Developing resilience and cyber-physical protection capabilities for critical aviation infrastructures

Abstract

Transport sector is a critical infrastructure that greatly supports the smooth functioning of society's welfare and viability of economies worldwide. Disruptions to transportation systems can cause large economic impacts or even human losses, so they should be adequately protected from physical and cyber-physical threats.We focused our research on aviation sector, which is the safest transport mode, however the most interdepended one in terms of information and communication technologies applied. Cyber-attacks are increasing in quantity and persistence, so the consequences of a successful malicious cyber-attack to civil aviation operations could be severe nowadays. Aiming to enhance operational practices and develop robust cybersecurity governance in smart airports, we have presented a systematic and comprehensive analysis of unlawful attacks towards smart airports, by implementing cybersecurity best practices and resilience measures.Our research examined cyber security challenges and interoperability in Air Traffic Management systems and proposed an extended threat model for analysing possible targets and risks involved. We analysed cyber resilience aspects in the aviation context and the need for holistic strategy of defence, prevention, and response. Furthermore, as the fastest growing segment of aviation, Unmanned Aerial Systems(UAS) continue to increase in technical complexity, and capabilities. However, UAS pose significant challenges in terms of safety, security, and privacy. An increasing phenomenon, nowadays, is drone-related incidents near airport facilities, which are expected to proliferate in frequency and severity, as drones become larger and more powerful. Critical infrastructures need to be protected from such aerial attacks, through effective counteracting technologies, risk management, and resilience plans. In this dissertation, we have explored how counter drone technologies can prevent, detect, identify, and mitigate rogue drones. We have analysed realistic attack scenarios of malicious drones’ attacks and proposed an effective C-UAS protection plan for each case. We have also discussed the applicability limitations of C-UAS in the aviation context and proposed a resilience action plan for airports stakeholders for defending airborne threats from misused drones.The integration of our research in the aviation sector, focused on air transport networks and introduced a risk-based method to analyse interdependencies and congestions in the aviation network. The proposed methodology and software tool can assess delay incidents in airports, produce weighted risk dependency graphs, presenting how a delay that occurred in one airport may affect the operational efficiency of other interconnected airports. The tool can also detect the most critical airports and congested connections, while it can indicate the n-order dependency chains, which should be avoided by airline flight planners, to reduce delay impacts in the aviation network.

Ο τομέας των Μεταφορών αποτελεί Κρίσιμη Υποδομή(ΚΥ) και βασικό πυλώνα της Οικονομίας, συνδέοντας ανθρώπους, κράτη, πολιτισμούς σε τοπικό και διεθνές επίπεδο. H δυσλειτουργία των υποδομών και των μέσων μεταφοράς επιφέρει σημαντικές αρνητικές επιπτώσεις στο κοινωνικοοικονομικό γίγνεσθαι, μέχρι ανθρώπινες απώλειες, επομένως οι ΚΥ των Μεταφορών πρέπει να προστατεύονται επαρκώς, τόσο από φυσικές απειλές, όσο και από απειλές του κυβερνοχώρου.Η διατριβή επικεντρώθηκε στον τομέα των Αερομεταφορών, ο οποίος αποτελεί το πιο διασυνδεδεμένο σύστημα ανταλλαγής πληροφοριών. Οι κυβερνοεπιθέσεις απειλούν τις ψηφιακές υποδομές της Αεροπλοΐας και μπορεί να επιφέρουν σοβαρό αντίκτυπο στην ασφάλεια των πτήσεων. Στον τομέα της διαχείρισης της εναέριας κυκλοφορίας, προτάθηκε ένα εκτεταμένο μοντέλο αντιμετώπισης των νέων απειλών, προτάθηκαν μέτρα ενίσχυσης της ανθεκτικότητας της Αεροπλοΐας από απειλές του κυβερνοχώρου και συγκροτήθηκε μια ολιστική στρατηγική άμυνας, πρόληψης και μετριασμού των απειλών αυτών. Περαιτέρω, διερευνήθηκε η ανθεκτικότητα των σύγχρονων αερολιμένων στον τομέα της κυβερνοασφάλειας, καθώς τα σύγχρονα αεροδρόμια αναβαθμίζουν τις υποδομές τους με την προσθήκη αυτοματοποιημένων διαδικασιών για τη καλύτερη εξυπηρέτηση των επιβατών. Παρουσιάστηκε μια ολοκληρωμένη ανάλυση σεναρίων κακόβουλων επιθέσεων σε σύγχρονα αεροδρόμια, για τον εντοπισμό απειλών, κινδύνων και την εφαρμογή βέλτιστων πρακτικών κυβερνοασφάλειας και ενίσχυσης της ανθεκτικότητας των υποδομών τους.Η έρευνα εστιάστηκε, επίσης, στον ταχύτερα αναπτυσσόμενο τομέα της Αεροπλοΐας, τα Συστήματα Μη Επανδρωμένων Αεροσκαφών (ΣΜΕΑ/UAS), τα οποία αυξάνονται σε τεχνική πολυπλοκότητα και πτητική αξιοπιστία, παρέχουν νέες επιχειρησιακές δυνατότητες και ταυτόχρονα θέτουν σημαντικές προκλήσεις κυβερνοασφάλειας. Αναλύθηκαν σενάρια επίθεσης σε κρίσιμες αεροπορικές υποδομές και προτάθηκαν τεχνικές λύσεις για την ενίσχυση της ανθεκτικότητας και την υπεράσπιση των αερολιμενικών υποδομών από επιθέσεις με UAS.Τέλος, αναπτύχθηκε μεθοδολογία και εργαλείο λογισμικού για την αξιολόγηση των αλληλεξαρτήσεων συμβάντων, που επιφέρουν καθυστερήσεις σε διασυνδεδεμένα αεροδρόμια. Το λογισμικό εντοπίζει τα κρισιμότερα αεροδρόμια. Διακρίνει, επίσης, τις δυσμενέστερες αλυσίδες αλληλεξαρτώμενων δρομολογίων, που θα πρέπει να αποφεύγονται από τους επιμελητές πτήσεων, για τον περιορισμό των επιπτώσεων των καθυστερήσεων στο αεροπορικό δίκτυο.