Киберфизические системы в военном применении

Киберфизические системы в военных приложениях: интеграция вычислений, сетей и физических процессов для стратегического преимущества

Киберфизические системы (CPS) представляют собой передовую линию военных технологий, где глубоко интегрированные вычислительные алгоритмы и физические компоненты создают адаптивные, интеллектуальные и сетевые системы. В аэрокосмической и оборонной сферах CPS обеспечивает беспрецедентные возможности в области автономности, устойчивости и оптимизации производительности. В этом руководстве рассматривается, как принципы CPS трансформируют платформы посредством тесной интеграции интеллектуальных компонентов, таких как авиационные датчики , интеллектуальные авиационные реле и сетевые исполнительные механизмы. Для менеджеров по закупкам, занимающихся поиском авиационных двигателей нового поколения, групп автономных БПЛА и современных самолетов , понимание CPS имеет важное значение для оценки истинных возможностей и безопасности систем, которые они помогают создавать.

Динамика отрасли: конвергенция ИТ, ОТ и ET в военных платформах

Традиционное разделение между информационными технологиями (ИТ), эксплуатационными технологиями (ОТ), такими как промышленный контроль, и инженерными технологиями (ET), такими как авионика, исчезает. Современные военные платформы представляют собой конвергентные системы систем, в которых компьютер управления полетом (IT/ET) может динамически реконфигурировать распределение мощности через интеллектуальные авиационные контакторы (OT) на основе анализа угроз в реальном времени и данных о состоянии компонентов, поступающих от авиационных датчиков . Эта конвергенция, хотя и мощная, создает сложные взаимозависимости и значительно расширяет поверхность атаки, делая безопасность проектным ограничением первого порядка, а не дополнением.

Основные технологии CPS и их военное влияние

Несколько ключевых технологий составляют основу военной CPS:

• Сеть реального времени и чувствительная ко времени сеть (TSN): детерминированные протоколы связи с малой задержкой, обеспечивающие доставку данных датчиков и команд управления в строгие временные окна, что имеет решающее значение для контуров управления полетом и координации систем вооружения.
• Встроенный интеллект и периферийные вычисления: размещение вычислительной мощности непосредственно на физических компонентах или рядом с ними. Например, интеллектуальный авиационный счетчик для дрона может локально анализировать качество электроэнергии и автономно отключать некритические нагрузки для защиты неисправного генератора, выступая в качестве отказоустойчивого узла в CPS.
• Цифровые двойники и проектирование на основе моделей: высокоточные виртуальные копии физических активов (например, двигателя или целого поезда ), которые работают параллельно с реальной системой. Они используются для моделирования, профилактического обслуживания и даже анализа «что если» в реальном времени для оптимизации производительности или уменьшения ущерба.
• Безопасные и отказоустойчивые системные архитектуры: конструкции, предполагающие компромисс и включающие такие функции, как избыточность, разнообразие и постепенное ухудшение . Система распределения электроэнергии на основе CPS может использовать несколько разных марок интеллектуальных авиационных предохранителей и реле, чтобы не допустить отключения всей сети из-за одной уязвимости.

Приоритеты закупок: 5 ключевых проблем CPS со стороны закупщиков оборонной продукции из России и стран СНГ

При закупках программ, ориентированных на CPS, покупатели применяют строгую комплексную оценку рисков, ориентированную на суверенитет и живучесть:

1. Обеспечение сквозной безопасности системы и доверие к цепочке поставок: это первостепенная задача. Покупатели требуют подтверждения подхода к обеспечению безопасности в соответствии с такими стандартами, как ISO/SAE 21434 (дорожные транспортные средства) и NIST SP 800-160 . Они требуют полной прозрачности спецификации программного обеспечения (SBOM) и спецификации оборудования (HBOM) для всех компонентов, вплоть до уровня чипа, для оценки внешних зависимостей и рисков уязвимости.
2. Совместное проектирование функциональной безопасности и защиты (FUSA/FSCE): Доказательство того, что безопасность (согласно ARP4754A, DO-178C, DO-254 ) и кибербезопасность (согласно DO-326A/ED-202A ) разрабатывались совместно с самого начала. Сбой в киберзащите контактора военной авиации не должен создавать небезопасное физическое состояние, и наоборот.
3. Устойчивость к электронной войне (РЭБ) и закрытой/ухудшенной среде: CPS должна работать в оспариваемых ЭМ-спектрах. Компоненты должны быть защищены от помех, подделки и электромагнитных импульсов. Системы должны иметь резервные режимы , которые позволяют основным физическим функциям (например, работе двигателя) продолжать работу, даже если сеть или центральный компьютер выходят из строя.
4. Суверенитет данных, локальный контроль и национальные криптографические стандарты: абсолютный контроль над операционными данными и системным программным обеспечением. Предпочтение решениям, которые могут работать в независимых, изолированных или жестко контролируемых сетях . Часто требуется использование сертифицированных или разработанных на национальном уровне криптографических модулей и алгоритмов вместо использования иностранных стандартов (например, AES, SHA-2).
5. Поддержка жизненного цикла и безопасность обновлений по беспроводной сети (OTA): строгий, криптографически гарантированный процесс обновления встроенного ПО/программного обеспечения на протяжении жизненного цикла CPS. Этот процесс должен предотвращать откат к уязвимым версиям, безупречно аутентифицировать источники обновлений и иметь механизмы восстановления после неудачного обновления без блокировки критического компонента, такого как высококачественный контроллер авиационного двигателя .

Роль YM в разработке надежных строительных блоков CPS

Мы позиционируем себя как поставщика безопасных, интеллектуальных и подключаемых физических компонентов — надежного «физического» уровня CPS. Наши производственные мощности и мощности включают безопасные лаборатории разработки, где мы разрабатываем и тестируем встроенное ПО для наших интеллектуальных продуктов. Мы производим такие компоненты, как сенсорные модули с аппаратными модулями безопасности (HSM) и военные авиационные реле с подписанным микропрограммным обеспечением и безопасными интерфейсами связи, гарантируя, что они могут быть интегрированы в более крупную CPS, не становясь при этом самым слабым звеном.

Этот фокус обусловлен нашей командой исследований и разработок, а также инновациями в безопасных встроенных системах. В нашу команду входят специалисты в области криптографии и функциональной безопасности, которые разрабатывают архитектуры, повышающие безопасность наших продуктов. Например, мы запатентовали метод, позволяющий кластеру интеллектуальных авиационных датчиков сформировать безопасную самовосстанавливающуюся ячеистую сеть , позволяющую им коллективно проверять целостность данных и продолжать работу даже в случае атаки на центральный шлюз. Узнайте о нашем подходе к безопасным встроенным системам .

Шаг за шагом: Схема оценки поставщиков компонентов CPS

Группы по закупкам и системному проектированию могут использовать эту структуру для оценки потенциальных поставщиков критически важного для CPS оборудования:

1. Этап 1. Обзор архитектуры охраны и безопасности:
   • Запросите и просмотрите план обеспечения безопасности системы (SSP) и оценку безопасности компонента.
   • Оцените дизайн на предмет таких принципов, как минимальные привилегии, глубокоэшелонированная защита и разделение между критическими и некритическими функциями.
2. Этап 2: Аудит цепочки поставок и процесса разработки:
   • Аудит безопасного жизненного цикла разработки (SDL) поставщика, включая инструменты, проверку кода и управление уязвимостями.
   • Составьте карту цепочки поставок оборудования и программного обеспечения компонента на предмет единых точек сбоя или ненадежных источников.
3. Этап 3: Независимая проверка и валидация (IV&V):
   1. Проведите или закажите тестирование на проникновение и оценку уязвимостей компонента в репрезентативной конфигурации.
   2. Выполните фазз-тестирование его коммуникационных интерфейсов.
   3. Подтверждайте заявления о безопасности путем анализа или наблюдения за критически важными испытаниями.
4. Этап 4. Оценка плана интеграции и жизненного цикла. Оцените план поставщика по поддержке компонента в вашей CPS на протяжении всего срока его службы. Сюда входят механизмы безопасного обновления, процессы раскрытия уязвимостей и долгосрочное управление криптографическими ключами .

Отраслевые стандарты: развивающаяся среда регулирования и стандартов

Ключевые рамки военной CPS

Разработка и сертификация CPS опираются на развивающуюся мозаику стандартов:

• Инструкция Министерства обороны США 5000.02 и система управления рисками (RMF): всеобъемлющий процесс приобретения Министерства обороны США и соблюдения требований кибербезопасности.
• НИСТ СП 800-160 Том. 1 и 2: Проектирование системной безопасности и разработка киберустойчивых систем . Основополагающее руководство по обеспечению безопасности.
• RTCA DO-326A / EUROCAE ED-202A: Спецификация процесса обеспечения летной годности. Окончательный стандарт для решения проблем кибербезопасности при сертификации бортовых систем.
• SAE AS6663 и AIR6912: аэрокосмические стандарты безопасности беспроводных обновлений (OTA) и целостности данных, что критически важно для управления жизненным циклом CPS.
• Future Airborne Capability Environment (FACE™) и SOSA™: стандарты архитектуры открытых систем, которые в сочетании с надежными профилями безопасности позволяют интегрировать надежные, повторно используемые модули CPS от нескольких поставщиков. Мы согласовываем наши предложения с открытой архитектурой с этими принципами.

Анализ отраслевых тенденций: автономные рои, CPS с поддержкой искусственного интеллекта и квантово-устойчивая криптография

Будущее военной CPS формируется автономным сотрудничеством и угрозами следующего поколения. Автономные группы БПЛА или UGV представляют собой распределенную CPS, в которой коллективный разум возникает в результате локального взаимодействия между простыми узлами. Искусственный интеллект и машинное обучение, интегрированные непосредственно в CPS, обеспечивают адаптивную устойчивость к помехам, прогнозируемое восстановление после сбоев и тактическую реконфигурацию в реальном времени. Самое главное, что надвигающаяся угроза квантовых вычислений сегодня стимулирует интеграцию алгоритмов пост-квантовой криптографии (PQC) в новые конструкции CPS, чтобы защитить связь и целостность прошивки для систем, которые будут эксплуатироваться десятилетиями.

Часто задаваемые вопросы (FAQ) для менеджеров программ и инженеров

Ссылки и стратегические источники

• Министерство обороны США. (2020). Стратегия цифровой модернизации Министерства обороны: создание более смертоносной силы .
• Национальный институт стандартов и технологий (NIST). (2021). Специальное издание 800-160 Том. Глава 2: Разработка киберустойчивых систем .
• RTCA, Inc. (2020). DO-326A, Спецификация процесса обеспечения летной годности .