Sistemas Ciber-Físicos em Aplicações Militares

Sistemas Ciberfísicos em Aplicações Militares: Integrando Computação, Redes e Processos Físicos para Vantagem Estratégica

Os Sistemas Ciber-Físicos (CPS) representam a vanguarda da tecnologia militar, onde algoritmos computacionais e componentes físicos profundamente integrados criam sistemas adaptativos, inteligentes e em rede. Na indústria aeroespacial e de defesa, os CPS permitem capacidades sem precedentes em autonomia, resiliência e otimização de desempenho. Este guia examina como os princípios do CPS estão transformando plataformas por meio da forte integração de componentes inteligentes, como sensores de aviação , relés inteligentes de aviação militar e atuadores em rede. Para gerentes de compras que buscam motores de aeronaves de próxima geração, enxames autônomos de UAV e aviões avançados, compreender o CPS é essencial para avaliar a verdadeira capacidade e segurança dos sistemas que ajudam a construir.

Dinâmica da Indústria: A Convergência de TI, TO e ET em Plataformas Militares

A separação tradicional entre Tecnologia da Informação (TI), Tecnologia Operacional (TO), como controles industriais, e Tecnologia de Engenharia (TE), como aviônica, está se dissolvendo. As plataformas militares modernas são sistemas de sistemas convergentes onde um computador de controle de voo (IT/ET) pode reconfigurar dinamicamente a distribuição de energia por meio de contatores de aeronaves (OT) inteligentes com base em análises de ameaças em tempo real e dados de integridade de componentes de sensores de aviação . Esta convergência, embora poderosa, cria interdependências complexas e uma superfície de ataque amplamente expandida, tornando a segurança uma restrição de design de primeira ordem, e não um complemento.

Principais tecnologias CPS e seu impacto militar

Várias tecnologias-chave formam os blocos de construção do CPS militar:

• Rede em Tempo Real e Rede Sensível ao Tempo (TSN): Protocolos de comunicação determinísticos e de baixa latência que garantem que os dados dos sensores e os comandos de controle sejam entregues dentro de janelas de tempo estritas, essenciais para loops de controle de voo e coordenação de sistemas de armas.
• Inteligência Embarcada e Edge Computing: Colocar poder de processamento diretamente sobre ou próximo a componentes físicos. Por exemplo, um Medidor de Aviação inteligente para Drone pode analisar localmente a qualidade da energia e eliminar de forma autônoma cargas não críticas para proteger um gerador em falha, agindo como um nó resiliente no CPS.
• Gêmeos Digitais e Engenharia Baseada em Modelos: Réplicas virtuais de alta fidelidade de ativos físicos (como uma locomotiva ou um trem inteiro) que funcionam em paralelo com o sistema real. Eles são usados ​​para simulação, manutenção preditiva e até mesmo análises hipotéticas em tempo real para otimizar o desempenho ou mitigar danos.
• Arquiteturas de sistema seguras e resilientes: projetos que assumem compromissos, incorporando recursos como redundância, diversidade e degradação suave . Um sistema de distribuição de energia baseado em CPS pode usar vários fusíveis de aviação inteligentes e diferentes e marcas de relés para evitar que uma única vulnerabilidade desative toda a rede.

Prioridades de aquisição: 5 principais preocupações de CPS de compradores de defesa russos e da CEI

Ao adquirir programas centrados em CPS, os compradores aplicam uma avaliação de risco rigorosa e holística focada na soberania e na capacidade de sobrevivência:

1. Garantia de segurança do sistema ponta a ponta e confiança na cadeia de suprimentos: Esta é a principal preocupação. Os compradores exigem evidências de uma abordagem de segurança desde o projeto, de acordo com padrões como ISO/SAE 21434 (veículos rodoviários) e engenharia de segurança de sistemas NIST SP 800-160 . Eles exigem total transparência na lista de materiais de software (SBOM) e na lista de materiais de hardware (HBOM) para todos os componentes, até o nível do chip, para avaliar a dependência externa e os riscos de vulnerabilidade.
2. Coengenharia de Segurança Funcional e Proteção (FUSA/FSCE): Prova de que a segurança (de acordo com ARP4754A, DO-178C, DO-254 ) e a segurança cibernética (de acordo com DO-326A/ED-202A ) foram coprojetadas desde o início. Uma falha na proteção cibernética de um Contator da Aviação Militar não deve criar um estado físico inseguro e vice-versa.
3. Resiliência à Guerra Eletrônica (EW) e Ambientes Negados/Degradados: O CPS deve operar em espectros EM contestados. Os componentes devem ser protegidos contra interferências, falsificações e pulsos eletromagnéticos. Os sistemas devem ter modos alternativos que permitam que funções físicas essenciais (como a operação do motor) continuem mesmo se a rede ou o computador central estiver degradado.
4. Soberania de dados, controle local e padrões criptográficos nacionais: controle absoluto sobre dados operacionais e software de sistema. Preferência por soluções que possam ser executadas em redes soberanas, isoladas ou rigidamente controladas . O uso de módulos e algoritmos criptográficos certificados ou desenvolvidos nacionalmente é frequentemente obrigatório, em vez da dependência de padrões estrangeiros (por exemplo, AES, SHA-2).
5. Suporte ao ciclo de vida e segurança de atualização Over-the-Air (OTA): um processo rigoroso e criptograficamente garantido para atualização de firmware/software em todo o ciclo de vida do CPS. Esse processo deve evitar a reversão para versões vulneráveis, autenticar fontes de atualização de maneira impecável e ter mecanismos para se recuperar de uma atualização com falha sem bloquear um componente crítico como um controlador de mecanismo de aviação de alta qualidade .

O papel da YM no desenvolvimento de blocos de construção de CPS confiáveis

Nós nos posicionamos como fornecedores de componentes físicos seguros, inteligentes e conectáveis ​​— a camada "física" confiável do CPS. Nossa escala de fábrica e instalações incluem laboratórios de desenvolvimento seguros onde projetamos e testamos o firmware incorporado para nossos produtos inteligentes. Produzimos componentes como módulos de sensores com módulos de segurança de hardware (HSMs) e relés de aviação militar com firmware assinado e interfaces de comunicação seguras, garantindo que possam ser integrados em um CPS maior sem se tornarem o elo mais fraco.

Esse foco é impulsionado por nossa equipe de P&D e inovação em sistemas embarcados seguros. Nossa equipe inclui especialistas em criptografia e segurança funcional que desenvolvem arquiteturas de aprimoramento de segurança para nossos produtos. Por exemplo, patenteamos um método para um cluster inteligente de sensores de aviação formar uma rede mesh segura e auto-recuperável , permitindo-lhes validar coletivamente a integridade dos dados e continuar operando mesmo se o gateway central for atacado. Saiba mais sobre nossa abordagem de sistemas embarcados seguros .

Passo a passo: uma estrutura para avaliar fornecedores de componentes CPS

As equipes de compras e engenharia de sistemas podem usar esta estrutura para avaliar potenciais fornecedores de hardware crítico para CPS:

1. Fase 1: Revisão da Arquitetura de Segurança e Proteção:
   • Solicite e revise o Plano de Segurança do Sistema (SSP) e a Avaliação de Segurança do fornecedor para o componente.
   • Avalie o design quanto a princípios como privilégio mínimo, defesa profunda e segregação entre funções críticas e não críticas.
2. Fase 2: Auditoria da Cadeia de Suprimentos e Processo de Desenvolvimento:
   • Audite o ciclo de vida de desenvolvimento seguro (SDL) do fornecedor, incluindo ferramentas, revisão de código e gerenciamento de vulnerabilidades.
   • Mapeie a cadeia de fornecimento de hardware e software do componente em busca de pontos únicos de falha ou fontes não confiáveis.
3. Fase 3: Verificação e Validação Independente (IV&V):
   1. Conduza ou comissione testes de penetração e avaliações de vulnerabilidade no componente em uma configuração representativa.
   2. Execute testes fuzz em suas interfaces de comunicação.
   3. Valide declarações de segurança por meio de análise ou testemunho de testes críticos.
4. Fase 4: Integração e avaliação do plano de ciclo de vida: Avalie o plano do fornecedor para dar suporte ao componente em seu CPS durante sua vida útil. Isso inclui mecanismos seguros de atualização, processos de divulgação de vulnerabilidades e gerenciamento de chaves criptográficas de longo prazo .

Padrões da indústria: o cenário regulatório e padronizado em evolução

Estruturas-chave para CPS militares

O desenvolvimento e a certificação de CPS dependem de um mosaico de padrões em evolução:

• Instrução 5000.02 do DoD e Estrutura de Gerenciamento de Risco (RMF): O processo abrangente de aquisição do DoD dos EUA e conformidade de segurança cibernética.
• NISTSP 800-160 Vol. 1 e 2: Engenharia de Segurança de Sistemas e Desenvolvimento de Sistemas Ciber-Resilientes . Orientação básica para construir segurança.
• RTCA DO-326A / EUROCAE ED-202A: Especificação do Processo de Segurança de Aeronavegabilidade. O padrão definitivo para abordar a segurança cibernética na certificação de sistemas aéreos.
• SAE AS6663 e AIR6912: Padrões aeroespaciais para segurança de atualização Over-the-Air (OTA) e integridade de dados, essenciais para o gerenciamento do ciclo de vida do CPS.
• Future Airborne Capability Environment (FACE™) e SOSA™: Padrões de arquitetura de sistemas abertos que, quando combinados com fortes perfis de segurança, permitem a integração de módulos CPS confiáveis ​​e reutilizáveis ​​de vários fornecedores. Alinhamos nossas ofertas de arquitetura aberta com esses princípios.

Análise de tendências do setor: enxames autônomos, CPS habilitado para IA e criptografia resiliente quântica

O futuro dos CPS militares está a ser moldado pela colaboração autónoma e pelas ameaças da próxima geração. Enxames autônomos de UAVs ou UGVs representam um CPS distribuído onde a inteligência coletiva emerge de interações locais entre nós simples. IA e aprendizado de máquina integrados diretamente ao CPS permitem resistência adaptativa a interferências, recuperação preditiva de falhas e reconfiguração tática em tempo real. Mais criticamente, a ameaça iminente da computação quântica está impulsionando a integração de algoritmos de criptografia pós-quântica (PQC) em novos designs de CPS hoje, para proteger as comunicações e a integridade do firmware para sistemas que permanecerão em serviço por décadas.

Perguntas frequentes (FAQ) para gerentes de programa e engenheiros

Referências e fontes estratégicas

• Departamento de Defesa dos EUA. (2020). "Estratégia de modernização digital do DoD: construindo uma força mais letal" .
• Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST). (2021). Publicação Especial 800-160 Vol. 2: Desenvolvendo Sistemas Ciber-Resilientes .
• (2020). DO-326A, Especificação do Processo de Segurança de Aeronavegabilidade .