A cyber security architecture for military networks using a cognitive network approach

Cyber security is one of the main topics that are discussed around the world today. The threat is real, and it is unlikely to diminish. People, business, governments, and even armed forces are networked in a way or another. Thus, the cyber threat is also facing military networking. On the other hand, the concept of Network Centric Warfare sets high requirements for military tactical data communications and security. A challenging networking environment and cyber threats force us to consider new approaches to build security on the military communication systems. The purpose of this thesis is to develop a cyber security architecture for military networks, and to evaluate the designed architecture. The architecture is described as a technical functionality. As a new approach, the thesis introduces Cognitive Networks (CN) which are a theoretical concept to build more intelligent, dynamic and even secure communication networks. The cognitive networks are capable of observe the networking environment, make decisions for optimal performance and adapt its system parameter according to the decisions. As a result, the thesis presents a five-layer cyber security architecture that consists of security elements controlled by a cognitive process. The proposed architecture includes the infrastructure, services and application layers that are managed and controlled by the cognitive and management layers. The architecture defines the tasks of the security elements at a functional level without introducing any new protocols or algorithms. For evaluating two separated method were used. The first method is based on the SABSA framework that uses a layered approach to analyze overall security of an organization. The second method was a scenario based method in which a risk severity level is calculated. The evaluation results show that the proposed architecture fulfills the security requirements at least at a high level. However, the evaluation of the proposed architecture proved to be very challenging. Thus, the evaluation results must be considered very critically. The thesis proves the cognitive networks are a promising approach, and they provide lots of benefits when designing a cyber security architecture for the tactical military networks. However, many implementation problems exist, and several details must be considered and studied during the future work.

Mashup-alustan soveltuvuus tilannekuvan luontiin verkostopuolustusympäristössä

Verkostosodankäynti on suuren huomion kohteena useiden maiden puolustusvoimien järjestelmäkehityshankkeissa. Verkostosodankäynnin tavoitteena on kytkeä kaikki taistelukentän komponentit yhteen nopean tiedonsiirtoverkon avulla. Tällä pyritään tehokkaampaan tiedonjakoon ja edelleen resurssien tehokkaampaan käyttöön. Keskeisessä osassa verkostosodankäynnin tavoitteiden saavuttamisessa on palvelukeskeinen arkkitehtuuri (SOA). Tarve yhä monimutkaisemmille tietojärjestelmille pakottaa myös sotilasympäristön toimijat etsimään ratkaisuja valmiista kaupallisista toteutuksista. Verkottunut toiminta tuottaa valtavasti erilaista tilannetietoa. Tilannetiedon pohjalta muodostetaan erilaisia tilannekuvia, joita johtajat käyttävät päätöksentekonsa tukena. Työssä tutkitaan kaupallisen mashup-alustan käyttöä tilannekuvan luomiseen. Mashup-alusta on tietojärjestelmä, jolla voidaan helposti ja nopeasti integroida useista lähteistä saatavaa informaatiota. Mashup-alusta mahdollistaa niin kutsuttujen käyttäjämääriteltyjen tilannekuvien luomisen. Työn tuloksena mashup-alustan soveltuvuus tähän käyttöön on hyvä ja se soveltuu hyvin erityisesti tilanteisiin, joissa vaaditaan nopeita ratkaisuja. Jatkotutkimusta aiheesta tarvitaan, koska mashupalustan käyttöä sotilaallisissa tietojärjestelmissä ei ole juurikaan tutkittu ja aihe on suhteellisen uusi myös tiedeyhteisössä.

Tiedon hajautus johtamisjärjestelmässä ja DDS-teknologia

Verkostokeskeisessä sodankäynnissä tietojärjestelmien suurimpana haasteena on oikean tiedon hajauttaminen oikeaan paikkaan ja aikaan. Tietojärjestelmissä esitettävän ilmatilannekuvan tulee vastata reaalimaailman tilannetta parhaalla mahdollisella tavalla. Ilmatorjunnassa reaaliaikaisuus nousee erityisen suureen rooliin nopeasti liikkuvien kohteiden takia. Tämä diplomityö on tehty Insta DefSec Oy:ssä liittyen johtamisjärjestelmän uudistamishankkeeseen. Työn vaatimuksina olivat standardeihin perustuvat ratkaisut, joista keskeisimmäksi nousi Data Distribution Service -standardi (DDS) ja sen hyödyntäminen osana johtamisjärjestelmän tiedon hajautusta. Työssä esitellään johtamisjärjestelmien tiedon hajautukseen liittyviä haasteita sekä paikallisessa että maantieteellisesti hajautetussa toimintaympäristössä. Työssä toteutettiin liityntäohjelmisto nykyisen ja uuden johtamisjärjestelmän välille. Liityntäohjelmiston tehtävänä on tuottaa reaaliaikaista ilmatilannekuvaa nykyisestä johtamisjärjestelmästä uuteen johtamisjärjestelmään. DDS-standardin toteuttavana välikerrosarkkitehtuurina käytettiin OpenSplice DDS -tuotetta. Valittu teknologia tarjoaa edistykselliset julkaisija–tilaaja-mallin mukaiset menetelmät tiedon reaaliaikaiseen hajauttamiseen. DDS:n arkkitehtuuri ja palvelun laadun mekanismit mahdollistavat tiedon hajautuksen sodanajan johtamisjärjestelmille.

Kognitiiviset tietoliikenneverkot verkostopuolustuksessa

Verkostokeskeinen sodankäynti (engl. Network Centric Warfare, NCW) on informaatioylivoiman mahdollistava toimintakonsepti, jonka keskeisin ajatus on kasvattaa sotilaallisen joukon taisteluvoimaa verkottamalla taistelukentän toimijat prosessien, toiminnan ja informaation jakamisen näkökulmasta. Suomessa sodankäyntitavasta käytetään nimitystä verkostopuolustus. Doktriini verkostopuolustuksesta puuttuu, mutta käsite tarkoittaa kaikkien kokonaismaanpuolustuksen toimijoiden verkottamista sosiaalisesti ja toiminnallisesti yhteisten prosessien ja integroitujen tietoverkkojen kautta. Verkostokeskeinen sodankäynti on ensisijaisesti toimintatapamalli, mutta tietoliikenneverkoilla on merkittävä osuus verkostotoiminnan mahdollistajana. Tietoliikennejärjestelmien kehittämisessä on edetty merkittävästi, mutta varsinkin taktisen tason langattomien tietoliikennejärjestelmien rakentaminen on ollut haasteellista. Verkostopuolustuksen näkökulmasta mielenkiintoinen tutkimusalue on kognitiiviset verkot. Kognitiivinen tietoliikenneverkko on älykäs tietoliikennejärjestelmä, joka tiedostaa järjestelmän sisäisen sekä ympäristön tilan, tekee päätöksen verkon mukauttamisesta annetun tavoitteen saavuttamiseksi ja sen jälkeen konfiguroi verkon asetukset uudelleen. Keskeinen tekijä prosessissa on oppiminen eli kyky hyödyntää aiemmin tehtyjä päätöksiä. Tutkimuksen ensimmäisen osan tarkoituksena on tarkastella kognitiivisia tietoliikenneverkkoja verkostokeskeisen sodankäynnin paradigmassa ja löytää kohtia, joihin kognitiivinen toiminnallisuus tuo lisäarvoa. Tutkimuksen toisessa osassa vertaillaan muutaman verkon ominaisuuden perusteella nykyisen taktisen tietoliikenneverkon ja kognitiivisen verkon suorituskykyä. Tutkimuksen tulokset osoittavat, että kognitiivinen verkko tukee verkostopuolustuksen paradigmaa useasta näkökulmasta. Mukautuvalla tietoliikennejärjestelmällä on mahdollista pienentää informaation jakamisen viiveitä ja informaation laatua heikentäviä rajapintoja. Kognitiivinen järjestelmä parantaa taajuuskäytön tehokkuutta ja elektronisen sodankäynnin kykyä. Kognitiiviset verkot vaativat runsaasti lisätutkimusta mm. tilannetietoisuudesta, päätöksenteosta ja implementoinnista. Taktisella tasolla jatkotutkimusta vaativat kognitiivisen verkon tietoturva ja taistelunkestävyys.

Vaikutukseen perustuvat operaatiot merellisessä kriisinhallinnassa

Tutkimustyön tavoitteena on muodostaa selkeä käsitys vaikutukseen perustuvien operaatioiden teoriasta ja tutkia merellisen kriisinhallintaoperaation kehittämisperiaatteita vaikutukseen perustuvien operaatioiden kontekstissa. Kriisinhallintaoperaatioita tarkastellaan Euroopan unionin sotilaallisen kriisinhallinnan toimintaympäristössä ja merivoimakomponentin näkökulmasta. Vaikutusperusteisia operaatioita ei ole Suomessa systemaattisesti tutkittu. Euroopan turvallisuusympäristö on muuttumassa entistä haasteellisemmaksi. Uudet uhkat, joita Eurooppa kohtaa ovat entistä moninaisempia, näkymättömämpiä ja vaikeammin ennustettavissa. Merivoimilla on tulevaisuudessa keskeinen rooli ehkäistäessä levottomuuksien rantautuminen Eurooppaan. Asevoimien näkökulmasta tämän hetkinen kehitystrendi on vaikutukseen perustuvat operaatiot (Effects-Based Approach to Operations, EBAO) ja verkostokeskeinen sodankäynti (Network Centric Warfare, NCW). EBAO:n käytettävyyttä kriisinhallinnassa kehitetään voimakkaasti ja konsepti nähdään mahdollisena ratkaisuna moniin nykyaikaisen kriisinhallinnan haasteisiin ja ongelmiin. Virallisen määritelmän mukaan vaikutukseen perustuvat operaatiot ovat prosessi haluttujen strategisten vaikutusten tai lopputulosten tuottamiseksi vastustajassa. Se pitää sisällään täyden skaalan sotilaallisen voiman ja ei sotilaallisen voiman monipuolista ja kumulatiivista käyttöä taktisella, operatiivisella ja strategisella tasolla.1 Tutkimusongelmana on: Mitkä ovat vaikutusperusteisen operaatiomallin (Effects-Based Approach to Operations, EBAO) tarjoamat edut tai haitat EU:n merellisessä sotilaallisessa kriisinhallintaoperaatiossa? Tutkimusongelma ratkaistaan vastaamalla seuraaviin alaongelmiin: 1. Mikä on vaikutukseen perustuvien operaatioiden teorian sisältö sotilaallisen toiminnan näkökulmasta? 2. Mikä on vaikutukseen perustuvan operoinnin näkökulma monikansalliseen kriisinhallintaoperaatioon? 3. Mitä ovat (EU:n sotilaallisen kriisinhallinnan) mukaiset merelliset kriisinhallintaoperaatiot ja mitkä ovat Suomen intressit EU:n sotilaalliseen kriisinhallintaan? 4. Miten vaikutukseen perustuva toimintamalli ilmenee esimerkin mukaisessa merellisessä kriisinhallintaoperaatiossa? Tutkimus on luonteeltaan laadullinen tutkimus. Tutkimusmenetelmänä on käytetty sisällönanalyysia sekä käsiteanalyysia. Vaikutukseen perustuvia operaatioita käsittelevä lähdeaineisto perustuu suurelta osin 2000-luvun alussa Yhdysvalloissa aloitettuun tutkimukseen ja siitä saatuun aineistoon. Kriisinhallintaa koskeva aineisto koostuu pääosin virallisista asiakirjoista sekä aiheeseen liittyvistä uusimmista julkaisuista ja tutkimuksista. Ajankohtaisten julkaisujen ja asiakirjojen tietoa on täydennetty lehtiartikkeleiden ja internetistä saatavilla olevien tietojen avulla. Tutkimusta lähestytään taktiikan näkökulmasta. Tutkielman johtopäätöksinä ilmeni, että keskeisiä EBAO:n etuja merellisessä sotilaallisessa kriisinhallintaoperaatiossa ovat nopea reagointikyky sekä EBAO:n mukainen laajempi näkökulma, jossa huomioidaan liittolaiset, puolueettomat toimijat ja mahdolliset vastustajat entistä paremmin. EBAO on kehitysasteella oleva konsepti, jonka suurimpana potentiaalina pidetään pyrkimystä sotilaiden ja siviilien saumattomaan yhteistyöhön kriisinhallinnan moninaisessa toimintaympäristössä. Konsepti pitää kuitenkin sisällään monta epävarmuustekijää, kuten vaikutusten ja operatiivisen ympäristön ennustamisen. Nykyisellään EBAO ei välttämättä muuttaisi operaatioiden toteutusta konkreettisesti. EU on Suomen kannalta tärkeä foorumi kansainväliseen kriisinhallintaan osallistumiseksi. Kansainväliseen kriisinhallintaan osallistuminen on keskeinen osa Suomen ulko- ja turvallisuuspolitiikkaa. Kansainvälisen ulottuvuuden kehittäminen palvelee myös kansallisen puolustuksen kehittämistä. Suomen puolustusvoimien näkökulmasta on syytä muistaa, että Yhdysvaltojen kaltaisen sotilasmahdin tarpeisiin ja resursseihin suunnitellun konseptin tarkastelussa tulee olla hyvin kriittinen ja realistinen.

Luottamuksen ilmeneminen alueellisissa yhteistyöverkostoissa

Appearance of trust in regional, co-operative networks In our times, the value of social networks has been widely acknowledged. One can say that it is important for private persons to get networked, whilst it is even a must for companies and organizations in business life. This doctor's thesis examines three co-operative regional networks. Networks are located in Western Uusimaa (Länsi-Uusimaa) region in southernmost Finland, and they had both public organizations and private companies as participants (later called ‘players’). Initially, all of them were co-financed from public funds, and two of them are still operational while writing this. The main target of these networks has been to act as learning networks. The learning network stands for an ensemble of research and development units and workplaces constituting a common forum for learning. The main focus in this study has been on qualitative and structural characteristics of the networks, and how they are relating with intrinsic trust. In addition to the development of trust, it has been studied, at what level organizational learning within the networks takes place, and lastly, what kind of factors facilitate the development of social capital. The theoretical framework for the study is built on analysing trust and social capital. It is a 'mission impossible' to find single definitions for such major concepts. In this study, from the research questions' point of view it has been more relevant to concentrate on the aspects of networking and the relationships between the participating organizations. The total view in this study is very network-centric, and therefore those theories which have similar point of view have been prioritized. Such is the theory about structural holes by Ronald S. Burt (1992). It has been widely applied; especially his views on constraints affecting players in networks. The purpose of this study has not been to create new theories or to analyse and compare thoroughly the existing theoretical trends. Instead, the existing theories have provided the study with conceptual tools, which have been utilized for supporting the empirical results. The aim has been to create an explanatory case study consisting relevant discussion on the relationship between the network characteristics and the appearance of trust. The conceptual categorization for confidence vs. trust created by Niklas Luhmann (1979) is another important theoretical building block. In most cases, co-operation in networks is initiated by people already trusting in each other and willing to work together. However, personal trust is not sufficient in the long run to sustain the co-operation within the network: more abstract systemic trust described by Luhmann must also emerge. In the networks with different structures and at different development phases, these forms of trust appear at different levels. In this study, Luhmann’s systemic trust as a term has been replaced by the concept of 'trust in network as a system'. Structural characteristics of a network (density, centrality, structural holes etc.) have been selected to explain the creation of social capital and trust. The ability to adapt new information is essential for the development of social capital. Qualitative analysis for development phase has been used, and the Learning Network Maturity Test by Leenamaija Otala (2000) and her work have been applied. Thus, the qualitative characteristics and the structural characteristics of the networks are utilized together, when the creation of social capital and appearance of trust are assessed. Social Network Analysis, questionnaires and interviews have been the research methods. Quantitative and qualitative data have been combined. There is a similarity in viewpoints to research data with Extensive Case Study method, in which different cases are searched by exploring various cases and comparing certain common features between them and generic models. Development of trust, social capital and organizational learning has been explained in the study by comparing the networks in hand. Being a case study, it doesn't have targets to provide with general results and findings like conventional surveys. However, in this work phenomena and mechanisms related to them are interpreted from the empirical data. Key finding of this study is that the networks with high structural equality and clear target setting enable building trust to the network as a system. When systemic trust is present, e.g. changes in personnel involved in the co-operation won't hinder the network from remaining operational. On the other hand, if the players are not well motivated to co-operate, if the network is extremely centralized structurally, or if the network has players holding very much more beneficial position compared to the others, systemic trust won't develop: trust tends to remain at the personal level, and is directed to some players only. Such networks won't generate results and benefits to its players, and most probably they won’t live very long. In other words, learning networks cannot solely be based on willingness to learn, but also on willingness to co-operate.

Critical infrastructure protection against cyber threats

A postgraduate seminar series with a title Critical Infrastructure Protection against Cyber Threats held at the Department of Military Technology of the National Defence University in the fall of 2013 and 2014. This book is a collection of some of talks that were presented in the seminar. The papers address origin of critical infrastructure protection, wargaming cyberwar in critical infrastructure defence, cyber-target categorization, supervisory control and data acquisition systems vulnerabilities, electric power as critical infrastructure, improving situational awareness of critical infrastructure and trust based situation awareness in high security cloud environment. This set of papers tries to give some insight to current issues of the network-centric critical infrastructure protection. The seminar has always made a publication of the papers but this has been an internal publication of the Finnish Defence Forces and has not hindered publication of the papers in international conferences. Publication of these papers in peer reviewed conferences has indeed been always the goal of the seminar, since it teaches writing conference level papers. We still hope that an internal publication in the department series is useful to the Finnish Defence Forces by offering an easy access to these papers.

Adding Value to Message Mediation in Multioperator MMS Network Architecture

Mobiiliviestintään käytetystä lyhytsanomapalvelusta (Short Messaging Service, SMS) on tullut ilmiömäinen menestys. SMS-palvelulle on tulossa seuraaja, jota kutsutaan monimediaviestipalveluksi (Multimedia Messaging Service, MMS). MMS-viestit voivat sisältää useita erilaisia kuva-, ääni- ja videoformaatteja. Vaikka yhteensopimattomia SMS-keskuksia yhdistämään tarvitaan Intellitel Messaging Gatewayn kaltaisia sanomanvälitystuotteita, ei tällainen SMS-keskeinen lähestyminen sanomanvälitykseen ole MMS-kykyisen sanomanvälittimen kannalta järkevä ratkaisu. MMS-kykyisen sanomanvälittimen täytyy lisätä arvoa itse sanomanvälitysprosessiin, jotta tuotteesta tulisi menestyksekäs. Tässä työssä käsitellään MMS-sanomanvälityksen ongelmallisuuksia. Erityisesti painotetaan MMS-kykyisen sanomanvälittimen kehittämistä olemassaolevasta SMS-sanomanvälitintuotteesta, sekä selvitetään syitä arvonlisäyksen välttämättömyydelle. Työssä esitetään myös erilaisia arvonlisäystapoja MMS-sanomanvälitykseen. Eräitä esitetyistä arvonlisäystavoista käytetään käytännön osassa toteutetussa Nokian MMS-keskuksen MM7/VAS-rajapintaan kytkeytymään kykenevässä sanomanvälityskomponentissa.

Cyber warfare

A postgraduate seminar series with a title Cyber Warfare held at the Department of Military Technology of the National Defence University in the fall of 2012. This book is a collection of some of talks that were presented in the seminar. The papers address computer network defence in military cognitive networks, computer network exploitation, non-state actors in cyberspace operations, offensive cyber-capabilities against critical infrastructure and adapting the current national defence doctrine to cyber domain. This set of papers tries to give some insight to current issues of the cyber warfare. The seminar has always made a publication of the papers but this has been an internal publication of the Finnish Defence Forces and has not hindered publication of the papers in international conferences. Publication of these papers in peer reviewed conferences has indeed been always the goal of the seminar, since it teaches writing conference level papers. We still hope that an internal publication in the department series is useful to the Finnish Defence Forces by offering an easy access to these papers.

Predicting the need for ditch network maintenance in drained peatland sites in Finland

Kunnostusojitustarpeen ennustaminen ojitusalueilla