تتزايد الهجمات السيبرانية بسرعة على مر السنين، مسببةً خسائر مالية ضخمة للشركات نتيجة التعافي والعقوبات التنظيمية، فضلًا عن أضرار جانبية كالسمعة والثقة. وفي هذا السياق، فإن القطاع البحري الذي كان يُعد آمنًا حتى الآن بسبب غياب الاتصال بالإنترنت والطبيعة المعزولة للسفن في البحر، يشهد زيادة بنسبة 900% في خروقات الأمن السيبراني على التكنولوجيا التشغيلية مع دخوله العصر الرقمي. ورغم وجود بعض الأبحاث في هذا المجال، لم يُدرس الأمن السيبراني البحري بعمق. لذا تقدم هذه الورقة دراسة دقيقة لمشهد الأمن السيبراني في القطاع البحري بهدف إبراز المشكلات والتحديات الأمنية. أولًا، تستعرض الأنظمة المتاحة على السفن التي قد يستهدفها المهاجمون، ونقاط ضعفها المحتملة التي يمكن استغلالها، والعواقب المترتبة على الوصول إلى النظام، والحوادث الفعلية. ثم تصف وتحلل إجراءات التخفيف الممكنة التي يمكن استخدامها مسبقًا لمنع مثل هذه الهجمات. وأخيرًا، تناقش عدة تحديات ومشكلات مفتوحة للبحث المستقبلي.
يعتمد القطاع البحري العالمي اليوم بشكل متزايد على الرقمنة والتكامل التشغيلي والأتمتة [1،2]. ويسعى كبار بناة السفن والمشغلين إلى الابتكار باستخدام تقنيات وأنظمة متطورة تتجاوز التصاميم التقليدية لبناء سفن ذات قدرات تحكم عن بُعد واتصال متقدمة [3]. وتُختبر هذه القدرات عبر مشاريع السفن ذاتية القيادة: فقد كانت «ماي فلاور» أول سفينة ذاتية القيادة بالكامل تحاول عبور المحيط الأطلسي باستخدام الذكاء الاصطناعي والطاقة الشمسية [4]، وفشلت محاولتها الأولى لكنها ستعاود المحاولة، كما ستختبر مؤسسة نيبون أول إبحار تجاري طويل المدى غير مأهول بحلول فبراير 2022 [5]. وتحمل السفن ذاتية القيادة والسفن الحديثة أسطولًا من المستشعرات (كالرادار والليدار وكاميرات الدقة العالية والتصوير الحراري والسونار) والعديد من أنظمة التكنولوجيا التشغيلية (OT)، المترابطة معًا لمنح ذكاء السفينة الاصطناعي صورة مدمجة دقيقة عن البيئة المحيطة [6،7]. وتتدرج مستويات الأتمتة من السفن المأهولة بالكامل إلى المشغلة جزئيًا والمشغلة عن بُعد وشبه الذاتية وغير المأهولة بالكامل [6،8]. ويرافق اعتماد تقنيات المعلومات والاتصالات (ICT) في صناعة الشحن انفجار في المخاطر السيبرانية، مع تضخم المخاطر القائمة وظهور مخاطر جديدة [9]. لذا لا يمكن ضمان سلامة وأمن السفينة ذاتية القيادة بالاعتماد على المعرفة السابقة بالأنظمة [2،3،6]، بل يلزم نهج أمني جديد يأخذ في الاعتبار جميع الأنظمة المتنوعة على متن السفينة وعلى الشاطئ وكيفية تفاعلها [2،3،9،10].
ووفقًا للتوجيه الأوروبي «EU 2016-679»، تُعد السفن الممكّنة سيبرانيًا من بين البنى التحتية الأكثر حرجية التي تعتمد اعتمادًا كبيرًا على الخدمات الرقمية، ويمكن أن يؤدي التعطيل الخبيث لعملياتها إلى أضرار مالية وبيئية بل وتعريض السلامة البشرية للخطر [7]. ورغم بعض الأبحاث الجارية [2،3،6،9،11]، لم يُدرس الأمن السيبراني البحري بعمق. تحدد هذه الورقة أولًا المشكلات الأمنية والتهديدات التي تواجهها صناعة الشحن الحديثة، خاصة تلك التي تستهدف الأنظمة على متن السفن، ثم تصف إجراءات التخفيف الممكنة لمنع مثل هذه الهجمات، وأخيرًا تناقش عدة تحديات ومشكلات مفتوحة للبحث المستقبلي. ويُبنى باقي المقال كالتالي: يعرض القسم الثاني خلفية الأنظمة الرئيسية على السفن الحديثة وذاتية القيادة التي قد يستهدفها المهاجمون، بينما يعرض القسم الثالث نقاط الضعف والتهديدات الأمنية الرئيسية لهذه الأنظمة. ويعرض القسم الرابع الحوادث الفعلية المبلغ عنها في السنوات الأخيرة. وتُناقش إجراءات الأمن والسلامة المضادة الممكنة في القسم الخامس، وأخيرًا يخلص القسم السادس إلى الورقة ويحدد اتجاهات البحث المستقبلي.
السفن الحديثة وذاتية القيادة مجهزة بمجموعة متنوعة من الأنظمة الآلية المعقدة التي جعلت البحر مكانًا أكثر أمانًا من قبل [3]. غير أن بعض هذه الأنظمة غالبًا ما تكون غير آمنة وعرضة للهجوم لأنها تُعد أقل حرجية للأمن والأداء [11]. وكما يوضح الشكل 1، تشمل هذه الأنظمة أنظمة الملاحة، والكشف الراديوي وتحديد المدى (الرادار)، وأنظمة التعريف الآلي (AIS)، وأنظمة الاتصالات، وأنظمة التحكم في مجموعة واسعة من الأنظمة الكهروميكانيكية على متن السفن، كالمحرك الرئيسي والمولدات ومحركات التحويل وغيرها [3،12].
تشمل أنظمة الملاحة نظام العرض الإلكتروني للخرائط والمعلومات (ECDIS)، ونظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، والنظام العالمي للملاحة بالأقمار الصناعية (GNSS). ويُعد GPS وGNSS مُمكّنين حاسمين للشحن الحديث وذاتي القيادة عالميًا [14]، ويمكن استخدام التموضع بالأقمار الصناعية جنبًا إلى جنب مع أنظمة الوعي الظرفي الأخرى التي توفر معلومات التموضع النسبي لاتخاذ القرار [11]. ونظام التعريف الآلي (AIS) نظام بث راديوي يعمل على السفن والشواطئ معًا، ويُستخدم لمراقبة حركة السفن ومساعدتها وإخطار الموانئ والسلطات البحرية بموقع السفينة، وهو مفيد جدًا أيضًا في التحقيق في الحوادث وعمليات البحث والإنقاذ والتنبؤ بالطقس [11،15]. وفي الواقع، فإن القدرة على الاعتماد على البيانات المرسلة أمر حاسم للحفاظ على الوعي الظرفي وتجنب التصادم في البحر. أما ECDIS فهو نظام ملاحة إلكتروني متكامل يجمع البيانات من عدد من مستشعرات الملاحة الإلكترونية كـ GPS والرادار وAIS ويعرضها في صورة رسومية [12]، وتشترط المنظمة البحرية الدولية (IMO) وجوده على جميع السفن التجارية، ويُثبت عادةً على الجسر [11]. والرادار أيضًا نظام حاسم للسفن الحديثة لأنه يوفر معلومات قيمة عن محيط السفينة ويكشف الأجسام المادية باستخدام الموجات الراديوية، كالموجات الدقيقة في الطيف الكهرومغناطيسي [16].
ولضمان معدلات نقل بيانات عالية السرعة طوال العمليات البحرية، تُجهز معظم السفن الحديثة بمحطة الفتحة الصغيرة جدًا البحرية (VSAT) التي تعمل كمحطة أرضية للقمر الصناعي لإرسال البيانات واستقبالها من الهوائي؛ فيُركّب جهاز الإرسال والاستقبال فوق السطح لمحاذاة رؤية القمر الصناعي، وتقع وحدة التحكم تحت السطح لتكون واجهة الحاسوب [17]. وتقدم VSAT مجموعة متنوعة من خدمات الاتصالات والأمن مثل ECDIS وAIS والهاتف والإنترنت ومناولة البضائع والتكامل اللاسلكي ورفاهية الطاقم والتنبؤ بالطقس. وتشهد صناعة الشحن الحديثة أيضًا طلبًا متزايدًا على أنظمة المراقبة الذكية المؤتمتة بالفيديو لمراقبة عمليات النقل، خاصة في مناطق التخزين الكبيرة والمولدات والسفن الكبيرة التي تحمل بضائع ثمينة [12].
بالإضافة إلى ذلك، تعتمد صناعتا الشحن والبحرية اعتمادًا كبيرًا على أنظمة التحكم الصناعية على متن السفن (ICSs) وأنظمة شبكات تقنية المعلومات [3،12]. تساعد ICSs في جمع البيانات الأمنية والتشغيلية وتجميعها بسرعة من جميع أنظمة التحكم والأتمتة في السفينة، وتراقب درجة الحرارة والضغط والمستوى واللزوجة والتحكم في التدفق والسرعة والعزم والجهد والتيار وحالة الآلات والمعدات على متن السفينة للحفاظ على السلامة والموثوقية التشغيلية ومواكبة المشهد التهديدي المتطور [18،19]. ومن السمات الرئيسية الأخرى لأنظمة الأتمتة على متن السفينة النظام العالمي للاستغاثة البحرية (GMDSS) [20]، ونظام التحكم في الدفع [21]، وأنظمة الجسر المتكاملة (IBSs)، وإدارة الآلات [22]، وأنظمة التحكم في الطاقة [23]، التي تؤدي دورًا متزايد الأهمية في تسهيل التشغيل السلس والآمن والفعال للسفينة. ومع تزايد تعقيد الأنظمة ورقمنتها وأتمتتها في الصناعة البحرية، تواجه السفن الحديثة عددًا متزايدًا من التحديات الجديدة المتعلقة بأمن وحماية بيانات أنظمة تقنية المعلومات على متن السفن [3،6،24]. ومؤخرًا، أُبلغ عن عدة حالات جرائم سيبرانية في الصناعة البحرية، بينما يبقى بعضها الآخر مجهولًا لعدم رغبة ملاك السفن في الإبلاغ خشية الضرر بالسمعة [24]. وتُناقش التهديدات المحتملة لأمن وخصوصية أنظمة تقنية المعلومات على متن السفن في القسم التالي، إلى جانب الحوادث الفعلية للهجمات السيبرانية ضد هذه الأنظمة. ويلخص الجدول 1 أنظمة الأتمتة الرئيسية في السفن الحديثة وذاتية القيادة واستخداماتها، وكلها تمثل أسطح هجوم يمكن للفاعلين الخبثاء استغلالها للحصول على وصول غير مصرح به إلى السفينة، وهو موضوع القسم التالي.
| النظام | الاستخدام |
|---|---|
| نظام التعريف الآلي (AIS) | مراقبة حركة السفن ومساعدتها؛ تجنب التصادم؛ إخطار الموانئ والسلطات البحرية بموقع السفينة؛ حساب المسافة بين السفن؛ ضمان السلامة البحرية عبر مراقبة الحركة؛ التحقيق في الحوادث وعمليات البحث والإنقاذ |
| نظام العرض الإلكتروني للخرائط (ECDIS) | جمع ودمج البيانات من مستشعرات الملاحة الإلكترونية؛ عرض موقع السفينة في الوقت الحقيقي |
| GPS وGNSS | عرض موقع السفينة وسرعتها ومسارها ووقتها |
| الرادار | توفير معلومات عن محيط السفينة؛ كشف موقع الأجسام وسرعتها |
| النظام العالمي للاستغاثة البحرية (GMDSS) | بث رسائل الاستغاثة المتعلقة بالسلامة؛ إرسال واستقبال تنبيهات السلامة الحرجة |
| أنظمة التحكم الصناعية (ICSs) | تقليل الأخطاء البشرية؛ زيادة إنتاجية الموارد؛ إطالة عمر المعدات؛ التحكم في المعايير على متن السفينة ومراقبتها |
| المحطة الطرفية ذات الفتحة الصغيرة جدًا (VSAT) | إرسال البيانات واستقبالها عبر شبكة أقمار صناعية؛ تقديم خدمات الاتصالات والأمن المتنوعة |
| أنظمة الدفع وإدارة الآلات والتحكم في الطاقة | مراقبة وتنظيم الآلات والدفع والتوجيه على متن السفينة |
| نظام المراقبة بالفيديو | مراقبة عمليات النقل في مناطق التخزين الكبيرة والسفن الكبيرة |
| أنظمة شبكات تقنية المعلومات | إرسال البيانات واستقبالها وتخزينها للعمليات الداخلية والخارجية؛ رفاهية الطاقم؛ الأجهزة الشخصية للطاقم (BYOD) |
يتيح الاستخدام الواسع للأتمتة وأنظمة تقنية المعلومات في السفن الحديثة فرصًا جديدة للمخترقين والفاعلين الخبثاء لتنفيذ هجمات سيبرانية مختلفة قد تؤدي إلى حوادث كارثية وخسائر كبرى في السلامة [3،6،24]. وقد بُذلت جهود بحثية واسعة من المجتمع البحثي لتحديد نقاط الضعف في الصناعة البحرية الحديثة [3،6،24،25،26،27]، وأُبلغ عن العديد من حالات الجرائم السيبرانية الناجحة في السنوات الأخيرة [24،25]. ووفقًا لـ [24]، فإن الدوافع الشائعة الرئيسية لهذه الهجمات هي الحصول على تحكم عن بُعد في السفن، أو سرقة معلومات مهمة وسرية يمكن استخدامها لشن هجمات لاحقة، أو تعطيل عمليات السفينة عبر إتلاف مكونات مهمة وجعل الأنظمة الآلية غير متاحة. وفي الواقع، فإن معظم أنظمة تقنية المعلومات في السفن الحديثة غير آمنة وعرضة للهجوم لأنها تُعد أقل حرجية للأمن والأداء [6]. وفي هذا القسم ندرس الهجمات السيبرانية على السفن الحديثة وذاتية القيادة بناءً على أنظمة الأتمتة المخترقة فعلًا والحوادث الواقعية.
تتواصل أجهزة الإرسال والاستقبال في AIS عبر الأثير دون أي تحقق من المصادقة أو السلامة، مما يتيح للمخترقين استخدامها لنشر رسائل مزيفة [24]. وكما ذُكر في [11]، يستخدم المهاجمون الراديو المعرف برمجيًا لإثارة إشارات مزيفة كـ«رجل في الماء»، وجعل السفينة غير ملحوظة، وبث تقارير طقس مزيفة. والثقة في بيانات قد تكون غير دقيقة يمكن أن تؤدي إلى خيارات سيئة ونتائج كارثية. كما أن بيانات AIS متاحة مجانًا للجمهور عبر مواقع مثل Vessel Finder وMarine Traffic [28]. وفي هذا السياق، انتقدت المنظمة البحرية الدولية الكشف عن معلومات السفن ومساراتها لأن هذه المعلومات قد تكون مفيدة جدًا في حال وقوع هجوم مستهدف.
إن تقنيات GPS والملاحة المستخدمة بنشاط في القطاع البحري أهداف محددة لهجمات سيبرانية متنوعة تهدف إلى استغلال عيوب التصميم لزعزعة الخدمات المعتمدة على هذه التقنيات [29]. وتمثل هذه الهجمات مخاطر متوسطة إلى عالية لأنه، إضافة إلى انتهاكات البيانات وبروتوكولات الخدمة، توجد إمكانية حدوث أضرار مادية. وقد أُبلغ عن عدة هجمات حاولت استغلال هذه التقنيات [30،31،32]؛ فعلى سبيل المثال، مكّنت إشارات GPS المزيفة المهاجمين من تحويل مسار سفينة دون إطلاق إنذار أو تنبيه من نظام المناولة [30]. وفي حادثة مشابهة، أثر التشويش على إشارات GPS في كوريا الجنوبية على استقبال الإشارات في أكثر من 1000 طائرة و700 سفينة لأكثر من أسبوع. ويمكن تصنيف هذه الهجمات بأنها متوسطة إلى عالية الصعوبة وهي ناتجة عن تصاميم ومعايير أنظمة GPS والملاحة. ووفقًا لـ [33]، تحتوي أنظمة الاتصالات عبر الأقمار الصناعية (SATCOMs)، بما فيها تلك التي تربط السفن عبر الإنترنت ببعضها وبالبر الرئيسي، على عدد كبير من نقاط الضعف والثغرات الأمنية الحرجة مثل الأجهزة التي تستخدم بروتوكولات غير آمنة أو حتى غير موثقة، وحسابات الإعداد الافتراضية، وإمكانية استغلال وظيفة إعادة تعيين كلمة المرور، والأبواب الخلفية.
يُعد النظام العالمي للملاحة بالأقمار الصناعية (GNSS) من أكثر الأنظمة ترابطًا، ونتيجة لذلك فإن السفن ذاتية القيادة التي تعتمد على اتصالات أقمار صناعية محسنة لنقل أوامر التشغيل وبيانات المستشعرات قد تكون عرضة للهجمات السيبرانية [34]، كهجمات حجب الخدمة وتعديل الحزم وهجمات الرجل في المنتصف. وعلاوة على ذلك، فإن إشارات الأقمار الصناعية منخفضة الطاقة تمثل عيبًا تقنيًا كبيرًا بسبب سهولة التشويش، ونتيجة لذلك يُعد الانتحال والتشويش عيبين كبيرين قد يمثلان هجمات عالية التكلفة ومنخفضة الجهد [35،36]. وبالإضافة إلى ذلك، ولأن العديد من أنظمة السفن تعتمد اعتمادًا كبيرًا على التموضع بالأقمار الصناعية، فإن فشل GNSS يمكن أن يؤدي إلى تعطل أنظمة السفن الأخرى (مثل AIS). ويجب أن تكون أنظمة النقل الذاتية قادرة على التواصل مع الأطقم التشغيلية من الأطقم الأرضية، مما يتيح للهجمات السيبرانية السيطرة الكاملة على عمليات النقل الحرجة، ويفتح نطاقًا أوسع من الهجمات والحوافز للمتسللين [10،15].
دُرست المشكلات الأمنية المتعلقة بـ ECDIS بعمق في دراسات عديدة [9،37،38،39،40]. ففي الواقع توجد قائمة طويلة من العيوب في تطبيقات برمجيات ECDIS؛ إذ يعمل النظام غالبًا على حواسيب قديمة لا تتوفر لها تحديثات أمنية، وتُنزّل الخرائط من الإنترنت أو تُرفع يدويًا عبر USB، مما قد يعرض النظام للاختراق أثناء محاولة تحديث الخرائط، ويفتح وسيط التحديث هذا مجالًا واسعًا للهجوم [38]. ودرس الباحثون في [40] برمجيات ECDIS واكتشفوا عدة عيوب أمنية قد تتيح للمهاجم حذف ملفات النظام أو إعادة تثبيتها، وحقن محتوى خبيث. ونتيجة لذلك، يمكن إرسال بيانات مستشعرات معدلة إلى ECDIS للتأثير على قرارات الملاحة، مسببةً التصادمات [38،39].
مع الاستخدام الواسع لـ VSAT في الصناعة البحرية الحديثة، تحتاج بعض جوانب شبكة VSAT، كالشفافية في الإرسال والانفتاح، إلى تحسين لمواجهة التهديدات الأمنية، خاصة الوصول غير المصرح به وهجمات الاعتراض [41]. ففي عام 2014، اختبرت IOActive [42] عدة أجهزة VSAT من بائعين مختلفين وخلصت إلى أن جميع الأجهزة المختبرة كانت عرضة للاختراق على مستوى التطبيق لأنها استخدمت إرسالًا بنص عادي دون مصادقة أو تشفير أو أمن أو تحقق من المعلومات الشخصية. ونتيجة للحماية الضعيفة، يمكن للمهاجمين إرسال إشارات زائفة أو شيفرة خبيثة إلى الجهاز لتعطيله أو اختراق النظام، ومنع السفينة من الإبحار الآمن. وكما ورد في [41،42]، توفر مجمعات AIS عادةً بيانات مواقع السفن، والخطر الحقيقي أن واجهات شبكة VSAT يمكن العثور عليها على الإنترنت باستخدام أدوات مثل Shodan Ship Tracker، مما قد يكشف معلومات قيمة وحساسة كأسماء العلامات التجارية ورموز المنتجات وبيانات أخرى يمكن استخدامها في الهجمات السيبرانية. وعادةً ما تكون المعلومات القياسية متاحة على مواقع البائعين، وتستمر العديد من المحطات في استخدام إعدادات المصنع نفسها، بما فيها اسم المستخدم وكلمة مرور الخادم. ويمكن للمهاجم تغيير إحداثيات GPS والإعدادات، وتنزيل برمجيات خبيثة إذا عثر على واجهة VSAT مفتوحة، مما يتيح مزيدًا من اختراق الشبكة ويوفر الوصول إلى أنظمة الإدارة الحرجة [43].
رغم أن إشارات الرادار أصعب في التشويش من الأقمار الصناعية، إلا أنها تبقى عرضة للتداخل وهجمات حجب الخدمة الموزعة من الهجمات السيبرانية. ففي حال وقوع هجوم سيبراني، يمكن للرادار تقديم معلومات زائفة عن الأجسام القريبة بسبب الأصداء الكاذبة الناتجة عن موجات رادار خارجية، وهذه المعلومات غير الصحيحة يمكن أن تسبب حوادث تصادم السفن، بل قد تصطدم السفينة بجسم ما. ومن المهم ملاحظة أنه بينما يكون الرادار والترددات الأخرى في الطيف الكهرومغناطيسي عرضة للتداخل القائم على الضوضاء أو هجمات الانتحال الأكثر تقدمًا، فإن آليات تحقيق التأثير نفسه تختلف اختلافًا كبيرًا بين الأنظمة [44].
تؤدي أنظمة المراقبة بالفيديو (VSSs) دورًا حاسمًا في أمن وسلامة السفن والبضائع والطاقم في جميع أنواع السفن الحديثة [45]، وتُستخدم أساسًا لمراقبة العمليات الحرجة للسفينة وتتبعها وللحماية من هجمات الإرهابيين والقراصنة [45،46]. غير أن VSSs وُجدت مؤخرًا عرضة لعدة هجمات سيبرانية وظهر عدد من المشكلات الأمنية [24،46]؛ فعلى سبيل المثال، وجد باحثون من Bitdefender أن نموذجين من كاميرات الدوائر المغلقة المستخدمة في السفن الحديثة عرضة لعيوب تجاوز سعة المخزن المؤقت، وباستغلال هذه الثغرة تمكن الباحثون من تتبع أنشطة الكاميرا المخترقة والكتابة فوق كلمات المرور [46]. وعلاوة على ذلك، يمكن لهذه الثغرة أن تسبب تعطل نظام VSS أو، والأسوأ، أن تخلق نقطة دخول لهجمات سيبرانية أخرى [46].
صُممت معظم أنظمة التحكم الصناعية وبُرمجت بطريقة مستقلة عن المتطلبات الأمنية، وتُرسل البيانات بنص عادي [3،12]. وينبغي تقاسم أمن المكونات بين البائعين الذين يحافظون على هياكل تطوير آمنة والمشغلين الذين يضبطون المكونات وفق معايير الصناعة وأفضل الممارسات. وعلى أي حال، غالبًا ما يُفترض خطأ الخصم ولا يُتخذ أي إجراء، مما يكشف العديد من العيوب الحرجة لاستغلال المهاجمين [47]. ويجب على مصممي ومشغلي ICSs فهم قيود النظام، وضعف مكوناتها وبروتوكولاتها، لأنها حرجة لسلامة السفينة. وتتيح شبكة تقنية المعلومات الموزعة في السفينة لهذه الأنظمة التواصل مع بعضها، ويتيح الاتصال المستمر بين شبكة تقنية المعلومات والموقع المراقبة والاستكشاف وإصلاح الأخطاء عن بُعد، مع خفض تكاليف السفر الميداني وتبسيط جمع البيانات وتقييمها. ومن الشواغل الرئيسية أن المشغلين والمهندسين كثيرًا ما يتجاهلون السلامة من أجل الراحة والكفاءة، مما قد تكون له عواقب بعيدة المدى في صناعة الشحن بأكملها [48]. وهذا السلوك ناتج عن ضغوط تجارية لتوفير الوقت والالتفاف على السياسات الأمنية [24،39،48].
تُستخدم عدة أنواع من الشبكات في الصناعة البحرية لنقل البيانات المجمعة والمعالجة بواسطة أنظمة المعلومات الشبكية، ومن أمثلة هذه التقنيات SHIPNET وSAFENET ونظام C3I وRICE 10 ونظام SHIP 2000 والسفينة الذكية وTSCE [24]. وتعاني هذه التقنيات من العديد من نقاط الضعف الأمنية لأن تصميم وضبط روابط الاتصال بين شبكات تقنية المعلومات يولي اهتمامًا ضئيلًا لأساليب المصادقة والتشفير، مما يترك أنظمة قديمة وعرضة للاختراق متاحة على الإنترنت. وفي الواقع، غالبًا ما ترتبط أنظمة تقنية المعلومات على متن السفن بالمرافق البرية، مما يزيد خطر التهديدات المنهجية والمستمرة [49]. وتزيد الضغوط المالية والمتطلبات القانونية واحتياجات المراقبة والإدارة عن بُعد الحاجة إلى أنظمة تقنية المعلومات والاتصال الشبكي في صناعة الشحن الحديثة؛ غير أن هذه الأنظمة ستزيد حجم سطح الهجوم الذي يجب على فرق الأمن الدفاع عنه [3،12،46] وتخلق نقاط دخول إضافية يمكن للمخترقين استخدامها لدخول نظام السفينة. لذا يجب دراسة نقاط الضعف في هذه الأنظمة الآلية بعناية، كما يجب عزل شبكات التحكم الحرجة عن شبكات تقنية المعلومات والإنترنت في السفينة في منطقة آمنة.
وعلاوة على ذلك، يصبح العامل البشري أكثر تحديًا مع النظام البيئي المعقد المترابط في القطاع البحري، لذا فإن غياب ثقافة الأمن السيبراني قد يفيد أي مهاجم يريد الوصول إلى سفينة وأنظمةها وسرقة المعلومات الفعلية أو تعطيل عملياتها. ويلخص الجدول 2 نقاط الضعف الرئيسية لأنظمة السفن الحديثة وذاتية القيادة وعواقبها.
| النظام | نقاط الضعف | العواقب |
|---|---|---|
| AIS | تداخل الإشارات؛ نشر معلومات زائفة؛ برمجيات خبيثة؛ انتحال؛ غياب التشفير؛ تشويش الإشارات | اختطاف السفينة؛ تدمير البيانات؛ سرقة بيانات قيمة |
| ECDIS | أنظمة تشغيل متقادمة؛ وسائط تحديث غير آمنة | فقدان الاتصال بنظام الملاحة؛ اختطاف السفينة؛ سرقة بيانات حساسة؛ اختراق الحواسيب وأنظمة التشغيل |
| GNSS وGPS | هجمات التشويش؛ ضعف قوة الإشارة؛ التداخل؛ هجمات الانتحال؛ هجمات حجب الخدمة؛ تعديل الحزم | اختطاف السفينة؛ مشكلات في نظام الملاحة؛ معلومات GPS زائفة؛ تعطيل تشغيل السفينة؛ تأخير الخدمات |
| الرادار | هجمات التشويش؛ هجمات الانتحال؛ هجمات حجب الخدمة | فقدان الاتصال بنظام الملاحة؛ خسائر في الأرواح والبضائع؛ تأخير إدارة البضائع |
| GMDSS | برمجيات خبيثة؛ هجمات انتحال؛ هجمات حجب الخدمة | موقع خاطئ للسفينة؛ هجمات لاحقة على ECDIS |
| ICSs | إدارة وصول غير كافية؛ غياب دعم التحقق من السلامة؛ كشف المعلومات؛ سوء إدارة الترقيعات؛ أعطال الأجهزة؛ ضبط أمني غير سليم؛ غياب تجزئة الشبكة؛ سياسات كلمات مرور ضعيفة؛ غياب الجدران النارية؛ غياب التشفير؛ سياسات وصول عن بُعد ضعيفة؛ سياسة USB ضعيفة؛ غياب تدريب التشغيل الآمن | اختطاف السفينة؛ عدم توافر ICS؛ تسرب البيانات؛ أضرار مادية للمرافق؛ تداخل مع أنظمة السلامة؛ إيقاف غير مخطط؛ تلف المعدات |
| الدفع وإدارة الآلات والتحكم في الطاقة | هجمات البرمجيات الخبيثة؛ هجمات حجب الخدمة؛ التهريب؛ السرقة؛ هجمات التلاعب | اختطاف السفينة؛ تحويل مسارها؛ توقف الدفع؛ تلف السفينة؛ أضرار مالية؛ كشف بيانات حساسة |
| VSAT | إشارات مزيفة؛ هجمات برمجيات خبيثة؛ سرقة | سرقة بيانات حساسة؛ تحميل برمجيات خبيثة؛ تغيير إحداثيات GPS |
| أنظمة شبكات تقنية المعلومات | ضعف التحكم في الوصول؛ هجمات حجب الخدمة؛ سياسات كلمات مرور ضعيفة؛ هجمات برمجيات خبيثة؛ سوء إدارة الترقيعات؛ ضبط أمني غير سليم؛ توثيق أمني ضعيف؛ غياب تجزئة الشبكة؛ غياب الجدران النارية؛ غياب التشفير؛ سياسات وصول عن بُعد ضعيفة؛ سياسة USB ضعيفة؛ غياب تدريب التشغيل الآمن | تحميل برمجيات خبيثة؛ وصول مادي غير مصرح به؛ وصول منطقي غير مصرح به؛ فقدان وثائق سرية؛ أضرار مالية؛ سرقة بيانات حساسة؛ ضرر بالسمعة |
يبدو أن زيادة الأتمتة والذكاء الاصطناعي تفتح سبلًا جديدة للهجمات السيبرانية ضد صناعة الشحن، التي شهدت حوادث أمنية خطيرة في السنوات الأخيرة [24،49،50]. فالتقنية اللازمة لـ«انتحال» سفينة ليست مكلفة ويزداد سهولة العثور عليها وتنزيلها عبر الإنترنت. وقد أُبلغ فعلًا عن حوادث انتحال في البحر الأسود، حيث أبلغ عدد من السفن عن شذوذ في مواقعها المستمدة من GPS فوجدت نفسها ظاهريًا في مطار [51]. وفي المنطقة نفسها، تعرضت سفينة أيضًا لانتحال GPS: كانت في البحر لكن نظام تحديد المواقع على متنها ادعى أنها على اليابسة [33]. وعلاوة على ذلك، لوحظت تصادمات سفن وحوادث بحرية بسبب خلل أنظمة الملاحة مرات عديدة [52،53،54]؛ ففي مايو 2017 أدى هجوم انتحال إلى تصادم سفينة تابعة للبحرية الأمريكية مع قارب صيد كوري جنوبي [53]. وفي فبراير 2017، اختُركت بالكامل سفينة بسعة 8250 حاوية نمطية (TEU) في طريقها من قبرص إلى جيبوتي [54]، فسيطر المهاجم على نظام ملاحة السفينة لنحو 10 ساعات وكان القبطان عاجزًا عن فعل أي شيء لإعادة تشغيل السفينة. وفي هجوم تشويش GPS سابق، أبلغت كوريا الجنوبية عن تأثر أكثر من 280 سفينة بمشكلات في أنظمة الملاحة؛ إذ شوّش المخترقون إشارة GPS فماتت بعض الإشارات وتلقت أخرى بيانات غير صحيحة [55]. وعندما يفشل GPS في العمل الصحيح، يكون هناك خطر عالٍ جدًا لكارثة ذات عواقب وخيمة على الطاقم والسفينة والبيئة.
وفي حادثة حديثة [56]، أُصيبت شبكة نظام التحكم على متن سفينة أمريكية ببرمجية خبيثة، وهذه الشبكة تُستخدم عادةً لتحديث الخرائط الإلكترونية وإدارة بيانات البضائع والتواصل مع المرافق البرية. وأفاد مكتب التحقيقات الفيدرالي أن غياب الاستراتيجيات الأمنية على السفينة كان السبب الرئيسي لهذا الهجوم الذي تسبب في تعدين حرج لبيانات اعتماد أنظمة التحكم في السفينة. وفي حادثة مشابهة أخرى، اخترق مخترقون عن بُعد الحواسيب على متن مقاول للبحرية الأمريكية، وسرقوا كميات ضخمة من البيانات شديدة الحساسية (614 غيغابايت) [57]. وفي السنوات الأخيرة، أصبحت صناعة الشحن هدفًا جذابًا لهجمات الفدية بسبب النقص الملحوظ في الاستثمار في الأمن السيبراني واحتمال حدوث تعطيلات تشغيلية كبيرة [33]. ففي عام 2020، أُصيبت سفينتان بفدية Hermes 2.1 عبر حصان طروادة AZORult، وجاءت العدوى كمستند Word مفعّل بالماكرو مرفق برسالة بريد إلكتروني، وتأثرت عدة محطات عمل على الشبكات الإدارية [33،58]. وفي عام 2021، تعرضت عدة شركات شحن يونانية لهجوم فدية انتشر عبر أنظمة شركة استشارات تقنية [58]، وأظهرت هذه الحادثة حقيقة مخاطر سلسلة توريد تقنية المعلومات لملاك السفن ومديريها وصناعة الشحن، حيث تأثر عدد كبير منهم بالاختراق. وبعد أيام قليلة، اختُطفت سفينة وأبلغ ما يصل إلى ست سفن أخرى عن فقدان التحكم في التوجيه في خليج عمان، واعتُبرت هذه الحوادث «قرصنة سيبرانية» [59]. وفي حادثة سيبرانية أخرى، تأخر إبحار سفينة بضائع سائبة حديثة البناء لعدة أيام لأن ECDIS أُصيب بفيروس مجهول، ولا يزال مصدر العدوى ووسيلتها مجهولين [60]. ووفقًا لـ [60]، بلغت كلفة تأخير الإبحار والإصلاحات الإجمالية مئات آلاف الدولارات الأمريكية.
كما شهدت أنظمة تقنية المعلومات في الموانئ طفرة في الحوادث السيبرانية المرتبطة التي أثرت على البنية التحتية البحرية، وأكثر أنواع الهجمات شيوعًا هي التصيد والبرمجيات الخبيثة والهندسة الاجتماعية والقوة الغاشمة وحجب الخدمة. ففي مارس 2020، تعرض ميناء مرسيليا لفدية «Mespinoza/Pysa»، وتأثرت البنى التحتية البحرية بالهجوم بسبب ترابطها مع أنظمة المعلومات في إيكس-مرسيليا-بروفانس التي كانت الهدف الرئيسي للهجوم [61]. وفي حادثة واسعة النطاق أخرى، وقع نظام موانئ Maersk ضحية هجوم سيبراني كبير ناتج عن برمجية «NotPetya» الخبيثة، التي أثرت أيضًا على العديد من شركات الشحن الأخرى عالميًا، وبينما كانت سفن Maersk لا تزال في البحر توقفت محطات موانئها الـ 76 حول العالم [62]. وتبع هذه الحادثة في 2020 هجوم فدية خطير على شركة الشحن CMA CGM SA، أثر على بعض الخوادم في شبكتها ومنع العملاء من الوصول الخارجي إلى تطبيقات تقنية المعلومات وأنظمة الحجز في الشركة [63]. وهذا العام، كان ميناء هيوستن هدفًا لهجوم تضمن برنامج إدارة كلمات مرور يحتوي على ثغرة مجهولة سابقًا، واستغلها المخترقون لتثبيت شيفرة خبيثة منحت الوصول إلى الشبكات، واستخدموها لاستخراج بيانات اعتماد الدخول اللازمة للتحكم في الوصول إلى الشبكة [64]. ولحسن الحظ، صُدت محاولة الاختراق بنجاح و«لم يتأثر أي نظام». وتؤكد كل هذه الحوادث أن الهجمات السيبرانية الحديثة تتجاوز التلاعب بالملاحة أو العبث بالبضائع؛ إذ يمكنها تعطيل سلاسل التوريد المحلية والعالمية بل وتعريض حياة الطاقم أو الركاب على متن السفينة للخطر. ويعرض الجدول 3 أمثلة على الحوادث السيبرانية الحديثة في قطاع النقل البحري.
| السنة | الحادثة | العواقب |
|---|---|---|
| 2016 | هجوم تشويش GPS في كوريا الجنوبية [54] | تأثرت 280 سفينة |
| 2017 | هجوم سيبراني ضد نظام الملاحة [54] | اختطاف السفينة لمدة 10 ساعات |
| 2017 | هجوم سيبراني ضد نظام الملاحة [53] | تصادم سفينة تابعة للبحرية الأمريكية مع قارب |
| 2018 | هجوم انتحال GPS ضد سفن في البحر الأسود [51] | انحراف 20 سفينة إلى مطار |
| 2018 | اختراق حواسيب على متن السفن عن بُعد [57] | سرقة بيانات حساسة |
| 2018 | هجوم انتحال GPS [33] | التلاعب بموقع السفينة |
| 2018 | هجوم برمجية NotPetya الخبيثة [62] | تأثر البنى التحتية للشحن |
| 2018 | إصابة ECDIS بفيروس [60] | تأخير إبحار السفينة |
| 2019 | هجوم برمجية خبيثة استهدف سفينة أمريكية [56] | تعدين حرج لبيانات الاعتماد |
| 2020 | هجوم فدية Hermes 2.1 على سفينتين [33] | إصابة الشبكة بأكملها |
| 2020 | هجوم فدية «Mespinoza/Pysa» [33،61] | إصابة البنى التحتية البحرية |
| 2021 | هجوم فدية على شركات شحن [58] | تشفير جميع ملفاتها |
| 2022 | تثبيت شيفرة خبيثة [57] | الوصول إلى شبكة الميناء |
أصبحت السفن الحديثة وذاتية القيادة أهدافًا جاهزة لهجمات سيبرانية بارزة بسبب الاستخدام المتزايد للتقنيات الرقمية، لذا ينبغي اعتماد عدة إجراءات مضادة واستراتيجيات دفاع متعمق لبناء المرونة ضد التهديدات الأمنية الخارجية والداخلية [65،66]. أولها إنشاء نظام مراقبة مستمرة يمكنه توفير وعي ظرفي فوري بالحالة الأمنية للسفينة [65،67،68]. وفي هذا السياق، اقتُرحت تقنية البلوك تشين لتحسين أمن التحكم في السفن ذاتية القيادة في دراسات عديدة [65،69،70،71]. وتُقترح السمات الرئيسية لتقنية البلوك تشين، بما فيها التتبع والشفافية وقابلية التدقيق والثبات واللامركزية، لتمكين الاتصال الآمن والتخزين الآمن للبيانات المتبادلة بين السفن ومركز التحكم البري، وسيقضي استخدام هذه التقنية على بعض التهديدات الأمنية الحرجة لاتصالات السفن، كفقدان البيانات أو تغييرها من فاعلين خبثاء أو اختطافها [71]. ووفقًا لـ [70]، ستلعب تقنية البلوك تشين دورًا رئيسيًا في التعريف والتصديق وضمان سلامة البيانات وأمن المعلومات في مستقبل الصناعة البحرية والسفن ذاتية القيادة.
وبما أن جميع أنظمة السفن مترابطة، فإن نظامًا واحدًا مخترقًا يمكن أن يتيح للهجمات الوصول إلى جميع الأنظمة الأخرى، من نظام معالجة المياه إلى نظام إدارة المحرك، لذا يمكن أن يكون تصميم أنظمتي تقنية المعلومات والتكنولوجيا التشغيلية نفسه أصلًا قيمًا للدفاع ضد هجمات معينة أيضًا [65]. ووفقًا لـ [72]، فإن إحدى الآليات التي يمكن أن تزيد السلامة الملاحية هي نظام مصادقة رسائل الملاحة (NMA) المصمم لمنع الانتحال وتوفير مزيد من السلامة، إذ يتضمن مخطط NMA رسائل مصادقة في دفق رسائل الملاحة، لمصادقة المصدر، مع حماية السلامة التشفيرية لبيانات الملاحة [73]. ويمكن للمستقبِل كشف المتسللين الذين يحاولون توليد بيانات الملاحة أو تعديلها، فالمهاجم لا يستطيع محاكاة رسالة مصادقة لأنه لا يملك المفتاح اللازم لتوليدها. وبالنظر إلى مخاطر فشل ECDIS، أوضحت المنظمة البحرية الدولية الحاجة إلى ترتيبات احتياطية على متن السفن، وبما أن هذه الاحتياطيات لا توفر الوظائف الكاملة لـ ECDIS، فينبغي استخدامها جنبًا إلى جنب مع الخرائط الورقية الحالية، وتختار العديد من شركات الشحن ذات السمعة تركيب ECDIS ثانٍ على متن السفينة لتقليل خطر فشله [74].
ونظرًا للكميات الهائلة من البيانات التي تميل السفن إلى توليدها، تُفضل آليات مصادقة وضبط وصول فعالة في معظم الظروف [65،67،68]. ويجب على مجتمع الشحن تطبيق بنية تحتية للمفاتيح العامة (PKI) ليعمل نظام الثقة الإلكتروني؛ لأن PKI ستتيح للمستخدمين والأنظمة التحقق من شرعية الجهات الحاملة للشهادات، مع تبادل المعلومات فيما بينها بأمان. وتعمل العديد من بنى PKI فعلًا، وأغلبها مؤسس على أساس تجاري من جهات خاصة. ويمكن إنشاء PKI للشحن تكون فيها المنظمة البحرية الدولية الجهة الموثوقة العليا («سلطة الشهادات الجذرية CA») وتليها مباشرة دول العلم [75]، التي تملك صلاحية إصدار مفاتيح وشهادات جديدة لسلطات الدول الساحلية والسفن التي ترفع علمها والمنظمات المعترف بها والموانئ وغيرها ممن يحتاجون شهادة مفتاح عام متاحة دوليًا. كما يمكن إصدار الشهادات لملاك السفن أو المنظمات الأخرى التي تؤدي أدوارًا مهمة في مجتمع الشحن الدولي للاتصال الآمن وتبادل المعلومات الرقمية [76]. وأشارت الدراسة في [77] إلى أنه بناءً على الارتباط المكاني، يُستخدم هيكل مصفوفة هوائيات لكشف إشارات الانتحال والتخفيف منها؛ إذ يمكن لهذه الطريقة كشف إشارات التداخل دون الحاجة إلى معايرة المصفوفة أو أي معلومات عن اتجاهها، وهي قادرة على تمييز هجمات الانتحال التي تستخدم هوائي إرسال واحد بفعالية، وبما أن جميع إشارات الانتحال تشترك في خصائص قناة الانتشار نفسها، فإن أداءها لا يتأثر بالانتشار متعدد المسارات. وبما أنها تتطلب استخدام فروع هوائيات متعددة، يزيد هذا الإجراء التعقيد المادي لمستقبِل GPS، لأنه يجب أن يلتقط إشارات الانتحال والأصيلة ويتتبعها لتمييز رموز الانتحال؛ وتزيد هذه الطريقة الكثافة الحسابية لمستقبِل GPS.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يكون وصول الأطراف الثالثة إلى الأنظمة، كمقدمي حلول الوصول عن بُعد، إشكاليًا لأنه يصعب تحديد الوضع الأمني لهذه المنظمات ولا تُدرج شبكاتها عادةً في التقييمات الأمنية، وينبغي أن يتم ذلك بطريقة تؤكدها جهة حاضرة فعلًا على السفينة. ومن المهم تقييم كل من هذه العوامل لتقليل احتمال ثغرة أمنية قد تتيح للمهاجم الوصول إلى نظام السفينة أو التنقل في الشبكة دون عائق [33]. ومن أولى خطوات التخفيف من هجوم محتمل الوعي بنقاط الضعف، التي هي أساسًا ثغرة في الشبكة. غير أن دمج خطة أمنية شاملة في أنظمة شبكات السفينة يوفر الطريقة الأكثر فعالية للاستعداد للأسوأ ومعرفة كيفية التعافي. ولتحقيق ذلك، ينبغي إجراء تقييم شامل للمخاطر، وسيساعد ذلك في تطوير استراتيجية قوية لمخاطر الأمن السيبراني. وفي سياسات الأمن البحري، يؤدي العامل البشري دورًا مهمًا داخل المنظمة، إذ يمكن أن يكون الحلقة الأضعف، لكنه من جهة أخرى خط الدفاع الأول في السلسلة السيبرانية [33،78،79]. ومن هذا المنظور، يصبح العامل البشري أكثر تحديًا مع نظام بيئي معقد مترابط كالموجود في القطاع البحري؛ فالسفن والموانئ والأطراف الثالثة تعمل غالبًا بأطقم متناوبة بمستويات مختلفة من فهم الأمن السيبراني، قد لا تكون ملمة تمامًا بالتشغيل الآمن للأنظمة ذات الصلة وممارسات النظافة السيبرانية الراسخة. وقد يفيد غياب ثقافة الأمن السيبراني أي مهاجم يريد الوصول إلى سفينة وأنظمتها وسرقة المعلومات الفعلية أو تعطيل عملياتها. ومن ثم هناك حاجة حرجة في الصناعة البحرية لتعزيز مستوى الوعي والفهم المتعلق بالمخاطر السيبرانية الفعلية، والطريقة الأكثر فعالية لتحقيق ذلك هي تعزيز ثقافة الأمن السيبراني التي تشمل، ضمن أمور أخرى، التوعية بالأمن السيبراني والتدريب والتعليم والتصديق للأجزاء ذات الصلة بتشغيل السفينة (الطاقم والأطراف الثالثة والموانئ والمشغلون) [60].
وأخيرًا، تُستكشف أنظمة دفاع تعاونية تُشرك أصحاب مصلحة متعددين [16،80]، ويمكن لهذه الأنظمة المشاركة في تحديد الهجمات السيبرانية المحتملة والتخفيف منها على مستويات متعددة، إذ يمكن إيصال الكشف والإجراءات المضادة المتخذة لهجوم على سفينة واحدة إلى السفن ذاتية القيادة الأخرى في الأسطول. ويعرض الجدول 4 الإجراءات المضادة والتخفيفية الممكنة التي يمكن أن تساعد في بناء المرونة ضد التهديدات الأمنية الخارجية والداخلية.
| النظام | إجراءات التخفيف |
|---|---|
| AIS | التحقق من جميع معلومات AIS؛ تشفير إشارات VHF؛ مراقبة سلامة معلومات البث للتأكد من صحة الموقع والهوية؛ تأمين معدات بث إشارات AIS ومنع الوصول غير المصرح به؛ مراعاة تحذيرات الملاحة المحلية عند بث إشارات AIS زائفة |
| ECDIS | اعتماد دورات حياة تطوير آمنة؛ التوثيق والمراقبة والترقيع المنتظم لإطار ECDIS؛ مراقبة تحديثات خرائط ECDIS وتسجيلها خاصة اليدوية عبر CD أو USB؛ فحص جميع ملفات الترقية ببرامج مكافحة الفيروسات؛ فحص الشبكة الداخلية المرتبطة بـ ECDIS لعزله أو حجبها بجدار ناري؛ قصر الوصول المادي على الموظفين المعتمدين |
| GNSS وGPS | تعريف الأجهزة ومصادقتها؛ الحماية التشفيرية؛ حماية المعلومات المخزنة |
| الرادار | تعريف الأجهزة ومصادقتها؛ الحماية التشفيرية؛ النسخ الاحتياطي لنظام المعلومات |
| GMDSS | الحماية التشفيرية؛ تعريف الأجهزة ومصادقتها؛ حماية المعلومات المخزنة؛ ضبط الوصول المادي؛ خطة الطوارئ |
| ICSs | استخدام التشفير لحماية كلمات المرور؛ ضوابط إدارة الإعدادات والترقيعات؛ حماية الاتصالات بين المناطق الأمنية؛ حماية جميع أجهزة ICS المتصلة بالإنترنت وتحديث كلمات المرور بانتظام؛ تجزئة الشبكة وقواعد الجدران النارية؛ حماية ملفات كلمات المرور؛ فرض كلمات مرور قوية؛ سياسة وصول عن بُعد ملموسة؛ تدقيق الوصول عن بُعد؛ حجب منافذ USB غير الضرورية؛ التدريب على التوعية بالأمن السيبراني لجميع المستخدمين |
| الدفع وإدارة الآلات والتحكم في الطاقة | النسخ الاحتياطي لنظام المعلومات؛ الحماية من حجب الخدمة؛ مراقبة الوصول المادي |
| VSAT | النظر في أنظمة اتصالات مشفرة؛ دراسة آليات الدفاع السيبراني لمقدم الخدمة بعناية دون الاعتماد عليها وحدها؛ الامتثال الصارم للمصادقة وإدارة التحكم في الوصول؛ حماية المعلومات المخزنة |
| أنظمة شبكات تقنية المعلومات | النسخ الاحتياطي لنظام المعلومات؛ المصادقة وضبط الوصول؛ فصل وظائف الطاقم عن وظائف الأعمال؛ ضمان آليات الحماية من التهديدات؛ تعزيز نظام إدارة الإعدادات والترقيعات والتحديثات؛ ضمان سياسة BYOD؛ التدريب على التوعية بالأمن السيبراني لجميع المستخدمين |
| العامل البشري | تعزيز ثقافة الأمن السيبراني داخل المنظمة؛ بناء علاقات مع أعضاء سلسلة التشغيل؛ ضمان التدريب على الوعي السيبراني؛ تقييم فعالية التدريب بتمارين سيبرانية؛ تعزيز النظافة السيبرانية بين أطراف التشغيل |
رغم أن الصناعة البحرية تواجه على نطاق واسع تحديات الأمن السيبراني نفسها التي تواجهها القطاعات الأخرى، يتضح بشكل متزايد أنها تنطبق عليها صفة البنية التحتية الحرجة التي يستهدفها مجرمو الإنترنت، كما تواجه مخاطر قد تُعد فريدة لطبيعة هذه الصناعة. فعلى سبيل المثال، يمكن لهجوم سيبراني ناجح أن يوقف سفينة، أو يكشف معلومات قيمة، أو يعطل AIS في السفينة، و/أو ينشئ تقارير AIS زائفة أو مضللة تسهل القرصنة السيبرانية والفاعلين الإجراميين أو الإرهابيين أو حتى الحكوميين. استعرضت هذه الورقة التهديدات الأمنية الحالية ونقاط الضعف في صناعة الشحن الحديثة، وناقشت في هذا السياق أنواعًا مختلفة من الهجمات السيبرانية التي يمكن أن تواجهها هذه السفن جنبًا إلى جنب مع حوادث واقعية. ومن الحوادث السيبرانية العديدة المبلغ عنها وعواقبها، يوجد دليل واضح على أن كل سفينة أو ميناء معرض لخطر الهجمات السيبرانية إذا لم تُحمَ أنظمة المعلومات الرئيسية حماية كافية. لذا ينبغي تجهيز أنظمتي تقنية المعلومات والتكنولوجيا التشغيلية في السفن الحديثة بتدابير أمنية معززة نظرًا لضعفها الكبير أمام التهديدات السيبرانية. وناقشنا في هذه الورقة بعض الإجراءات المضادة الممكنة التي يمكن أن تخفف الهجمات السيبرانية المحتملة وتجعل صناعة الشحن هدفًا صعبًا، مثل تطبيق معيار أمني جديد يقلل عدد الهجمات السيبرانية ونطاقها. غير أن العديد من التحديات الأمنية تبقى دون حل، خاصة مع الاستخدام المتزايد للسفن ذاتية القيادة وشبه ذاتية القيادة.
| المختصر | المعنى |
|---|---|
| AI | الذكاء الاصطناعي |
| AIS | نظام التعريف الآلي |
| CA | سلطة الشهادات |
| ECDIS | نظام العرض الإلكتروني للخرائط والمعلومات |
| GMDSS | النظام العالمي للاستغاثة والسلامة البحرية |
| GPS | نظام تحديد المواقع العالمي |
| IBS | نظام الجسر المتكامل |
| ICS | نظام التحكم الصناعي |
| ICT | تقنيات المعلومات والاتصالات |
| IMO | المنظمة البحرية الدولية |
| IT | تقنية المعلومات |
| GNSS | النظام العالمي للملاحة بالأقمار الصناعية |
| NMA | مصادقة رسائل الملاحة |
| OT | التكنولوجيا التشغيلية |
| PKI | البنية التحتية للمفاتيح العامة |
| Radar | الكشف الراديوي وتحديد المدى |
| VSAT | المحطة الطرفية ذات الفتحة الصغيرة جدًا |
| VSS | نظام المراقبة بالفيديو |
Cyberattacks have been rapidly increasing over the years, resulting in big financial losses to businesses for recovery, regulatory sanctions, as well as collateral damages, such as reputation and trust. In this respect, the maritime sector, which until now was considered safe due to the lack of Internet connectivity and the isolated nature of ships in the sea, is showing a 900% increase in cybersecurity breaches on operational technology as it enters the digital era. Although some research is being conducted in this area, maritime cybersecurity has not been deeply investigated. Hence, this paper provides a close investigation of the landscape of cybersecurity in the maritime sector with the aim of highlighting security problems and challenges. First, it explores the systems available on ships that could be targeted by attackers, their possible vulnerabilities that an attacker could exploit, the consequences if the system is accessed, and actual incidents. Then, it describes and analyses possible mitigation actions that can be utilised in advance to prevent such attacks. Finally, several challenges and open problems are discussed for future research.
Today's global maritime sector is increasingly reliant on digitalisation, operational integration, and automation [1,2]. Leading shipbuilders and operators seek to innovate by utilizing cutting-edge technologies and systems that go beyond traditional designs to create ships with advanced remote control, communication, and connectivity capabilities [3]. Those capabilities are tested through various autonomous vessel projects. Mayflower was the first fully autonomous vessel that attempted to cross the Atlantic Ocean by using Artificial Intelligence (AI) technology and the energy from the Sun [4]. The vessel failed in its first attempt to cross the Atlantic, but it will try to sail across the Atlantic again this year. The Nippon Foundation will also test the first fully autonomous long-range commercial sail by February 2022 [5]. Autonomous vessels and modern ships contain a fleet of sensors (e.g., radar, LiDAR, high-definition cameras, thermal imaging, sonar, etc.) and many Operational Technology (OT) systems, which are interconnected with each other to give the ship's AI a precise combined image of the surrounding environment [6,7]. Their levels of automation can progress from fully manned ships to partially operated, remotely operated, partially autonomous, and fully autonomous unmanned ships [6,8]. The adoption of Information and Communications Technology (ICT) in the shipping industry is certainly accompanied by an explosion of cyber risks, with existing risks being increased and new risks being introduced [9]. Therefore, ensuring the safety and security of an autonomous ship cannot be ensured, and it is not possible to rely on previous system knowledge [2,3,6]. Instead, it necessitates a novel security approach, which considers all of the various systems onboard and onshore, as well as how they interact [2,3,9,10].
According to the European Directive "EU 2016-679", cyber-enabled ships are among the most critical infrastructures that already rely heavily on digital services, while malicious disruption of their operations can lead to financial and environmental damage or even endanger human safety [7]. Although some research is being conducted in this area [2,3,6,9,11], maritime cybersecurity has not been deeply investigated. In this paper, we first identify security issues and threats that the modern shipping industry is facing, especially those targeting the systems available on ships. Then, we describe possible mitigation actions that can be utilised in advance to prevent such attacks, and finally, we discuss several challenges and open problems for future research. The remainder of this article is structured as follows: the next section (Section 2) provides the background of the main systems available on modern and autonomous ships that could be targeted by attackers, while Section 3 presents the possible vulnerabilities and major security threats of these systems. Section 4 presents and discusses actual reported incidents in the last few years. Available security countermeasures and possible mitigation actions are discussed in Section 5, and finally, Section 6 concludes the paper and outlines directions for future research.
Modern and autonomous ships are equipped with a variety of complex automated systems that have made the sea a much safer place than before [3]. However, some of these systems are often insecure and vulnerable to attack because they are considered less critical to security and performance [11]. As shown in Figure 1, these systems include navigation systems, radio detection and ranging (radar), Automatic Identification Systems (AISs), communications systems, and control systems for the wide range of electromechanical systems on board ships, such as the main engine, generators, converter drives, etc. [3,12].
Navigation systems include the Electronic Chart Display and Information System (ECDIS), the Global Positioning System (GPS), and the Global Navigation Satellite System (GNSS). GPS and GNSS are crucial enablers for modern and autonomous shipping worldwide [14]. Satellite positioning can be used in conjunction with other situational awareness systems that provide relative positioning information for decision-making [11]. The Automatic Identification System (AIS) is a radio broadcasting system that operates on both ships and shores. It is used for vessel traffic monitoring and assistance and to notify port and maritime authorities of the ship's location. It is also very useful for accident investigation, search and rescue operations, and weather forecasting [11,15]. In fact, the ability to rely on transmitted data is crucial to maintain situational awareness and avoid collisions at sea. ECDIS is an integrated electronic navigation system that combines the data obtained from a number of electronic navigation sensors, such as GPS, radar, and AIS, and displays it in the form of a graphic image [12]. The International Maritime Organization (IMO) requires all commercial vessels to have ECDIS, which is typically installed on the bridge [11]. Radio detection and ranging (radar) is also a crucial system for modern ships because it provides valuable information about the ship's surroundings and also detects physical objects using radio waves, e.g., microwaves in the electromagnetic spectrum [16].
In order to ensure high-speed data transmission rates throughout naval operations, most modern ships and vessels are equipped with the Maritime Very Small Aperture Terminal (VSAT), which acts as a ground station for the satellite to transmit and receive data from the antenna. The transceiver is mounted above the deck to align with the satellite view, and the control unit is located beneath the deck and serves as the computer's interface [17]. VSAT offers a variety of communication and security services such as ECDIS, AIS, telephone, Internet, cargo handling, wireless integration, crew welfare, and weather forecasting. The modern shipping industry is also seeing an increase in demand for automated intelligent video surveillance systems to monitor transport operations, especially in large storage areas, generators, and large vessels carrying valuable cargo [12].
In addition, shipping and maritime industries are heavily dependent on Shipboard Industrial Control Systems (ICSs) and IT network systems [3,12]. ICSs help to quickly collect and aggregate security and operational data from the entire ship's control and automation systems. It monitors temperature, pressure, level, viscosity, flow control, speed, torque, voltage, current, and machinery and equipment status on board in order to maintain safety and operational reliability and to keep up with an evolving threat landscape [18,19]. The Global Maritime Distress System (GMDSS) [20], propulsion control system [21], Integrated Bridge Systems (IBSs), machinery management [22], and power control systems [23] are other key features of the automation systems on board a ship that play an increasingly important role in facilitating the smooth, safe, and efficient operation of the ship. As the complexity, digitalisation, and automation of systems in the maritime industry increase, modern ships and vessels are confronted with an increasing number of new challenges related to the security and data protection of IT systems on board ships [3,6,24]. Recently, several cybercrime cases have been reported in the maritime industry, while others remain unknown as shipowners are not willing to report them for potential reputational damage [24]. Potential threats to the security and privacy of shipboard IT systems are discussed in the next section, along with actual incidents of cyberattacks against these systems. Table 1 presents a summary of the main automation systems in modern and autonomous ships and their uses. All these systems represent attack surfaces that malicious actors can exploit in order to get unauthorized access to the ship, which is the topic discussed in the next section.
| System | Use |
|---|---|
| Automatic Identification System (AIS) | Vessel traffic monitoring and assistance; avoid collision; notify ports and maritime authorities of the ship's location; calculate distance between ships; ensure sea safety by monitoring traffic; accident investigation and search and rescue operations |
| Electronic Chart Display Information System (ECDIS) | Collect and combine data from electronic navigation sensors; show the ship's position in real time |
| GPS and GNSS | Display the ship's position, speed, route and time |
| Radar | Provide information about the ship's surroundings; detect position and speed of objects |
| Global Maritime Distress System (GMDSS) | Broadcast distress messages related to safety issues; send and receive critical safety alerts |
| Industrial Control Systems (ICSs) | Assist in reducing human errors; increase resource productivity; extend equipment life; control and monitor onboard parameters |
| Very Small Aperture Terminal (VSAT) | Send and receive data via satellite network; offer a variety of communication and security services |
| Propulsion, machinery management and power control systems | Monitor and regulate onboard machinery, propulsion and steering |
| Video Surveillance System | Monitor transport operations in large storage areas and large vessels |
| IT Network Systems | Send, receive and store data for internal/external processes; crew welfare; crew personal devices (BYOD) |
The extensive utilisation of automation and IT systems in modern ships provides new opportunities for hackers and malicious actors to implement different cyberattacks that could lead to catastrophic incidents and cause major safety losses [3,6,24]. Extensive research efforts have been made by the research community to identify vulnerabilities in the modern maritime industry [3,6,24,25,26,27], and many successful cybercrime cases have been reported in the last few years [24,25]. According to [24], the main common motivations for these attacks are to gain remote control over ships and vessels, to steal important and confidential information that can be used for launching further attacks, or to disrupt the ship's operations by corrupting important components and making the automated systems unavailable. In fact, most of the IT systems in modern ships are insecure and vulnerable to attack because they are considered less critical to security and performance [6]. In this section, we investigate cyberattacks on modern and autonomous ships based on the already hacked automation systems and actual incidents.
The AIS transponders communicate over the air without any authentication or integrity checks, which allows hackers to use it to spread fake messages [24]. As stated in [11], software-defined radio is used by attackers to instigate fake "man-in-the-water" signals, making the ship unnoticed, and transmitting fake weather reports. Trusting in possibly inaccurate data can lead to poor choices and disastrous results. AIS data are also freely accessible to the public through websites such as Vessel Finder Limited and Marine Traffic [28]. In this context, the IMO criticised the disclosure of information about ships and their itineraries because this information can be very useful in the event of a targeted attack.
GPS and navigational technologies, which are actively used in the maritime sector, are specific goals of various cyberattacks that aim to exploit design flaws to destabilise services that depend on these technologies [29]. Such attacks pose medium to high risks because, in addition to data and service protocol violations, there is the possibility of physical damage. Several attacks have been reported that attempted to exploit this set of technologies [30,31,32]. For instance, spoofed GPS signals enabled attackers to reroute a vessel without triggering an alarm or alert from system handling [30]. In a similar incident, GPS signal jamming in South Korea affected the signal reception of more than 1000 aircraft and 700 ships for more than a week. Such cyberattacks can be classified as medium to high difficulty and are the result of the designs and standards of GPS and navigation systems. According to [33], Satellite Communication Systems (SATCOMs), including those connecting vessels via the Internet with each other and with the mainland, contain a large number of vulnerabilities and critical security holes such as devices using unsecured or even undocumented protocols, factory-set-up accounts, the ability to exploit the password reset function, and backdoors.
One of the most interconnected systems is the Global Navigation Satellite System (GNSS). As a result, autonomous vessels that rely on improved satellite communications to transmit operational commands and sensor data may be at risk of cyberattacks [34], such as denial-of-service attacks, packet changes, and man-in-the-middle attacks. Furthermore, low-power satellite signals have a significant technical disadvantage due to simple congestion. As a result, spoofing and jamming are considerable flaws that may represent high-cost and low-effort attacks [35,36]. Additionally, because many ship systems rely heavily on satellite position, GNSS failure can lead to the breakdown of other ship systems (e.g., AIS). Autonomous transportation systems must be capable of communicating with operational crews from ground crews, allowing cyberattacks to take full control of critical transport operations, allowing for a broader range of attacks and incentives for intruders [10,15].
Security issues related to ECDIS have been deeply investigated in many studies [9,37,38,39,40]. In fact, there is a long list of flaws in ECDIS software implementations. The system is frequently run on old computers, which have no security updates available. The maps are downloaded from the Internet or manually uploaded via USB to the system, which may cause a compromise of the system while trying to update the maps. This update medium can open much room for attack [38]. The authors in [40] investigated ECDIS software and discovered several security flaws that could allow an attacker to delete or reinstall system files, as well as inject malicious content. As a result, altered sensor data can be sent to ECDIS to affect navigation judgements, thereby causing collisions [38,39].
With the widespread use of VSAT in the modern maritime industry, some aspects of the VSAT network, such as the transparent transmission and the openness, need to be improved to counter security threats, especially unauthorised access and interception attacks [41]. In 2014, IOActive [42] tested several VSATs from different vendors and concluded that because they used plain text transmission with no authentication, encryption, security, or verification of personal information, all the tested devices were vulnerable at the implementation levels. As a result of the weak protection, attackers can send false signals or malicious code to the device to disable it or compromise the system, preventing the vessel from safely navigating. As reported in [41,42], AIS aggregators typically provide ship location data. The real risk is that VSAT network interfaces can be found on the Internet using tools such as the Shodan Ship Tracker. This can reveal valuable and sensitive information such as brand names, product codes, and other data that could be used in cyberattacks. Standard information is typically available on vendors' websites, and many terminals continue to use the same factory settings, including the username and server password. An attacker can alter the GPS coordinates and settings, as well as download malicious software if he/she finds an open VSAT interface, and this enables further network hacking and provides access to critical management systems [43].
Although radar signals are more difficult to interrupt than satellites, they are still susceptible to interference and DDoS attacks from cyberattacks. In the event of a cyberattack, radar can provide false information about nearby objects due to false echoes caused by external radar waves. This incorrect information can cause ship collision accidents. It is important to note that while radar and other frequencies in the electromagnetic spectrum are susceptible to noise-based interference or more advanced spoofing attacks, the mechanisms to achieve the same effect vary significantly between systems [44].
Video Surveillance Systems (VSSs) play a crucial role in the security and safety of vessels, cargo, and crew in all types of modern ships [45]. These systems are mainly used for monitoring and tracking the ship's critical operations and for protecting against attacks by terrorists and pirates [45,46]. However, VSSs have been recently found vulnerable to several cyberattacks, and a number of security issues have arisen [24,46]. For instance, researchers from Bitdefender found that two models of CCTV cameras, used in modern ships, are vulnerable to buffer overflow flaws. By exploiting this vulnerability, the researchers were able to track the activities of the hacked camera and overwrite passwords [46]. Moreover, this vulnerability can cause a VSS system crash or, worse, create an entry point for other cyberattacks [46].
Most industrial control systems have been designed and programmed in a manner that is independent of the security requirements, and data are transmitted in plain text [3,12]. Component security should be shared by vendors who maintain secure development structures and operators who configure components in accordance with industry standards and best practices. Either way, it often assumes the opponent's fault and takes no action, exposing many critical flaws for attackers to exploit [47]. Designers and operators of ICSs must understand the system's limitations, as well as the weaknesses of their components and protocols, as these are critical for the vessel's safety. The ship's distributed information technology network allows these control systems to communicate with one another. Continuous communication between the IT network and the website enables remote monitoring, troubleshooting, and debugging, while also lowering field travel costs and simplifying data collection and evaluation. One of the major concerns is that operators and engineers frequently disregard safety for the sake of convenience and efficiency, which can have far-reaching consequences throughout the whole shipping industry [48]. This conduct is caused by commercial pressure to save time and circumvent security policies [24,39,48].
Several types of networks are used in the maritime industry for the transmission of the data gathered and processed by networked information systems. Examples of these technologies include SHIPNET, SAFENET, C3I system, RICE 10, SHIP system 2000, Smart Ship, and TSCE [24]. These technologies have many security vulnerabilities because the design and configuration of communication links between IT networks pay little attention to authentication and encryption methods, resulting in potentially vulnerable and outdated systems being available on the Internet. Actually, shipboard information technology systems are frequently linked to onshore facilities, increasing the risk of systematic and continual threats [49]. Financial pressures, legal requirements, and remote monitoring and management requirements increase the need for IT systems and network connectivity in the modern shipping industry; however, these systems will increase the size of the attack surface that security teams must defend [3,12,46] and create additional points of access that hackers could use to enter the ship's system. Therefore, vulnerabilities in these automated systems should be investigated carefully. Further, critical control networks must be isolated from the ship's IT and Internet networks in a secure area.
Moreover, the human factor becomes even more challenging with the complex interconnected ecosystem in the maritime sector. Therefore, a lack of a cybersecurity culture may be beneficial to any attacker that wants to gain access to a vessel and its systems, steal actual information, or disrupt the vessel's operations. Table 2 summarises the main vulnerabilities of modern and autonomous ship systems and their consequences.
| System | Vulnerabilities | Consequences |
|---|---|---|
| AIS | Signal interference; false information sharing; malware; spoofing; no encryption; signal jamming | Ship hijacking; destruction of data; theft of valuable data |
| ECDIS | Obsolete OSs; insecure update mediums | Loss of communication with the NS; hijacking of a ship; sensitive data theft; compromising computers and OSs |
| GNSS and GPS | Jamming attacks; weak signal strength; interference; spoofing attacks; DoS/DDoS attacks; packet modification | Ship hijacking; problems with the NS; false GPS information; disrupt vessel operation; delays in services |
| Radar | Jamming attacks; spoofing attacks; DoS/DDoS attacks | Loss of communication with the NS; loss of lives and cargo; delays in cargo management |
| GMDSS | Malware; spoofing attacks; DoS/DDoS attacks | Wrong position of the ship; further attacks on ECDIS |
| ICSs | Inadequate ACM; no support for integrity check; information exposure; poor patch management; hardware failures; improper security configuration; lack of network segmentation; weak password policies; lack of firewalls; lack of encryption; weak remote access policies; weak USB policy; lack of training for SOS | Ship hijacking; unavailability of the ICS; data leakage; physical damage to facilities; interference with safety systems; unplanned shutdowns; damage to equipment |
| Propulsion, machinery management and power control systems | Malware attack; DoS/DDoS attacks; smuggling; stealing; manipulation attacks | Ship hijacking; diversion of the ship; PS interrupted; ship damage; financial damage; disclosure of sensitive data |
| VSAT | Fake signals; malware attack; stealing | Theft of sensitive data; upload of malware; change of GPS coordinates |
| IT network systems | Poor access control; DoS/DDoS attacks; weak password policies; malware attacks; poor patch management; improper security configuration; poor security documentation; lack of network segmentation; lack of firewalls; lack of encryption; weak remote access policies; weak USB policy; lack of training for SOS | Upload malware; unauthorised physical access; unauthorised logical access; loss of confidential documents; financial damage; theft of sensitive data; reputation damage |
Increased automation and artificial intelligence appear to be opening up new avenues for cyberattacks against the shipping industry, which has experienced serious cybersecurity incidents in recent years [24,49,50]. The technology needed to "spoof" a vessel is not expensive and is becoming easier to find and download online. Spoofing incidents have already been reported in the Black Sea, where a number of ships reported anomalies with their GPS-derived position and found themselves apparently located at an airport [51]. In the same area as the incident above, a ship was also exposed to GPS spoofing. The ship was at sea, but the geolocation system onboard claimed that the ship was on land [33]. Moreover, ship collisions and sea accidents due to the malfunction of navigation systems have been observed many times [52,53,54]. In May 2017, a spoofing attack led to a collision between a U.S. Navy ship and a South Korean fishing boat [53]. In February 2017, an 8250 Twenty-Foot Equivalent Unit (TEU) vessel was completely hacked en route from Cyprus to Djibouti [54]. For about 10 h, the attacker took over the ship's navigation system and the captain was helpless to do anything to put the ship back into operation. In a previous GPS jamming attack, more than 280 vessels were reported by South Korea to have experienced navigational system issues; the GPS signal was jammed by hackers, causing some GPS signals to die and others to receive incorrect data [55]. When GPS fails to function properly, there is a very high risk of a disaster with catastrophic consequences for the crew, the ship, and the environment.
In a recent incident [56], the onboard control system network of a U.S. vessel was infected with malware. This network is usually used to update electronic charts, manage cargo data, and communicate with shore-side facilities. The FBI reported that the lack of security strategies on the vessel was the main reason for such an attack, which caused critical credential mining of the vessel's control systems. In another similar incident, hackers remotely compromised the onboard computers of a U.S. Navy contractor, stealing massive amounts of highly sensitive data (614 GB) [57]. In recent years, the shipping industry has become an attractive target for ransomware attacks due to a perceived lack of investment in cybersecurity and the potential for significant operational disruptions [33]. In 2020, two ships were infected by the ransomware Hermes 2.1 via the AZORult trojan. The infection came as a macro-enabled Word document attached to an email, and multiple workstations on the administrative networks were affected [33,58]. In 2021, multiple Greek shipping companies were hit by a ransomware attack that spread through the systems of an IT consulting firm [58]. This incident showed the reality of IT supply chain risk for shipowners, shipmanagers, and the shipping industry, where a large number of them were affected by the hack. A few days later, one vessel was hijacked and up to six others reported the loss of steering control in the Gulf of Oman. These incidents were considered as "cyberpiracy" [59]. In another cyber incident, a newly built dry bulk ship was delayed from sailing for several days because its ECDIS was infected by an unknown virus. The source and means of infection, in this case, remain unknown [60]. According to [60], the delay in sailing and costs in repairs totalled hundreds of thousands of dollars (USD).
The IT systems of ports have also had a burst of associated cyber incidents that affected the maritime infrastructure. The most frequent types of attacks are phishing, malware, social engineering, brute force, and denial of service. In March 2020, the port of Marseilles was hit with the "Mespinoza/Pysa" ransomware. In this incident, the maritime infrastructures were affected by the attack due to their interconnection with information systems in Aix-Marseille-Provence, which was the main target of the attack [61]. In another large-scale incident, the port system of Maersk fell victim to a major cyberattack caused by the "NotPetya" malware, which also affected many other shipping companies globally. Maersk's ships were still at sea, and its 76 port terminals around the world stopped [62]. This incident was followed in 2020 by a serious ransomware attack on the shipping company CMA CGM SA, which impacted some servers on its network and prevented customers from having external access to the company's IT applications and booking systems [63]. This year, the Port of Houston was the target of an attack that involved a password management program that contained a formerly unknown vulnerability. The hackers exploited that to install malicious code that granted access to the networks, which they used to exfiltrate login credentials needed to control network access [64]. Luckily, the hack attempt was successfully defended, and "no system was impacted". All these incidents confirm that modern cyberattacks go beyond manipulating navigation or tampering with cargo; they can disrupt local and global supply chains and even put the lives of the crew or passengers on board the ship at risk. Table 3 presents examples of recent cyber incidents in the maritime transport sector.
| Year | Incident | Consequences |
|---|---|---|
| 2016 | GPS jamming attack in South Korea [54] | 280 vessels were affected |
| 2017 | Cyberattack against the navigation system [54] | Hijack of the vessel for 10 h |
| 2017 | Cyberattack against the navigation system [53] | U.S. Navy ship collided with a boat |
| 2018 | GPS spoofing attack against ships in the Black Sea [51] | Deviation of 20 ships to an airport |
| 2018 | Remotely compromising onboard computers [57] | Stealing sensitive data |
| 2018 | GPS spoofing attack [33] | Manipulation of the ship position |
| 2018 | NotPetya malware attack [62] | Affected shipping infrastructures |
| 2018 | ECDIS was infected by a virus [60] | Delay in the ship sailing |
| 2019 | Malware attack targeted a U.S. vessel [56] | Critical credential mining |
| 2020 | Ransomware Hermes 2.1 attack on 2 ships [33] | Infection of the whole network |
| 2020 | Ransomware attack "Mespinoza/Pysa" [33,61] | Maritime infrastructures infected |
| 2021 | Ransomware attack on shipping companies [58] | All their files were encrypted |
| 2022 | Installation of malicious code [57] | Gain access to the port network |
Modern and autonomous ships have become ripe targets for high-profile cyberattacks due to the increasing usage of digital technologies. Therefore, several countermeasures and in-depth defence strategies should be adopted in order to build resilience to external and internal security threats [65,66]. The first is to create a continuous monitoring system that can provide real-time situation awareness of the ship's security health status [65,67,68]. In this context, blockchain technology has been proposed to improve autonomous vessels' control security in many studies [65,69,70,71]. The main features of blockchain technology, including traceability, transparency, auditability, immutability, and decentralisation, are proposed to enable secure communication and secure storage of the data exchanged between vessels and the shore control centre. The utilisation of this technology will eliminate some critical security threats for ship communication, such as losing data, data changing by malicious actors, or data hijacking [71]. According to [70], blockchain technology will play a major role in identification and certification, ensuring data integrity and information security in the future of the maritime industry and autonomous vessels.
Since all ship systems are interconnected, only one compromised system can allow attacks to access all other systems, from the water treatment system to the engine management system. Therefore, the design of the IT and OT systems themselves can be a valuable asset to defend from certain attacks as well [65]. According to [72], one mechanism that could increase navigational safety is the Navigation Message Authentication (NMA) system, which is designed to prevent spoofing and to provide increased safety. An NMA scheme would include authentication messages in the navigation message stream, authenticating the source, while also protecting the navigation data's cryptographic integrity [73]. The receiver can detect intruders trying to generate or modify navigation data. An attacker cannot simulate an authentication message because he/she does not have the key required to generate the authentication message. Considering the dangers of the ECDIS failure, the IMO outlined the need for backup arrangements on board vessels. Because these backups do not provide the full functionality of ECDIS, they should be used in conjunction with current paper charts. Many reputable shipping companies choose to install a second ECDIS on board to reduce the risk of ECDIS failure [74].
Given the vast amounts of data that ships tend to generate, efficient authentication and access control mechanisms would be preferable in most circumstances [65,67,68]. The shipping community must implement a Public Key Infrastructure (PKI) for the electronic trust system to function; this is because the PKI will allow users and systems to validate the legitimacy of certificate-holding entities, while also securely exchanging information among them. Many PKIs are already in operation, with the majority being established on a commercial basis by private entities. A shipping PKI with the IMO as the top trusted entity ("root Certificate Authority (CA)") and flag states directly underneath can be set up [75]. Flag states have the authority to issue new keys and certificates to coastal state authorities, ships flying their flag, recognised organisations, ports, and others who require an internationally available public key certificate. Certificates can also be issued to ship owners or other organisations that play important roles in the international shipping community for secured communication and sharing of digital information [76]. The study in [77] indicated that based on spatial correlation, an antenna array structure is used to detect and mitigate spoofing signals. This method can detect interfering signals, and array calibration is not required or any array orientation information. This technique is capable of effectively distinguishing spoofing attacks that use a single transmit antenna. Furthermore, because all spoofing signals share the same propagation channel properties, their performance is unaffected by multipath propagation. Since it requires the use of multiple antenna branches, this procedure increases the hardware complication of the GPS receiver, because it must acquire and track both spoofing and authentic signals to distinguish spoofing PRNs; this method increases the computational density of the GPS receiver.
In addition, third-party access to systems, such as remote access solution providers, can be problematic because it is difficult to determine the security posture of these organisations and their networks are not typically included in security assessments. This should be performed in a manner that is confirmed by an entity actually present on the vessel. It is important to evaluate each of these factors to reduce the likelihood of a security vulnerability that could allow an attacker to access a ship's system or traverse the network without obstruction [33]. One of the first steps in mitigating a potential attack is to be aware of the vulnerabilities, which are essentially a niche in the network. However, integrating a comprehensive security plan into the ship's network systems provides the most effective way to prepare for the worst and know how to get back. To achieve this, a comprehensive risk assessment should be carried out, and this will assist in the development of a robust cybersecurity risk strategy. In the maritime security policies, the human factor plays a significant role within an organisation, as this can be the weakest link, but on the other hand, the first defence in the cyber chain [33,78,79]. Under this prism, the human factor becomes even more challenging with a complex interconnected ecosystem such as the one that exists in the maritime sector. Ships, ports, and third-parties are often operating with rotating crews with different levels of cybersecurity understanding, who may not be fully familiar with the safe operation of the related systems and established cyber hygiene practices. A lack of a cybersecurity culture may be beneficial to any attacker that wants to gain access to a vessel and its systems, steal actual information, or disrupt the vessel's operations. Hence, there is a critical need in the maritime industry to enhance the level of awareness and understanding related to the actual cyber risks. The most effective way to achieve this is with the promotion of a cybersecurity culture that, among others, includes cybersecurity awareness training, education, and certification for the relevant parts of the vessel's operation (crew, third-parties, ports, operators) [60].
Finally, collaborative defence systems that implicate multiple stakeholders are being explored [16,80]. These defence systems can participate in the identification and mitigation of potential cyberattacks at multiple levels. Detection and countermeasures taken for an attack on a single vessel can be communicated to other autonomous vessels in the fleet. Table 4 presents possible countermeasures and mitigation actions that can help to build resilience to external and internal security threats.
| System | Mitigation Actions |
|---|---|
| AIS | All AIS information should be verified; encryption of the VHF signals; integrity of broadcast information should be monitored to ensure position and identity are correct; equipment broadcasting AIS signals should be secured against unauthorised access; local navigation warnings should be considered if false AIS signals are broadcast |
| ECDIS | Adopt secure development lifecycles; regular documentation, monitoring and patching of the ECDIS framework; monitor and register ECDIS chart updates, especially manual updates via CD or USB; scan all upgrade files with antivirus software; examine the internal network to isolate or firewall ECDIS; restrict physical access to approved staff only |
| GNSS and GPS | Device identification and authentication; cryptographic protection; protection of information at rest |
| Radar | Device identification and authentication; cryptographic protection; information system backup |
| GMDSS | Cryptographic protection; device identification and authentication; protection of information at rest; physical access control; contingency plan |
| ICSs | Use cryptography to shield passwords; configuration and patch management controls; guard communications between security zones; protect all Internet-connected ICS devices and update passwords regularly; network segmentation and firewall rules blocking file-sharing ports; protect password files; enforce strong passwords; concrete remote access policy; audit remote access; block unnecessary USB ports; cybersecurity awareness training for all users |
| Propulsion, machinery management and power control systems | Information system backup; denial of service protection; monitoring physical access |
| VSAT | Consider encrypted communication systems; carefully consider the service provider's cyber defence mechanisms without relying on them solely; strict authentication and access control management; protection of information at rest |
| IT network systems | Information system backup; authentication and access control; segmentation of crew vs. business functions; threat protection mechanisms; configuration/patch/update management; BYOD policy; cybersecurity awareness training for all users |
| Human factor | Promote a cybersecurity culture; build relationships across the operation chain; cyber awareness training; evaluate training with cybersecurity drills; promote cyber hygiene among operation parties |
Although the maritime industry faces broadly the same cybersecurity challenges as other sectors, it is becoming increasingly apparent that it fits the profile of critical infrastructure being targeted by cybercriminals, and it also faces risks that might be considered unique to the nature of this industry. For instance, a successful cyberattack could shut down a ship, disclose valuable information, disable the vessel's AIS, and/or create false or misleading AIS reports facilitating cyberpiracy and criminal, terrorist, or even state actors. This paper reviewed the current security threats and vulnerabilities in the modern shipping industry. In this context, various types of cyberattacks these ships could face were discussed along with real-world incidents. From the numerous reported cyber incidents and their consequences, there is clear evidence that every ship, vessel, or even port is at risk of cyberattacks if key information systems are not adequately protected. Therefore, IT and OT systems in modern ships should be prepared with enhanced security measures due to their great vulnerability to cyber threats. In this paper, we discussed some possible countermeasures that can mitigate potential cyberattacks and make the shipping industry a hard target, such as the implementation of a new security standard that reduces the number and scope of cyberattacks. However, many security challenges remain unresolved, especially with the increasing use of autonomous and semi-autonomous vessels.
| Abbreviation | Meaning |
|---|---|
| AI | Artificial Intelligence |
| AIS | Automatic Identification System |
| CA | Certificate Authority |
| ECDIS | Electronic Chart Display and Information System |
| GMDSS | Global Maritime Distress and Safety System |
| GPS | Global Positioning System |
| IBS | Integrated Bridge System |
| ICS | Industrial Control System |
| ICT | Information and Communications Technology |
| IMO | International Maritime Organization |
| IT | Information Technology |
| GNSS | Global Navigation Satellite System |
| NMA | Navigation Message Authentication |
| OT | Operational Technology |
| PKI | Public Key Infrastructure |
| Radar | Radio Detection and Ranging |
| VSAT | Very Small Aperture Terminal |
| VSS | Video Surveillance System |