Моделювання кіберстійкості критичної інфраструктури на прикладі енергетичного об’єкта
Вантажиться...
Дата
2026
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Личик В.В. Моделювання кіберстійкості критичної інфраструктури на прикладі енергетичного об’єкта. – Кваліфікаційна праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії з галузі знань 12 – Інформаційні технології за спеціальністю 125 – Кібербезпека. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2026.
В умовах гібридних війн складні системи критичної інфраструктури перетворюються на пріоритетні цілі для реалізації багатовекторних деструктивних впливів, спрямованих на дестабілізацію базових процесів життєзабезпечення. У цьому контексті особливе місце посідає енергетичний сектор, який є фундаментальним базисом, що забезпечує безперебійне функціонування всіх інших критичних галузей (оборонної, медичної, фінансової, транспортної, комунікаційної та інших секторів). Експоненційне зростання кількості та складності цілеспрямованих кібератак (зокрема класу Advanced Persistent Threats) на технологічні мережі енергетичних об’єктів та підприємств створює безпрецедентний рівень загрози для стабільності індустріальних та соціально-економічних систем. Водночас, глобальна цифрова трансформація та незворотна конвергенція інформаційних (ІТ) та операційних/промислових (ОТ) технологій остаточно нівелювали парадигму ізольованого середовища для об’єктів критичної інфраструктури. Сучасний етап розвитку кіберпростору характеризується якісною еволюцією загроз та різким зростанням швидкості поширення кіберінцидентів, автоматизацією інструментарію зловмисників та скороченням часу реалізації кібератаки до показників, що критично перевищують можливості реакції операторів-людей. Ці безпрецедентні виклики перетворюють забезпечення безперервності критичних процесів із суто технічної задачі на ключовий фактор національної безпеки. Як наслідок, відповідно до новітніх світових регуляторних вимог, стратегія захисту інфраструктурних об’єктів фундаментально змінюється: від спроб побудови абсолютно непроникного периметра до концептуалізації гарантованої кіберстійкості – математично та інженерно обґрунтованої здатності системи виживати та функціонувати в умовах неминучої компрометації. Таким чином, цифровізація та інтеграція інформаційних і технологічних процесів в енергетичному секторі перетворюють сучасні об’єкти критичної інфраструктури на складні кіберфізичні системи. Зростання інтенсивності кібервпливів на такі об'єкти зумовлює необхідність переходу від класичних парадигм кібербезпеки до комплексного управління кіберстійкістю (кібервідмовостійкістю або кіберрезильєнтністю). Цей підхід базується на здатності системи адаптуватися, протистояти шкідливим впливам, зберігати виконання базових цільових функцій в умовах деградації та відновлювати критичні функції мінімально необхідного операційного стану. Специфіка енергетичних об’єктів полягає в тому, що кібернетичні інциденти безпосередньо впливають на фізичний стан і безперервність цільової функції – розподілу електроенергії. Цілеспрямовані кібератаки на цю критичну функцію можуть призводити до тривалих затримок у прийнятті рішень, перманентного блокування легітимних сегментів мережі та суттєвих економічних і функціональних втрат. У таких умовах особливої актуальності набуває задача переходу від якісних показників оцінювання безпеки до строгих кількісних метрик кіберстійкості. Аналіз актуальних фреймворків та систем для оцінки кіберстійкості (зокрема методології групи Лінкова, CERT-RMM та інженерної структури MITRE) підтвердив тенденцію зміщення акценту на кількісні показники, які зосереджені на прогнозуванні та адаптації. Установлено, що універсальними критеріями для більшості енергетичних об’єктів є метрики MTTR, RPO, RTO, SPC та відсоток збереженої функціональності ключової місії підприємства. Разом з тим, класичні підходи до оцінювання загроз мають істотні обмеження, оскільки вони переважно орієнтовані на статичний аналіз вразливостей і не дозволяють здійснювати проактивне управління ІТ-інфраструктурою в умовах неповної інформації та спостережуваності дій зловмисника, яка об’єктивно зумовлена специфікою архітектури SCADA систем, затримками телеметрії, генерацією хибних тривог та ризиками компрометації сенсорів моніторингових систем (IDS/SIEM). Дисертаційну роботу присвячено розробці моделей та вдосконаленню методів забезпечення кіберстійкості критичної інфраструктури (на прикладі енергетичного об’єкта), які дозволяють кількісно оцінювати загрози на ранніх етапах, адаптивно
контрзаходів. Встановлено, що основою для фреймворка обчислення кіберстійкості функції розподілу електроенергії має бути математичний апарат, здатний працювати з невизначеністю, зокрема баєсові мережі довіри. У дисертаційній роботі формалізовано понятійний апарат кіберстійкості (кіберрезильєнтності) та обґрунтовано його концептуальну відмінність від класичної кібербезпеки. На основі критичного аналізу провідних міжнародних фреймворків доведено, що існуючі підходи здебільшого базуються на парадигмі Data-driven (якісних експертних оцінках), обмеження якої не дозволяють здійснювати прогнозування та динамічну адаптацію системи в умовах сучасних кіберінцидентів. Також у роботі обґрунтовано та здійснено концептуальний перехід від якісних доменів кіберстійкості до кількісних моделей високого рівня шляхом розроблення метамоделі ІТ-мережі енергетичного об’єкта. Обґрунтовано необхідність переходу до кількісного оцінювання кіберстійкості інфраструктурних об’єктів шляхом застосування парадигми Modeldriven. Здійснено метамоделювання категорій кіберстійкості на основі архітектури MOF (Meta-Object Facility) із вираженням концепцій мовою UML. Таке структурне моделювання забезпечило строгий перехід від абстрактних якісних показників до обчислювальної моделі предметної області (енергетичного сектору), що створило необхідний базис для подальшого застосування інструментів ймовірнісного оцінювання параметрів та розрахунку функціональних станів системи, зокрема баєсових мереж. В свою чергу, процес переходу з рівня профілю домену до обчислювального рівня довів необхідність введення елементів, які несуть функції адаптивності та динамічної реконфігурації. Це підтверджує гіпотезу про необхідність ускладнення контролера об’єкта критичної інфраструктури для підтримки достатнього рівня функціонування в умовах кібератак. Досліджено проблему зниження невизначеності під час кібератак на енергооб’єкт. Показано, що для раннього виявлення загроз ефективним є використання баєсових мереж, де апріорні розподіли ймовірностей будуються за допомогою баз даних вразливостей (CVE) із застосуванням метрик CVSS. Проведений аналіз чутливості моделі за методом К’єрульфа та ван дер Гааг (Kjærulff and van der Gaag) довів її низьку чутливість до похибок апріорних параметрів, що підтверджує релевантність використання даного підходу для кількісного оцінювання загроз на різних кроках кібератаки. У ході дисертаційного дослідження розроблено метод активної протидії кібератакам для мережі енергетичного об’єкта в реальному часі на основі інтеграції баєсових графів атак (BAG) у структуру частково спостережуваних марковських процесів прийняття рішень (POMDP). На відміну від класичних евристичних підходів, запропонований метод дозволяє уникнути надмірних витрат на перманентне блокування критичних сегментів мережі, фокусуючись на оптимальному розподілі ресурсів та найбільш ймовірних векторах атаки. Показано, що ключовим фактором мінімізації збитків є не лише жорсткість реагування, а й доступність та безпосередня вартість верифікації загрози, що перетворює стратегію захисту з реактивної на проактивну точкову ліквідацію. У ході експериментального моделювання проведено порівняльний аналіз чотирьох стратегій кіберзахисту, які концептуально різняться підходами до прийняття рішень, значенням фактора дисконтування (𝛾) та варіативністю доступних контрзаходів (зокрема, наявністю інформаційних дій). Завдяки застосуванню розробленого алгоритму та його обчислювальній реалізації в середовищі pomdp-solve було синтезовано оптимальну політику протидії. Результати практичного тестування емпірично підтвердили її високу ефективність у своєчасній локалізації загроз, мінімізації витрат та максимізації індикатора кіберстійкості досліджуваної інфраструктури. У ході проведення експериментальних досліджень практично доведено неефективність прямої імплементації високодеталізованих сценаріїв кібератак для формування об'ємної вибірки даних. Практична апробація засвідчила, що, незважаючи на результативність таких сценаріїв під час натурного тестування безпосередньо на об’єкті критичної інфраструктури, їх застосування стикається з критичними обмеженнями при моделюванні та прогнозуванні. Йдеться про сувору конфіденційність операційних наборів даних, закриту архітектуру технологічних мереж в енергетичному секторі та надмірну ресурсоємність ручного відтворення векторів компрометації. Оскільки виявлені під час експерименту фактори унеможливили подальше масштабування тестів, було прийнято обґрунтоване рішення змінити методику дослідження. Відповідно, здійснено перехід від ручної реалізації атак до застосування автоматизованих методів симуляційного моделювання інцидентів. Побудовано експериментальне середовище та проведено симуляційне моделювання для апробації запропонованих підходів. За результатами досліджень установлено, що зведення складного простору топології технологічної мережі (SCADAсистем) до 6 макро-станів на основі моделі Cyber Kill Chain забезпечило обчислювальну досяжність політики POMDP шляхом подолання проблеми експоненційного зростання розмірності простору станів. Доведено, що введення низьковартісних операцій розвідки (аудит, блокування, ізоляції, опитування контролерів та верифікації цілісності) радикально змінює поведінку автономного агента, забезпечуючи перехід від «реактивного стримування» до «превентивної ліквідації». Для експериментальної апробації запропонованих рішень та отримання репрезентативної вибірки даних використано фреймворк автоматизованої емуляції кібератак MITRE Caldera. За результатами масштабного моделювання (виконання понад 800 модулів деструктивних впливів) розроблено матрицю впливу контрзаходів («Дія vs Стан»), яка кількісно формалізує ресурсні витрати та рівень залишкової працездатності системи залежно від поточного стану компрометації вузла та обраної дії. Додатково побудовано матрицю ефективності контрзаходів (Countermeasure Efficiency), що формалізує здатність системи до локалізації загроз. В ході дослідження доведено нелінійну залежність операційної здатності захисних дій від етапу просування зловмисника мережею (від низької результативності базового блокування IP-адрес на ранніх етапах до максимальної ефективності методів глибокого аудиту та повної ізоляції хоста у критичних точках). На основі отриманих емпіричних даних експериментально підтверджено здатність розробленої оптимальної політики протистояти високоагресивним сценаріям цілеспрямованих атак із гарантованим збереженням критичної функціональності ІТ-мережі. Отримані результати підтвердили, що удосконалення функції винагороди шляхом її жорсткої прив'язки до фізичних коефіцієнтів деградації цільової функції (наприклад, таких як контрольоване скидання навантаження) переводить завдання кіберзахисту в площину мінімізації економічних збитків. Установлено, що впровадження розробленої оптимальної політики дозволило знизити сукупну вартість кіберінциденту у 35 разів (при факторі дисконтування 𝛾 = 0.95). Симуляційне моделювання засвідчило абсолютний приріст загальної кіберстійкості мережі на 27,58% порівняно з базовою стратегією. Проактивні дії автономного агента дозволили скоротити загальні функціональні втрати енергетичного об'єкта у 6,7 раза (з 32,39% до 4,81%), що беззаперечно доводить високу ефективність математичної моделі адаптивного захисту. Метою дисертаційної роботи є розроблення моделей і методів кількісного оцінювання та забезпечення кіберстійкості (кібервідмовостійкості) ІТ-мереж об’єктів критичної інфраструктури (на прикладі енергетичного сектора) для адаптивної протидії кібератакам у реальному часі та мінімізації функціональних і економічних втрат. Об’єкт дослідження: процеси забезпечення кіберстійкості та функціональної безперервності ІТ-інфраструктури енергетичних об’єктів в умовах динамічних кіберзагроз, невизначеності та обмеженої спостережуваності стану мережі. Предмет дослідження: моделі та методи динамічного вибору оптимальних стратегій забезпечення кіберстійкості на основі поєднання баєсових графів атак та частково спостережуваних марковських процесів прийняття рішень. У дисертаційному дослідженні отримані такі наукові результати:
- вперше розроблена метамодель кіберстійкості функції розподілу енергетичного об’єкта;
- вперше побудована математична модель для раннього оцінювання загроз кібератак на енергооб’єкт на основі мереж Баєса;
- удосконалено метод обчислення контрзаходів в рамках політики реактивної протидії кібератакам на ІТ-мережу на основі частково спостережуваних марковських процесів;
- удосконалено метод оцінки кіберстійкості в умовах реалізації контрзаходів реактивної політики протидії кібератакам на енергооб’єкт;
- дістало подальшого розвитку застосування понятійного апарату для розробки моделей кіберстійкості для об’єктів критичної інфраструктури;
- створено інтегрований метод активної протидії кібератакам на енергооб’єкт у реальному часі для забезпечення реактивного стримування та превентивної локалізації загрози.
Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що розроблені моделі та методи можуть бути впроваджені в роботу центрів управління безпекою енергетичних підприємств для кількісного оцінювання кіберстійкості, раннього виявлення загроз та автоматизованого вибору політик активного захисту SCADAсистем. Запропоновані рішення дозволяють суттєво мінімізувати втрати цільової функції об’єкта критичної інфраструктури. Запропоновані моделі та політики можуть бути використані також у навчальному процесі, при підготовці фахівців зі спеціальності 125 «Кібербезпека», а також у подальших наукових дослідженнях у сфері захисту критичної інфраструктури та безпеки кіберфізичних систем. Результати даної роботи було впроваджено у навчальний процес НН ФТІ Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», зокрема у навчальний курс «Системні технології для застосувань Windows», що підтверджується розробкою навчального посібника: Системні технології для застосувань Windows. Комп’ютерний практикум [Електронний ресурс]: навчальний посібник для здобувачів ступеня бакалавра за освітньою програмою «Системи, технології та математичні методи кібербезпеки» за освітніми програмами «Системи, технології та математичні методи кібербезпеки» і «Системи технічного захисту інформації» спеціальності 125 Кібербезпека та за освітньою програмою «Математичні методи моделювання, розпізнавання образів та комп’ютерного зору» спеціальності 113 Прикладна математика / КПІ ім. Ігоря Сікорського ; уклад.: Л. Ю. Гальчинський, В. В. Личик. – Електронні текстові дані (1 файл: 1.49 Мбайт). – Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023. – 110 с. – Назва з екрана. – URL: https://ela.kpi.ua/handle/123456789/60346 (дата звернення: 01.02.2026). Результати дисертаційного дослідження були апробовані при розробці операційного циклу проєкту SALUS (Посилення правоохоронної діяльності за допомогою передових інструментів криміналістичної експертизи на базі Інтернету речей та вдосконалених схем розслідування, реалізованих за допомогою архітектури програмно-визначеної мережі безпеки як послуги), що фінансується Європейською комісією (Проєкт 101225719 – HORIZON-CL3-2024- FCT-01-01) (акт впровадження результатів дисертаційного дослідження наведено в додатку Б). Наукові розробки аспіранта були застосовані під час участі у робочій групі пакету WP6 проєкту SALUS, який присвячений протидії промисловим кібератакам та виявлення аномалій у сфері безпеки/експлуатації у контексті потенційних ядерних та радіаційних аварійних ситуацій (довідка наведена у додатку Г). Розроблений порядок реагування на кіберінциденти та алгоритм пошуку оптимальних політик протидії були використані при розробці пакетів технічної документації для систем енергетичних об’єктів України: «План кіберзахисту», «Програма та методика випробувань кіберзахисту», «Звіт з виявлення вразливостей до кіберзагроз» та «Звіт з реалізації кіберзахисту» (акт впровадження результатів дисертаційного дослідження наведено в додатку Б). За отриманими матеріалами дисертації було опубліковано 15 робіт, з яких 4 – це статті у журналах і збірниках наукових праць, що входять до переліку фахових видань, затверджених МОН України за спеціальністю дисертації та 11 – публікації у матеріалах конференцій (у тому числі, міжнародних).
Опис
Ключові слова
кіберстійкість, кіберрезильєнтність, кібербезпека, інформаційна безпека, критична інфраструктура, вразливості, кібератака, метамодель, моделювання, граф атаки, політика протидії, баєсова мережа, POMDP, ІТ-мережа енергооб’єкта, система захисту, cyber resilience, cyber robustness, information security, cybersecurity, critical infrastructure, vulnerabilities, cyberattack, metamodel, modeling, attack graph, countermeasure policy, Bayesian network, power grid IT network, security system
Бібліографічний опис
Личик, В. В. Моделювання кіберстійкості критичної інфраструктури на прикладі енергетичного об’єкта : дис. … д-ра філософії : 125 Кібербезпека / Личик Владислав Васильович. – Київ, 2026. – 246 с.