Sårbarheter i skalar-frie nettverk

Når jeg snakker om cybersikkerhet pleier jeg å nevne de nye sårbarhetene som oppstår i skalar-frie nettverk.

ARPANET ble konstruert på 60-tallet. Det var et pakke-svitsjet nettverk som blant annet skulle kunne virke etter en krig hvor atomvåpen ble brukt. Pakke-svitsj teknologien kombinert med en topologi basert på maske-nett ga et robust nettverk.

Det som kjennetegner et slikt nettverk er at nodene i nettverket har et antall forbindelser som er normalfordelte. Det betyr at de fleste noder har et gitt antall forbindelser, og at det er usannsynlig at enkelte noder har fryktelig mange eller fryktelig få forbindelser.

Skalar-frie nettverk er derimot bygget opp på et annet prinsipp. I stedet for at antall forbindelser er normalfordelte, følger distribusjonen en power-law. Det betyr at noen få noder har svært mange forbindelser, mens de aller fleste har svært få forbindelser.

Eksempel på et skalarfritt nett

Dersom vi ser på distribusjonen av forbindelser i de to typene nettverk ser vi at de følger helt forskjellige regler. I figuren under ser vi maske-nettet som en tradisjonell bell-kurve, mens det skalar-frie nettet vises som en power-law distribusjon.

Distribusjon av maske-nett og skalarfrie nett

En avgjørende forskjell på de to typene nett er hvor motstandsdyktige de er for ytre påvirkning. ARPANET var konstruert med tanke på krig. Dersom en motstander klarte å slå ut en node (en kommandoplass eller sambandsstasjon) så vil de resterende nodene likevel klare å kommunisere. Det er jo nettopp dette som er bygget inn i pakkesvitsj-teknologien. Nettverksprotokollen finner en rute gjennom nettet, og sørger for at informasjonen blir levert selv om noen noder tas ut av nettet.

Et maskenettverk er laget for å motstå målrettede angrep.

Hva med skalar-frie nett?
Disse har visse andre egenskaper. Som nevnt vil enkelte noder ha svært mange forbindelser. Dette er nettets super-noder, og de er svært viktige av flere grunner. For eksempel er de disse som sørge for at det er kort vei mellom to vilkårlige noder i nettverket.
Problemet er at disse super-nodene gjør hele nettet sårbart. Dersom en slår ut super-nodene, vil nettet kunne kollapse totalt. Dette er en ny type sårbarhet som vil kun vil oppstå i slike nett.

Et skalar-fritt nett er svært sårbart for målrettede angrep, men er svært motstandsdyktig ved tilfeldige angrep.

I filmen under ser vi hvordan et skalar-fritt nett oppfører seg ved tilfeldige angrep. Størrelsen på noden indikerer antallet forbindelser som noden har. En stor node har mange forbindelser, mens en liten node har få. I simuleringen ser vi at noder blir tatt ut av nettverket, og det er tilfeldig hvilke noder som tas ut. Selv om et stort antall noder fjernes, så henger nettet fremdeles sammen og de gjenværende nodene kan fremdeles kommunisere. Det er først når nærmere 4/5 av alle nodene er tatt ut at nettet kollapser.

Hvordan ser et målrettet angrep ut i det samme nettet? I filmen under ser vi det samme nettet, men i denne simuleringen blir den største noden tatt ut først, deretter den nest største, så den tredje største osv. Vi ser raskt hvilken effekt et målrettet angrep har. Allerede før 1/5 av nodene er tatt ut, har nettet kollapset fullstendig, og de gjenværende nodene kan ikke lengre kommunisere.

Hvordan slike nettverk oppstår ser ut til å være en funksjon av at nettverk vokser seg store og komplekse. Internett har utviklet seg til å bli skalar-fritt, og det inneholder også andre skalar-frie nett som f.eks. web og twitter (Google er en super-node for websider. Stephen Fry er en super-node for twitter). Andre eksempler på slike nett er nettverket av flyplasser/flighter, betalingssystemene som bankene har bygget opp og sosiale nett. Naturen ser ut til å favorisere denne typen nett, for vi finner slike nett også i samspillet mellom proteiner, hvilke dyr som spiser hvilke andre dyr osv.
Årsaken kan være at slike nett er robuste mot tilfeldige feil, og at naturen derfor har en tendens til å skape denne type nett.

For cybersikkerhet er dette både interessant og viktig. Det åpenbare er at vi må identifisere og beskytte super-nodene. Det høres kanskje enkelt ut, men i store komplekse nett kan det være vanskelig å identifisere hvilke noder dette faktisk er. For en virksomhet, eller for vår nasjonale kritiske infrastruktur for den del, må vi forstå dyamikken i hvordan nettet brukes. Denne kan endre seg over tid, og nye super-noder kan oppstå.

God situasjonsforståelse er en forutsetning også for dette.

Det som er mindre åpenbart men likevel noe vi blir tvunget til å forholde oss til, er når et skalar-fritt nett påvirker et annet. Jeg brukte Stephen Fry som eksempel på en super-node for twitter. Han har i skrivende stund over 10 millioner følgere. Fra tid til annen nevner han noe han har sett eller lest, og legger ved en link til websiden.

Hva skjer når hans twitter-følgere klikker på linken? Nettsidene han har linket til har ved flere anledninger blitt slått ut når flere millioner mennesker besøker siden innenfor en kort tidsperiode.

De som eier disse nettstedene har naturligvis ikke forberedt seg på at den "skalar-frie effekten" fra twitter skulle ramme dem på denne måten.

Er du forberedt?


Komplekse Adaptive Systemer
Cyber Situasjonsforståelse