Cyber Security in the Maritime Industry: A Systematic Survey of Recent Advances and Future Trends

الأمن السيبراني في الصناعة البحرية: مسح منهجي للتطورات الحديثة والاتجاهات المستقبلية

👤 Mohamed Amine Ben Farah, Elochukwu Ukwandu, Hanan Hindy, David Brosset, Miroslav Bures, Ivan Andonovic, Xavier Bellekens 📄 Information, 2022 · Vol. 13, No. 1, 22 🔗 10.3390/info13010022 ✓ CC BY 4.0

الملخص

تقدّم هذه الورقة تصنيفاً للهجمات السيبرانية في سياق أحدث ما توصّل إليه الأدب في الصناعة البحرية. وأُجري تصنيف منهجي لمكوّنات السفن، مع تحليل للخدمات الرئيسية المقدَّمة داخل الموانئ. وحظيت ثغرات النظام العالمي للملاحة عبر الأقمار الصناعية (GNSS) باعتبار خاص لكونه فئة فرعية حرجة في كثير من البنى التحتية البحرية، وبالتالي هدفاً للهجمات السيبرانية. وتؤكد البحوث الحديثة أن الانتشار الهائل للجرائم السيبرانية تغذّيه زيادة مستويات تكامل التقنيات التمكينية الجديدة مثل إنترنت الأشياء والبيانات الضخمة. ومع ذلك، فإن التوجه نحو تكامل أكبر للأنظمة مقنع، إذ يحقق قيمة تجارية كبيرة عبر تسهيل تشغيل السفن ذاتية القيادة، واستغلال أكبر للموانئ الذكية، وتقليل القوى العاملة، وتحسين ملحوظ في استهلاك الوقود وكفاءة الخدمات. وأخيراً، سُلّط الضوء على التحديات العملية واتجاهات البحث المستقبلية.

1. المقدمة

يُعد النقل البحري محورياً للاستدامة الاقتصادية لمناطق كثيرة حول العالم، فالنمو السكاني وتحسّن مستويات المعيشة وإزالة الحواجز التجارية تدفع جميعها نحو اعتماد متزايد على الصناعة البحرية، التي تتولى نقل 90% من البضائع. وقد مكّنت التطورات الحديثة في إنترنت الأشياء والبيانات الضخمة والذكاء الاصطناعي من الانتقال إلى بنى تحتية بحرية أكثر رقمنة، مما استلزم إعادة تقييم التجهيزات الأمنية السيبرانية. كما يؤدي الاتصال والاعتماد على الأجهزة الذكية دوراً محورياً في تحفيز الإجرام السيبراني مثل الهندسة الاجتماعية وسرقة الهوية ورسائل البريد المزعجة، فأصبحت حماية سلامة الجيل القادم من البنى التحتية البحرية حاجة ملحّة.

يؤثر الاتصال عبر أنظمة الملاحة مثل AIS وGNSS والرادار سلباً على مستوى أمن البنى التحتية، كما تعرّضت شركات الشحن لفئات معقدة وجديدة من الهجمات السيبرانية تستهدف أنظمة المعلومات داخل الموانئ وتُلحق الضرر بالمعدات الأساسية على السفن. ويزيد الاعتماد على الإنترنت والعمل بحواسيب غير محمية وافتقار الأطقم للتدريب الأمني المناسب من احتمال الاختراق السيبراني الناجح، وهناك أدلة واضحة على أن غياب التدريب المنهجي على الوعي الأمني عبر سلسلة الإمداد مصدر رئيسي للثغرات، فيستطيع المهاجمون استخدام أساليب كلاسيكية مثل رسائل البريد المزعجة أو هجمات حجب الخدمة لتحقيق اختراقات ناجحة. وتقدّم هذه الورقة مراجعة شاملة لأطر الأمن السيبراني وتصنيفاً للهجمات السيبرانية في الصناعة البحرية، مع وصف لمعدات السفن ووظائفها والخدمات داخل الموانئ كمرجع يُبنى عليه تصنيف الثغرات في البيئتين التشغيليتين، مما يرشد إلى استراتيجيات مثلى لتعزيز الحماية الأمنية السيبرانية القائمة.

2–3. المنهجية ومراجعة الأدبيات

تستند منهجية المراجعة إلى الأدبيات المنشورة لتمكين رسم خريطة لأحدث الأساليب وتحليل الأمن السيبراني في الصناعة البحرية وتفسيره وبيان آثاره. واتّبع اختيار الأوراق التوجيهات المرجعية عبر مراحل: المراجعة، حيث كان السؤال الرئيسي «ما أثر الجرائم السيبرانية على البنى التحتية البحرية»؛ والبحث في أوراق المجلات والمؤتمرات والمواقع الرسمية والتقارير المنشورة في قواعد بيانات ScienceDirect وSpringer وIEEE باستخدام كلمات مفتاحية مثل «Maritime» و«Cyber-attack + Maritime» و«Cyber-attack + Port»، مع اختيار المستندات حسب عدد الاستشهادات والأهمية؛ ثم تقرير النتائج الرئيسية مصنّفة إلى: تصنيف المعدات والأنظمة الأساسية على السفن، وبِنى الموانئ وخدماتها، وتصنيف الهجمات السيبرانية، وأثر التقنيات الجديدة. وأظهرت الدراسة الإحصائية أن عدد المكونات الضعيفة داخل الموانئ أعلى منه على السفن.

يحظى دور الصناعة البحرية في قطاع النقل باهتمام متزايد نظراً لأهميتها الاقتصادية المتنامية، لكن السعي لتحسين كفاءة الممارسات دفع نحو رقمنة العمليات والبنى التحتية، مما أدى بدوره إلى انتشار التحديات الأمنية السيبرانية. وهناك أدلة واضحة على أن المعرفة العميقة بمهارات المجرمين السيبرانيين واستراتيجياتهم وأهدافهم ركيزة أساسية لبناء بنى تحتية آمنة، فتبقى سرية البيانات وسلامتها وتوافرها أهدافاً رئيسية للمهاجمين. ومن الأمثلة الحديثة أداة نموذجية تُصوَّر كمصفوفة ثلاثية الأبعاد تُفكّك المشكلة بمتغيرات مثل «المهاجم» و«الهدف» لتحديد المخاطر السيبرانية البحرية وقياسها كمّياً، وإطار MAINFRAME لجمع استخبارات التهديدات وتحليلها في البيئات البحرية.

كان تحديد التهديدات السيبرانية المحتملة داخل الموانئ محل اهتمام حكومات العالم، إذ كشفت دراسة متمركزة على الموانئ الكولومبية غياب خطة أمنية مما سهّل الوصول غير المصرّح به إلى أنظمة المعلومات على السفن، بينما أظهرت دراسة مبنية على ورشتي عمل في أوروبا وآسيا أن الأمن السيبراني يُدرَك بشكل مختلف بين المناطق الجغرافية مع نقص في البروتوكولات وأدوات كشف التسلل. كما وصفت خطة العمل الوطنية للأمن السيبراني (CNAP) استراتيجية الحكومة الأمريكية لتقليل مخاطر الجرائم السيبرانية على البنى التحتية الحرجة، وأدى استخدام التقنيات الجديدة في تطبيقات أنظمة معلومات السفن مثل إنترنت الأشياء والذكاء الاصطناعي وتعلم الآلة إلى توسيع نطاق الثغرات واستدراج المهاجمين إلى فئات هجومية جديدة. ومن الاعتبارات الأخرى أثر الأحداث العالمية على الأمن السيبراني، وأبرز مثال حديث جائحة كوفيد-19 التي شهدت منذ فبراير 2020 زيادةً هائلة في الهجمات السيبرانية على الصناعة البحرية باستهداف الحواسيب المنزلية ببرامج الفدية ورسائل التصيد.

4. البنية التحتية البحرية

يمكن تمثيل البنية التحتية البحرية بمنصتين أساسيتين: على السفينة وفي الميناء. وتنقسم البنية التحتية على السفينة إلى نظامين: الكهروميكانيكي والاتصالات؛ يضم الأول عناصر متعلقة بالمحركات والطاقة التي تعتمد سلامتها على المراقبة البشرية والصيانة الوقائية، بينما يمكّن الثاني تبادل المعلومات بين الميناء والسفينة لتسهيل تنفيذ المراحل الحرجة من العمليات. وتشمل المكونات الكهروميكانيكية والإلكترونية المصنّفة في ثلاث مجموعات (الطاقة والأمن والتحكم): نظام إدارة الطاقة (PMS) الذي يتحكم تلقائياً في مولدات الديزل لتحقيق الأداء الأمثل، ووحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs) المدمجة مع إدارة الطاقة والإنذارات والمحركات لأتمتة العمليات، وأنظمة كشف تسرب المياه (WIDS) الإلزامية بموجب اتفاقية SOLAS، ودفات الدفع الجانبية (Bow thrusters) للمناورة الفعالة، وأنظمة الإغلاق الطارئ (ESD)، وأنظمة معالجة الوقود الثقيل وزيوت التزييت وهواء البدء، إضافة إلى البوصلة الجيروسكوبية ومسبار الأعماق والرافعات الكهربائية وأضواء الملاحة وحاسوب الاستقرار ومولدات المياه العذبة وأنظمة التبريد ومحارق النفايات ومحطات معالجة الصرف الصحي والمثبتات وأنظمة رسو السفن — وكلها مكونات حرجة يتطلب بعضها طاقة مزدوجة واستجابة سريعة لضمان السلامة.

أما أنظمة الاتصالات على السفينة فتشمل: الاتصالات الداخلية حيث يؤدي VHF دوراً مهماً في سلامة السفينة، ونظام GMDSS الإلزامي للاتصال بالسلطات، وشبكات نقل المعلومات التي تجمع البيانات من الحساسات وتعالجها؛ والملاحة حيث يُعد GNSS البنية الأكثر عرضة للاختراقات السيبرانية في الصناعة البحرية لافتقاره للمصادقة والتشفير، إذ توفر أنظمة GPS وGALILEO وGLONASS مرونة ووصولاً سهلاً لكنها أسطح هجوم غنية لحقن معلومات مزيفة؛ والرادار كأداة أساسية للملاحة الآمنة من التصادم على نطاقي 10 و3 غيغاهرتز؛ وشبكات الركاب (الواي فاي والترفيه التلفزيوني عبر الأقمار الصناعية)؛ ونظام ECDIS الإلزامي كأداة ملاحية فورية بديلة للخرائط الورقية متصل بالرادار وAIS ويُحدَّث عبر الإنترنت أو البريد أو USB؛ وإدارة البضائع بقاعدة بيانات ديناميكية؛ ونظام AIS الذي يبث بيانات ساكنة ومتحركة وخاصة بالرحلة وفق SOLAS، ببنية تتألف من النفاذ المتعدد بتقسيم الزمن والاتصال الانتقائي الرقمي والتشكيل الغاوسي والنظام العالمي للملاحة عبر الأقمار الصناعية؛ ونظام معلومات السفينة (SIS) الذي يضم الحساسات وبنية الشبكة ومعالجة المعلومات ونقلها.

يُعد الميناء الواجهة بين السفينة والبر، وتعتمد كفاءة نقل البضائع وتتبعها على جودة الخدمات داخله، وهو يضم ثلاث مجموعات مهمة: خدمات السفن، وخدمات النقل التجاري والتتبع، ومرافق الأمن. وتشمل قدرات السلامة: ماسحات الأشعة السينية للبضائع لتقليل زمن الفحص وكشف البضائع المشبوهة، وكاميرات المراقبة عالية الدقة للمراقبة الفورية، وأجهزة الكشف عن المعادن وفق مدونة ISPS. وتشمل معدات التشغيل: الرافعات المُدارة عن بُعد عبر الاتصال اللاسلكي — وهو تطور خلق ثغرات جديدة للسيطرة الخبيثة — وقاطرات السفن وسفن التجريف. أما نظام مجتمع الميناء (PCS) فيوفر معلومات فورية عن تتبع البضائع وإقرارات الجمارك عبر وحدات: الأساسية، والبضائع، والتتبع، وإدارة الأرصفة، وتخصيص التخزين، والربط مع وسائط النقل الأخرى، والفوترة، والإحصاءات. وتوحّد بيئة النافذة الوحيدة (SW) الخدمات بين الموانئ بتوحيد القواعد بين الحكومات، بينما يتألف دورة حياة النقل البحري في المحطة من أربع منظومات فرعية: من السفينة إلى الشاطئ، والنقل، والتخزين، والتسليم والاستلام.

5. الهجمات السيبرانية في الصناعة البحرية

تُصنَّف الهجمات السيبرانية المرتبطة بالمعدات والأنظمة الرئيسية، وتشمل هجمات السفن: هجوم AIS، حيث تُحدَّد البيانات بحساب تسلسل التحقق من الإطار (FCS) بمعادلة CRC، وينفّذ المهاجم هجوم انتحال ناجحاً ببث الرسالة في قناة الراديو المناسبة لمستقبل AIS باستخدام FCS مشابه للمحسوب في مفكك ترميز AIS المستهدف، مما قد يسبب تصادماً بين السفن عبر تغيير الموقع (خطوط العرض والطول والارتفاع) أو حقن رسالة مزيفة؛ وهجمات أنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية (GNSS) — بما فيها GPS وGLONASS وGalileo وBeiDou — الميسَّرة بغياب المصادقة والتشفير، حيث تزيد معلومات الموقع المزيفة احتمال التصادم بشكل كبير (كما في الأمثلة البارزة في البحر الأسود)، ويُنفَّذ هجوم الانتحال على خطوتين: المزامنة مع إشارة القمر الصناعي ثم زيادة قدرة الإشارة المرسلة، وقد أُجريت بحوث واسعة على كشف انتحال GNSS بأساليب المعالجة المكانية وطريقة تعتمد على رسائل التنبيه الحلقية المُفكَّكة عبر قمر IRIDIUM.

أما الهجمات داخل الموانئ فتشمل: التصيد بالرمح (Spear-phishing) برسائل بريد تحوي روابط مشبوهة للحصول على وصول غير مصرّح به ثم تثبيت مسجّلات لوحات المفاتيح لالتقاط بيانات الدخول ورسم خريطة دقيقة لوضع الميناء، ويفضّل مديرو الموانئ تقليل الإبلاغ عنها لحساسية القطاع؛ وهجمات حجب الخدمة الموزعة (DDoS) بإغراق نظام معلومات الميناء بحركة مرور مفرطة وتعطيل الخدمات وتتبع البضائع؛ وفحص المنافذ (Port Scanning) لاكتشاف حالة الخدمات عبر تجزئة IP لإرباك الجدار الناري أو استجواب منافذ UDP، وتُفضَّل أغلفة TCP للتخفيف منها؛ وهجمات سلسلة الإمداد عبر أضعف حلقات الشبكة الشاملة، وأوضح مثال مدمّر تغيير وجهة حاوية عبر تعديل معلومات حرجة؛ والهندسة الاجتماعية باستغلال الفضول البشري عبر وسائل التواصل أو الهويات المزيفة أو الإغراء والمقايضة، ولا يخففها سوى سياسات أمنية مطبقة بصرامة.

وتهدف فئات البرمجيات الخبيثة وبرامج الفدية وأحصنة طروادة عموماً إلى إتلاف نظام المعلومات أو الخادم عبر استهداف الحواسيب الشبكية. ففي 8 يوليو 2019 استهدف هجوم سفينة أمريكية متسبباً في تعدين حرج لبيانات الاعتماد، وأفاد خفر السواحل ومكتب التحقيقات الفيدرالي بأن غياب الاستراتيجيات الأمنية — تشارك الطاقم لبيانات الدخول نفسها واستخدام الأجهزة الخارجية وغياب مضادات الفيروسات — كان السبب الرئيسي لتمكين الهجوم. والمثال الثاني هجوم 27 يونيو 2017 المسمى Petya الذي استهدف خوادم شركة Maersk للشحن ببرمجية خبيثة مشفّرة دمّرت أنظمة التشغيل عبر إصابة سجل الإقلاع الرئيسي (MBR)، مؤثراً على 17 محطة ومتسبباً بأضرار تجاوزت 200 مليون دولار.

6–7. إنترنت الأشياء ومستقبل القطاع البحري

أنشأت المنظمة البحرية الدولية مدونة إدارة السلامة الدولية (ISM) ومدونتي أمن السفن والمرافق المينائية (ISPS) كمعايير لضمان سلامة الشحن وعمليات الموانئ. واعتمدت الصناعة حديثاً تقنيات جديدة لتحسين التطور نحو الرقمنة، ومنها إنترنت الأشياء (IoT) — منصة تقنية تربط «الأشياء» عبر الإنترنت لتبادل البيانات — حيث تكون «الأشياء» المتصلة في الصناعة البحرية غالباً حساسات تراقب المعدات التشغيلية والبيئة. ونُشرت مجموعة حساسات مناسبة على السفن وفي عمليات الموانئ لتقليل مخاطر أعطال المكونات الحيوية وزيادة كفاءة الممارسات الرئيسية، إذ توفر المراقبة الموسعة معلومات فورية عن درجة حرارة البضائع وانبعاثات الغازات وبيانات حيوية أخرى تُرشّد العمليات وتخفض تكاليف الصيانة وتزيد سلامة المنظومة، لكن الاعتماد المتنامي على البيانات واتصال الشبكات المعقد فتح بوابة لثغرات جديدة يستغلها المهاجمون لشن الهجمات.

قدّم Sahay وآخرون رؤية تفصيلية لدور الحساسات والمشغّلات على السفن في أنظمة السفن الآلية كجزء لا يتجزأ من المكونات المادية لأنظمة الجسر والمحرك والتحكم في الدفع، إذ تُعد البيانات المولّدة محورية لأنظمة الجسر المتكامل ومراقبة المحركات ذاتية التشغيل، لكن زيادة الأتمتة تخلق ثغرات أمنية جديدة. وتسارع استخدام البيانات المجمّعة عبر إنترنت الأشياء لاستخلاص المعاني، مع أدلة على فوائد إنترنت الأشياء الصناعي (IIoT) في التطبيقات الحرجة للسلامة وأدوات تحليل البيانات الضخمة (BAD) التي حسّنت الإنتاجية. وتعتمد أسطح هجوم إنترنت الأشياء على التطبيق التقني — التصميم المعماري وطريقة عمل المكونات والبروتوكولات — وتشمل: رابط الشبكة عبر ثغرات بروتوكولات طبقة الشبكة، ورابط التطبيق، وعيوب تصميم الشبكة، وضعف إدارة كلمات المرور. وتعاني إنترنت الأشياء تحديات أمنية متأصلة بسبب التخزين ثنائي الاتجاه للبيانات واسترجاعها من السحابة، ومن الأمثلة هجمات LogicLocker (دودة فدية ذاتية الانتشار عبر PLCs) والهجمات على الأجهزة الميدانية الممكّنة بإنترنت الأشياء مثل أجهزة قياس الخزانات الآلية (ATG) وأنظمة SCADA الصغيرة.

يركز مستقبل القطاع على المخاوف الأمنية السيبرانية المصاحبة للتقدم نحو صناعة بحرية رقمية موسعة، بالنظر إلى مفهوم السفن ذاتية القيادة أو غير المأهولة وأسطح الهجوم المحتملة فيها. خضعت فئتان من السفن ذاتية القيادة — المعرّفة بأنها سفن ذاتية القيادة يقودها الذكاء الاصطناعي — لبحوث وتطوير كبيرين: السفن المراقَبة والمُدارة عن بُعد من مشغّلين على الشاطئ، والسفن المُشغَّلة بشكل مستقل تماماً بقرارات تشغيلية يتخذها نظام دعم قرار على متنها، وسيكون التطور تدريجياً بدءاً بالتشغيل عن بُعد قبل الاستقلال الكامل. وتواجه اعتماد السفن ذاتية القيادة تحديات تشغيلية وسلامة وتنظيمية، إذ يضم نظيرها المُدار عن بُعد شبكة كبيرة من الحساسات وتحكمه خوارزميات تفسر البيانات المكتسبة للملاحة الدقيقة، مما يكشف أسطح هجوم جديدة في شبكات الحساسات وأجهزة التحكم عن بُعد وروابط الاتصال بين المشغّلين على الشاطئ والسفينة. ورغم أن السفن ذاتية التشغيل قد لا تكون عرضة لهجمات تقليدية (كاحتجاز الطاقم رهائن)، فإن الزيادة في انتحال GPS عبر استغلال سطح هجوم رابط الاتصال أمر حتمي، مع مخاوف من هجمات تسبب تصادمات وخسائر بشرية وأضرار بيئية عبر الأجهزة المترابطة وضعف إدارة المفاتيح والتخزين السحابي ثنائي الاتجاه. أما الرقمنة فتقدم فوائد أعمال لا تُنكر — تحويل العمليات التناظرية إلى ممارسات مبسّطة تُحسّن مناولة البضائع والمشتريات واللوجستيات والكفاءة والنمو والابتكار والسلامة والميزة التنافسية — بالاعتماد على البلوك تشين والبيانات الضخمة والتحكم الفوري والذكاء الاصطناعي والمركبات ذاتية القيادة والروبوتات والواقع الافتراضي وإنترنت الأشياء، عبر ثلاث مراحل: التحسين والتوسع والتحول، مع تأكيد الباحثين على أن البيانات الضخمة والذكاء الاصطناعي يقدمان حلولاً قابلة للتطبيق لتحديات الرقمنة.

8. الخاتمة

عُرضت مراجعة للمكونات والأنظمة والخدمات الحالية في الصناعة البحرية، مصنّفة إلى داخل الميناء وعلى السفينة، كأساس لتحديد التعرضات المستقبلية لبنية تحتية عالمية حرجة للجرائم السيبرانية. وصُنّفت الهجمات السيبرانية المُبلَّغ عنها حتى الآن وقُيّم أثرها كمّياً في كل بنية فرعية أساسية ضمن أحدث التقنيات. ويستلزم توجه القطاع نحو خدمات ذكية متزايدة داخل الموانئ وسفن ذاتية القيادة وضع بروتوكولات أمنية سيبرانية جديدة وممارسات حماية محسّنة. وتوجد أدلة واضحة على أن كل ميناء أو سفينة معرّض للهجمات السيبرانية إذا لم تُحمَ أنظمة المعلومات الرئيسية بشكل كافٍ، ويفاقم انتشار التقنيات الجديدة نطاق الثغرات داخل البنى التحتية الأكثر حرجية تشغيلياً، مما يزيد التعرض لخطر كبير للوصول غير المصرّح به وفئات جديدة من الهجمات السيبرانية.

يُعد تحسين الوعي بالأمن السيبراني عبر المجتمع ركيزة مهمة لتحقيق حماية سيبرانية أكثر متانة، ودعماً له ينبغي وضع إطار قانوني ومنهجيات تأمين محدّثة لتعزيز حلول التهديدات السيبرانية، كما يجب أن تكون جميع قضايا الأمن السيبراني شفافة بين أصحاب المصلحة لزيادة الفهم وتحفيز تطوير الممارسات جماعياً، مع إبلاغ تفاصيل الهجمات الجديدة وآثارها عبر سلسلة الإمداد. وسيقلّل دمج ممارسات الحوكمة المقبولة في الموانئ واعتماد بروتوكول أمني عالمي من احتمال الهجمات السيبرانية الناجحة ويُرشد إلى استراتيجيات حماية فعالة. وفي المستقبل، ومن بين تحديات كثيرة متبقية، يُعد وضع خطة لتوحيد الخدمات الرقمية للسفن ذاتية القيادة الأمر الأكثر إلحاحاً، كما يجب تحديد معيار أمني جديد يقلل عدد الهجمات السيبرانية ونطاقها على السفن ذاتية القيادة والموانئ الذكية من أجل الاستدامة الاقتصادية للقطاع.

Abstract

The paper presents a classification of cyber attacks within the context of the state of the art in the maritime industry. A systematic categorization of vessel components has been conducted, complemented by an analysis of key services delivered within ports. The vulnerabilities of the Global Navigation Satellite System (GNSS) have been given particular consideration since it is a critical subcategory of many maritime infrastructures and, consequently, a target for cyber attacks. Recent research confirms that the dramatic proliferation of cyber crimes is fueled by increased levels of integration of new enabling technologies, such as IoT and Big Data. The trend to greater systems integration is, however, compelling, yielding significant business value by facilitating the operation of autonomous vessels, greater exploitation of smart ports, a reduction in the level of manpower and a marked improvement in fuel consumption and efficiency of services. Finally, practical challenges and future research trends have been highlighted.

1. Introduction

Maritime transportation is central to the economic sustainability of many regions throughout the world. Growth in population, improvements in living standards, and elimination of trade barriers all drive ever-increasing reliance on the industry, which is responsible for 90% of the transportation of all goods. Recent developments in the Internet of Things (IoT), Big Data, and Artificial Intelligence have enabled the migration to more digitalised maritime infrastructures and, consequently, have necessitated a renewed assessment of cyber-security provision. Furthermore, connectivity and reliance on intelligent devices play a pivotal role in motivating cyber criminality such as social engineering, identity theft, and spam emails. The protection of the integrity of next generation maritime infrastructures is a pressing need.

Connectivity through navigation systems such as AIS, GNSS, and RADAR impacts negatively on the security level of infrastructures. Moreover, shipping companies have been subjected to highly complex and new classes of cyber attacks targeting in-port information systems and inflicting damage on on-vessel core equipment. Reliance on the Internet, operating with unprotected computers, and the fact that crews do not receive appropriate security training further increase the probability of a successful cyber breach. There is clear evidence that the absence of structured security awareness training across the supply chain is a major source of vulnerabilities, so hackers can use classical approaches such as spam emails or Denial-of-Service (DoS) attacks to achieve successful breaches. This paper presents a comprehensive review of cyber-security frameworks and provides a classification of cyber-attacks within the maritime industry. A description of on-vessel equipment/functionalities and in-port services provides the reference against which a classification of vulnerabilities in both operational environments is carried out, in turn informing on the optimum strategies to enhance existing cyber security protection.

2–3. Methodology and Literature Review

The methodology by which the review has been executed is founded on published literature enabling a mapping of state-of-the-art methods and analysis, interpretation, and implications of cyber security within the maritime industry. Paper selection followed reference guidance through phases: Review, with the principal question "what is the impact of cyber-crimes on maritime infrastructures"; Search, based on journal papers, conference papers, official websites, and published reports in the ScienceDirect, Springer, and IEEE databases using keywords such as "Maritime", "Cyber-attack + Maritime", and "Cyber-attack + Port", with documents selected by citation count and relevance; then reporting of key findings segmented into: classification of on-vessel core equipment/systems, in-port architectures and services, classification of cyber attacks, and the impact of new technologies. A statistical study showed the number of vulnerable components in-port to be higher than on-ship.

The role of the maritime industry in the transportation sector is receiving increased attention owing to its growing economic importance. However, the quest to optimise efficiencies has motivated migration to increasing levels of digitisation of operations and infrastructures, which in turn has resulted in the proliferation of cyber security challenges. There is clear evidence that a deep knowledge of the skills, strategies, and objectives of cyber criminals is fundamental to establishing secure infrastructures; confidentiality, integrity, and availability of sensitive data remain essential targets for hackers. Recent examples include a model-based tool observed as a three-dimensional matrix decomposing the problem with variables such as "attacker" and "target" to identify and quantify maritime cyber-risks, and the MAritime Threat INtelligence FRAMEwork (MAINFRAME) established to aid threat intelligence collection and analysis in maritime environments.

The identification of potential in-port cyber threats has been the subject of significant governmental interest worldwide: a study centered on Colombian ports revealed the absence of a security plan enabling easy unauthorized access to on-vessel information systems, while a study based on two industry workshops in Europe and Asia showed cybersecurity is perceived differently between geographies with insufficient intrusion-identification protocols and tools. The Cyber Security National Security Action Plan (CNAP) describes the US Government strategy to reduce cyber crime risks on critical infrastructures, and the use of new technologies in Ship Information System (SIS) implementations such as IoT, artificial intelligence, and machine learning increases the scope of vulnerabilities, enticing hackers toward new attack classes. Another consideration is the impact of global events on cyber security, most strikingly the COVID-19 pandemic, with a dramatic increase in cyber attacks on the maritime industry reported since February 2020 as criminals targeted home computers with ransomware and phishing emails.

4. The Maritime Infrastructure

The maritime infrastructure can be represented by two essential platforms: on vessel and in port. On-vessel infrastructure is segmented into two systems: electro-mechanical and communications; the former comprises elements related to engines/power whose safety depends on human observation and preventive maintenance, while the latter enables information exchange between port and vessel to facilitate critical process stages. Classified electro-mechanical and electronic components in three groups (power, security, control) include: the Power Management System (PMS) automatically controlling diesel generators for optimal performance; Programmable Logic Controllers (PLCs) combined with power management, alarms, and engines for process automation; Water Ingress Detection Systems (WIDS) mandatory under SOLAS; bow thrusters for efficient maneuvering; Emergency Shut Down (ESD) systems; heavy fuel oil treatment, lubricating oil, and starting air systems; plus the gyro compass, echo-sounder, electrical cranes, navigation lights, loading computer, fresh water generators, cooling systems, incinerators, sewage treatment plants, stabilisers, and anchor/mooring winch controls — all critical components, some requiring dual power and rapid response to ensure safety.

On-vessel communications systems include: internal communications where VHF plays an important safety role, the mandatory GMDSS for contacting authorities, and networked information systems gathering and processing sensor data; navigation, where GNSS is recognised as the most vulnerable infrastructure in the maritime industry given its lack of authentication and encryption — GPS, GALILEO, and GLONASS provide flexibility and easy public access but rich attack surfaces for injecting fake information; RADAR as a core collision-free navigation tool on 10 GHz and 3 GHz bands; passenger-facing networks (Wi-Fi and satellite TV entertainment); the mandatory ECDIS real-time navigation system replacing paper charts, connected to RADAR and AIS and updated via internet, email, or USB; cargo management with a dynamic database; AIS broadcasting static, dynamic, and voyage-related data under SOLAS, with an architecture of TDMA, DSC, GMSK modulation, and GNSS; and the Ship Information System (SIS) comprising sensors, network architecture, information processing, and information transmission.

The port is the interface between the vessel and land, and efficient transportation and tracking of goods and vessels rely heavily on in-port service quality, with three important groups: vessel services, commercial transportation and tracing services, and security-linked facilities. Safety capabilities include: cargo X-ray scanners reducing inspection time and detecting suspicious goods, high-resolution CCTV for real-time monitoring, and metal detectors under the ISPS Code. Operational equipment includes: remotely controlled cranes via wireless connectivity — an evolution creating new vulnerabilities for malicious takeover — plus tugboats and dredging vessels. The Port Community System (PCS) provides real-time goods tracking and customs declarations through modules: core, cargo, tracking and tracing, berth management, storage allocation, interface to other transport modes, billing, and statistics. The Single Window (SW) environment standardizes services between ports by unifying rules across governments, while the port terminal life cycle comprises four subsystems: ship-to-shore, transfer, storage, and delivery and receipt.

5. Cyber-Attacks in the Maritime Industry

Cyber attacks associated with key equipment and systems are classified, including on-ship attacks: the AIS attack, where data identification is carried out by calculating the Frame Check Sequence (FCS) with the CRC polynomial equation, and an attacker executes a successful spoofing attack by transmitting the message on the appropriate radio channel of the AIS receiver using an FCS similar to the one calculated by the target AIS decoder, potentially causing collisions between ships by changing localisation (latitude, longitude, altitude) or injecting a false message; and GNSS attacks — GPS, GLONASS, Galileo, and BeiDou — facilitated by the lack of authentication and encryption, where fake position information significantly increases collision probability (as in the striking Black Sea exemplars), with spoofing carried out in two steps: synchronization with the satellite signal followed by increases in transmitted signal power, and extensive research on GNSS spoofing detection using spatial processing methods and an IRIDIUM-based deciphered Ring Alert message method.

In-port cyber-attacks include: spear-phishing with emails containing suspicious links to obtain unauthorized access, followed by key-logger installation to capture logins/passwords and build a precise mapping of port status — though port managers prefer minimal reporting given sector sensitivity; distributed denial of service (DDoS) flooding the port information system with excessive traffic and denying access to its sites, compromising maritime services and goods tracking; port scanning to discover service status via IP fragmentation to confuse firewalls or interrogating UDP ports, with TCP-wrappers preferred for mitigation; supply chain attacks through the most vulnerable part of the end-to-end network, most understandably by changing a container's destination via modified critical information; and social engineering exploiting human curiosity or compunction via social media, false identities, baiting, and quid pro quo, mitigated only by strictly applied security policies.

Malware, ransomware, and Trojan classes generally aim to damage the information system or server by targeting networked computers. On 8 July 2019, an attack targeted a US vessel causing critical credential mining; the Coast Guard and FBI reported that the lack of security strategies — the entire crew sharing the same login and password, use of external devices, and absence of antivirus protection — was the main enabler. The second example is the 27 June 2017 attack named Petya, which hit the Maersk shipping company's servers with encrypted malware that destroyed operating systems by infecting the master boot record (MBR), affecting 17 terminals and inflicting damages exceeding USD 200 million.

6–7. IoT and the Future of Maritime

The IMO created the International Safety Management Code (ISM) and the International Ship and Port Facilities Security Codes (ISPS) as standards ensuring safe shipping and harbour operations. The industry has recently adopted new technologies to optimise evolution toward digitalisation, including the Internet of Things (IoT) — a technology platform interconnecting 'objects' through the Internet to exchange data — where the connected 'things' in maritime are predominantly sensors monitoring operational equipment and environment. A suite of appropriate sensors has been deployed on vessels and in port operations to reduce the risk of critical component failures and increase key practice efficiencies, as extensive monitoring provides real-time information such as cargo temperature, gas emissions, and other vital data informing operational optimisation, lowering maintenance costs and increasing whole-ecosystem safety — yet growing reliance on data and complex network connectivity has gated a proliferation of new vulnerabilities that attackers exploit.

Sahay et al. provided detailed insight into the on-vessel role of sensors and actuators in automated ship systems as integral to the physical components of bridge, engine, and propulsion control systems, with generated data central to Integrated Bridge Control and Autonomous Engine Monitoring Controllers — though increased automation creates new security vulnerabilities. The use of IoT-gathered data to derive meaning has gathered pace, with evidence on the benefits of Industrial IoT (IIoT) in safety-critical applications and Big Data Analytic tools proven to enhance maritime productivity. IoT attack surfaces depend on technology implementation — architectural design, component modus operandi, protocols — and include: network links via network-layer protocol vulnerabilities, application links, network design flaws, and weak password key management. IoT has inherent security challenges from bi-directional cloud data storage and retrieval; examples include LogicLocker (a self-spreading ransomware worm via PLCs) and attacks on IoT-enabled field devices such as Automated Tank Gauges (ATG) and small-scale SCADA systems.

This section focuses on cyber-security concerns around advancements toward an extensively digitised maritime industry, considering autonomous or unmanned vessels and their attack surfaces. Two classes of autonomous vessels — self-driven vessels piloted by artificial intelligence — have seen significant R&D: remotely monitored and operated vessels by shore-side operators, and independently operated vessels with onboard decision support undertaking all operational decisions, with phased evolution beginning remotely before full independence. Autonomous vessel adoption faces operational, safety, and regulatory challenges: remotely operated counterparts comprise large sensor networks driven by algorithms interpreting acquired data for accurate navigation, exposing new attack surfaces in sensor networks, remote controls, and shore-operator communication links. While autonomously operated vessels may be less susceptible to traditional attacks (e.g., crew held hostage), increases in GPS spoofing via the communication link attack surface are inevitable, with concerns over collision-causing attacks, loss of life, environmental damage, weak key management, and bi-directional cloud storage. Digitalisation offers undoubted business benefits — transforming analogue operations into streamlined cargo handling, procurement, and logistics practices enhancing efficiency, growth, innovation, safety, and competitive advantage — relying on blockchain, Big Data, real-time control, AI, autonomous vehicles, robotics, VR, and IoT, through three phases of optimisation, extension, and transformation, with researchers agreeing Big Data and AI offer viable solutions to digitalisation challenges.

8. Conclusions

A review of current components, systems, and services within the maritime industry, segmented as in-port and on-vessel, is presented as the foundation for determining future exposures of a critical global-wide infrastructure to cyber crimes. Reported cyber attacks are classified and their impact quantified in each core sub-infrastructure within the state-of-the-art context. Sector migration toward ever-increasing levels of smart in-port services and autonomous vessels necessitates new cyber-security protocols and enhanced protection practices. Clear evidence exists that every port or vessel is at risk of cyber-attacks if key information systems are not adequately protected, and proliferation of new technologies further expands vulnerability scope within the most operationally critical infrastructures, heightening exposure to significant risk of unauthorized access and new classes of cyber-attacks.

An important strand in achieving more robust cyber protection is improvement in cyber-security awareness across the community. In support of awareness, a legal framework and updated insurance methodologies should be established to strengthen solutions to cyber threats. Moreover, all cyber security issues should be transparent among stakeholders to increase understanding and catalyse collective practice development, with details and impact of new cyber-attacks communicated throughout the supply chain. Integration of acceptable governance practices in ports, together with adoption of a universal security protocol, will further reduce the probability of successful cyber attacks and inform effective protection strategies. In the future, among many remaining challenges, developing a plan for standardizing digital services for autonomous vessels is the most pressing, and a new security standard reducing the number and scope of cyber-attacks for autonomous vessels and smart ports must be defined for the sector's economic sustainability.

References

  1. [1] Mednikarov, B.; Tsonev, Y.; Lazarov, A. Analysis of Cybersecurity Issues in the Maritime Industry. Inf. Secur., 47, pp. 27–43, 2020.
  2. [2] Ben Farah, M. A. et al. Security and Privacy in the Internet of Things. IEEE Access surveys on maritime IoT architectures, 2021.
  3. [3] Chatham House Cyber-Security Group. System-of-system analysis of essential on-ship and in-port systems requiring cyber protection, Oct 2017–Feb 2019.
  4. [4] Tam, K. & Jones, K. MaCRA: A Model-Based Framework for Maritime Cyber-Risk Assessment. WMU J. Maritime Affairs, 18(1), pp. 129–163, 2019.
  5. [5] Kavallieratos, G. & Katsikas, S. Managing Cyber Security Risks of the Cyber-Enabled Ship. J. Mar. Sci. Eng., 8(10), 768, 2020.
  6. [6] Svilicic, B. et al. A Study on Cyber Security Threats in a Shipboard Integrated Navigational System. J. Mar. Sci. Eng., 7(10), 2019.
  7. [7] Svilicic, B. et al. Raising Awareness on Cyber Security of ECDIS. TransNav, 13(1), pp. 231–236, 2019.
  8. [8] Tran, K. et al. Marine Network Protocols and Security Risks. J. Cybersecurity and Privacy, 1(2), pp. 239–251, 2021.
  9. [9] Kessler, G. C. Cybersecurity in the Maritime Domain. USCG Proceedings, 76(1), 2019.
  10. [10] BIMCO. The Guidelines on Cyber Security Onboard Ships, Version 4, 2020.
  11. [11] IMO. Guidelines on Maritime Cyber Risk Management. MSC-FAL.1/Circ.3, 2017.
  12. [12] Al-Gumaei, K. et al. Inter-relationship between IIoT and business benefits from data. IEEE Trans. Ind. Inform., 2021.
  13. [13] Brouer, B. et al. Insights into predictive Big Data analysis in large-scale maritime optimisation. Eur. J. Oper. Res., 2020.
  14. [14] Mirovic, M. et al. IIoT in real-time decision support for vessel operations. Sensors, 2021.
  15. [15] Sahay, R. et al. On-vessel role of sensors and actuators in automated ship systems. IEEE Access, 2021.
  16. [16] Silverajan, B.; Ocak, M.; Nagel, B. Cybersecurity Attacks and Defences for Unmanned Smart Ships. Proc. IEEE iThings/GreenCom/CPSCom/SmartData, 2018.
  17. [17] Yaacoub, J.-P. et al. Security analysis of drones and autonomous vessels: attack surfaces and countermeasures. Internet of Things, 2021.
  18. [18] Androjna, A. et al. Assessing Cyber Challenges of Maritime Navigation. J. Mar. Sci. Eng., 8(10), 776, 2020.
  19. [19] Bolbot, V. et al. A Novel Cyber-Risk Assessment Method for Ship Systems. Safety Science, 131, 104908, 2020.
  20. [20] Progoulakis, I. et al. Digitalization and Cyber Physical Security in Maritime Transportation and Port Infrastructure. Palgrave Macmillan, 2023.
  21. ... [full reference list of 177 references available in original paper]