في السنوات الأخيرة أصبحت البنى التحتية للوجستيات البحرية الروابط العالمية بين المجتمعات والاقتصادات، مما يدفع الخصوم إلى اختراق تقنيات المعلومات والاتصالات المعتمدة على الفضاء السيبراني عبر تقنيات ذكية عالية المستوى. ويمكن لهجوم سيبراني محتمل على هذه البنى أن يسبب أضرارًا هائلة تبدأ بتعطيل خدمات سلسلة التوريد وتنتهي بتهديد رفاه الإنسان كله. وتتضمن سياسات إدارة المخاطر الحالية قيودًا كبيرة في التقاط المتطلبات الأمنية الخاصة لتقنيات المعلومات والاتصالات وأجهزة التحكم والمراقبة، مثل منصات إنترنت الأشياء (IoT) والأقمار الصناعية ومنشآت التوقيت، التي تؤدي وظائف أساسية في تقديم خدمات اللوجستيات البحرية وسلسلة التوريد (MLoSC). يقدم هذا العمل منهجية جديدة لتقييم المخاطر قادرة على معالجة الخصوصيات الأمنية للطبيعة المعقدة لبنى MLoSC التحتية [12].
في العصر الحديث تُعد اللوجستيات البحرية وسلاسل التوريد (MLoSCs) شرايين التجارة والاقتصاد العالميين، حيث تتعاون البنى التحتية الحرجة (CI) العابرة للحدود — مثل الموانئ والسلطات البحرية والمطارات والسكك الحديدية ومزودي الطاقة والبنوك وشركات النقل واللوجستيات البحرية — في تقديم خدمات حرجة معقدة مثل إدارة الحاويات ونقل المركبات ونقل الغاز الطبيعي المسال (LNG) والرحلات البحرية. وتمتلك هذه البنى ترابطات مادية وسيبرانية متعددة، ويتفاعل بعضها مع جميع قطاعات الاقتصاد، لذا فإن تعطلها قد يحدث آثارًا متتالية على بنى أخرى تعتمد عليها عبر سلسلة التوريد العالمية.
تدمج خدمات MLoSC عمليات فيزيائية — مثل مناولة الشحنات والسفن، وإمدادات الطاقة لمنشآت الموانئ، وإدارة الأنابيب أثناء نقل الغاز المسال — تُراقب وتُتحكم بها أنظمة تحكم صناعية (ICS) مركبة وغير متجانسة تشمل أنظمة SCADA وأنظمة التحكم الموزعة (DCS) ووحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC). وتلعب هذه المنشآت دورًا حيويًا في الصناعة البحرية إذ تحلل المعلومات وتعرضها لضمان أداء سلس وفعال لعمليات اللوجستيات البحرية، وقد نجحت أنظمة SCADA بفضل آليات الأتمتة عالية المستوى وقدرات تفسير البيانات في تقليل هدر الوقت وتحقيق وفورات في النقل البحري وعمليات التحكم [1].
وقد جعلت القيمة العالية للأصول المادية والسيبرانية المترابطة في MLoSCs منها أهدافًا للهجمات [2]، فاستقطبت اهتمام الإرهاب [3] ومنظمات الاختراق السيبراني والميليشيات [3] والوكالات [3]: فاتُهم مصنّع صيني بزرع برمجيات خبيثة في ماسحات المخزون لسرقة معلومات سلسلة التوريد [4]، وعطّل مخترقون منصة نفطية عائمة بإمالتها [5]، وأظهرت تجارب أن أجهزة التشويش الرخيصة على GPS قادرة على تحويل مسار السفن عبر التداخل مع أنظمة الملاحة (GPS وECDIS وAIS) [3]، واستخدم قراصنة صوماليون مخترقين للوصول إلى قواعد بيانات شركات الشحن لتحديد السفن ذات الشحنات الثمينة [3]، وسُرقَت شحنات في ميناء أنتويرب بين 2011 و2013 عبر هجمات سيبرانية [3]، ودفعت شركة بحرية كبرى عن غير قصد مبلغ 10 ملايين دولار من ضمان مستأجر إلى حساب يملكه مجرم سيبراني [6].
إن التطفل غير المشروع على أنظمة ICS — مثل الإشراف ومنشآت SCADA في الموانئ أو شركات النقل البحري — قد يعطل خدمات التحميل والتفريغ أو يلحق الضرر بأجهزة ميكانيكية حرجة، بل قد يتسبب بخسائر بشرية وفقدان الشحنات وأضرار جسيمة للسفن. لذا ثمة تحدٍّ ملحّ أمام ضباط أمن MLoSCs لحماية بناهم، بينما تستخدم سياسات إدارة المخاطر الحالية في موانئ الاتحاد الأوروبي منهجيات متباينة تعيق مقارنة نتائج التقييم بين الدول الأعضاء وتفاقم المخاطر متعددة الحدود [7]، كما يكشف استعراض الأدبيات [7، 8] الحاجة إلى تحديث المعايير الأمنية ودمجها مثل NIST SP800-37 [9] وISO 27001 [10] وISO 28001 [11]. وتهدف الدراسة الحالية إلى تقديم منهجية جديدة لتقييم المخاطر قائمة على الأدلة، وتوضيح استخدام نظام التقييم المتطور المولّد عنها، الذي طُوّر ضمن مشروع الاتحاد الأوروبي Horizon 2020 المسمى «MITIGATE» [12].
أُجري مسح منهجي لتحديد الأدبيات ذات الصلة بمتطلبات أمن سلسلة التوريد وهندسة المخاطر ومعايير إدارة أمن سلسلة التوريد في الصناعة اللوجستية البحرية، لاستجلاء القضايا المتطورة واستخلاص التحديات المهمة. وقد تطورت ممارسات تقييم المخاطر (RA) للأنظمة السيبرانية-الفيزيائية (CPS) على مدى 40 عامًا وما زالت تبحث عن أساليب لفهم المخاطر ومراقبتها [13]، وتتجسد المبادئ الأساسية للتقييم في كتاب الأكاديمية الوطنية للعلوم (الكتاب الأحمر) [14] حيث يُميَّز بين التقييم واتخاذ القرار [15]. وفيما يخص أنظمة SCADA، يُفترض أن الخطر «دالة لاحتمال استغلال مصدر تهديد معين لثغرة محتملة والأثر الناتج عن الاستغلال الناجح لتلك الثغرة» [7]، وتُصنف الأهداف الأمنية وفق ISO/IEC 13335-1:2004 [16] تقليديًا إلى السرية والسلامة والتوافر.
تُصنف تقييمات المخاطر عمومًا إلى نوعية وكمية وهجينة تجمع بينهما. ومن الأمثلة البارزة على المناهج شبه الكمية للأصول اللوجستية البحرية تحليل شجرة الأحداث الخطأ الذي يقدّر تكرار وقوع الحدث في مقياس منطقي للجذر غير المرغوب [17]، وشجرة سيناريو الأحداث الشيئية OBEST التي تجمع بين تحليل شجرة الأحداث ومحاكاة مونتي كارلو للأحداث المتقطعة ومفاهيم التحليل الشيئي [18]، وأشجار الهجوم التي صاغها Schneier [19] لإضفاء الطابع الرسمي على أمن الأنظمة تجاه الهجمات المتنوعة، وأداة تقييم كمي توفر أساسًا لتقدير خفض المخاطر عند تطبيقها على أمن SCADA [20]. كما قدّم Graham وPatel وRalston أشجار ثغرات معززة ومؤشرين جديدين لقياس المخاطر [17]، وقدّم Cheminod وآخرون نمذجة كمية لثغرات SCADA، وطُرحت مقاربة قائمة على السيناريوهات لتحليل المخاطر.
إلى جانب ذلك، تشمل الأدبيات أساليب مثل OCTAVE [36] وإدارة المخاطر القائمة على النماذج للأنظمة الحرجة أمنيًا [37] ومقاربتي Medusa وMITIGATE لتأمين اللوجستيات البحرية وسلسلة التوريد [38]، فضلًا عن أطر إدارة المخاطر مثل ISO 31000 [39] وONR 49000 [40] وISO/IEC 20000 [41]. وتكشف هذه المراجعة أن معظم المنهجيات القائمة إما تتجاهل الطبيعة الموزعة والمترابطة لبيئات MLoSC الديناميكية القائمة على تقنية المعلومات والاتصالات، أو تستخدم تقنيات حسابية بدائية تفتقر إلى استكشاف نتائج التقييم ومقارنتها — وهي فجوة تعالجها منهجية MITIGATE المقترحة [56–58].
تشمل أنظمة التحكم الصناعية (ICS) في الصناعة اللوجستية البحرية أنظمة SCADA وDCS وPLC، وتوجد في رافعات الحاويات على الأرصفة والمركبات ذاتية الحركة الداعمة لمناولة الشحنات في الموانئ التجارية المزودة بتحديد المواقع والتعرف البصري [51]، وفي أنظمة مناولة السوائل السائبة والمواد الكيميائية السامة والغاز الطبيعي المسال، كما توجد على متن سفن الدعم مثل قوارب الإرشاد والقطر والإطفاء وسفن الاستجابة للانسكابات النفطية التي تضمن الحركة الآمنة للسفن وشحناتها. وقد بدأت معظم أنظمة ICS كأنظمة مملوكة ومعزولة عن العالم الخارجي، لكن أنظمة SCADA الأحدث انتقلت إلى مزيد من التشغيل البيني والمعايير المفتوحة لخفض التكلفة والاندماج مع أنظمة الإدارة، فأصبح الاتصال شائعًا عبر Ethernet وTCP-IP ببروتوكولات تحكم وتطبيقات أكثر توحيدًا. وتمثل المعايير المفتوحة مصادر يستقي منها الخصوم معرفتهم بطوبولوجيا شبكات SCADA [52]، فأضحت هذه الأنظمة عرضة لهجمات خارجية وثغرات تقنية معلوماتية.
تعتمد تقنيات SCADA المعاصرة في القطاع البحري على التموضع والمراقبة — مثل أجهزة إنترنت الأشياء كالكاميرات التي ترسل المعلومات إلى أصول تقنية المعلومات، والملاحة عبر المحطات الساتلية — وعلى التوقيت [51]. وكغيرها من الصناعات، تواجه اللوجستيات البحرية قضايا أمن سيبراني بسبب غياب الوعي الإداري وعدم اكتمال المعرفة بالهجمات وثغرات أصول SCADA، مع تركيز أكبر على تدابير الأمن المادي وإهمال تدريبات الأمن السيبراني لتدريب مشغلي SCADA [53، 54]. وخلاصة ذلك أن ثمة حاجة ماسة لتعزيز الوعي بالتهديدات السيبرانية لأنظمة SCADA ضمن MLoSC [53، 54].
ومع تزايد تعقيد أنظمة التحكم في SCADA وتوزعها وترابطها مع قطاعات أخرى [51] يتزايد عدد نواقل الهجوم المحتملة، بما فيها الإنترنت وشبكة المؤسسة والاتصالات المباشرة بشبكات التحكم والأجهزة الميدانية. ومن أكثر أنواع نواقل الهجوم شيوعًا ضد SCADA: الأبواب الخلفية والثغرات في محيط الشبكة، والهجمات على الأجهزة الميدانية، وهجمات قواعد البيانات، واختطاف الاتصالات وهجمات الرجل-في-المنتصف، وهجوم سندريلا على توفير الوقت والتزامنه. وتُستكمل هذه الصورة بتقنيات كشف التسلل المصممة لأنظمة SCADA [31–33]، ونمذجة الهجوم والدفاع للبنى الحرجة [29]، والنمذجة الهرمية للألعاب لتحليل استخبارات مكافحة الإرهاب [34]، والإدارة الآلية للمخاطر والمنفعة [35].
منهجية MITIGATE هي نتاج مشروع بحثي [12] شارك في تمويله المفوضية الأوروبية ضمن أكبر برامجها للبحث والابتكار Horizon 2020، ويشير الاسم المختصر إلى إطار متعدد الأبعاد ومتكامل لتقييم المخاطر وأدوات تعاونية وديناميكية لإدارة مخاطر البنى التحتية للمعلومات الحرجة. والمنهجية ديناميكية وتعاونية وقائمة على المعايير، موجهة لجميع الفاعلين اللوجستيين البحريين في سلسلة التوريد العالمية لحماية البنى الحرجة من الأنشطة السيبرانية الإجرامية [56]، ويمكن تطبيق هذه المقاربة على أنظمة SCADA لتقييم مخاطرها السيبرانية.
تنبع الطبيعة الديناميكية والتعاونية للمنهجية من مقاربة شمولية قائمة على الأدلة لتقييم مخاطر سلسلة التوريد البحرية (MSCRA) [56–58]، تُنفذ عبر منهجية إدارة مخاطر تدريجية توفر رؤية شاملة للبنى اللوجستية البحرية وسلاسل توريدها، وتمكّن التعاون وشفافية معالجة المخاطر بين أصحاب المصلحة وتولّد أدلة فريدة حول التقييم والتخفيف. ويتحقق ذلك عبر بيئة محاكاة مفتوحة تتيح لشركاء الأعمال محاكاة المخاطر وتقييم إجراءات التخفيف. ولتقدير الآثار المتتالية والمتصاعدة للمخاطر والتهديدات والثغرات في سلاسل التوريد القائمة على تقنية المعلومات والاتصالات، تستخدم المنهجية مقاييس متخصصة، ويقود تحديد الترابطات المركبة بين كيانات سلسلة التوريد وأصولها السيبرانية عملية تقييم انتشار الحوادث عبر شبكات تقنية معلومات متعددة.
يُنتج تطبيق خوارزميات نظرية الألعاب التعرف على إجراءات التخفيف المثلى، ملتقطًا سيناريو أسوأ ضرر للمدافع، استنادًا إلى مقاربة إدارة المخاطر القائمة على نظرية الألعاب الموصوفة في المرجع [59] والوحدة الرياضية للعوائد غير المؤكدة [60]، بينما تدعم تقنيات اكتشاف مسارات الهجوم التنبؤ بالهجمات المستقبلية [57، 58، 61] وتوفر إدارة المخاطر القائمة على النماذج [37] ومنهجية Secure Tropos لهندسة البرمجيات الآمنة [62] الأساس المنهجي للتحليل.
تُبنى نمذجة الأصول في MITIGATE على أزواج الأصول السيبرانية التي تغطي تسع وظائف: 1. الاستضافة؛ 2. تبادل البيانات/المعلومات؛ 3. التخزين؛ 4. التحكم؛ 5. المعالجة؛ 6. الوصول؛ 7. التثبيت؛ 8. الموثوقية؛ 9. الاتصال. ويتكون زوج الأصول السيبرانية من أصل مصدر وأصل مستهدف تربطهما علاقة وظيفية، مما يتيح تتبع انتشار المخاطر عبر البنى المترابطة. وتتكامل خدمات التقييم الأمني (SAS) مع إدارة المعرفة [55] وتقنيات استخبارات المصادر المفتوحة والهندسة الاجتماعية لتوفير معلومات دقيقة ومحدّثة حول الثغرات والتهديدات وتوليد آليات قائمة على القواعد لمعالجة المعرفة المستخلصة وتوليد مسارات الهجوم.
يهدف هذا القسم إلى توضيح كيف يمكن تهديد أداء MLoSCs وتعطيله من قبل مجرمي الفضاء السيبراني، مؤكدًا الحاجة إلى أساليب تقييم أمني ترفع الوعي السيبراني لمشغلي MLoSCs حول بنى SCADA التحتية لسلسلة التوريد وتنصحهم بحماية أصولهم من الهجمات المحتملة أو إزالة الأضرار الأمنية عند وقوع هجوم. ويُعرض ذلك عبر سيناريوهات هجوم سيبراني أُبلغ عنها أو عُرفت أو افتُرضت ضد خدمات MLoSC واقعية: إدارة شحن الحاويات، ونقل المركبات، ونقل الغاز الطبيعي المسال (LNG). وقد اختيرت هذه الخدمات الحرجة لطبيعتها الأوروبية — إذ تُنفذ في موانئ تجارية أوروبية كبرى — ولأنها محركات اقتصادية ذات أثر كبير ولقيمتها البيئية المطابقة للمعايير الأوروبية.
في سيناريو إدارة شحن الحاويات، يستغل المهاجمون أنظمة SCADA التي تتحكم في الرافعات والمركبات ذاتية الحركة ومناولة الحاويات، فيعطلون خدمات المناولة أو يحوّلون الشحنات أو يسرقونها على غرار حادثة ميناء أنتويرب، مستفيدين من الأبواب الخلفية في محيط الشبكة والهجمات على الأجهزة الميدانية. وفي سيناريو نقل المركبات، تستهدف الهجمات أنظمة التتبع والتحكم في مواقف السفن وساحات التخزين، مما يتيح تهريب مواد غير مشروعة أو مهاجرين غير شرعيين عبر التلاعب بخدمات التخليص والتحميل. أما سيناريو نقل الغاز المسال فهو الأخطر، إذ قد تحوّل الهجمات على أنظمة التحكم في خطوط الأنابيب والصمامات ناقلات الغاز إلى قنابل عائمة، بينما قد تتسبب البرمجيات الخبيثة في انسكابات وقود تلوث المياه وتضر بالبيئة الساحلية.
يمكن تحقيق هذه السيناريوهات عبر تنفيذ سلسلة من الهجمات السيبرانية المحددة في أنظمة CPS المختلفة، فيتمكن المستخدمون الخبثاء من تنفيذ سيناريوهات تهديد مركبة لتعطيل عمليات MLoSCs أو تسهيل أنشطة غير مشروعة سعيًا لمكاسب مالية أو سياسية/عسكرية أو حتى أيديولوجية، عبر الوصول إلى الأنظمة محليًا أو عن بُعد واستغلال عملياتها الحساسة أمنيًا. وتُظهر هذه السيناريوهات الثلاثة معًا أن التهديدات السيبرانية على MLoSCs ليست نظرية بل مخاطر تشغيلية ملموسة تستدعي منهجية تقييم صارمة كمنهجية MITIGATE.
يمكن استخدام خدمات التقييم الأمني في نظام MITIGATE لدعم أنظمة CPS القائمة على SCADA في خدمات MLoSC وحمايتها من الأنشطة الخبيثة كالموصوفة سابقًا. ويُعرض هنا كيف يستخدم شركاء الأعمال في MLoSC خدمات MITIGATE لتقدير المخاطر السيبرانية على بنى SCADA اللوجستية البحرية واكتشاف استراتيجيات التخفيف، عبر تطبيق هذه الخدمات في سيناريو إرشادي لأصول SCADA السيبرانية العاملة ضمن الخدمة الحرجة لنقل الغاز المسال. ويُقدَّم العرض في تقرير متسلسل يوفر منظورًا شاملًا لمرافق MITIGATE تجاه خدمة سلسلة التوريد. ووفق السيناريو، يتعاون شركاء أعمال — وكيل محلي لشركة لوجستية بحرية وسلطة ميناء يونانية وسلطة ميناء إسبانية وشركة شحن غاز — في تقديم خدمة نقل الغاز المسال، معتمدين على الاستخدام المشترك للبنية المادية (المنشآت والمباني والرافعات وخطوط الأنابيب والسكك والطرق ومراكز البيانات) والبنية السيبرانية (الشبكات ومعدات تقنية المعلومات وأنظمة الاتصالات والتحكم في الوصول).
وقّع هؤلاء الشركاء الأربعة إعلانًا أمنيًا (Security Declaration Statement) — وهو التزام موثق من كل شريك بتبادل أي معلومات وبيانات أمنية تتعلق بخدمة نقل الغاز المسال والإبلاغ عن أي مخاطر، بما يشمل التدابير الأمنية المنفذة على بناهم وكيفية حماية أنظمة CPS وسرية معلوماتها المصاحبة. وباستخدام خدمات التقييم الأمني، يقيّم الشركاء مكونات SCADA لديهم ويحددون المخاطر السيبرانية الفردية ويقدّرون الآثار المتراكمة والمتتالية المقابلة على مستوى خدمة نقل الغاز ككل، بما يحقق معالجة شمولية للتهديدات وفهمًا معززًا للواجهات السيبرانية يكشف الثغرات غير المحددة ويدعم اتخاذ القرار بتقييم محسّن للمخاطر المتكاملة.
تبدأ الاستفادة بنمذجة خدمة نقل الغاز (SAS-1: LNG Transport Service Modeling) حيث يمثّل كل شريك كيانه التجاري ويدخل أصوله وترابطاته في النظام، ثم تُطبق خدمات التقييم التالية لتحديد المخاطر الفردية والتراكمية والمنتشرة، وتُولَّد استراتيجية أمنية أساسية تحدد الحد الأدنى اللازم من الضوابط الأمنية لكل مشارك وفق دوره التجاري وتبعياته. وبهذا يمكّن نظام MITIGATE المشاركين من ضبط استراتيجياتهم الأمنية بدقة، محققًا التقييم الفردي والتراكمي والمنتشر للمخاطر عبر بيئة تعاونية تحمي المخاطر المتوقعة الفردية والتراكمية والمنتشرة ضمن MLoSC.
في السنوات الأخيرة، فرضت التطورات المعقدة للبنى الحرجة وترابطاتها ضمن الصناعة اللوجستية البحرية — سلطات الموانئ والجمارك ووكالات الشحن ومؤسسات إنترنت الأشياء — أهمية حماية سلامة أنظمتها ومرونتها. وتُغفل معظم سياسات إدارة المخاطر الحالية الطبيعة المركبة للبنى الممكّنة بتقنية المعلومات والاتصالات (مثل SCADA وأنظمة AIS) وتنسى البيئة المترابطة لسلسلة التوريد العالمية عند تحديد العمليات الأمنية. وقد قُدّمت أساليب تحليل مخاطر نوعية (مثل NIST 800-30 [43] وOCTAVE [36]) وكمية [20] أو مدمجة (ISO 27005 [10])، لكنها إما تتجاهل استكشاف نتائج التقييم ومقارنتها أو تستخدم تقنيات بدائية، بينما تعاني أساليب ضمان الأمن للمؤسسات الكبيرة (مثل NIST 800-30 [43] وIT-Grundschutz [44]) من محدودية تحليل القضايا الإدارية والتشغيلية وضعف القدرات التعاونية، وتعاني المنهجيات البايزية (مثل AURUM [35] وOCTAVE [36]) من الذاتية الجزئية والحاجة إلى كميات ضخمة من بيانات التدريب وصعوبة تطبيقها على حالات جديدة.
في المقابل، تعالج منهجية MITIGATE هذه القضايا: فهي تقدم مقاربة تعاونية قائمة على الأدلة (MCSRA) تخفف قيود أطر إدارة المخاطر الحديثة [8]؛ وتستخدم خدمات التقييم الأمني إدارة المعرفة [55] وتقنيات استخبارات المصادر المفتوحة والهندسة الاجتماعية لتوفير معلومات دقيقة ومحدّثة حول الثغرات والتهديدات وتوليد آليات قائمة على القواعد لتوليد مسارات الهجوم؛ وتبني تقييم المخاطر على الترابطات المحددة بين الأصول. وقد طُبّقت المنهجية على سيناريوهات واقعية، وجاءت قيم المخاطر المشتقة متسقة مع التوقعات: إذ يُتوقع خطر «مرتفع جدًا» (VH) ضمن أصول شركاء الأعمال المعرضين للتهديدات المحددة في المراجع [56–58].
للتحقق من المنهجية استُخدمت دراسات حالة مبنية على سيناريوهات بحرية واقعية وبيانات حقيقية، وجاءت نتائج التقييم واعدة، خاصة بالنظر إلى أثر النسخ السابقة على النتائج: إذ يرى أغلبية كبيرة من أصحاب المصلحة في MLoSCs أن نظام MITIGATE فعال ومفيد بفضل مقاربته التعاونية ودعمه للقرار لتحسين الوضع الأمني لمنظماتهم، مع معلومات منظمة بوضوح وجميع الوظائف المتوقعة. وجاء الرد على السؤال حول الرضا عن النظام ككل إيجابيًا بأغلبية ساحقة، وهو تقييم جيد لنموذج أولي في مرحلة بيتا.
إن اللوجستيات البحرية وسلاسل التوريد (MLoSC) أنظمة مترابطة مركبة تؤدي دورًا حيويًا في نقل البضائع والخدمات وتخزينها وتسليمها، وتشمل عادة أنواعًا متعددة من البنى التحتية الحرجة — خاصة في قطاع النقل — ذات تبعيات داخلية وعابرة للحدود. وتتطلب أنظمة SCADA المعقدة هذه تعاون شركاء سلسلة التوريد وأنظمتهم المتعاونة لوضع مؤشرات فعالة للمخاطر والآثار [8]. والهدف الرئيسي لـ MITIGATE هو تقييم المخاطر الفردية والتراكمية والمنتشرة لسلسلة توريد قائمة على تقنية المعلومات، آخذًا في الحسبان الترابطات السيبرانية بين الكيانات المختلفة ضمن MLoSC، فيقيّم التهديدات المؤثرة على جميع الشركاء ويقدّر تهديدات MLoSC ككل عبر بيئة تعاونية، وتُستخدم قيم المخاطر المشتقة لتوليد استراتيجية أمنية أساسية تحدد الحد الأدنى اللازم من الضوابط الأمنية لكل مشارك.
ختامًا، توضح هذه الدراسة أن خدمات سلسلة التوريد البحرية واللوجستية والنقلية تشترك في خصائص وتواجه تحديات متشابهة فيما يخص الأمن السيبراني، وفي هذا السياق يستطيع نظام MITIGATE تلبية متطلباتها وخصوصياتها. وقد أثبتت دراسات الحالة الواقعية كفاءة النظام وفائدته، ويبقى العمل المستقبلي موجهًا نحو توسيع نطاق السيناريوهات المغطاة وتعميق التكامل مع مصادر الاستخبارات المفتوحة وتحسين دعم القرار الآلي لإجراءات التخفيف.
In recent years maritime logistics infrastructures are the global links among societies and economies. This challenges adversaries to intrude on the cyber-dependent ICTs by performing high-level intelligent techniques. A potential cyber-attack on such infrastructures can cause tremendous damages starting from supply chain service disruption ending up with threatening the whole human welfare. Current risk management policies embed significant limitations in terms of capturing the specific security requirements of ICTs and control/monitoring devices, such as IoT platforms, satellites and time installations, which are primary functioning for the provision of Maritime Logistics and Supply Chain (MLoSC) services. This work presents a novel risk assessment methodology capable of addressing the security particularities and specificities of the complex nature of MLoSC infrastructures [12].
In the modern era, Maritime Logistics and Supply Chains (MLoSCs) are the blood veins of global trade and economy where cross-border Critical Infrastructures (CI), such as ports, maritime authorities, airports, railways, energy providers, banks, maritime logistics and transport companies, collaborate in offering critical complex services, such as container management, vehicle transport, Liquefied Natural Gas (LNG) transport and cruising. These infrastructures have physical and cyber multi-interdependencies, interacting with all sectors of the economy, so their malfunctioning or disruption could have cascading effects on other infrastructures depending on them throughout the global supply chain.
MLoSC services embed physical processes — such as vehicles and cargo stevedoring, ports plant power supply procedures, pipeline management during LNG transport — which are monitored and controlled by composite and heterogeneous Industrial Control Systems (ICS) including Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) systems, Distributed Control Systems (DCS) and Programmable Logic Controllers (PLC). Such installations play a vital role in the maritime industry as they analyze and display information aiming to promote a smooth and efficient performance of maritime logistics operations, and SCADA systems, because of their high-level automation mechanisms and data interpretation capabilities, have managed to reduce waste of time and provide cost savings in logistics, maritime transport and control operations [1].
The highly valuable interconnected physical and cyber assets of MLoSCs have lately become targets for attacks [2], attracting the attention of terrorism [3], cyber-hacktivism organizations, militias [3] and agencies [3]: a Chinese manufacturer stands accused of implanting malware in inventory scanners to steal supply chain intelligence [4]; hackers shut down a floating oil rig by tilting it [5]; experiments have demonstrated that low-cost GPS jammers can alter a vessel's course by interfering with its navigation systems (GPS, ECDIS, AIS) [3]; Somali pirates used hackers to access shipping companies' databases and vessel tracking systems to identify vessels with valuable cargoes [3]; cargo was hijacked in the port of Antwerp between 2011 and 2013 through cyber-attacks [3]; and a major maritime company unknowingly pre-paid $10 million of an $18 million charterer's guarantee into a bank account belonging to a cyber-criminal [6].
An illegal intrusion on the ICS (e.g., supervisory control, SCADA installations) hosted in ports or maritime transport companies may disrupt loading/unloading services or harm critical mechanical devices, or even worse cause human casualties, loss of cargo and serious vessel damages. There is therefore an urgent, pressing challenge for MLoSC security officers to protect their infrastructures, while current risk management policies in EU ports use disparate methodologies which hinder the comparison of assessment results among Member States and aggravate cross-border multi-risks [7], and the literature review [7, 8] raises the challenge to update and combine security standards such as NIST SP800-37 [9], ISO 27001 [10] and ISO 28001 [11]. The current study presents a novel evidence-based risk assessment methodology and illustrates the utilization of its generated sophisticated assessment system, developed under the EU Horizon 2020 research project "MITIGATE" [12].
A systemic review has been carried out to identify relevant existing literature on topics of supply chain security requirements engineering, risk management and supply chain security management standards of the maritime logistics industry, to adumbrate cutting-edge issues and elicit important challenges. Risk Assessment (RA) practices for cyber-physical systems (CPSs) have been developed over the past 40 years and are still searching for methods to comprehend and monitor risks [13], with the underlying principles of assessment captured in the National Academy of Science Red Book [14], where assessment and decision-making are distinguished [15]. With respect to SCADA systems, risk is assumed "a function of the likelihood of a given threat-source exploiting a potential vulnerability and the resulting impact of a successful exploitation of the vulnerability" [7], and per ISO/IEC 13335-1:2004 [16] security goals are traditionally categorized into confidentiality, integrity and availability.
Assessments are generally categorized into qualitative, quantitative and hybrid methods combining the first two. Notable examples of semi-quantitative approaches for maritime logistics assets include Fault Tree Events Analysis estimating event occurrence frequency on an undesired top/root logical scale [17], the object-based event scenario tree OBEST combining event tree analysis with Monte-Carlo discrete event simulation and object-oriented analysis concepts [18], attack trees introduced by Schneier [19] to formalize the security of systems regarding varying attacks, and a probabilistic-based tool providing a foundation for estimating risk reduction when applied to SCADA security [20]. Augmented vulnerability trees with two new risk quantification indices were introduced by Graham, Patel and Ralston [17], Cheminod et al. presented quantitative modeling of SCADA vulnerabilities, and a scenario-based approach to risk analysis was proposed.
In addition, the literature covers methods such as OCTAVE [36], model-based risk management of security-critical systems [37] and the Medusa and MITIGATE approaches to securing maritime logistics and supply chains [38], alongside risk management frameworks such as ISO 31000 [39], ONR 49000 [40] and ISO/IEC 20000 [41]. This review reveals that most existing methodologies either disregard the distributed, interconnected nature of dynamic ICT-based MLoSC environments or use rather primitive computational techniques that lack exploration and comparison of assessment results — a gap addressed by the proposed MITIGATE methodology [56–58].
ICSs in the maritime logistics industry encompass SCADA, DCSs and PLCs. They are found in dockside container cranes, straddle-carriers and autonomous vehicles supporting stevedoring with GPS and optical recognition port operations [51], in bulk liquid and dry cargo handling systems loading grain, crude oil, diesel, toxic chemicals and LNG, and aboard support vessels such as pilot boats, tugboats, fireboats and oil spill response vessels ensuring safe vessel movement. Most ICSs began as proprietary, stand-alone systems isolated from the outside world, but more recent SCADA systems have moved to interoperability and open standards for cost efficiency and integration into management IT systems: communication is now common over Ethernet TCP-IP with more standardized control protocols and applications. Open standards are sources for adversaries to gain knowledge regarding the SCADA network topology [52], so SCADA systems are subject to external attacks and IT-based vulnerabilities.
Contemporary SCADA technologies in the maritime logistics sector depend on positioning and monitoring — e.g., IoT devices like cameras sending information to IT assets, navigation by satellite terminals — and timing [51]. Maritime logistics, like other industries, faces cybersecurity issues due to lack of management awareness, incomplete knowledge of attacks and SCADA asset vulnerabilities, focusing more on physical security measures while neglecting cybersecurity drills to train SCADA operators [53, 54]. In short, there is a strong need to enhance cyber-threat awareness of SCADA systems within the MLoSC [53, 54].
As SCADA control systems become increasingly complex, distributed and interdependent with other sectors [51], the number of potential attack vectors increases, including via the internet, the enterprise network, and direct connections to control networks and field devices. Some of the most common types of attack vectors against SCADA are backdoors and holes in the network perimeter, attacks on field devices, database attacks, communications hijacking and man-in-the-middle attacks, and the Cinderella attack on time provision and synchronization. This picture is complemented by intrusion detection techniques designed for SCADA systems [31–33], attack and defense modeling for critical infrastructures [29], hierarchical holographic game modeling for counterterrorism intelligence analysis [34], and automated risk and utility management [35].
MITIGATE is the product of a research project [12], co-funded by the European Commission under its biggest research and innovation program Horizon 2020. The acronym "MITIGATE" stands for a multidimensional, integrated risk assessment framework with dynamic, collaborative risk management tools for critical information infrastructures. The methodology is dynamic, collaborative and standards-based, aimed at all maritime logistics actors of the global supply chain to protect CIs from cyber-criminal activities [56], and it can be applied to SCADA systems to assess their cyber-risks.
Its dynamic and collaborative nature derives from an evidence-driven holistic Maritime Supply Chain Risk Assessment (MSCRA) approach [56–58], implemented as a step-by-step risk management methodology providing a holistic view of maritime logistics infrastructures and their supply chains, enabling cooperation and risk-handling transparency among supply chain stakeholders and generating unique evidence about risk assessment and mitigation. This is achieved through an open simulation environment letting business partners simulate risks and evaluate mitigation actions. To estimate cascading and escalating effects of ICT supply chain risks, threats and vulnerabilities, the methodology uses specialized metrics, and the identification of composite interdependencies between supply chain entities and their cyber-assets drives the assessment of incident propagation across multiple ICT networks.
Applying game-theoretic algorithms yields optimal mitigation actions, capturing a worst-case damage scenario for the defender, based on the game-theoretic risk management approach of Reference [59] and the mathematical module for uncertain payoffs [60], while attack-path discovery techniques support prediction of future attacks [57, 58, 61] and model-based risk management [37] with the Secure Tropos software engineering approach [62] provide the methodological foundation.
Asset modeling in MITIGATE builds on cyber-asset pairs covering nine functions: 1. Hosting; 2. Exchange data/information; 3. Storing; 4. Controlling; 5. Processing; 6. Accessing; 7. Installing; 8. Trusted; 9. Connecting. A cyber-asset pair consists of a source and target asset linked by a functional relation, enabling risk propagation tracking across interconnected infrastructures. The security assessment services (SAS) integrate knowledge management [55], open-source intelligence techniques and social engineering to provide accurate, up-to-date vulnerability and threat information and rule-based mechanisms to manipulate extracted knowledge and generate attack paths.
This section illustrates how MLoSC performance can be threatened and disrupted by cybercriminals, stressing the need for security assessment methods that raise MLoSC operators' cybersecurity awareness of supply chain SCADA infrastructures and advise them how to protect assets against potential cyber-attacks or eliminate security damage if an attack occurs. This is presented through cyber-attack scenarios reported, known or assumed against real-life MLoSC services: Container Cargo Management, Vehicle Transport and Liquefied Natural Gas (LNG) Transport. These critical services were selected for their European nature — implemented at large European commercial ports — as economic enablers with major impact, and for their environmental value meeting EU standards.
In the container cargo scenario, attackers exploit SCADA systems controlling cranes, autonomous vehicles and container handling to disrupt handling services or divert or steal cargo, as in the Antwerp port incident, leveraging backdoors in the network perimeter and field-device attacks. In the vehicle transport scenario, attacks target vessel berth and yard tracking and control systems, enabling smuggling of illicit materials or illegal immigrants by tampering with clearance and loading services. The LNG transport scenario is the most dangerous: attacks on pipeline and valve control systems could turn gas carriers into floating bombs, while malware could cause fuel spills polluting waters and harming the coastal environment.
These scenarios can be realized by executing series of specific cyber-attacks in the various MLoSC SCADA CPSs, letting malicious users realize complex threat scenarios to disrupt MLoSC operations or facilitate illegal activities for financial, political/military or ideological gain, accessing systems locally or remotely to exploit security-sensitive operations. Together, the three scenarios show that cyber threats to MLoSCs are not theoretical but tangible operational risks calling for a rigorous assessment methodology such as MITIGATE.
The MITIGATE security assessment services can support SCADA-based CPSs of MLoSC services and protect them against malicious activities such as those described above. Presented here is how MLoSC business partners utilize the MITIGATE services to estimate cyber-risks on maritime logistics SCADA infrastructures and discover mitigation strategies, by applying them in an indicative scenario of SCADA cyber-assets operating within the critical LNG Transport service. The demonstration is given as a sequential report providing a thorough perspective of MITIGATE utilities for a supply chain service. Per the scenario, business partners — a local agent of a maritime logistics company, a Greek Port Authority, a Spanish Port Authority and a gas shipping company — collaborate to provide the LNG Transport service, depending on combined use of physical infrastructure (facilities, buildings, cranes, pipelines, rail tracks, roads, data centers) and cyber infrastructure (networks, ICT hardware, communication systems, access control).
These four partners signed a Security Declaration Statement — a documented commitment of each partner to exchange security-related information and data concerning the LNG Transport service and report risks — covering implemented security measures, how LNG Transport CPSs are safeguarded, and how accompanying information is protected. Using the security assessment services, partners assess their SCADA components, identify individual cyber-risks and evaluate corresponding propagated and cascading effects on the LNG Transport service as a whole, achieving holistic threat treatment, an enhanced understanding of cyber interfaces revealing unidentified vulnerabilities, and decision-making with improved integrated risk assessment.
Utilization starts with LNG Transport service modeling (SAS-1), where each partner models its business entity and enters assets and interdependencies into the system; subsequent assessment services then identify individual, cumulative and propagated risks, generating a baseline security strategy specifying the least necessary security controls for each participant per business role and dependencies. MITIGATE thus lets participants fine-tune their security strategies, delivering individual, cumulative and propagated risk assessment through a collaborative environment protecting expected risks within the MLoSC.
In recent years, complex heterogeneous CI developments and their interdependencies within the maritime logistics industry — port authorities, customs, shipping agencies and IoT enterprises — have dictated the importance of protecting system integrity and resilience. Most current risk management policies insufficiently consider the composite nature of ICT-empowered infrastructures (i.e., SCADA and AIS systems) and forget the global supply chain interdependent environment when defining security processes. Risk analysis methods have been introduced based on qualitative (i.e., NIST 800-30 [43], OCTAVE [36]) and quantitative [20] or combined (ISO 27005 [10]) approaches, which either disregard or use rather primitive computational techniques lacking exploration and comparison of results, while security assurance techniques for large enterprises (i.e., NIST 800-30 [43], IT-Grundschutz [44]) show limitations in analyzing management and operational issues with low collaborative capabilities, and Bayesian methodologies (i.e., AURUM [35], OCTAVE [36]) suffer from partial subjectivity, need for vast training data, and difficulty applying to new situations.
By contrast, the MITIGATE methodology addresses these issues: it introduces a collaborative, evidence-driven Maritime Supply Chain Risk Assessment (MCSRA) approach alleviating state-of-the-art limitations [8]; its security assessment services use knowledge management [55], open-source intelligence techniques and social engineering to provide accurate, updated vulnerability and threat information with rule-based mechanisms generating attack paths; and it builds risk assessment on identified asset interdependencies. Applied to real-world scenarios, derived risk values were consistent with expectations: "Very High" (VH) risk is expected within the assets of business partners exposed to the identified threats in References [56–58].
To validate the methodology, case studies based on real-world maritime scenarios and data were used, and evaluation results are promising, especially considering the impact of previous versions on results: a large majority of MLoSC stakeholders consider the MITIGATE system efficient and useful for its collaborative approach and decision support improving their organizations' risk situation, with clearly organized information and all expected functionalities. The response to whether they are satisfied with the system as a whole is positive by a vast majority — a good rating for a beta-stage prototype.
Maritime Logistics and Supply Chains (MLoSC) are composite interconnected systems playing a vital role in the transportation, storage and delivery of goods and services, typically involving multiple types of Critical Infrastructure — mainly in transport — with intra-sector and cross-border dependencies. Such complex SCADA infrastructure requires collaboration between supply chain stakeholders and their cooperating assets to set effective risk and impact indicators [8]. MITIGATE's primary goal is assessing individual, cumulative and propagated risk of an IT-based supply chain, bearing in mind cyber interconnections and interdependencies between entities within an MLoSC: it assesses threats affecting all involved business partners and estimates MLoSC threats as a whole via a collaborative environment, and derived risk values generate a baseline security strategy identifying the least necessary security controls for each participant.
Consequently, this work illustrates that maritime, logistics and transport supply chain services share characteristics and face similar cybersecurity challenges, and in this context the MITIGATE system can meet their requirements and particularities. Real-world case studies proved the system's efficiency and usefulness, and future work targets broader scenario coverage, deeper open-source intelligence integration, and improved automated decision support for mitigation actions.