقة كثيفة الحركة وخطرة ملاحيًا لكانت له عواقب وخيمة على سلامة الملاحة. لذلك يجب أن يكون الضباط على وعي بإمكانية انتحال AIS وأثره المحتمل على الوعي الظرفي. كما أظهر اختبار نظامي VTS (Navi-Harbor وPelagus) أنهما مثقلان بوضوح.

5. المناقشة

أظهر بحثنا، إلى جانب العمل السابق لإيفر [35] وعدة دراسات أخرى، أوجه قصور AIS: فهو ضعيف التأمين وعرضة لمشكلات وهجمات مثل المعلومات الخاطئة وفساد البيانات وانتحالها. وقبل دراسة حالتنا لحدث انتحال محدد قرب إلبا في ديسمبر 2019، لم تكن معروفة سوى حالات قليلة في البحر الأسود [38] ومضيق هرمز [40] وميناء شنغهاي [42] ذات أثر ملحوظ على الشحن البحري.

واستخلصنا من حالة إلبا درسًا مفاده أن وضع انتحال يولَّد فيه عدد كبير نسبيًا من الإشارات الزائفة في مسار اصطدام وبأقصر CPA قد تكون له عواقب وخيمة على سلامة الملاحة. ونعتقد أن السبب الجذري لنجاح هجوم انتحال AIS ليس فقط أن أرخص أجهزة التشويش المتاحة عبر الإنترنت قد تسبب انقطاعات كاملة لإشارة المستقبل [52]، بل الافتقار إلى ضوابط أمنية تقنية ملائمة. فقد يغير مستخدم AIS مساره خطأً لتجنب الاصطدام بسفينة غير موجودة، مما قد تكون له عواقب وخيمة على سلامة الملاحة إذا حدث في منطقة شحن كثيفة أو قرب عوائق طبيعية. وفي حالتنا بلغ النظام أيضًا أقصى أدائه، كاشفًا مشكلات تشبع AIS بسبب العدد الكبير من المستخدمين. ومن المفارقات أن هذه المشكلة مرشحة للتفاقم ما دامت IMO [53] تهدف بشكل متزايد إلى تجهيز مزيد من السفن بتقنيات تضمن الاتصال وتحسن السلامة. ومن هذا المنظور يُنظر إلى نظام تبادل بيانات VHF (VDES) بوصفه استخدامًا فعالًا وكفؤًا للطيف الراديوي، يبني على قدرات AIS لتلبية الطلبات المتزايدة على البيانات [54]. وعلى خلاف AIS، فإن VDES أكثر متانة بكثير ويمكن أن يستفيد كثيرًا من آليات المصادقة مثل تقنيات التوقيع الرقمي (المشفر) التي يمكن استخدامها لرفض الرسائل المنتحلة.

وكما لاحظنا، لم تعد أجهزة AIS تواكب التطورات التقنية والتهديدات السيبرانية اليوم. ونعتقد أنه ينبغي على المصنعين تقديم أجهزة توفر الموثوقية والمرونة بعد اجتياز أكثر أساليب النشر المنهجية تطلبًا التي قد يستخدمها المهاجم للوصول — أي اختبار الاختراق [55]. وينبغي أن يجري هذا الاختبارَ مختبِرون مؤهلون بتقنيات مثل محاكاة تقييمات المخاطر المعروفة وسيناريوهات الهجوم وأمن حلول الدخول عن بُعد والهندسة الاجتماعية واختبار المحيطات المادية التي تحمي الحواسيب وأجهزة الشبكات. ويُفضل إجراء اختبار الاختراق على أنظمة الإنتاج مقابل أنظمة اختبار (يجب أن تكون نسخًا قريبة من أنظمة الإنتاج المستهدفة لتعطي نتائج ذات معنى) أو مقابل أنظمة لم تدخل الإنتاج بعد مثل اختبار القبول الإلزامي. وبعبارة أخرى، يجب أن يقيّم المختبرون كيفية استجابة مستقبلات AIS لإشارات الانتحال ويستخدموا هذه المعلومات لتطوير استراتيجية مضادة تزيد المقاومة للتداخل. وينبغي أن توجد مجموعة اختبارات معيارية تتيح لمستخدمي AIS اختيار أفضل المعدات لتطبيقاتهم بناءً على درجة الحماية من التشويش والانتحال. غير أن هذا النوع من الاختبار لا يتحقق إلا عبر تعاون أوثق بين القطاع البحري ومنظمات الأمن الحكومية والصناعة والأوساط الأكاديمية.

وبعبارة أخرى، يمكن الوفاء بالمتطلبات الأمنية بتدابير متينة تأخذ في الحسبان التهديدات المعروفة حاليًا أثناء إنتاج الأجهزة والأنظمة الجديدة. غير أن تاريخ التقنية يوحي بأن المراجعة الرصينة للوضع الراهن تتطلب نظرة خيالية أيضًا: فلا مؤرخ عاقل للأسلحة النووية ينصح أي صاحب مصلحة في تقنية معينة بالرضا في أي وقت بأن تقنيته بلغت نقطة مستقرة ومنيعة ضد الهجوم. إذ يمكن القول إن التقنيات تعيش حيوات خاصة بها. فالمنطق السليم يقتضي حظر الأجهزة النووية من العالم، ومع ذلك تُنتج وتُباع حد الفائض المفرط — وليس الأمر كله مسألة تربح. كما لا يمكننا منع التقنيات من أسر مخيلة بعض أعظم العقول العلمية في دولنا الأكثر ثراءً؛ حتى صارت أنظمة الدفاع الصاروخي تدعو إلى هجمات تمنع أساسًا عملية غير علمية وغير تقنية من إزالة مثل هذه الأسلحة. ومن ثم فإن طبيعة التقنية ذاتها تلتهم العالم الجيوسياسي والاقتصادي الراهن غير المستقر — إن لم يكن الدائم الاضطراب. فبدل حل مشكلة إنسانية بوسائل إنسانية، يُغوى البشر بإدامة مواقعهم المميزة عبر مزايا تقنية لا يستطيع معظمهم تحملها. وهكذا تنشأ مشكلة أخلاقية جدية حول ما قد يسميه البعض إساءة استخدام التقنية (الدول الغنية)، ويسميه آخرون مجرد استخدام انتهازي للتقنيات المتاحة لمواجهة الظالمين على قدم المساواة. وفيما يخص هذا الموضوع تحديدًا، لا يوجد سبب وجيه للاعتقاد بأن عملية تأمين وسائل التجارة ستتراخى يومًا؛ بل كل الأسباب تدعو إلى النظر بواقعية إلى ظروف الجيوسياسة والاقتصاد العالميين، ومن ثم توقع استمرار دورة الأمن فانعدام الأمن فالحاجة إلى التقدم التقني.

6. الاستنتاجات

يمثل AIS أداة قيمة لبناء الوعي الظرفي البحري وتعزيز سلامة الملاحة. وله ثغرات ومزالق عديدة لكونه نظامًا مفتوح المصدر يُرسل على ترددات VHF مخصصة — وهذه السمة هي الميزة والعيب الرئيسي للنظام في آن واحد. فقد أدت بساطة بروتوكول AIS إلى تنوع واسع في التطبيقات اليوم، بينما لا يزال يفتقر إلى قدرات التحقق من سلامة الرسائل ومصادقتها. ومن وجهة نظر الملاحين، من المهم للغاية التحقق من معلومات AIS في الملاحة باستخدام الرادار والمراقبة البصرية. والمشكلة الجوهرية لسلامة الملاحة هي انتحال المساعدات الملاحية AtoN، خاصة الافتراضية منها (V-AtoN)؛ فسلامة رسائل V-AtoN ليست سهلة التحقق. لذلك ينبغي على الملاحين إيلاء اهتمام خاص لهذه المشكلة واستخدام أي مصادر معلومات متاحة للتحقق من رسائل V-AtoN. ومن السهل على الملاحين المتمرسين كشف بعض أنواع انتحال AIS — كالمسارات الشاذة لأهداف AIS أو العدد الكبير من الإشارات المنتحلة — عند مقارنتها بمعلومات من مصادر أخرى. ويجب ألا يعتمد الملاحون أبدًا على مصدر واحد للمعلومات، بل يتحققوا مرتين من البيانات التي يوفرها AIS.

ومن الاعتبارات الجيوسياسية الجدية أنه في عالم اقتصادي غير متكافئ وتنافسي بشراسة، ستلجأ دول معينة — عندما تجد بحق تدخلات بحرية مختلفة غير عادلة — إلى استخدام موارد ضخمة للالتفاف على البروتوكولات الحالية. فالعلماء العاملون على جعل AIS عصيًا على الانتحال يواجهون مثل هذه الدول وحلفاءها الذين لا يجدون حرجًا في انتهاك قواعد وعقوبات يعتبرونها جائرة صراحة وتروج لعدم الإنصاف، ومن ثم يكرسون موارد ضخمة للإفلات من آليات الرقابة. وخلاصة القول إننا أبرزنا أهمية الأمن السيبراني: فانتحال GNSS قضية دفاعية منذ سنوات طويلة وبدأ يؤثر الآن على الشحن. ومع اعتماد مزيد من الأجهزة والأنظمة الذاتية على GNSS، قد تصبح أنظمة أكثر عرضة لهجمات الانتحال. فالصناعة البحرية والشحن ليست بمنأى عن مثل هذه الهجمات السيبرانية، ولا يُتوقع أن يتحسن الوضع قريبًا. ومع بحث المخترقين باستمرار عن طرق جديدة لانتحال ثغرات AIS واستغلالها، ستظهر في المستقبل ثغرات سيبرانية جديدة تُهاجم عبرها الأنظمة ما لم تكن محمية حماية كافية. وقد أظهر تحليلنا أن مولد انتحال AIS سهل الحصول نسبيًا — كالذي وُجد قرب جزيرة إلبا — يمكن أن يؤثر على أمن السفن. وأُشير بوضوح إلى أن ظهور هذا العدد الكبير من السفن على الشاشة مشكلة تقنية في المقام الأول تُسقط سيناريو زائفًا بوضوح؛ وتحت هذا الكم من البيانات قد تُفقد سفينة، مما يجعل استخدام وسائل أخرى للملاحة الآمنة في آن واحد أمرًا جوهريًا. وفي وقت يتعرض فيه كل من AIS وGNSS — الذي يقوم عليه التموضع الدقيق — للانتحال وهجمات الحرمان من الخدمة التي تهدد بجعل المساعدات الملاحية عديمة الجدوى بل وتهديد الملاحة ذاتها، قد يكون من غير الآمن الاعتماد فقط على ECDIS وتراكباته الإضافية.

ونظرًا لأثر التقنيات الرقمية وللحفاظ على الصلاحية للإبحار، يلزم وجود أطر قوية للأمن السيبراني. وصارت تعطيلات التموضع والملاحة القائمة على GNSS ظاهرة عالمية؛ ولمعالجة مشكلة عالمية يحتاج مجتمع GNSS حلًا عالميًا. ويجب أن تكون الصناعة البحرية سباقة، فيحتاج المصنعون إلى ضمان موثوقية أنظمة الاستشعار المتعددة ومرونتها وعملها لأسباب تتعلق بالسلامة والمسؤولية. ولهذا الغرض يُوصى باختبار الاختراق الذي يوظف بمنهجية الطرق التي قد يستخدمها المهاجم للوصول. وينبغي اختبار الأنظمة والحساسات مقابل أنظمة اختبار (يجب أن تكون نسخًا قريبة من أنظمة الإنتاج المستهدفة لتعطي نتائج ذات معنى) أو مقابل أنظمة لم تدخل الإنتاج بعد [55]. فإشارات GNSS جوهرية للملاحة الآمنة والكفؤة وجزء لا يتجزأ من الملاحة البحرية، وتدهور هذه الإشارات يعرض السلامة البحرية للخطر. تحدد هذه الورقة ثغرات AIS المؤثرة على الأمن البحري وتوصي بأن يطبق المجتمع البحري إطارًا قويًا للأمن السيبراني، ويستخدم كوكبات GNSS متعددة وإشارات مشفرة تزيد الحماية من الانتحال والتهديدات السيبرانية البحرية الأخرى. فأنظمة GNSS ليست سهلة الاختراق، لكن يجب الحذر ممن يقولون إن المخاطر مبالغ فيها.

Abstract

This paper takes a close look at the landscape of the Automatic Identification System (AIS) as a major source of information for maritime situational awareness (MSA) and identifies its vulnerabilities and challenges for safe navigation and shipping. As an important subset of cyber threats affecting many maritime systems, the AIS is subject to problems of tampering and reliability; indeed, the messages received may be inadvertently false, jammed, or intentionally spoofed. A systematic literature review was conducted for this article, complemented by a case study of a specific spoofing event near Elba in December 2019, which confirmed that the typical maritime AIS could be easily spoofed and generate erroneous position information. This intentional spoofing has affected navigation in international waters and passage through territorial waters. The maritime industry is neither immune to cyberattacks nor fully prepared for the risks associated with the use of modern digital systems. Maintaining seaworthiness in the face of the impact of digital technologies requires a robust cybersecurity framework.

1. Introduction

Maritime industry stakeholders built the AIS with the goal of improving maritime safety, security, and MSA. The AIS was launched as a joint effort of the International Maritime Organization (IMO), the International Association of Marine Aids to Navigation and Lighthouse Authorities (IALA), the International Telecommunication Union (ITU), and the International Electrotechnical Commission (IEC) [1]. The IMO provides carriage requirements and performance standards. The IALA provides basic technical requirements, while the ITU and the IEC provide the broadcasting and electrotechnical standards of AIS. Although the development and deployment of AIS has contributed significantly to increased navigational safety, it has also resulted in numerous safety and security issues.

Originally, AIS was introduced on certain types of International Convention for Safety of Life at Sea (SOLAS) ships to assist the Officer of the Watch (OOW) in making decisions in the event of a collision. AIS provides the OOW with the most accurate and detailed data on all detected targets. This is very important for the OOW, especially targets that are at risk of or dangerously close to collision [2]. In addition, the data from AIS can be integrated into the Automatic Radar Plotting Aid (ARPA) and chart systems (Electronic Chart Display and Information System (ECDIS) or Electronic Chart Systems (ECS)) [2,3]. This provides the OOW with an additional source of navigation data (e.g., Closest Point of Approach (CPA)) that can help the OOW navigate or mislead him when the AIS station is spoofed. Although the use of AIS on ships has increased the safety of navigation, it is important to emphasize that AIS is not intended to guide navigation but to exchange navigational and other relevant data between ships and shore stations [4].

According to SOLAS regulation V/19.2.4, all ships of 300 gross tonnage (GT) and more engaged in international voyages and cargo ships of 500 GT and more not engaged in international voyages, as well as passenger ships, irrespective of their size, shall be equipped with AIS [5]. Behind these international regulations, the European Union and national authorities have also developed obligations regarding AIS for non-SOLAS ships (i.e., fishing and pleasure boats). To date, various AIS stations have been developed. According to IALA guideline 1082, AIS stations are grouped by class and function into mobile stations (shipborne class A and B, AIS SART, MOB-AIS, EPIRB-AIS, AIS and SAR aircraft) and fixed stations (AIS base stations, repeaters, and aids to navigation (AtoN)) [1]. Satellite-based AIS (S-AIS) has been introduced [7,8], extending AIS coverage from the VHF range up to 400 km [9], with diverse regional and global applications including maritime spatial planning [8,12].

AIS transponders transmit and receive specific information on dedicated VHF frequencies [13] using the self-organized time division multiple access (SOTDMA) protocol at 9600 bits per second with GMSK modulation. The ship transponder encodes the relevant information in the AIS message string to within 256 bits, and messages are fragmented using NMEA-0183 with a maximum sentence size of 82 characters. The protocol relies on a highly accurate time reference from the GNSS signal to which all stations synchronize to avoid overlap [16]. A single AIS channel carries 2250 messages per minute, doubled across two channels (87B at 161.975 MHz, 88B at 162.025 MHz). Typical range is 20 nautical miles (NM) ship-to-ship and up to 40 NM ship-to-shore, with VHF data link (VDL) congestion common in high-density areas — a context in which spoofing can endanger navigational safety.

Today's AIS data applications have shifted from collision avoidance, identification, and tracking to monitoring shipping routes, traffic trends, risk analysis, accident investigation, search and rescue, waterway planning, traffic simulation and forecasting, fisheries monitoring, and prevention of illegal activities at sea [1,8,16–21]. This paper focuses specifically on spoofing: a case study of an event near Elba in December 2019 confirms that typical maritime AIS can be easily spoofed to generate erroneous position information, and concludes by recommending a robust cybersecurity framework. The paper is structured as follows: Section 2 describes the methodology, Section 3 presents AIS vulnerabilities and practical examples of significant spoofing incidents, Section 4 a practical investigation of an AIS spoofing event, Section 5 the discussion, and Section 6 the conclusions.

2. Methodology

A systematic literature review followed by a comprehensive, explicit, reproducible method of data collection was conducted and structured following the documented guidelines [23–25]. This method consists of ten steps divided into three main phases. In the first phase, planning focused on defining a review question to guide the search: "What are the implications of AIS spoofing in the maritime domain?" The second (review) phase identified the appropriate time frame for documents from research databases such as Scopus, Science Direct, Web of Science, Google Scholar and open sources. "AIS" and "spoofing" were identified as search keywords. After refining the selection, documents were analyzed and synthesized by context, methodological approaches, and results. The final list included 55 documents limited to AIS spoofing (28 articles, 18 peer-reviewed journal articles, and 9 reports from specialized agencies) covering 2019–2020, with some earlier studies also considered.

In the third phase (reporting and dissemination), findings from the literature review are reported, corroborated by a case study analysis from the Faculty of Maritime Studies and Transport, University of Ljubljana, of a particular AIS spoofing event near Elba Island in late 2019. As part of the research, AIS data were first obtained through cooperation with the Slovenian Maritime Administration, stored at the MARES regional data exchange program. Additional day data were subsequently obtained from the Italian Coastguard and used to analyze signal strength received at the Elba AIS base station. The French agency maintaining the AIS system and commercial providers MarineTraffic and VesselFinder were also contacted. An investigation into the consequences followed; seven vessels were found to be in the spoofing cloud, and a letter was sent to those in charge of ISM implementation to enquire about possible consequences for shipping safety. Afterward, the archive data were streamed again using the AIS Network Data Client application and played in two different VTS applications, Navi-Harbor (Wärtsilä) and Pelagus (Elman). A navigation scenario was configured in the affected area, and the AIS spoofing data were displayed on ECDIS and RADAR applications via the Navi Trainer Pro ship tracking simulator. Finally, using the EMODnet method [26], a traffic density map (TDM) was created using ship positioning data from terrestrial and S-AIS sources, maritime infrastructure, and the SafeSeaNet Ecosystem Graphical Interface (SEG) application.

3. Results

This chapter highlights the unique AIS challenges associated with problems in securing ships at sea. It presents findings on AIS vulnerabilities, some recent examples of AIS spoofing trajectories, and practical investigations of an AIS spoofing event. To understand the current research, it is important to understand the background, how AIS works, the liabilities, and the methods by which vulnerabilities to the system can be initiated. The nature of the cyber arena is changing today, and the maritime sector is experiencing sophisticated and complex attacks that no one could have predicted years ago.

3.1. AIS Vulnerabilities

To date, some studies have been conducted on AIS vulnerabilities. Balduzzi et al. [27] discussed the security evaluation of AIS and divided the AIS threats into three macro-categories: spoofing, hijacking, and availability disruption, based on software or radio frequency (RF) threats. Kessler pointed out that the vulnerability of the AIS VHF broadcast frequency can lead to bandwidth usurpation by potential attackers who can prevent other devices from transmitting, negatively affect the synchronization process, or change slot reservation/assignment information [28]. Goudosis and Katskias [16], as well as Aziz et al. [9], emphasized that AIS-broadcasted messages are neither encrypted nor authenticated, making them vulnerable to unauthorized manipulations.

The vulnerabilities of the AIS arise mainly from its technical performance. The AIS is an open-source system that transmits on VHF channels in the maritime mobile band [1,3]. The data sent by the transponders are simply not subject to any control or verification of their integrity [16,29]. Data exchange between stations in the AIS service is largely based on transmission and reception at RF, and therefore the AIS service is vulnerable to malicious transmissions and risks of data manipulation [1]. At the center of the AIS service are base stations designed for use by government agencies to manage the VDL and provide wide Vessel Traffic System (VTS) or coastal surveillance coverage [1]. Base stations are vulnerable to possible attack if someone sends false AIS signals that can overload time slots and prevent or complicate the operation of regular AIS stations. AIS SAR devices (MOB-AIS, EPIRB-AIS, and AIS SART stations) transmit distress signals with geographic coordinates; if attackers generate false distress signals, this could deceive shipborne AIS stations, VTS, and SAR services. AtoN is also part of the AIS service that could enhance the safety of navigation, especially in coastal navigation, though not all ships are equipped with AIS and ECDIS [30].

From an operational point of view, AIS AtoNs are identified as physical, synthetic and virtual [1]. Based on the technical characteristics, it is obvious that synthetic and virtual AtoNs (V-AtoN) are more vulnerable to spoofing than physical AtoNs. The V-AtoN can easily be spoofed intentionally [31], and spoofed AtoN signals can mislead the OOW during navigation. Combining virtual and physical AtoNs is considered an effective measure to avoid the negative consequences of V-AtoN spoofing [32]. The possibility of V-AtoN spoofing should be considered the main vulnerability given AIS dependence on GNSS, which is also vulnerable to spoofing [30,33]. Ship-borne Class A and B stations, as the main component of the AIS service, could enhance MSA and collision avoidance, but AIS vulnerabilities can result in different errors and falsifications of messages with significant impact on mariners and local authorities: a malicious attack could produce a false maritime picture misleading the OOW or VTS and affecting navigational decision-making.

Iphar et al. [34] presented a risk analysis of the AIS supported by the EBIOS methodology and an anomaly typology. The EBIOS method consists of a 5-module procedure: context study, study of dread events, study of threat scenarios, study of risks, and study of security measures. Following on from the EBIOS risk analyses, Iphar [34,35] presented different dread and threat scenarios and risks: 11 risks with an intolerable level linked to AIS use were identified, concerning integrity and availability — dynamic data, AIS data, transmission and reception functions, and positioning and visualization functions. Some identified risks deal with data integrity issues, one of the data quality dimensions; different kinds of possible anomalies in AIS messages were recognized (see Table 3 of the original paper). To assess AIS data and detect anomalies, different algorithms and filters can be used to provide the maritime surveillance community with information on unusual behavior [36]. To prevent AIS security weaknesses, several solutions have been proposed: protected AIS (pAIS) using public-key cryptography for sender authentication and message integrity [28]; the secure AIS application protocol based on pairwise keys with a certification mechanism [9]; Auth-AIS using the TESLA-based Deterministic or Probabilistic (with Bloom filter) Security Configuration models [15]; and the maritime certificate-less identity-based public-key cryptography (mIBC) architecture [16]. All these proposals are cryptography-based, backward compatible with existing AIS devices.

3.2. An Overview of AIS Spoofing Incidents in the Last Years

The last two years of the decade have been remarkable in many ways. While the coronavirus pandemic disrupted operations worldwide, some global trends continued unabated — including our increasing reliance on GNSS [38,39]. In recent years, several disruptive incidents caused a stir in the shipping industry (see Table 4 of the original paper): identity fraud for illegal fishing in the Southern Ocean (2008–2018); m/v Ramtin falsely transmitting her identity off Oman/Malaysia (2013); 9,883 suspected spoofing incidents at ten global locations (2016–2019); the Black Sea incident near Novorossiysk (June 2017) placing vessels at Gelendzhik Airport; m/v Yuk Tung spoofing in the East China Sea (2018); mysterious GPS ring patterns off Point Reyes, California (2018–2019); Eastern Mediterranean and Red Sea interference (2018–2019); seizure of the Stena Impero after being spoofed into Iranian waters (July 2019); m/v Fu Xing 12 manipulating its identity with four ship names (2019); fake ring-pattern signals at the Port of Shanghai (2018–2019); four fake visual AtoNs at Ponce De Leon Inlet, Florida (2020); the deliberate Elba spoofing (3 December 2019); and a fishing fleet misreporting its location ~10,000 km from its observed Galápagos position (July 2020).

From these cases it can be concluded that the original purpose of AIS spoofing to this day is to disguise illegal fishing and other illegal activities at sea, including ship spoofing and AIS hijacking, with some examples of AtoN spoofing (Florida). In recent years, GNSS spoofing has appeared as part of defense development in civilian scenarios, and AIS spoofing has been deliberately used for electronic warfare and concealment of military activities, as in the Eastern Mediterranean and the Red Sea. The Black Sea incident led to speculation it could be attributed to satellite spoofing technology tests by one of the space superpower states — as part of their electronic warfare arsenal or simply as an anti-drone measure to protect very important persons [40]. A practical example of geopolitical and geo-economic competition is the July 2019 detention of the British oil tanker Stena Impero, seized by Iranian forces after she was tricked (spoofed) into altering course into Iranian waters, making ship, cargo, and crew pawns in a geopolitical war [41]. Many shipping companies in the region instructed their ships to transit Hormuz only at high speed and during daylight — while one-third of the world's seaborne oil, about 17 million barrels per day, flows through the strait [40,41].

At the same time, a mysterious new electronic device emerged in China that spoofs AIS signals in ways experts have never seen: multiple spoofing incidents across 20+ coastal areas and ports (Shanghai, Fuzhou, Qingdao, Quanzhou, Dalian, Tianjin) ongoing for months. Unlike 'traditional' spoofing, GNSS signals were congregated into large circles, later dubbed "crop circles," with moving signals shifted to the same position, creating a confusing traffic situation for pilots [42]. Bergman [43] observed the "spoofing circles" were at oil terminals, and the timing — US sanctions on Iranian oil purchases — plus observations of Iranian oil entering China suggest some spoofing disguises these transactions. Circulation phenomena were also observed in Tehran [44]; in all these cases the real location was relatively close to the fake circling locations. In other 2019 cases, however, ships' real locations were thousands of miles away — literally on the other side of the globe — with true positions verified via the field of view of the receiving satellite. It remains unclear whether these errors were caused by the ships' AIS or by error/interference with GPS receivers.

Another example was observed in July 2020, when one of the world's top fishing fleets was accused of misreporting its location to conceal illegal fishing in the EEZ around the Galápagos Islands: vessels reported via AIS a location ~10,000 km from their observed position while actually near the Galápagos, where illegal fishing had occurred before. The HawkEye360 satellite system — providing maritime awareness through RF geospatial intelligence — revealed many instances of suspicious behavior, including evidence that many vessels stopped transmitting AIS for eight+ hours and may have penetrated deep into the Galápagos EEZ [38,45]. This type of AIS "cloaking" is just one of many ways criminals use location spoofing of a GNSS-dependent system [38]. The questions of the Florida AtoN manipulation and the late-2019 Elba AIS spoofing remain open; the investigation of the latter is presented in the next section.

4. Case Study on Spoofing Large Amounts of AIS Fake Targets Nearby Elba Island and Its Impact on VDL

With increasing demand for maritime VHF data communications, AIS is heavily used for maritime security, situational awareness and port security [46]. VDL exposure remains an increasingly serious problem worldwide due to proliferation of AIS applications, message types, services, and equipment types, plus unanticipated increases in user traffic. The critical 50% VDL threshold has already been exceeded in some high-shipping areas. However, when intentional emission of virtual targets occurs on top of high AIS traffic, such actions can further jeopardize system operation. IALA has indicated additional AIS channels are needed to provide maritime safety information and general data communications and to protect VDL integrity [46].

Each ship transmits its AIS data and receives AIS data from all ships within VHF range. In high traffic density, it becomes necessary to reduce the number of vessels in a communication cell; when AIS messages begin to overload the network, the AIS station can automatically shrink its cell by ignoring weaker, distant stations in favor of nearby ones. When the data link is congested to the point that safety information transmission is compromised, two methods resolve congestion [47–49]: first, intentional slot reuse from the most distant station(s) within the candidate slot selection interval (the "Robin Hood" principle [50]); second, base-station allocation of Class A reporting rates to non-Class A stations and redirection of slots to reserved FATDMA slots, allowing the broadcast system to be overloaded by up to 500% while still providing close to 100% throughput for ships closer than 8–10 NM in ship-to-ship mode. In practice, system capacity is almost unlimited.

The only known AIS spoofing case with a large number of fake AIS messages occurred on 3 December 2019, starting at 13:13 UTC, between Elba and Corsica. Thousands of AIS streams were received and recognized as Dutch-flagged naval units, artificially generated with different identification codes, positions, routes, and speeds, completely saturating a circular sea area of ~11 NM radius. The attack was repeated three times: 13:13 UTC (3 min), 13:28 (4 min), and a final burst at 13:37 lasting only seconds. During the first burst, 2,389 messages were received, all AIS message No. 1, with MMSI numbers from 244800009 to 244803507. In the second burst, MMSIs ran from 244803510 to 244807010 — presumably the spoofer transmitted all consecutive MMSI numbers, 3,500 in each broadcast. The third broadcast was aborted immediately for unknown reasons. A total of 5,241 AIS messages (3,741 distinct MMSIs/ships) were received. The second transmission also carried many AIS message No. 5 reports with ship identification and dimensions: all ships identified as passenger ships (AIS type 60), 90 m long, 24 m wide, no draft or destination. Vessel names and call signs were generic — VESS0 and CAL plus the last three MMSI digits (000–999).

The original paper's figures show the spatial distribution of received messages (1st and 2nd bursts): real targets, a cloud of artificial targets, and marked spoofed targets of interest. At the very start of the first spoofing, two notable targets appeared at the cloud's edge: one with invalid MMSI 999999999 — common around AIS and often associated with navy vessels — and a Belize-registered bulk carrier (MMSI 312320000) scrapped since 2016 (fishing vessels are known to assume scrapped vessels' identities). At the start of the second spoofing, notable ships again appeared at the cloud's edge: a generic artificial ship emerged from the cloud very close to the first burst's ships, and one ship appeared as a coastal station with invalid MMSI 4803509 — generated by truncating the first two digits of the artificial ship's generic MMSI data (MID 24480****), i.e., probably 244803509 converted into an AIS base-station signal. A fake US-registered vessel (MMSI 367309390) also appeared on the south side. Among the artificial targets, MMSI 244805000 stood out — a fishing vessel number spoofed several times in the past — placed directly in front of the real vessel Crudemed, transmitting static data like many in the second burst, at 40 knots.

4.1. VDL Load and Spoofing Source Analysis

First, ITCG provided received data from other vessels (VDM) showing most AIS messages were received via the Monte Capanne AIS base station on Elba Island; only 20 artificial-ship messages were received by the Corsica base station. Real-ship signals were almost all received from other base stations such as Monte Agentario or La Castellana. The MMSI range used in spoofing along with repetition counts (1–4) per MMSI — and missing MMSIs — indicate a spoofing algorithm running with auto-incrementing MMSI numbers; missing MMSIs are likely due to transmission collisions with nearby vessels.

The distribution of spoofed targets during the second burst — principal component analysis with two principal axes, ship positions in UTM coordinates — appears most likely a parabolic spatial distribution, while ship velocities and courses are normally distributed (model in Equation (4) of the original paper). Gaussian curves along the primary axis for both bursts show sources shifted by ~5 km with the same standard deviation of 7.7 km. The EMODnet method showed shipping density up to 45 ships/km² [26]. Regarding VDL load, the number of slots with RSSI above noise indicates the spoofer generated almost 100% VDL load. AIS message 4 (base-station report) shows the base-station memory saturated — Monte Capanne received more than 2,048 different AIS station reports in the last 9 minutes.

Finding the AIS generator position is difficult because signals were not transmitted synchronously with the AIS frame, so time-of-arrival (TOA) information cannot be relied on for ranging [51]. The first candidate is the vessel with MMSI 999999999; its trajectories over several months show it most frequently in and off the main naval base in the area. It is very likely the naval-base ship differs from the one received near Elba, which may in turn be the same one received again near Bonifacio hours later — suggesting several naval vessels sharing the same artificially generated MMSI, not unusual for warship AIS devices. Warship systems can generate such a spoofing event. MMSI 312320000 and MMSI 367309390 are also suspected: notably, the jitter error and RSSI levels of these two targets match the Dutch-MMSI spoofed messages and MMSI 999999999 — possibly indicating a naval ship conducting an electronic warfare exercise using two MMSIs. However, two transmitters sending AIS at the same power can be received with the same RSSI even from entirely different positions (equidistant from the receiver). Still, warships in such activities likely wish to keep a low profile. Fishing vessels cannot be ruled out, but they usually prefer to avoid attention and use simpler AIS manipulations — though they are becoming increasingly adept.

Received-signal analysis shows rapid changes between transmissions, possibly indicating the transmitting and receiving stations are not in line of sight and subject to signal fading (a ship rolling on waves may contribute). A large abrupt drop at the end of the first burst is not fully understood — possibly a blind sector or obstruction. A slight constant decrease in average RSSI from mid- to end of the second burst could indicate increasing distance between transmitter and receiver — again pointing to a moving spoofer.

4.2. Potential Consequences of Spoofing Near Elba Island

Seven vessels were found in the spoofing cloud (see Table 5 of the original paper: La Suprema, Blue Star, Eliana Marino, Mega Express Five, Leale, Crudemed, Cruise Ausonia). A letter was sent to those in charge of ISM implementation on those vessels to enquire about possible consequences for shipping safety. Even without their response, a navigation scenario was configured in the affected area: archive data were streamed using AIS Network Data Client and played in two VTS applications (Navi-Harbor by Wärtsilä and Pelagus by Elman), with spoofing data displayed on ECDIS and RADAR via the Navi Trainer Pro ship tracking simulator.

For this case study, m/v "Eliana Marino" within the spoofing-cloud area was selected. The clock was synchronized with AIS data, and using her actual position, course and speed, what appeared on her ECDIS screen just a minute before the spoofing was simulated: navigation data were appropriate given matching ENC, radar, and AIS data — allowing proper MSA. The first spoofing burst displayed on ECDIS with radar overlay and AIS data then caused significant MSA degradation, with 95% AIS signal processing load. Consequently, the radar image showed m/v "Eliana Marino" on a collision course with more than a dozen fake vessels. Filtering sleeping AIS targets and limiting ships to a 6 NM range made the picture slightly clearer, relieving the ECDIS/ARPA system, with CPA and TCPA filters adjustable — yet from the OOWs' perspective the situation remains hazardous: many false collision-course signals with very short CPA generate many collision alarms, potentially leading to inadequate decisions. An experienced OOW will use a "raw" radar picture without AIS support and sharpen visual look-out. Luckily the event occurred in daytime in a favorable area; at night in dense, dangerous traffic it could have severe consequences. OOWs must therefore be aware of possible AIS spoofing and its impact on MSA. VTS overload was confirmed on both tested applications (Navi-Harbor and Pelagus).

5. Discussions

Along with Iphar [35] and several other studies, this research has demonstrated AIS shortcomings: weakly secured and vulnerable to erroneous information, data corruption, and data spoofing. Before this Elba December 2019 case study, only a few cases — the Black Sea [38], the Strait of Hormuz [40], and the Port of Shanghai [42] — were known to noticeably impact shipping.

In the Elba case study, the lesson internalized is that a spoofing situation generating many false collision-course signals with very short CPA can severely endanger navigational safety. The root cause of successful AIS spoofing is not only that even the cheapest online jammers can cause complete receiver outages [52], but a lack of appropriate technical security controls. An AIS user may mistakenly alter course to avoid a non-existent ship — severe in dense shipping areas or near natural obstacles. Here the system also reached maximum performance, revealing AIS saturation from high user numbers. Paradoxically, this problem may grow as IMO [53] increasingly equips more ships with communications technology. From this perspective, the VHF Data Exchange System (VDES) is seen as effective, efficient spectrum use building on AIS capabilities [54]. Unlike AIS, VDES is far more robust and could benefit from authentication mechanisms such as digital (encrypted) signatures to discard spoofed messages.

As noted, AIS devices no longer follow today's technological developments and cyber threats. Manufacturers should offer devices providing reliability and resilience validated by the most demanding systematic deployment methods an attacker would use — penetration testing [55], performed by qualified testers using techniques such as simulated risk assessments, attack scenarios, remote login solution security, social engineering, and testing of physical perimeters protecting computer and network devices. Testing should preferably target production systems against close-duplicate test systems, or pre-production systems such as mandated acceptance testing. Testers must assess how AIS receivers respond to spoof signals and use this to develop counterstrategies increasing interference resistance. A set of standard tests should let AIS users select the best equipment for their application based on protection against jamming and spoofing — achievable only through closer collaboration between the maritime sector, government security organizations, industry, and academia.

In other words, security requirements can be met with robust measures accounting for currently known threats during production of new devices and systems. Yet the history of technology suggests a sober review also requires imagination: no sane historian of nuclear weaponry would advise any technology stakeholder that their technology has reached a stable, attack-proof point. Techniques live lives of their own. Common sense dictates banning nuclear devices, yet they are produced and sold to super-redundancy — not all a matter of profiteering, since techniques also capture the imagination of great scientific minds, with missile defense systems inviting attacks that prevent non-scientific processes from eliminating such weapons. Hence technique devours the unstable geopolitical and economic world. Rather than resolving human problems through human means, humans perpetuate advantageous positions through technological advantages most cannot afford — raising serious ethical questions about what some call technology abuse (wealthy nations) and others mere opportunistic use of available techniques to meet oppressors on equal footing. On this topic, there is little reason to believe securing trade will ever relax; realistically, expect the cycle of security, insecurity, and demand for technical advances to continue.

6. Conclusions

AIS represents a valuable tool for building MSA and enhancing navigational safety. It has numerous vulnerabilities and pitfalls as an open-source system transmitting on dedicated VHF frequencies — simultaneously the system's main advantage and disadvantage. The simplicity of the AIS protocol has led to today's wide variety of applications, while AIS still lacks message integrity verification and authentication capabilities. From the navigators' point of view, verifying AIS information using radar and visual look-out is of great importance. The essential navigational safety problem is AtoN spoofing, especially V-AtoNs, whose message integrity is not easy to verify — navigators should pay special attention and use all available sources to verify V-AtoN messages. Experienced navigators can easily detect some AIS spoofing types, such as abnormal target trajectories or large numbers of spoofed signals, by comparing with other sources. Navigators should never rely on a single information source and should double-check AIS-provided data.

A serious geopolitical consideration is that in an unequal, fiercely competitive economic world, certain nations — when justifiably finding various maritime interference unfair — will use vast resources to bypass current protocols. Scientists working to make AIS spoof-free face such countries and allies, who feel no compunction about violating rules and sanctions they consider blatantly unjust and inequitable, devoting vast resources to evading control mechanisms. In summary, the importance of cybersecurity has been highlighted: GNSS spoofing has been a defense issue for years and is now affecting shipping. As more devices and autonomous systems rely on GNSS, even more systems could be vulnerable to spoofing. The maritime industry and shipping are not immune to such cyberattacks, nor is the situation expected to improve soon. With hackers constantly seeking new ways to spoof and exploit AIS vulnerabilities, new cybersecurity openings will emerge unless systems are adequately protected. This analysis showed that even a relatively easy-to-obtain AIS spoofing generator, such as that near Elba Island, can impact ship security: the mass of ships on screen is primarily a technical problem projecting a clearly false scenario, under which a real ship can be missed — making simultaneous use of other safe-navigation means essential. When both AIS and GNSS, on which precise positioning is based, are subject to spoofing and denial-of-service attacks threatening to render AtoN useless or even endanger navigation, relying solely on ECDIS and its overlays may be unsafe.

Given the impact of digital technologies and to maintain seaworthiness, robust cybersecurity frameworks are needed. Disruptions to GNSS-based positioning and navigation have become global; to address a global problem, the GNSS community needs a global solution. The maritime industry must stay ahead: manufacturers need to ensure reliability, resilience, and functioning of multi-sensor systems for safety and liability reasons. Penetration testing systematically employing attacker methods is recommended, testing systems and sensors against close-duplicate test systems or pre-production systems [55]. GNSS signals are essential for safe, efficient navigation and integral to maritime navigation; their degradation jeopardizes maritime safety. This paper identifies AIS vulnerabilities impacting maritime security and recommends the maritime community implement a robust cybersecurity framework, use multiple GNSS constellations and encrypted signals increasing protection against spoofing and other maritime cyber threats. GNSS is not easily vulnerable — but beware those who say the risks are overstated.

References

  1. [1] IALA, Guideline 1082 — An Overview of AIS, Ed. 2.0.
  2. [2] A. Weintrit, The Electronic Chart Display and Information System (ECDIS): An Operational Handbook, CRC Press, 2009.
  3. [3] A. Bole et al., Radar and ARPA Manual, 2nd ed., Elsevier, 2005.
  4. [5] IMO, The International Convention for Safety of Life at Sea (SOLAS), Consolidated ed. 2020.
  5. [9] A. Aziz et al., "SecureAIS — Securing Pairwise Vessels Communications," Proc. IEEE CNS, 2020.
  6. [15] S. Sciancalepore et al., "Auth-AIS: Secure, Flexible, and Backward-Compatible Authentication of Vessels AIS Broadcasts," IEEE Trans. Dependable Secur. Comput., 2021.
  7. [16] A. Goudossis and S. Katsikas, "Towards a secure automatic identification system (AIS)," J. Mar. Sci. Technol., vol. 24, 2019.
  8. [23] D. Tranfield et al., "Towards a Methodology for Developing Evidence-Informed Management Knowledge by Means of Systematic Review," Br. J. Manag., 2003.
  9. [26] EMODnet, Traffic Density Mapping Service — Methodology, EMSA Ref. Ares(2019)4005069.
  10. [27] M. Balduzzi et al., "A Security Evaluation of AIS," Trend Micro Research Paper, 2018.
  11. [28] G. C. Kessler, "Protected AIS: A Demonstration of Capability Scheme to Provide Authentication and Message Integrity," TransNav, 2020.
  12. [34] C. Iphar et al., "Risk Analysis of falsified AIS for the improvement of maritime traffic safety," Proc. ESREL, 2016.
  13. [35] C. Iphar et al., "An expert-based method for the risk assessment of anomalous maritime transportation data," Appl. Ocean Res., 2020.
  14. [38] G. Buesnel, "Thousands of GNSS Jamming and Spoofing Incidents Reported in 2020," LinkedIn, 2021.
  15. [40] A. Androjna et al., "Assessing Cyber Challenges of Maritime Navigation," J. Mar. Sci. Eng., vol. 8, 776, 2020.
  16. [46] ITU-R M.2287-0, Automatic Identification System VHF Data Link Loading, 2014.
  17. [48] ITU-R M.1371-5, Technical Characteristics for AIS Using TDMA in the VHF Maritime Mobile Band, 2014.
  18. [55] DNV GL, DNVGL-RP-0496 Cyber Security Resilience Management for Ships and Mobile Offshore Units in Operation, 2016.
  19. ... [full reference list available in original paper — 55 references]