Systematic Cyber Threat Modeling for Maritime Operations: Attack Trees for Shipboard Systems

نمذجة منهجية للتهديدات السيبرانية في العمليات البحرية: أشجار الهجوم لأنظمة السفن

👤 Omer F. Keskin, Karl Lubja, Hayretdin Bahsi, Unal Tatar 📄 JMSE, 2025 · Vol. 13, 645 🔗 10.3390/jmse13040645 ✓ CC BY 4.0

الملخص

أدى الاعتماد المتزايد على الأنظمة الرقمية والآلية في الصناعة البحرية إلى مخاطر كبيرة على الأمن السيبراني لعمليات السفن. ورغم أن الأبحاث السابقة تناولت إدارة المخاطر السيبرانية، فإن النمذجة المنهجية لسيناريوهات الهجوم ما تزال محدودة. تعالج هذه الدراسة هذه الفجوة باستخدام أشجار الهجوم لتحليل مسارات الهجمات السيبرانية المحتملة ضد السفن الحديثة بشكل منهجي. واستنادًا إلى الأدبيات والمقابلات مع 10 خبراء، يحدد هذا البحث الثغرات الرئيسية في أنظمة الملاحة والتشغيل والاتصالات. تحدد الدراسة 20 سيناريو هجوم ضمن ثلاثة أهداف رئيسية: تحطيم السفينة وقلبها وشلّ حركتها. ويؤكد تحقق الخبراء الجدوى الواقعية لهذه التهديدات، إذ اعتُبرت سيناريوهات التحطيم والشلّ الأكثر ترجيحًا، بينما اعتُبر القلب مستبعدًا بفضل متانة تصاميم السفن. وتبرز النتائج أهمية تعزيز أمن الشبكات وتطبيق تدابير التكرار وتحسين تدريب الأطقم للتخفيف من المخاطر السيبرانية. يقدم هذا البحث إطارًا منهجيًا لنمذجة التهديدات يدعم تقييم المخاطر الفعال وتطوير استراتيجيات الأمن السيبراني، مسهمًا إسهامًا قيّمًا في تقدم ممارسات الأمن السيبراني البحري.

أولًا. المقدمة

يؤدي قطاع النقل البحري دورًا حيويًا في الاقتصاد العالمي، إذ ييسّر أكثر من 80% من التجارة العالمية وفق تقديرات الأمم المتحدة [1]. ويشمل هذا القطاع السفن والموانئ وشركات التشغيل وجميع البنى التحتية اللازمة لنقل البضائع والركاب عبر الممرات المائية. ونظرًا لأهميته الحرجة، يمكن أن تؤدي الاضطرابات إلى خسائر مالية كبيرة وتداعيات اجتماعية. فالهجوم السيبراني على شركة Maersk عام 2017، على سبيل المثال، تسبب في أضرار بلغت نحو 300 مليون دولار أمريكي [2]، مما يوضح العواقب بعيدة المدى للحوادث السيبرانية. وإلى جانب الآثار المالية، يمكن أن تترتب على اضطرابات العمليات البحرية عواقب إنسانية وخيمة، لا سيما في المناطق التي تشكل فيها السفن وسيلة الاتصال الرئيسية.

ورغم التكامل المتزايد بين تقنية المعلومات (IT) والتقنية التشغيلية (OT) في القطاع البحري، فإن تبني الأمن السيبراني ما يزال متأخرًا مقارنة بالصناعات الأخرى. فكما يشير Erbas وآخرون [3]، يؤدي ترابط الأنظمة الفرعية للسفن وأتمتتها إلى تهديدات سيبرانية جديدة تستلزم أطرًا أقوى للأمن السيبراني. ويؤكد Onishchenko وآخرون [4] أن معظم السفن الحديثة تفتقر إلى مختصين مكرسين للأمن السيبراني وآليات منظمة للاستجابة للحوادث وبروتوكولات تشفير قوية، مما يجعلها شديدة التعرض للهجمات السيبرانية المتطورة. كما أن العمر التشغيلي للسفن، الذي يمتد عادة من 25 إلى 30 عامًا، يبطئ بطبيعته تطبيق التطورات التقنية الجديدة وممارسات الأمن [5]. وقد اعتمدت المنظمة البحرية الدولية (IMO) قرارًا يلزم بإدماج المخاطر السيبرانية في أنظمة إدارة السلامة بحلول عام 2021 [6]، وأصدرت الجمعية الدولية لهيئات التصنيف (IACS) متطلبات للمرونة السيبرانية للسفن والأنظمة والمعدات الموجودة على متنها، ودخلت حيز النفاذ للسفن الجديدة في 1 يناير 2024 [7-9].

وخلافًا لأنظمة تقنية المعلومات التي تركز على معالجة البيانات والاتصالات والوظائف الإدارية، تتحكم أنظمة التقنية التشغيلية (OT) في العمليات الفيزيائية الأساسية لعمليات السفن وتراقبها، بما في ذلك الملاحة والدفع وإدارة الطاقة. وقد حسّن تكامل تقنية المعلومات مع التقنية التشغيلية الكفاءة، لكنه أدخل أيضًا ثغرات سيبرانية جديدة، إذ تفتقر أنظمة التقنية التشغيلية، المصممة أصلًا للموثوقية والسلامة، إلى آليات الأمن القوية الموجودة في شبكات تقنية المعلومات الحديثة. كما يفاقم غياب المنهجيات المنهجية لتحديد التهديدات السيبرانية البحرية ونمذجتها والتحقق منها هذا التحدي. وللتخفيف من هذه المخاطر، يلزم اتباع نهج منظمة لنمذجة التهديدات تأخذ في الحسبان سيناريوهات الهجوم الواقعية وعواقبها المحتملة. وتهدف هذه الدراسة إلى الإجابة عن سؤال البحث التالي: ما سيناريوهات الهجوم الممكنة ضد السفينة؟

لاستكشاف التهديدات السيبرانية البحرية بشكل منهجي، تستخدم هذه الدراسة أشجار الهجوم، وهي منهجية منظمة لنمذجة التهديدات تُستخدم على نطاق واسع في تحليل الأمن السيبراني. وشجرة الهجوم مخطط هرمي يمثل سيناريوهات الهجوم السيبراني المحتملة بشكل منهجي، بحيث يكون الهدف الرئيسي في الجذر وتتفرع منه مسارات الهجوم المختلفة لتوضيح الطرق التي يمكن للمهاجم من خلالها تحقيق هدفه [22, 26]. وتعتمد هذه الدراسة على مراجعة شاملة للأدبيات لاستخلاص سيناريوهات الهجوم السيبراني في العمليات البحرية وتحليلها، ثم تجمع بين نتائج الخبراء لبناء أشجار هجوم تمثل تهديدات سيبرانية واقعية. وشارك في المقابلات المنظمة ما مجموعه 10 خبراء قدموا رؤى متنوعة حول جدوى الهجوم وثغرات الأنظمة والتحديات التشغيلية الواقعية. ويُنظم ما تبقى من هذه الورقة على النحو التالي: يعرض القسم الثاني الخلفية حول الأنظمة البحرية والأدبيات ذات الصلة، ويعرض القسم الثالث المنهجية، ويعرض القسم الرابع أشجار الهجوم المُولّدة، ويتحقق القسم الخامس من هذه السيناريوهات بآراء الخبراء، ويختتم القسم السادس الورقة.

ثانيًا. الخلفية: الأعمال السابقة وأنظمة السفن

حظيت إدارة المخاطر السيبرانية في المجال البحري باهتمام متزايد، ومع ذلك لم يستخدم أي عمل أشجار الهجوم لتمثيل مسارات الهجوم على السفن بشكل منهجي. فقد أجرى Awan وAl Ghamdi [10] مراجعة مبكرة لـ 59 حادثة تاريخية شملت التقنية التشغيلية للسفن، ولا سيما نظام الجسر المتكامل. وبالمثل، قدّم Tam وJones [11] إطار تقييم المخاطر السيبرانية البحرية (MaCRA) المصمم للمخاطر التشغيلية في الأنظمة البحرية المتقدمة. وقد أسهمت هذه الأعمال بمعرفة تأسيسية لكنها محدودة النطاق، إذ لا تنمذج سيناريوهات الهجوم بشكل منهجي ولا تتحقق منها مع خبراء الصناعة.

واستكشفت دراسات أحدث منهجيات إدارة المخاطر السيبرانية: فقارن Sahay وآخرون [12] بين STPA-Sec وSTRIDE وCORAS مطبقة على أنظمة CyberShip؛ واقترح Tatar وآخرون [13] منهجية CRAMMTS لتحليل المخاطر بالاستناد إلى المسوح؛ وأجرى Soner وآخرون [14] تحليل حساسية مخاطر نظام AIS، وهو من أكثر أنظمة السفن عرضة للخطر [15]؛ وقدم Tatar وGheorghe [16] منظورًا قائمًا على المخاطر؛ واستخدمت Dimakopoulou وRantos [17] إطار NIST للأمن السيبراني لمراجعة الثغرات البحرية. وتناولت المراجعات المنهجية إدراك المخاطر السيبرانية [18]، وآثار الهجمات على سلاسل التوريد مثل هجمات الحرمان من الخدمة والبرمجيات الخبيثة [19]، والتحديات الرئيسية والاتجاهات المستقبلية [20]، وأنظمة السفن وثغراتها [21]. وأضافت دراسات نمذجة التهديدات لأنظمة التحكم الصناعية [22, 23]، والعوامل البشرية لدى ضباط السطح [24]، والأطر القانونية [25] منظورات إضافية. وما يزال النهج المنهجي الذي يستخدم أشجار الهجوم لرسم مسارات الهجوم المحتملة والتحقق منها بمدخلات الخبراء غائبًا في الأدبيات.

تحدد مخططات الهجوم (attack graphs) مسارات الهجوم داخل النظام المستهدف [26]، لكنها تقتصر على الثغرات المحددة مسبقًا أو نقاط ضعف الوصول الشبكي، وتتطلب معلومات تفصيلية خاصة بالهدف مثل ثغرات أنظمة التشغيل والبروتوكولات، ويصعب تعميمها على أنظمة أخرى. أما منهجية STRIDE التي طورتها Microsoft [27] فتبدأ بمخطط تدفق البيانات (DFD) وتستخلص التهديدات لكل مكون، لكنها تفتقر إلى ترميز لخطوات الهجوم التفصيلية والبيانات التشغيلية ولا تحدد الاعتماديات بين التهديدات. في المقابل، توفر أشجار الهجوم عقدًا حرة الصياغة تدمج المعلومات التشغيلية التفصيلية [22]، وتتيح تتبع الاعتماديات من أي ورقة إلى الجذر، وتتوافق مع أطر مثل MITRE ATT&CK لأنظمة التحكم الصناعية.

تُعد أنظمة الملاحة حاسمة لتحديد المسار الآمن وتدمج عدة تقنيات مترابطة. ويعمل نظام ECDIS أداة الملاحة الرئيسية، وقد ألزمته المنظمة البحرية الدولية للسفن الكبيرة منذ عام 2009، مدمجًا مدخلات من AIS [29] وGPS [29] والرادار [29] والجيروسكوبات [30] ومحطات الطقس [31]. غير أن تحديث الخرائط عبر ذواكر USB يعرض ECDIS للبرمجيات الخبيثة [32]، وأظهرت الأبحاث أن أنظمة ECDIS القائمة على IEC61162-450 عرضة لهجمات الإعادة والحقن والتعديل [33]. ويُعد AIS أساسيًا لتفادي التصادم لكنه عرضة للانتحال والتلاعب بالبيانات [34]، بينما أنظمة GPS عرضة للتشويش والانتحال مما قد يعطل الملاحة [35].

تشكل أنظمة التقنية التشغيلية العمود الفقري للعمليات الفيزيائية: إذ يشرف نظام إدارة الطاقة (PMS) على التوليد والتوزيع، حيث يمكن للهجمات السيبرانية أن تسبب انقطاع التيار أو فقدان الدفع [20]؛ وتتلقى الدافعات وأنظمة التوجيه مدخلات عجلة القيادة، ويمكن لثغرات وحدة التحكم الإلكترونية (ECU) أن تقوض التحكم بالسفينة [36]؛ ويوحّد نظام الأتمتة المتكامل (IAS) مدخلات المستشعرات ويدير الإنذارات [37]؛ وتعتمد أنظمة الطيار الآلي على مدخلات ECDIS وGPS ويمكن التلاعب بها عبر تقنيات MITRE ATT&CK [38]؛ ويسجل مسجل بيانات الرحلة (VDR) الأوامر ومدخلات المستشعرات. وتوجد أنظمة تقنية تشغيلية أخرى كثيرة، تشمل إخماد الحرائق وإدارة مياه الصابورة وأنظمة التموضع الديناميكي، وتؤدي أدوارًا أساسية في السلامة البحرية والكفاءة التشغيلية [28]. وتستخدم شبكات السفن شبكات منفصلة للتقنية التشغيلية والضيوف والمكاتب مع شبكات VLAN وجدران نارية وفق إرشادات BIMCO، رغم تفاوت التطبيق (Int3، Int4). ويمكن للبنية التحتية للاتصالات مثل VSAT وVHF والوصلات الساتلية أن تعرض شبكة التقنية التشغيلية، مما يستدعي دفاعات متعددة الطبقات [39]، وتشفير اتصالات السفينة بالشاطئ [40]، ونماذج تهديد شاملة [20, 41].

ثالثًا. المنهجية

تعتمد هذه الدراسة منهجية متعددة المراحل: جمع البيانات بدمج مراجعة شاملة للأدبيات ومقابلات خبراء غير منظمة، ثم تجميع السيناريوهات في أشجار هجوم، والتحقق من الأشجار المُولّدة عبر مقابلات منظمة مع خبراء الصناعة. وقد وحّدت مراجعة الأدبيات المعرفة حول الأمن السيبراني البحري والثغرات وسيناريوهات الهجوم الموثقة باستخدام مجموعات كلمات مفتاحية (مصطلحات سيبرانية عامة، ومصطلحات الهجوم، ومصطلحات بحرية خاصة مثل ECDIS وGPS وAIS وVDR وGMDSS) مطبقة في Web of Science.

أُدرجت الأوراق التي تناولت الثغرات والاستغلالات والهجمات والسلوك البشري أو الأمثلة العملية للأمن السيبراني البحري، واستُبعدت الأوراق غير المرتبطة بالنقل البحري أو التي ركزت حصرًا على السفن ذاتية القيادة أو الأطر والتشريعات أو غير المتاحة بالإنجليزية. وبعد الفرز، حُددت 58 مقالة بوصفها الأكثر صلة وحُللت لاستخلاص الموضوعات المتكررة بما فيها نواقل الهجوم وبنى الشبكات والثغرات وممارسات إدارة المخاطر، مما وفر خط أساس وكشف فجوات الأدبيات التي وجهت مرحلة المقابلات.

ولتكملة الأدبيات، أُجريت 13 مقابلة مع 10 خبراء مختلفين شملوا مختصي الأمن السيبراني وتقنية المعلومات، والمشغلين البحريين والقباطنة، والاستشاريين الفنيين والباحثين، ومرشدي الموانئ والمستشارين التنظيميين. وأُجريت المقابلات على مرحلتين: خمس مقابلات غير منظمة جمعت معلومات أساسية حول العمليات والمخاطر والاعتماديات التقنية، وثماني مقابلات منظمة للتحقق من سيناريوهات الهجوم المطورة من حيث الجدوى والعواقب والتخفيفات. وجميع الردود مجهولة المصدر بالرموز Int1 وInt2 وهكذا. وتُعد مقابلات الخبراء منهج تحقق صارمًا عندما يتعذر الاختبار المباشر [42, 43]، وترد الأسئلة المنظمة في الملحق A.

تُفكك أشجار الهجوم الأهداف هرميًا إلى أهداف فرعية وإجراءات: فالعقدة الجذرية هي هدف المهاجم، وعقد OR (الخضراء) تعني أن أي فرع يكفي، وعقد AND (البرتقالية) تتطلب جميع الفروع، والمستطيلات الورقية هي خطوات الهجوم الأساسية. وأشجار هذه الدراسة نمطية (modular) بعقد فرعية مشتركة تُعاد استخدامها عبر الأهداف، مع تصنيف المخاطر السيبرانية حسب نواقل الهجوم والأنظمة المتأثرة والإخفاقات المتتالية [44]. ويساعد بناؤها البصري على التواصل حتى مع الجمهور غير الفني، ويتيح توافقها مع أطر مثل MITRE ATT&CK لأنظمة التحكم الصناعية تغذية الأعمال المستقبلية بنتائجها. وقد رُفضت مخططات الهجوم لافتقارها إلى التوحيد القياسي [26] وضعف تكيفها مع التهديدات البحرية الديناميكية.

رابعًا. النتائج: المكونات المشتركة لأشجار الهجوم

تشترك الأهداف الثلاثة عالية المستوى — تحطيم السفينة وقلبها وشلّ حركتها — في مكونات متكررة نُمذجت مرة واحدة كأشجار فرعية مستقلة: اختراق الشبكة، والسيطرة على ECDIS، وفقدان الرؤية التشغيلية، والإفلات من الكشف. ويتجنب هذا التنميط التكرار ويبسط التفسير ويتيح انتشار التحسينات من موضع واحد. وحُدد ما مجموعه 20 سيناريو عالي المستوى: 9 للتحطيم و7 للشلّ و4 للقلب، مع عدد أكبر بكثير من مسارات الهجوم الفعلية بفضل العناصر المشتركة. واستُبعدت الأنظمة المساعدة مثل ترفيه سفن الرحلات، وافتُرضت نقاط الفشل المفردة حيث قد تُنفذ التكرارات بشكل غير سليم (Int1) [30].

يتم اختراق شبكة السفينة عبر نهجين. أولًا، إرفاق جهاز خبيث: الاقتحام المادي (التسلل إلى السفينة، والاندماج بين الركاب في سفن الركاب، والتنكر بزي الصيانة)، وتهديدات الداخل (رشوة الطاقم أو المرشدين أو عمال الصيانة)، والهندسة الاجتماعية (انتحال صفة الصيانة باستخدام معرفة الجداول من التصيد أو وسائل التواصل)، واختراق الأجهزة الوسيطة مثل حواسيب الصيانة أو ذواكر USB المستخدمة لتحديثات ECDIS — وهو ناقل أكدته حوادث واقعية حيث أخّر جهاز عامل صيانة مصاب إطلاق سفينة من الحوض الجاف [30, 45]. وثانيًا، استغلال الواجهات الخارجية: الإعدادات الافتراضية لـ VSAT القابلة للمطابقة مع بيانات AIS [46]، وأنظمة التشغيل القديمة مثل إصدارات Windows غير المدعومة [30, 46-50]. وبمجرد الدخول، يمكن للمهاجمين التلاعب ببيانات مثل إحداثيات GPS أو نشر البرمجيات الخبيثة في الأنظمة الحرجة.

تتم السيطرة على ECDIS بإرفاق جهاز خبيث مباشرة (مثل ذاكرة USB ترفع خرائط فاسدة) أو باختراق سلسلة توريد التحديثات [51]: عبر خدمات الخرائط القائمة على الإنترنت (خطر قائم حيث توجد برمجيات قديمة أو اتصالات غير آمنة) أو عبر الوسائط القابلة للإزالة المصابة قبل توصيلها. ويمكن للبرمجيات الخبيثة المضمنة في ملفات الخرائط تشويه الجغرافيا أو تعطيل ECDIS كليًا، وتشمل الضوابط السليمة الفحص المسبق للأجهزة الخارجية وتقييد USB والتحقق التشفيري من التحديثات [52]. ويمكن لسلسلة توريد مخترقة واحدة أن تؤثر على سفن متعددة، مما يضخم العواقب.

يتحقق فقدان الرؤية التشغيلية بتعديل بيانات المستشعرات (GPS والرادار وأجهزة قياس الأعماق ومستشعرات الدفع)، بما في ذلك عند محول البيانات TPU (Int5)؛ فالرادارات البحرية عرضة لهجمات شبكية تحقن أصداء كاذبة [53, 57]، وخطف الرادار يغير المحيط المُدرك [54]. وقد يخلق المهاجمون أيضًا إلهاءات بإدخال تناقضات تدريجية لتقويض ثقة الطاقم [55, 56]؛ أو يعطلون ECDIS عبر برمجيات فدية تشفر الملفات الأساسية [58]، أو إخفاء المستشعرات بتعديل الإعدادات، أو هجمات الحرمان من الخدمة بالإثقال [55] — علمًا بأن ECDIS يعمل عادة على أنظمة تشغيل قديمة [46, 47, 49, 59]؛ أو إخفاء المستشعرات بإفساد خرائط الإعدادات؛ أو توقيت الهجمات مع طقس سيئ عند تعذر التحقق البصري.

يركز الإفلات من الكشف على مسجل بيانات الرحلة (VDR)، وهو نظام التسجيل في السفينة الذي يسجل أوامر الملاحة والتغييرات والإنذارات والاتصالات. ويمنع المهاجمون الأنظمة المخترقة من إرسال السجلات إلى VDR أو يفسدون VDR نفسه — وهو أمر ممكن تاريخيًا، كما حدث عندما أفسدت برمجية خبيثة على USB بيانات VDR بالكامل [60]. كما تنطبق تقنيات الإفلات العامة في أنظمة التشغيل مثل تعديل سجلات النظام أو تعطيل أدوات المراقبة على أنظمة السفن، مما يعيق التحقيق بعد الحوادث ويقلل فرص الكشف أثناء العمليات.

خامسًا. النتائج: التحطيم والقلب والشلّ

يمكن أن يسبب تحطيم السفينة خسائر مالية وأضرارًا بيئية وفقدانًا للأرواح، كما جسّدت كارثة Costa Concordia عام 2012 [62]؛ إذ يمكن لثغرات الأنظمة السيبرانية-الفيزيائية في السفن السطحية أن تتيح للمهاجمين التلاعب بالطيار الآلي وأدوات الملاحة نحو التصادم أو الجنوح [61]. ونُمذج نهجان. أولًا، التصادم بجسم: يتطلب رسم مسار تصادمي التلاعب بالملاحة مع تعطيل أوامر الدافعات وعجلة القيادة معًا لمنع التجاوز اليدوي، إذ يمكن للهجمات الداخلية تغذية الأتمتة ببيانات مستشعرات مزيفة [63]. ثم يرسل المهاجمون أوامر خبيثة للعجلة أو الدافعات (يُتصدى لها مبدئيًا بإشراف تحكمي عالي الصلاحية [61])، ويجبرون الطيار الآلي التتبعي على الانحراف عبر بيانات GPS أو مسار مُتلاعب بها ومدخلات NMEA 0183 دخيلة لنظام تروس التوجيه [64]، وينفذون حرمانًا من الخدمة على أوامر العجلة لمنع تدخل الطاقم.

وثانيًا، الجنوح: بتوجيه السفينة إلى مياه ضحلة عبر خداع القبطان أو الطيار الآلي بخرائط ECDIS مُتلاعب بها (أعماق غير صحيحة، أو عوائق وهمية تفرض جنوحًا مراوغًا) أو بيانات GPS مزيفة تغيّر الموقع المُدرك [61]. وقد تمر التلاعبات التدريجية دون ملاحظة حتى فوات الأوان، وتحد القنوات الضيقة أو الطرق غير المألوفة من المعالم البصرية. وتزداد الفعالية عند التوقيت مع طقس سيئ أو عبء عمل مرتفع للطاقم، وعند الدمج مع تقنيات الحرمان من الخدمة التي تقلل القدرة على الاستجابة.

أما القلب فيزعزع التوازن الفيزيائي حتى تنقلب السفينة: بالسيطرة على مضخات الصابورة لتحويل الماء إلى جانب واحد، وتشغيل الدافعات بأقصى طاقة في انعطافات حادة، وتعطيل أنظمة مقاومة التمايل، وتوقيت الهجوم مع قمم الموج باستخدام بيانات الجيروسكوب (بتخزين 10 دقائق من البيانات لاشتقاق الطول الموجي والضرب عند قاع الموجة أو قمتها). والتحديات العملية جسيمة: فتصاميم السفن تدمج قرونًا من هندسة السلامة، ومضخات الصابورة بطيئة وغالبًا ذات صمامات يدوية، ويعتمد النجاح على طقس قاسٍ لا يمكن التحكم فيه، وتختلف القابلية حسب نوع السفينة — مما يجعل القلب مرجحًا فقط في سيناريوهات محددة مثل سفن الشحن أو الرحلات في بحار هائجة.

ويشلّ السفينة عبر الحرمان من الخدمة أو إحداث عطل ميكانيكي [55, 56]. وتشمل مسارات الحرمان من الخدمة: تعطيل أتمتة التحكم بحزم TCP مصنوعة خصيصًا أو كتابات مباشرة للذاكرة تتجاهل أوامر المستخدم [56]، ونشر برمجيات فدية على أنظمة التحكم، وتعديل ملفات الإعدادات، وتعطيل الاتصالات الخارجية لمنع تسليم مستندات الميناء، والتسبب بانقطاع شامل للطاقة: بإثقال وحدة التحكم المتقدم في فصل الأحمال (ALS) بحركة مرور [65]، أو استغلال نقاط ضعف أنظمة الطاقة المتكاملة (IPS) في سفن الكهرباء الكاملة [67]، مع ثبوت انتشار هجمات أنظمة التحكم الموزعة (DCS) عبر شبكات طاقة السفن [66]، أو التلاعب كرجل-في-الوسط بحركة مستشعرات ALS عبر تسميم ARP [65]. أما العطل الميكانيكي فيُحمّل المحركات فوق العتبات الآمنة مع كتم الإنذارات عبر قياسات مستشعرات مزيفة. وتواجه السفينة المشلولة في مياه عاصفة أو نائية مخاطر الغرق وفقدان الأرواح وعواقب اقتصادية كبرى.

وعبر الأهداف، تستغل الهجمات الثقة الموضوعة في المستشعرات والأتمتة؛ ويعتمد كثير منها على التلاعب ببيانات الملاحة التي يثق بها الطاقم ضمنيًا. وتُعد سلاسل الاعتمادية مهمة: فموطئ القدم الأولي يمكّن تغلغلًا أعمق في التقنية التشغيلية يؤثر على التوجيه والدفع. ورغم وجود تجاوزات يدوية ووسائل أمان فيزيائية لمضخات الصابورة والدافعات، يمكن للمهاجمين المصممين المسيطرين على المكونات الحرجة الالتفاف عليها، وتزيد صعوبة كشف التلاعبات الدقيقة من خطورة السيناريوهات. وبرز توقيت الهجمات مع الطقس وكثافة الحركة وعبء عمل الطاقم باستمرار كمضاعف للقوة.

سادسًا. التحقق والتحديات العملية

اعتمد التحقق على مقابلات منظمة مع 10 مهنيين بحريين — قباطنة ومهندسين ومختصي أمن سيبراني ومديري عمليات — قيّموا جدوى السيناريوهات العشرين وتعقيدها التشغيلي وتحدياتها الواقعية عبر موطئ القدم والتحطيم والقلب والشلّ. وأجمع الخبراء على ترجيح الوصول الأولي عبر الوسائل المادية: فانتحال صفة عمال الصيانة عُدّ ممكنًا للغاية، وتتفاوت أمن الموانئ بحيث تكون الموانئ الصغيرة أعلى خطرًا (Int3، Int7)، وتشكل الوسائط القابلة للإزالة من سلطات الموانئ مصدر قلق (Int7)، ويمكن لجهاز مخفي جيدًا أن يبقى غير مكتشف في المناطق نادرة التفتيش.

حُدد التلاعب بالدافعات أو الطيار الآلي للتحطيم بوصفه السيناريو الأكثر ترجيحًا، مع الممرات المائية الضيقة والموانئ ومناطق المناورة المحدودة أهدافًا رئيسية (Int1، Int7). واعتُبر انتحال GPS وخرائط ECDIS الخبيثة أقل ترجيحًا لاحتياجهما خبرة متقدمة وقربًا — رغم تأكيد المشاركين على الثقة العالية الموضوعة في ECDIS التي يمكن استغلالها. وعُدّ الحرمان من الخدمة على أوامر العجلة تكتيكًا عمليًا لمنع تدخل الطاقم. واعتُبر القلب الهدف الأقل جدوى نظرًا لوسائل الأمان الواسعة (Int9، Int10)، رغم أن التلاعب بمقاومة التمايل أو تحريك البضائع غير المثبتة أو إغراق الطوابق العليا عبر نظام مكافحة الحريق (Int9) يبقى مرجحًا في الظروف القصوى مع بحار عاصفة كعامل تمكين.

برز تعطيل الاتصالات استراتيجية شلّ عملية، إذ يترتب على الفشل في إرسال مستندات الميناء الإلزامية تأخيرات وغرامات (Int7)؛ كما أن تعطيل ECDIS أو نشر الفدية على الأتمتة فعال أيضًا، بينما شُكك في العطل الميكانيكي المُحدث لأن ضجيج إجهاد المحرك واهتزازه سينبه الطاقم (Int8) — مع تفاقم أي جنوح في الطقس الشديد. وتتمركز نقاط الضعف الخاصة بالأنظمة في اعتماد ECDIS وAIS على بيانات خارجية، مع افتقار AIS للتشفير. وثبتت أهمية العوامل البشرية الحرجة: فخطأ ملاحي بسيط تسبب في انحراف 60 ميلًا بحريًا (Int7)، ويقلل الإرهاق أثناء نوبات 02:00–04:00 اليقظة، ويخفي الاعتماد المفرط على بيانات الواجهات الفروقات [55, 56].

وتتفاوت الجدوى حسب السياق التشغيلي (مناطق الازدحام، الطقس)، ونوع السفينة (سفن الركاب أفضل تكرارًا من سفن الشحن القديمة)، وتجزئة الشبكات (أخطاء إعداد VLAN وجدران الحماية وغياب التحكم في الوصول للشبكة، Int5، Int6)، والأمن المادي في الموانئ وعلى السفن الصغيرة (Int7، Int9)، ودافع المهاجم — فهجمات السفن كثيفة الموارد تقدم عائدًا ماليًا محدودًا إلا للجهات الدولتية أو الأيديولوجية (Int2). ويلخص الجدول 3 الجدوى والعواقب لكل هدف. وتشمل القيود الاعتماد على ظروف محددة وعوامل بشرية؛ وتدعو النتائج إلى دفاعات متعددة الطبقات تجمع التجزئة والاتصالات المشفرة وتدريب الأطقم والالتزام بالبروتوكولات، إضافة إلى أبحاث حول التقنيات الناشئة والآثار التنظيمية.

سابعًا. الخاتمة

تحدد هذه الدراسة الثغرات الحرجة و20 مسار هجوم سيبراني مصنفة تحت تحطيم السفينة وقلبها وشلّ حركتها، جاسرةً بين المعرفة النظرية والرؤى التشغيلية الواقعية من مراجعة أدبيات واسعة ومقابلات خبراء. واعتُبرت سيناريوهات التحطيم والشلّ مرجحة للغاية، لا سيما في البيئات المقيدة مثل الموانئ والممرات الضيقة، بينما قُيّم القلب بأنه الأقل جدوى بفضل التصاميم الحديثة وتدابير السلامة. وتتمثل المساهمة الرئيسية في أشجار هجوم منظمة تلتقط مسارات الهجوم المعقدة هرميًا، لخدمة تقييم المخاطر وتخطيط التخفيف والتواصل مع أصحاب المصلحة غير الفنيين.

وتحمل النتائج دلالات مهمة: فأنظمة الملاحة مثل ECDIS والطيار الآلي تشكل مخاطر جسيمة عند اختراقها، ويمكن للعوامل البشرية — الأخطاء والسهو وضعف الوعي — تضخيم نجاح الهجوم. ويُعد تعزيز تجزئة الشبكات وفرض ضوابط صارمة على الوسائط القابلة للإزالة وتحسين تدريب الأطقم من التخفيفات الرئيسية. وأُجري البحث دفاعيًا لتحسين المرونة، مع الإقرار باحتمال الاستخدام المزدوج، وقصر النتائج على التطبيق الأخلاقي والقانوني لحماية البنية التحتية البحرية الحرجة [6, 7-9].

وتشمل القيود الحاجة إلى تكييف السيناريوهات مع تهيئات سفن محددة، واستبعاد السفن ذاتية القيادة، وعدم قياس الاحتمالات والآثار كميًا، وتجانس مجموعة الخبراء. وينبغي للبحوث المستقبلية إشراك المصممين والمهندسين وأطقم أنواع سفن متنوعة مثل سفن الرحلات والناقلات؛ ودراسة السفن ذاتية القيادة والملاحة بالذكاء الاصطناعي وإدارة الشحن بـ blockchain؛ ودمج أشجار الهجوم في أطر الأمن السيبراني المتطورة وتخطيط الاستجابة للحوادث؛ وإضافة نمذجة كمية قائمة على التقييم ومحاكاة لترجمة النتائج إلى استراتيجيات قابلة للتنفيذ.

الملحق أ: أسئلة المقابلات المنظمة

يسرد الجدول A1 الأسئلة المطروحة خلال مقابلات التحقق المنظمة، مصنفة حسب الهدف. موطئ القدم: احتمال التسلل إلى السفينة لتثبيت جهاز، ومقترحات بديلة لموطئ القدم، وفروق الإجراءات بين البحر والميناء، وقابلية كشف الجهاز أثناء الصيانة. التحطيم: الآراء حول أوامر الدافعات الموقوتة، ومضخمات النجاح، وأفكار تحطيم إضافية. القلب: اعتبارات المهاجم والعوامل المانعة. الشلّ: المكونات الميكانيكية الأكثر عرضة، والمكونات القابلة للإصلاح على متن السفينة، ومسار العمل عند فشل وسائل الملاحة التقنية، وظروف استدعاء القاطرة أو إعلان فقدان السيطرة.

الرؤية التشغيلية: أدوات الوعي الرئيسية للطاقم، والأعطال الموجبة لوقف العمليات، وآثار الطقس، وكشف التلاعب ببيانات المستشعرات. فصل الشبكات: فصل شبكة التقنية التشغيلية عن شبكة المكاتب وطرق التجزئة الإضافية. عام: أنواع الحوادث البارزة، والأفكار غير المذكورة، وكشف الطاقم للتلاعب ببيانات المستشعرات.

Abstract

The increasing reliance on digital and automated systems in the maritime industry has introduced significant cybersecurity risks to ship operations. While prior research has examined cyber risk management, systematic modeling of attack scenarios remains limited. This study addresses this gap by employing attack trees to systematically analyze potential cyberattack pathways against modern ships. Drawing insights from the literature and interviews with 10 experts, this research identifies key vulnerabilities in navigation, operational, and communication systems. The study outlines 20 attack scenarios across three primary objectives: crashing, capsizing, and immobilizing a ship. Expert validation emphasizes the real-world feasibility of these threats, with cyberattack scenarios involving crashing and immobilization deemed the most plausible, while capsizing was considered unlikely due to robust ship designs. The findings highlight the importance of strengthening network security, implementing redundancy measures, and enhancing crew training to mitigate cyber risks. This research presents a systematic threat modeling framework that supports effective risk assessment and cybersecurity strategy development, offering a valuable contribution to the advancement of maritime cybersecurity practices.

I. Introduction

The maritime transportation sector plays a vital role in the global economy, facilitating over 80% of global trade, as estimated by the United Nations [1]. This sector encompasses ships, ports, operating companies, and all infrastructure necessary for transporting goods and passengers via waterways. Given its critical importance, disruptions can lead to substantial financial losses and social ramifications. The 2017 Maersk cyberattack, for instance, resulted in damages amounting to nearly 300 million USD [2], demonstrating the far-reaching consequences of cyber incidents. Beyond financial impacts, disruptions in maritime operations can have severe humanitarian consequences, particularly in regions where ships serve as the primary means of connectivity.

Despite the increasing integration of Information Technology (IT) and Operational Technology (OT) in the maritime sector, cybersecurity adoption has lagged behind compared to other industries. As Erbas et al. [3] indicate, the interconnection and automation of ship subsystems introduce new cybersecurity threats, necessitating stronger cybersecurity frameworks. Onishchenko et al. [4] emphasize that most modern ships lack dedicated cybersecurity specialists, structured incident response mechanisms, and robust encryption protocols, leaving them highly susceptible to sophisticated cyberattacks. The lifecycle of ships, typically spanning 25–30 years, inherently slows the implementation of new technological advancements and security best practices [5]. The International Maritime Organization (IMO) adopted a resolution requiring cyber risks to be incorporated into safety management systems by 2021 [6], and the International Association of Classification Societies (IACS) introduced requirements for cyber resilience of ships and on-board systems and equipment, which took effect for new ships on 1 January 2024 [7-9].

Unlike IT systems, which focus on data processing, communication, and administrative functions, OT systems control and monitor physical processes essential to ship operations, including navigation, propulsion, and power management. The integration of IT and OT has improved efficiency but has also introduced new cybersecurity vulnerabilities, as OT systems, originally designed for reliability and safety, often lack robust security mechanisms found in modern IT networks. The lack of systematic methodologies for identifying, modeling, and validating maritime cyber threats further exacerbates this challenge. To mitigate these risks, structured threat modeling approaches are necessary to account for real-world attack scenarios and their potential consequences. This study aims to answer the following research question: What are the possible attack scenarios against a ship?

To systematically explore maritime cyber threats, this study employs attack trees, a structured threat modeling methodology widely used in cybersecurity analysis. An attack tree is a hierarchical diagram that systematically represents potential cyberattack scenarios, with the main objective at the root and various attack paths branching out to show different ways an attacker could achieve that objective [22, 26]. This study builds upon a comprehensive literature review to extract and analyze cyberattack scenarios in maritime operations, then synthesizes insights from expert interviews to construct attack trees representing realistic cyber threats. A total of 10 experts participated in structured interviews, providing diverse insights on attack feasibility, system vulnerabilities, and real-world operational challenges. The remainder of this paper is organized as follows: Section 2 provides background on maritime systems and relevant literature, Section 3 presents the methodology, Section 4 presents the generated attack trees, Section 5 validates these scenarios with expert feedback, and Section 6 concludes.

II. Background: Prior Work and Ship Systems

Cyber risk management in the maritime domain has received increasing attention, yet no work has utilized attack trees to systematically represent attack paths to ships. Awan and Al Ghamdi [10] conducted an early review of 59 historical incidents involving ship OT, particularly the integrated bridge system. Similarly, Tam and Jones [11] introduced the Maritime Cyber-Risk Assessment (MaCRA) framework, a cyber risk assessment approach tailored to operational risks in advanced maritime systems. These works contributed foundational knowledge but are limited in scope, as they do not systematically model attack scenarios or validate them with industry experts.

More recent studies explored cyber risk management methodologies: Sahay et al. [12] compared STPA-Sec, STRIDE, and CORAS applied to CyberShip systems; Tatar et al. [13] proposed the survey-driven CRAMMTS risk analysis method; Soner et al. [14] conducted risk sensitivity analysis of AIS, one of the most vulnerable ship systems [15]; Tatar and Gheorghe [16] provided a risk-based perspective; and Dimakopoulou and Rantos [17] used the NIST Cybersecurity Framework to review maritime vulnerabilities. Systematic literature reviews examined cyber risk perception [18], supply-chain attack impacts such as DDoS attacks and malware [19], key challenges and future directions [20], and ship systems and vulnerabilities [21]. Threat modeling studies for industrial control systems [22, 23], human factors among deck officers [24], and legal frameworks [25] added further perspectives. A systematic approach using attack trees to map out potential attack paths and validate them with expert input remains absent in the literature.

Attack graphs identify attack paths within a target system [26], but they are limited to predefined vulnerabilities or network access weaknesses, require detailed target-specific information such as OS and protocol vulnerabilities, and generalize poorly to other systems. STRIDE, developed by Microsoft [27], starts with a data flow diagram (DFD) and elicits threats per component, but it lacks notation for detailed attack steps and operational data and does not specify dependencies among threats. Attack trees instead provide free-form nodes that integrate detailed operational information [22], allow tracing dependencies from any leaf to the root, and align with frameworks such as the MITRE ATT&CK Framework for Industrial Control Systems.

Navigation systems are critical for safe routing and integrate several interconnected technologies. ECDIS serves as the primary navigation tool, mandated by the IMO for larger vessels since 2009, merging input from AIS [29], GPS [29], radar [29], gyroscopes [30], and weather stations [31]. However, chart updates via USB memory sticks expose ECDIS to malware [32], and research demonstrated that IEC61162-450-based ECDIS is susceptible to replay, injection, and modification attacks [33]. AIS is essential for collision avoidance but vulnerable to spoofing and data manipulation [34], while GPS systems are vulnerable to jamming and spoofing that can disrupt navigation [35].

OT systems form the backbone of physical operations: the Power Management System (PMS) oversees generation and distribution, where cyberattacks could cause blackouts or propulsion loss [20]; thrusters and steering receive wheel input, with Electronic Control Unit (ECU) vulnerabilities compromising handling [36]; the Integrated Automation System (IAS) centralizes sensor input and manages alarms [37]; autopilots rely on ECDIS and GPS inputs and can be manipulated via MITRE ATT&CK techniques [38]; and the Voyage Data Recorder (VDR) logs commands and sensor inputs. Many other OT systems exist, including fire suppression, ballast water management, and dynamic positioning systems, which play essential roles in maritime safety and operational efficiency [28]. Ship networks use segregated OT, guest, and office networks with VLANs and firewalls per BIMCO guidance, though implementation varies (Int3, Int4). Communication infrastructure such as VSAT, VHF, and satellite links can expose the OT network, motivating layered defenses [39], encryption for ship–shore communications [40], and comprehensive threat models [20, 41].

III. Methodology

This study employs a multi-phase methodology: data collection integrating a comprehensive literature review and unstructured expert interviews, synthesis of scenarios into attack trees, and validation of the generated trees through structured interviews with industry experts. The literature review consolidated knowledge on maritime cybersecurity, vulnerabilities, and documented attack scenarios using keyword groups (general cyber terms, attack terms, and maritime-specific terms such as ECDIS, GPS, AIS, VDR, and GMDSS) applied in Web of Science.

Papers were included if they addressed vulnerabilities, exploits, attacks, human behavior, or practical maritime cybersecurity examples, and excluded if unrelated to maritime transportation, focused solely on autonomous ships or frameworks and legislation, or inaccessible in English. After screening, 58 articles were identified as most relevant and analyzed for recurring themes including attack vectors, network architectures, vulnerabilities, and risk management practices, providing a baseline and revealing literature gaps that informed the interview phase.

To complement the literature, 13 interviews with 10 different experts were conducted, spanning cybersecurity and IT specialists, maritime operators and captains, technical consultants and researchers, and harbor pilots and regulatory advisors. The interviews ran in two phases: five unstructured interviews gathering background on operations, risks, and technological dependencies, and eight structured interviews validating the developed attack scenarios for feasibility, consequences, and mitigations. All responses are anonymized as Int1, Int2, and so on. Expert interviews are a rigorous validation method when live testing is infeasible [42, 43], and the structured questions are listed in Appendix A.

Attack trees hierarchically decompose goals into sub-goals and actions: the root node is the attacker objective, OR nodes (green) mean any child suffices, AND nodes (orange) require all children, and leaf rectangles are basic attack steps. The trees in this study are modular, with shared subtrees reused across goals, and cyber risks grouped by attack vectors, affected systems, and cascading failures [44]. Their visual structure aids communication even with non-technical audiences, and compatibility with frameworks such as MITRE ATT&CK for ICS lets results feed future work. Attack graphs were rejected for their lack of standardization [26] and poor adaptability to dynamic maritime threats.

IV. Results: Common Attack-Tree Components

The three high-level goals — crashing, capsizing, and immobilizing the ship — share recurring components modeled once as standalone subtrees: infiltrating the network, taking control of ECDIS, loss of operational view, and evasion. This modularity avoids repetition, simplifies interpretation, and lets refinements propagate from a single place. A total of 20 high-level scenarios were identified: 9 for crashing, 7 for immobilizing, and 4 for capsizing, with the actual number of attack paths significantly larger due to shared elements. Auxiliary systems such as cruise-ship entertainment were excluded, and single points of failure were assumed where redundancy may be improperly implemented (Int1) [30].

Infiltrating the ship network proceeds via two approaches. First, attaching a malicious device: physical intrusion (sneaking aboard, blending in on passenger ships, disguising as maintenance), insider threats (bribing crew, pilots, or maintenance workers), social engineering (impersonating maintenance using schedule knowledge from phishing or social media), and compromising intermediate devices such as maintenance laptops or USB drives used for ECDIS updates — a vector confirmed by real incidents where a maintenance worker device delayed a ship release from dry dock [30, 45]. Second, exploiting external interfaces: default VSAT configurations correlatable with AIS data [46], and outdated operating systems such as unsupported Windows versions [30, 46-50]. Once inside, attackers can manipulate data such as GPS coordinates or deploy malware to critical systems.

Taking control of ECDIS is pursued by attaching a malicious device directly (e.g., a USB drive uploading corrupted charts) or by compromising the update supply chain [51]: via internet-based chart services (a risk where outdated software or insecure connections exist) or via removable media infected before connection. Malware embedded in chart files can distort geography or disable ECDIS entirely, and proper controls include pre-scanning external devices, restricting USB access, and cryptographic validation of updates [52]. A single compromised supply chain can affect multiple vessels, amplifying consequences.

Loss of operational view is achieved by modifying sensor data (GPS, radar, echo sounders, propulsion sensors), including at the Terminal Processing Unit (TPU) data converter (Int5); marine radars are vulnerable to network attacks injecting false echoes [53, 57], and radar hijacking alters perceived surroundings [54]. Attackers may also create diversions by gradually introducing inconsistencies to erode crew trust [55, 56]; disable ECDIS via ransomware encrypting essential files [58], hiding sensors through configuration edits, or denial-of-service overload [55] — noting ECDIS commonly runs outdated operating systems [46, 47, 49, 59]; hide sensors by corrupting configuration mappings; or time attacks with adverse weather when visual cross-checks fail.

Evasion focuses on the Voyage Data Recorder (VDR), the ship logging system recording navigation commands, changes, alarms, and communications. Attackers stop compromised systems from sending logs to the VDR or corrupt the VDR itself — historically feasible, as when malware on a USB device fully corrupted VDR data [60]. General OS evasion techniques such as modifying system logs or disabling monitoring tools also apply to shipboard systems, hindering post-incident investigation and minimizing detection chances during operations.

V. Results: Crashing, Capsizing, and Immobilizing

Crashing a ship can cause monetary loss, environmental damage, and loss of life, as illustrated by the Costa Concordia disaster in 2012 [62]; cyber-physical vulnerabilities in surface ships can let attackers manipulate autopilot and navigation controls toward collisions or groundings [61]. Two approaches were modeled. First, colliding with an object: setting a collision course requires simultaneously manipulating navigation and rendering thruster and wheel commands inoperable for manual override, since internal attacks can feed falsified sensor data into automation [63]. Attackers then send malicious wheel or thruster commands (countered in principle by high-authority supervisory control [61]), force tracking autopilots off course via tampered GPS or route data and rogue NMEA 0183 inputs to the Steering Gear Control System [64], and execute denial of service on wheel commands so the crew cannot intervene.

Second, running aground: steering into shallow water by tricking the captain or autopilot through manipulated ECDIS charts (incorrect depths, or phantom obstacles forcing evasive grounding) or fake GPS data shifting perceived position [61]. Gradual manipulations may go unnoticed until too late, and narrow canals or unfamiliar routes limit visual landmarks. Effectiveness rises when timed with adverse weather or high crew workload, and when combined with denial-of-service techniques that further reduce response capacity.

Capsizing destabilizes physical balance until the vessel overturns: assuming control of ballast pumps to shift water to one side, engaging thrusters at full power in extreme turns, counteracting anti-rolling systems, and timing the attack to wave peaks using gyroscope data (storing 10 minutes of gyro history to derive wavelength and strike at the bottom or top of a wave). Practical challenges are severe: ship designs embed centuries of safety engineering, ballast pumps are slow and often have manual valves, success depends on uncontrollable severe weather, and applicability varies by ship type — making capsizing plausible only in specific scenarios such as cargo or cruise ships in rough seas.

Immobilizing strands the vessel via denial of service or induced mechanical failure [55, 56]. DoS pathways include disabling control automata with crafted TCP packets or direct memory writes ignoring user commands [56], deploying ransomware on control systems, modifying configuration files, disabling external communications so port documentation cannot be delivered, and causing blackout: overloading the Advanced Load-Shedding (ALS) controller with traffic [65], exploiting all-electric-ship Integrated Power Systems (IPS) weaknesses [67], with distributed control system (DCS) attacks shown to propagate across ship power networks [66], or man-in-the-middle manipulation of ALS sensor traffic via ARP poisoning [65]. Mechanical failure instead overloads engines beyond safe thresholds while suppressing alarms through falsified sensor telemetry. A stranded ship in stormy or remote waters faces sinking, loss of life, and major economic consequences.

Across goals, attacks exploit trust placed in sensors and automation; many rely on manipulating navigation data the crew implicitly trusts. Dependency chains matter: initial foothold enables deeper OT intrusion affecting steering and propulsion. While manual overrides and physical fail-safes exist for ballast pumps and thrusters, determined attackers with control of critical components can circumvent them, and the difficulty of detecting subtle manipulations increases severity. Timing with weather, traffic density, and crew workload consistently emerged as a force multiplier.

VI. Validation and Practical Challenges

Validation used structured interviews with 10 maritime professionals — captains, engineers, cybersecurity specialists, and operational managers — assessing feasibility, operational complexity, and real-world challenges of the 20 scenarios across gaining a foothold, crashing, capsizing, and immobilizing. Experts unanimously agreed on the plausibility of gaining initial access via physical means: impersonating maintenance workers was deemed highly feasible, port security varies with smaller ports at higher risk (Int3, Int7), removable media from port authorities is a concern (Int7), and a well-concealed device could persist undetected in rarely inspected areas.

Manipulating thrusters or autopilot to crash was identified as the most likely crashing scenario, with narrow waterways, ports, and restricted-maneuverability areas as prime targets (Int1, Int7). GPS spoofing and malicious ECDIS charts were considered less likely, requiring advanced expertise and proximity — though interviewees stressed the high trust placed in ECDIS that attackers could exploit. Denial-of-service on wheel commands was judged a viable tactic to prevent crew intervention. Capsizing was viewed as the least feasible goal given extensive fail-safes (Int9, Int10), though anti-rolling manipulation, shifting unsecured cargo, or flooding upper decks via the anti-fire system (Int9) were plausible under extreme conditions with stormy seas as an enabler.

Disabling communications emerged as a practical immobilization strategy, since failing to transmit mandatory port documentation incurs delays and penalties (Int7); disabling ECDIS or deploying ransomware on automation were also effective, while induced mechanical failure was doubted because engine stress noise and vibration would alert the crew (Int8) — with severe weather compounding any stranding. System-specific weaknesses center on ECDIS and AIS reliance on external data, with AIS lacking encryption. Human factors proved critical: one minor navigation error caused a 60-nautical-mile deviation (Int7), fatigue during 02:00–04:00 watches reduces alertness, and over-reliance on interface data hides discrepancies [55, 56].

Feasibility varies by operational context (high-traffic zones, weather), ship type (passenger vessels better redunded than older cargo ships), network segmentation (VLAN and firewall misconfigurations and absent network access control, Int5, Int6), physical security at ports and aboard smaller vessels (Int7, Int9), and attacker motivation — resource-intensive ship attacks offer limited financial reward except to nation-state or ideological actors (Int2). Table 3 summarizes feasibility and consequences per goal. Limitations include dependence on specific conditions and human factors; the findings advocate layered defenses combining segmentation, encrypted communications, crew training, and protocol adherence, plus research on emerging technologies and regulatory impacts.

VII. Conclusions

This study identifies critical vulnerabilities and 20 cyberattack paths categorized under crashing, capsizing, and immobilizing a ship, bridging theoretical knowledge with real-world operational insights from an extensive literature review and expert interviews. Crashing and immobilizing scenarios were deemed highly plausible, particularly in constrained environments like ports and narrow waterways, while capsizing was assessed as least feasible due to modern designs and safety measures. The key contribution is structured attack trees that hierarchically capture complex attack paths, serving risk assessment, mitigation planning, and communication with non-technical stakeholders.

The findings carry significant implications: navigation systems such as ECDIS and autopilot present serious risks if compromised, and human factors — errors, oversights, inadequate awareness — can amplify attack success. Strengthening network segmentation, enforcing strict removable-media controls, and improving crew training are key mitigations. The research was conducted defensively to improve resilience, acknowledges dual-use potential, and restricts findings to ethical, lawful application safeguarding critical maritime infrastructure [6, 7-9].

Limitations include the need to adapt scenarios to specific ship configurations, exclusion of autonomous ships, unquantified probabilities and impacts, and a homogeneous expert pool. Future research should incorporate designers, engineers, and crews of varied vessel types such as cruise liners and tankers; investigate autonomous ships, AI-driven navigation, and blockchain cargo management; integrate attack trees into evolving cybersecurity frameworks and incident response planning; and add scoring-based quantitative modeling and simulations to translate findings into actionable strategies.

Appendix A: Structured Interview Questions

Table A1 lists the questions asked during the structured validation interviews, grouped by goal. Gaining a foothold: likelihood of sneaking aboard to install a device, alternative foothold proposals, sea-versus-port procedural differences, and device detectability during maintenance. Crashing: thoughts on timed thruster commands, success amplifiers, and additional crashing ideas. Capsizing: attacker considerations and preventive factors. Immobilizing: most vulnerable mechanical components, repairable components, course of action when IT navigation aids fail, and conditions for calling a tug or declaring loss of control.

Operational view: main crew awareness tools, malfunctions forcing operational stops, weather effects, and sensor-manipulation detection. Network separation: OT versus office network segregation and additional segmentation methods. General: memorable accident kinds, unmentioned ideas, and sensor-data manipulation detection by the crew.

References

  1. [1] United Nations Conference on Trade and Development. Navigating Stormy Waters: Review of Maritime Transport 2022; Review of maritime transport/United Nations Conference on Trade and Development, Geneva; United Nations: Geneva, Switzerland, 2022; ISBN 978-92-1-113073-7.
  2. [2] Novet, J. Shipping Company Maersk Says June Cyberattack Could Cost It up to $300 Million. Available online: https://www.cnbc.com/2017/08/16/maersk-says-notpetya-cyberattack-could-cost-300-million.html (accessed on 3 February 2025).
  3. [3] Erbas, M.; Khalil, S.M.; Tsiopoulos, L. Systematic Literature Review of Threat Modeling and Risk Assessment in Ship Cybersecurity. Ocean Eng. 2024, 306, 118059. [CrossRef]
  4. [4] Onishchenko, O.; Shumilova, K.; Volyanskyy, S.; Volyanskaya, Y.; Volianskyi, Y. Ensuring Cyber Resilience of Ship Information Systems. TransNav Int. J. Mar. Navig. Saf. Sea Transp. 2022, 16, 43–50. [CrossRef]
  5. [5] Dinu, O.; Ilie, A.M. Maritime Vessel Obsolescence, Life Cycle Cost and Design Service Life. IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. 2015, 95, 012067. [CrossRef]
  6. [6] Maritime Safety Committee. Resolution MSC.428(98) Maritime Cyber Risk Management in Safety Management Systems. Available online: https://wwwcdn.imo.org/localresources/en/OurWork/Security/Documents/Resolution%20MSC.428(98).pdf (accessed on 3 February 2025).
  7. [7] International Association of Classification Societies. Cyber Resilience of On-Board Systems and Equipment; IACS: London, UK, 2023.
  8. [8] International Association of Classification Societies. Cyber Resilience of Ships; IACS: London, UK, 2023. Available online: https://www.classnk.or.jp/hp/pdf/info_service/iacs_ur_and_ui/ur_e26_rev.1_nov_2023_cr.pdf (accessed on 3 February 2025).
  9. [9] International Association of Classification Societies. Addressing Cyber Resilience of Ships; IACS: London, UK, 2023. Available online: https://iacs.flumeserver.co.za/news/iacs-ur-e26-and-e27-press-release/ (accessed on 3 February 2025).
  10. [10] Awan, M.; Al Ghamdi, M. Understanding the Vulnerabilities in Digital Components of an Integrated Bridge System (IBS). J. Mar. Sci. Eng. 2019, 7, 350. [CrossRef]
  11. [11] Tam, K.; Jones, K. MaCRA: A Model-Based Framework for Maritime Cyber-Risk Assessment. WMU J. Marit. Aff. 2019, 18, 129–163. [CrossRef]
  12. [12] Sahay, R.; Estay, D.; Meng, W.; Jensen, C.; Barfod, M. A Comparative Risk Analysis on CyberShip System with STPA-Sec, STRIDE and CORAS. Comput. Secur. 2023, 128, 103179. [CrossRef]
  13. [13] Tatar, U.; Karabacak, B.; Keskin, O.; Foti, D. Charting New Waters with CRAMMTS: A Survey-Driven Cybersecurity Risk Analysis Method for Maritime Stakeholders. Comput. Secur. 2024, 145, 104015. [CrossRef]
  14. [14] Soner, O.; Kayisoglu, G.; Bolat, P.; Tam, K. Risk Sensitivity Analysis of AIS Cyber Security through Maritime Cyber Regulatory Frameworks. Appl. Ocean Res. 2024, 142, 103855. [CrossRef]
  15. [15] Kucukkaya, G.; Hester, P. Maritime Cyber Security: System Analysis and Evolution of AIS; Tatar, U., Gokce, Y., Gheorghe, A., Eds.; IOS Press: Amsterdam, The Netherlands, 2017; Volume 48, pp. 160–168.
  16. [16] Tatar, U.; Gheorghe, A. Cyber Security in Maritime Domain: A Risk Management Perspective. In Issues in Maritime Cyber Security; Westphalia Press: London, UK, 2017; pp. 201–210. Available online: https://westphaliapress.org/2017/06/26/issues-in- maritime-cyber-security/ (accessed on 10 February 2025).
  17. [17] Dimakopoulou, A.; Rantos, K. Comprehensive Analysis of Maritime Cybersecurity Landscape Based on the NIST CSF v2.0. J. Mar. Sci. Eng. 2024, 12, 919. [CrossRef]
  18. [18] Larsen, M.H.; Lund, M.S. Cyber Risk Perception in the Maritime Domain: A Systematic Literature Review. IEEE Access 2021, 9, 144895–144905. [CrossRef]
  19. [19] Clavijo Mesa, M.V.; Patino-Rodriguez, C.E.; Guevara Carazas, F.J. Cybersecurity at Sea: A Literature Review of Cyber-Attack Impacts and Defenses in Maritime Supply Chains. Information 2024, 15, 710. [CrossRef]
  20. [20] Bolbot, V.; Kulkarni, K.; Brunou, P.; Banda, O.V.; Musharraf, M. Developments and Research Directions in Maritime Cybersecurity: A Systematic Literature Review and Bibliometric Analysis. Int. J. Crit. Infrastruct. Prot. 2022, 39, 100571. [CrossRef]
  21. [21] Ben Farah, M.A.; Ukwandu, E.; Hindy, H.; Brosset, D.; Bures, M.; Andonovic, I.; Bellekens, X. Cyber Security in the Maritime Industry: A Systematic Survey of Recent Advances and Future Trends. Information 2022, 13, 22. [CrossRef]
  22. [22] Khalil, S.M.; Bahsi, H.; Korõtko, T. Threat Modeling of Industrial Control Systems: A Systematic Literature Review. Comput. Secur. 2024, 136, 103543.
  23. [23] Balogun, T.M.; Bahsi, H.; Keskin, O.F.; Tatar, U. A Comparative Framework for Cyber Threat Modelling: Case of Healthcare and Industrial Control Systems. Int. J. Crit. Infrastruct. 2023, 19, 405–431. [CrossRef]
  24. [24] Haugli-Sandvik, M.; Lund, M.; Bjorneseth, F. Maritime Decision-Makers and Cyber Security: Deck Officers’ Perception of Cyber Risks towards IT and OT Systems. Int. J. Inf. Secur. 2024, 23, 1721–1739. [CrossRef]
  25. [25] Karim, M. Maritime Cybersecurity and the IMO Legal Instruments: Sluggish Response to an Escalating Threat? Mar. Policy 2022, 143, 105138. [CrossRef]
  26. [26] Lallie, H.S.; Debattista, K.; Bal, J. A Review of Attack Graph and Attack Tree Visual Syntax in Cyber Security. Comput. Sci. Rev. 2020, 35, 100219. [CrossRef]
  27. [27] Shostack, A. Threat Modeling: Designing for Security; John Wiley & Sons: Hoboken, NJ, USA, 2014.
  28. [28] Kapalidis, C.; Karamperidis, S.; Watson, T.; Koligiannis, G. A Vulnerability Centric System of Systems Analysis on the Maritime Transportation Sector Most Valuable Assets: Recommendations for Port Facilities and Ships. J. Mar. Sci. Eng. 2022, 10, 1486. [CrossRef]
  29. [29] DiRenzo, J.; Goward, D.; Roberts, F. The Little-known Challenge of Maritime Cyber Security. In Proceedings of the 2015 6th International Conference on Information, Intelligence, Systems and Applications (IISA), Corfu, Greece, 6–8 July 2015.
  30. [30] Lund, M.S.; Gulland, J.E.; Hareide, O.S.; Jøsok, Ø.; Weum, K.O.C. Integrity of Integrated Navigation Systems. In Proceedings of the 2018 IEEE Conference on Communications and Network Security (CNS), Beijing, China, 30 May–1 June 2018; pp. 1–5.
  31. [31] Ward, R.; Roberts, C.; Furness, R. Electronic Chart Display and Information Systems (ECDIS): State-of-the-Art in Nautical Charting. In Marine and Coastal Geographical Information Systems; CRC Press: Boca Raton, FL, USA, 1999; ISBN 978-0-429-20472-2.
  32. [32] Svilicic, B. GNSS-Based Maritime Navigation Systems: Cyber Threats Sourcing. In Proceedings of the 13th Annual Baška GNSS Conference, Baška, Hrvatska, 12–15 May 2019; pp. 55–65.
  33. [33] Visky, G.; Katsikas, S.; Maennel, O. IEEE Lightweight Testbed for IEC61162-450-Related Cyber Security Research. In Proceedings of the 2024 IEEE International Conference on Cyber Security and Resilience (CSR), London, UK, 2–4 September 2024; pp. 638–643.
  34. [34] Androjna, A.; Perkovic, M.; Pavic, I.; Miskovic, J. AIS Data Vulnerability Indicated by a Spoofing Case-Study. Appl. Sci. 2021, 11, 5015. [CrossRef]
  35. [35] Androjna, A.; Perkovic, M. Impact of Spoofing of Navigation Systems on Maritime Situational Awareness. Trans. Marit. Sci. 2021, 10, 361–373. [CrossRef]
  36. [36] Bolbot, V.; Xiang, L.; Brunou, P.; Kiviharju, M.; Ding, Y.; Banda, O. Cybersecurity Risk Assessment of a Marine Dual-Fuel Engine on Inland Waterways Ship. Proc. Inst. Mech. Eng. Part M J. Eng. Marit. Environ. 2024, 239, 67–91. [CrossRef]
  37. [37] Piccinelli, M.; Gubian, P. Modern ships Voyage Data Recorders: A Forensics Perspective on the Costa Concordia Shipwreck. Digit. Investig. 2013, 10, S41–S49. [CrossRef]
  38. [38] Jo, Y.; Choi, O.; You, J.; Cha, Y.; Lee, D. Cyberattack Models for Ship Equipment Based on the MITRE ATT&CK Framework. Sensors 2022, 22, 1860. [CrossRef] [PubMed]
  39. [39] Wang, X.; Qin, N.; Liu, Y. A Secure Network Coding System Against Wiretap Attacks. In Proceedings of the 2019 34rd Youth Academic Annual Conference of Chinese Association of Automation (YAC), Jinzhou, China, 6–8 June 2019; pp. 62–67.
  40. [40] Zeng, H.; Wang, T.; Zhang, J.; Li, D.; Shang, D. A Novel Encryption Scheme in Ship Remote Control against Differential Fault Attack. Appl. Sci. 2022, 12, 8278. [CrossRef]
  41. [41] Kavallieratos, G.; Katsikas, S. Managing Cyber Security Risks of the Cyber-Enabled Ship. J. Mar. Sci. Eng. 2020, 8, 768. [CrossRef]
  42. [42] Hassmann, T.; Westner, M. Enhancing Expert Interviews: Insights from IS and Digital Transformation Research. In Proceedings of the 32nd International Conference on Information Systems Development (ISD 2024), Gda´nsk, Poland, 26–28 August 2024.
  43. [43] Weir, C.; Rashid, A.; Noble, J. Challenging Software Developers: Dialectic as a Foundation for Security Assurance Techniques. J. Cybersecur. 2020, 6, tyaa007. [CrossRef]
  44. [44] Shumilova, K.; Shumilov, D.; Maltsev, A. Classification of Cyber Risks for Sea Vessel’s Voyage Cycle. Trans. Marit. Sci. 2024, 25, 5–9. [CrossRef]
  45. [45] Silverajan, B.; Ocak, M.; Nagel, B. Cybersecurity Attacks and Defences for Unmanned Smart Ships. In Proceedings of the 2018 IEEE International Conference on Internet of Things (iThings) and IEEE Green Computing and Communications (GreenCom) and IEEE Cyber, Physical and Social Computing (CPSCom) and IEEE Smart Data (SmartData), Halifax, NS, Canada, 30 July–3 August 2018; pp. 15–20.
  46. [46] Bothur, D.; Zheng, G.; Valli, C. A Critical Analysis of Security Vulnerabilities and Countermeasures in a Smart Ship System. In Proceedings of the Australian Information Security Management Conference, Perth, Australia, 5–6 December 2017.
  47. [47] Svilicic, B.; Brˇci´c, D.; Žuškin, S.; Kalebi´c, D. Raising Awareness on Cyber Security of ECDIS. TransNav Int. J. Mar. Navig. Saf. Sea Transp. 2019, 13, 231–236. [CrossRef]
  48. [48] Svilicic, B.; Kamahara, J.; Celic, J.; Bolmsten, J. Assessing Ship Cyber Risks: A Framework and Case Study of ECDIS Security. WMU J. Marit. Aff. 2019, 18, 509–520. [CrossRef]
  49. [49] Svilicic, B.; Kamahara, J.; Rooks, M.; Yano, Y. Maritime Cyber Risk Management: An Experimental Ship Assessment. J. Navig. 2019, 72, 1108–1120. [CrossRef]
  50. [50] Svilicic, B.; Rudan, I.; Jugovic, A.; Zec, D. A Study on Cyber Security Threats in a Shipboard Integrated Navigational System. J. Mar. Sci. Eng. 2019, 7, 364. [CrossRef]
  51. [51] Junior, W.; de Moraes, C.; de Albuquerque, C.; Machado, R.; de Sá, A. A Triggering Mechanism for Cyber-Attacks in Naval Sensors and Systems. Sensors 2021, 21, 3195. [CrossRef]
  52. [52] Kayisoglu, G.; Günes, B.; Bolat, P. ECDIS Cyber Security Dynamics Analysis Based on the FuzzyFUCOM Method. Trans. Marit. Sci. 2024, 24, 10. [CrossRef]
  53. [53] Wolsing, K.; Saillard, A.; Bauer, J.; Wagner, E.; Van Sloun, C.; Fink, I.B.; Schmidt, M.; Wehrle, K.; Henze, M. Network Attacks Against Marine Radar Systems: A Taxonomy, Simulation Environment, and Dataset. In Proceedings of the 2022 IEEE 47th Confer- ence on Local Computer Networks (LCN), Edmonton, AB, Canada, 26–29 September 2022; IEEE: Edmonton, AB, Canada, 2022; pp. 114–122.
  54. [54] Longo, G.; Orlich, A.; Musante, S.; Merlo, A.; Russo, E. MaCySTe: A Virtual Testbed for Maritime Cybersecurity. SoftwareX 2023, 23, 101426. [CrossRef]
  55. [55] Alop, A. The Main Challenges and Barriers to the Successful “Smart Shipping”. TransNav Int. J. Mar. Navig. Saf. Sea Transp. 2019, 13, 521–528. [CrossRef]
  56. [56] Becmeur, T.; Boudvin, X.; Brosset, D.; Héno, G.; Merien, T.; Jacq, O.; Kermarrec, Y.; Sultan, B. A Platform for Raising Awareness on Cyber Security in a Maritime Context. In Proceedings of the 2017 International Conference on Computational Science and Computational Intelligence (CSCI), Las Vegas, NV, USA, 14–16 December 2017; pp. 103–108.
  57. [57] Longo, G.; Russo, E.; Armando, A.; Merlo, A. Attacking (and Defending) the Maritime Radar System. IEEE Trans. Inf. Forensics Secur. 2023, 18, 3575–3589. [CrossRef]
  58. [58] Jones, K.D.; Tam, K.; Papadaki, M. Threats and Impacts in Maritime Cyber Security. Eng. Technol. Ref. 2016, 6, 12. [CrossRef]
  59. [59] Dyryavyy, Y. Preparing for Cyber Battleships—Electronic Chart Display and Information System Security; NCC Group Publication: Manchester, UK, 2014.
  60. [60] Tam, K.; Jones, K. Cyber-Risk Assessment for Autonomous Ships. In Proceedings of the 2018 International Conference on Cyber Security and Protection of Digital Services (Cyber Security), Glasgow, UK, 11–12 June 2018; IEEE: Glasgow, Scotland, 2018; pp. 1–8.
  61. [61] Butchko, D.; Croteau, B.; Kiriakidis, K. Cyber-Physical System Security of Surface Ships using Intelligent Constraints. In Proceedings of the 2021 IEEE International Conference on Communications Workshops (ICC Workshops), Montreal, QC, Canada, 14–23 June 2021.
  62. [62] Gubian, P.; Piccinelli, M.; Neri, B.; Neri, P.; Giurlanda, F. The Disaster of Costa Concordia Cruise Ship: An Accurate Reconstruction Based on Black Box and Automation System Data. In Proceedings of the 2015 2nd International Conference on Information and Communication Technologies for Disaster Management (ICT-DM), Rennes, France, 30 November–2 December 2015; pp. 178–185.
  63. [63] Hemminghaus, C.; Bauer, J.; Padilla, E. BRAT: A BRidge Attack Tool for Cyber Security Assessments of Maritime Systems. TransNav Int. J. Mar. Navig. Saf. Sea Transp. 2021, 15, 35–44. [CrossRef]
  64. [64] Longo, G.; Lupia, F.; Pugliese, A.; Russo, E. Physics-Aware Targeted Attacks against Maritime Industrial Control Systems. J. Inf. Secur. Appl. 2024, 82, 103724. [CrossRef]
  65. [65] Vu, L.; Nguyen, T.; Abdelrahman, M.; Vu, T.; Mohammed, O. A Cyber-HIL for Investigating Control Systems in Ship Cyber Physical Systems Under Communication Issues and Cyber Attacks. IEEE Trans. Ind. Appl. 2024, 60, 2142–2152. [CrossRef]
  66. [66] Badr, P.; Papari, B.; Robison, A.; Edrington, C.; Abulebdah, A.; Zehir, M.; Hammad, E. Holistic Performance Benchmarking in Power Systems with Distributed Control under Disruptive Cyberattacks. In Proceedings of the 2022 IEEE Transportation Electrification Conference & Expo (ITEC), Anaheim, CA, USA, 15–17 June 2022; pp. 640–646.
  67. [67] Vicenzutti, A.; Colavitto, A.; Chiandone, M.; Sulligoi, G. Dependability Analysis of Cyber Security in All-Electric Ships. In Proceedings of the 2018 AEIT International Annual Conference, Bari, Italy, 3–5 October 2018.