Las fórmulas de búsqueda web ofrecen un primer paso para proteger la infraestructura crítica

La tecnología detrás de los motores de búsqueda web es útil para rastrear a su amigo perdido hace mucho tiempo o descubrir una nueva receta deliciosa. La tecnología basada en los algoritmos del motor de búsqueda también podría ayudar a mantener las luces encendidas, el agua en funcionamiento y los trenes que se mueven durante una emergencia.

Los científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía han demostrado que los algoritmos que subyacen a las búsquedas web pueden ayudar a proteger instalaciones como la red, las plantas de tratamiento de agua, las instalaciones de procesamiento de alimentos y los hospitales.

«Este es un recurso para las personas que están tratando de proteger una red importante de una amenaza como un ataque cibernético, y necesitan priorizar qué estructuras son más importantes para salvaguardar», dijo el matemático Bill Kay, quien dirigió el trabajo.

La nueva investigación, publicada en la revista Asuntos de Seguridad Nacionalse basa en el algoritmo PageRank de Google, diseñado para recomendar los sitios web más relevantes para las personas que buscan información en Internet. Para clasificar los resultados de búsqueda, la fórmula considera factores como cuántos sitios web influyentes apuntan a una página determinada y luego cuántos sitios influyentes apunta la página en sí.

El equipo de Kay aplicó los mismos principios a estructuras como la red eléctrica para mantener el flujo de energía, las plantas de tratamiento para mantener nuestra agua limpia y hospitales para tratar a los enfermos y lesionados. Los investigadores se refieren a esta red de instalaciones como «infraestructura crítica», estructuras que, si están dañadas o destruidas, podrían amenazar la seguridad pública o la seguridad nacional.

Detener una cascada de falla

La tarea para investigadores como Kay: entre la maraña de decenas de miles de instalaciones importantes en una nación como los Estados Unidos, ayudan a los planificadores a priorizar qué estructuras son más significativas para proteger. ¿Cuáles podrían ser los objetivos más probables de un adversario? ¿Qué instalaciones tienen más probabilidades de cascada en una falla para otras estructuras y cómo pueden los defensores detener la cascada lo más rápido posible?

«No todos los activos de infraestructura son los mismos», dijo Kay. «Si la falla se está extendiendo, quiero saber qué sucederá si se elimina un equipo en particular, ¿cuán amplio será el impacto?

«La clave aquí es identificar sistemas donde la influencia va en ambos sentidos», dijo Kay, «identificando sistemas que están influenciados por muchos otros sistemas pero que también influyen en muchos otros. Es como saber quiénes son los llamados niños populares en la escuela secundaria y especialmente aquellos que son populares entre los otros niños populares».

Mucho puede suceder rápidamente. Por ejemplo, si una ardilla errante saca una subestación de energía, las bombas en una planta de tratamiento de agua podrían detenerse. Eso podría amenazar el suministro de agua a un hospital cercano o a una planta nuclear que necesita agua para enfriar. Por supuesto, los funcionarios tienen sistemas de respaldo robustos, y parte de su planificación es saber cómo evitar tal cascada de falla lo más rápido posible.

El equipo de Kay comenzó adaptando el algoritmo de PageRank existente. En lugar de mirar las interacciones entre páginas web, los científicos analizaron las interacciones entre estructuras. ¿Qué instalaciones tendrían más probabilidades de ser atacadas o fallar? ¿Y qué instalaciones tendrían un impacto grave en otras instalaciones si fallaran? Las estructuras que cumplieron ambos criterios fueron consideradas críticas por el equipo.

«A medida que el fracaso se propaga a través de una red, hay dos cosas que me gustaría saber: qué cosas probablemente fallarán y qué cosas, si fallan, probablemente propagan la falla hacia adelante», dijo Kay, que se especializa en redes gráficas.

Capas de conocimiento

El equipo no aplicó simplemente la fórmula de PageRank, sino que hizo modificaciones para sopesar muchas flujos de información simultáneamente, con el mismo tiempo que realiza docenas de búsquedas web relacionadas al mismo tiempo y que todas las búsquedas se comunican entre ellos. El equipo se refiere a esto como un enfoque multicapa.

«Pensar en un algoritmo multicapa, piense en un sándwich multicapa, un sándwich del club», dijo el coautor Patrick Mackey. «Una capa podría ser el sistema eléctrico. Otra es el transporte. Otros pueden ser oleoductos o hospitales. Muchas personas analizan estos aspectos de la infraestructura uno a la vez, de forma aislada; los estamos mirando a todos y cómo se afectan entre sí, lo que ayuda a identificar cuáles son más críticos».

En varias simulaciones, el equipo mostró que su enfoque de múltiples capas detiene constantemente el fracaso más rápido, con menos estructuras dañadas, que otros enfoques, incluido un algoritmo recto de PageRank y otro enfoque conocido como «Outnegree». El equipo no cuantificó exactamente cuánto limitaría un ataque en comparación con los otros métodos, en su lugar, tratar el estudio como evidencia de que vale la pena explorar el enfoque.

«Un buen algoritmo para este tipo de trabajo no siempre necesita incorporar dinámicas detalladas de las diversas entidades de interés. A menudo, es suficiente, como comienzo, comprender adecuadamente las relaciones entre esas entidades», dijo Kay. «Proporciona un punto de partida y puede volverse muy útil una vez que un experto humano agrega conocimiento sobre el dominio en cuestión».

El trabajo es parte de una cartera de proyectos dirigida por el investigador de PNNL Sam Chatterjee, investigador principal y científico principal de datos.

«Este trabajo representa un excelente ejemplo de cómo los métodos de ciencias de la red pueden adaptarse para abordar los desafíos críticos de riesgo de infraestructura y resiliencia», dijo Chatterjee.

Además de Chatterjee, Kay y Mackey, el ex interno Jacob Miller también contribuyó al proyecto.