Информационна сигурност в системите за наблюдение на енергийата: технологии и приложения

Системите за наблюдение на енергийата извършват основните задачи за реално време наблюдение на мрежата, диагностика на повреди и оптимизация на операциите. Тяхната сигурност директно влияе върху стабилността и надеждността на системите за енергийата. Със засилващото се приложение на технологии като облакови изчисления, Интернет на нещата (IoT) и големи данни в енергийния сектор, информационните рискове за системите за наблюдение на енергийата постепенно нарастват.

Тези системи се сблъскват с много предизвикателства, включително напреднали устойчиви заплахи (APT), атаки от типа отказ на услуга (DoS) и инфекции с malware. Традиционните архитектури за сигурност разчитат на стратегии за защита с един слой, които са трудни за ефективно противодействие на сложни методи на атака. Необходимо е да се приеме архитектура за дълбока защита и да се подобрят способностите на системата за отражане на атаки чрез механизми за сигурност с много слоеве.

1. Състав и функции на системите за наблюдение на енергийата

Системата за наблюдение на енергийата е комплексна платформа за автоматизирано управление на енергийата, използвана главно за реално време наблюдение, контрол и оптимизация на оперативното състояние на системите за енергийата. Системата обикновено се състои от център за наблюдение, устройства за събиране и прехвърляне на данни, интелигентни терминали, комуникационни мрежи и приложни програми. Центърът за наблюдение, служещ като централен хуб, е отговорен за обработването на огромни количества данни за енергийата, анализиране на оперативното състояние и изпълнение на команди за управление.

Устройствата за събиране на данни, като Удалени терминални устройства (RTU) и Интелигентни електронни устройства (IEDs), получават ключови параметри като ток, напрежение и честота чрез сензори и комуникационни интерфейси и прехвърлят данните към главната система за управление. Комуникационните мрежи обикновено използват протоколи като IEC 61850, DNP3 и Modbus, за да осигурят ефективността и надеждността на прехвърлянето на данни.

Приложените програми включват функции като управление на разпределението, прогнозиране на натоварването, оценка на състоянието и диагностика на повреди, подкрепящи оптимизацията на операцията на мрежата и ранното предупреждение за аномалии. Модерните системи за наблюдение на енергийата широко са приели технологии като облакови изчисления, периферни изчисления и изкуствен интелект (AI), за да подобрят способностите за обработка на данни и ефективността на вземането на решения. Системата включва разпределение на енергията, управление на оборудването и анализ на данни, а нейната сигурност директно се отнася до стабилността на мрежата и националната енергийна сигурност.

2. Система за защита на информационната сигурност на системите за наблюдение на енергийата

2.1 Стратегия за защита на мрежовата сигурност

Стратегията за защита на мрежовата сигурност на системите за наблюдение на енергийата трябва да построи система за дълбока защита от множество нива, включително физическа изолация, сигурност на протоколите, наблюдение на трафика и активна защита, за да се справи ефективно с рисковете от злонамерени атаки и кражба на данни. Първо, относно архитектурата на мрежата на системите за наблюдение на енергийата, трябва да се приеме стратегия за зониране на мрежата, за да се изолира физически или логически контролната мрежа, управляващата мрежа и офисната мрежа, за да се намали площта за атака, и да се използва технология за еднопосочен поток на данни, за да се гарантира, че основните сигнални команди не могат да бъдат изменени.

Второ, за сигурността на комуникационните протоколи, трябва да се използват технологии за шифровани тунели (като TLS 1.3), за да се защити сигурността на прехвърлянето на данни на важни протоколи като IEC 61850 и DNP3, и да се въведе MACsec (IEEE 802.1AE), за да се предостави шифроване на връзката, предотвратявайки атаки на средата и кражба на данни. В отношение на наблюдението на трафика, трябва да се разположи система за детекция на аномален трафик, базирана на AI (AI-IDS), използвайки алгоритми за дълбоко обучение, за да се анализират характеристики на пакети и да се детектират аномални поведения, подобряйки точността на детекцията над 99%.

Едновременно, в комбинация с система за защита срещу DDoS, чрез ограничаване на скоростта и механизми за автоматично преход, може да се намали въздействието на атаките с трафик върху центровете за разпределение на енергийата. Накрая, в отношение на активната защита, може да се приеме архитектура Zero Trust (ZTA), за да се извършва постоянна автентификация и контрол на достъпа за всички трафикове, предотвратявайки разпространението на вътрешни заплахи, следователно подобряйки мрежовата сигурност на системите за наблюдение на енергийата.

2.2 Аутентификация на самоличността и контрол на достъпа

Системата за аутентификация на самоличността и контрол на достъпа на системите за наблюдение на енергийата трябва да осигурява легитимността на потребителите, устройствата и приложенията, предотвратявайки несанкциониран достъп и злоупотреба с правомощия. От една страна, относно аутентификацията на самоличността, трябва да се приеме механизъм за аутентификация с цифрова сертификат, основан на Public Key Infrastructure (PKI), заделяйки уникални идентификатори на техническия персонал, компонентите на SCADA системата и интелигентните терминални устройства.

Чрез двустепенна аутентификация (2FA), единични пароли (OTP) и биометрични технологии за идентификация (като отпечатъци на пръсти или радужна оболочка), може да се подобри сигурността на проверката на самоличността. В случаи на отдалечен достъп, може да се приеме протокол FIDO2, за да се поддържа аутентификация без парола, намалявайки риска от кражба на удостоверения. От друга страна, относно контрола на достъпа, трябва да се изпълни комбиниран механизъм Role-Based Access Control (RBAC) и Attribute-Based Access Control (ABAC), за да се гарантира, че правомощията на потребителите строго съответстват на техните задължения, предотвратявайки несанкциониран достъп.

Например, техническият персонал на трансформаторни станции може да има достъп само до конкретни устройства, докато диспечери са ограничени до наблюдение на данни и издаване на команди. За да се допълни стратегията за достъп, може да се приемат механизми за динамична корекция на правомощия, регулиращи правомощията за достъп в реално време, според модела на поведение на потребителите и околните фактори (като географско местоположение, тип устройство и т.н.). Трябва да се използва система за аудит на достъп (SIEM), за да се записват всички заявки за достъп и да се комбинират техники на машинното обучение, за да се анализират аномални поведения при достъп, подобряйки способността за детекция на вътрешни сигурностни заплахи, осигурявайки безопасна и стабилна работа на системите за наблюдение на енергийата.

2.3 Сигурност на данните и технологии за шифроване

Сигурността на данните в системите за наблюдение на енергийата включва етапи като съхранение, прехвърляне, обработка и резервно копиране на данни. Трябва да се приемат алгоритми за високозначимо шифроване и механизми за контрол на достъпа, за да се гарантира поверителността, целостта и наличността на данните.

Първо, в етапа на съхранение на данните, трябва да се използва AES-256 за шифриране на чувствителни данни в покой, и да се комбинира Shamir's Secret Sharing (SSS) за разделяне и съхранение на ключове, предотвратявайки единична точка на изтичане. Второ, в процеса на прехвърляне на данните, трябва да се използва протокол TLS 1.3 за извършване на краен-до-краен шифриране на комуникацията между SCADA системите и интелигентните терминали, и да се приеме Елиптична криволинейна криптография (ECC), за да се подобри ефективността на шифрирането и да се намали потреблението на изчислителни ресурси.

Накрая, за да се гарантира целостта на данните, трябва да се използва хеш функция SHA-512 за генериране на хеш стойности, и да се комбинира HMAC за проверка на данните, предотвратявайки атаки с изменение. За сигурността на съхранението на данните, може да се приложи технология за неизменяемо съхранение на логове, базирана на блокчейн, използвайки смарт контракти за автоматично изпълнение на контрол на достъпа и подобряване на доверието в данните. В отношение на резервното копиране, трябва да се приеме стратегия 3-2-1: съхраняване на поне три копия на данните, на две различни носители, с едно копие съхранено в извънградски център за възстановяване след бедствие, за да се подобри способността за възстановяване на данните и да се гарантира, че системата за енергийата може бързо да се възстанови след атака.

2.4 Наблюдение на сигурността и детекция на прониквания

Наблюдението на сигурността и детекцията на прониквания са ключови компоненти на защитната система на системите за наблюдение на енергийата, идентифицирайки злонамерени атаки чрез анализ на мрежовия трафик и логовете на системата в реално време, подобрявайки сигурността на мрежата.

Първо, на мрежовото ниво, трябва да се разположи система за детекция на прониквания (IDS), базирана на Глубоко изследване на пакети (DPI), комбинирана с модели за анализ на аномалии в трафика (като K-Means класификация или LSTM рекурентни невронни мрежи), за да се детектират атаки като DDoS и отравяне на данни, контролирайки процентът на лъжливи положителни под 5%.

Второ, на нивото на наблюдение на сигурността на хостовете, трябва да се приеме система за детекция и реакция на крайни точки (EDR), базирана на анализ на поведение, използвайки User and Entity Behavior Analytics (UEBA) за анализ на моделите на поведение на потребителите и устройствата, детектирайки аномални входове, злоупотреба с правомощия и имплантация на malware.

Накрая, за SCADA системите, може да се приложи технология за детекция на аномалии в индустриални протоколи, използвайки Finite State Machines (FSM) за анализ на легитимността на команди от протоколи като Modbus и IEC 104, предотвратявайки атаки с злоупотреба на протоколи. В отношение на аудита на логовете и корелационния анализ, трябва да се приеме система за управление на сигурностна информация и събития (SIEM), за да се агрегират данни от логове и да се извършва реално време анализ чрез ELK архитектура, подобрявайки способността за визуализация на сигурността.

2.5 Бърза реакция и управление на сигурностни инциденти

Бързата реакция и управлението на сигурностни инциденти за системите за наблюдение на енергийата трябва да включват идентификация на заплахи, обработка на инциденти, анализ на проследяваемост и механизми за възстановяване, за да се намали въздействието на сигурностните инциденти върху операциите на системите за енергийата. Първо, в етапа на идентификация на заплахи, трябва да се извърши автоматичен анализ на сигнали за тревога, и да се оцени типът на атака, комбинирайки интелигенция за заплахи, за да се подобри точността на класификацията на събитията.

Второ, в етапа на обработка на инциденти, трябва да се приеме механизъм за градирана реакция, класифицирайки сигурностните инциденти от ниво I до IV, и да се предприемат съответни мерки според нивото на инцидента, като изолация на инфицирани терминали, блокиране на злонамерени IP адреси или преминаване към резервен център за управление. За напреднали устойчиви заплахи (APT), може да се приеме стратегия за активна защита, базирана на търсене на заплахи, използвайки YARA правила за детектиране на скрити backdoors и подобряване на рейтинга на детектиране на атаки. Накрая, в етапа на анализ на проследяваемост, чрез ретроспектива на събитията и анализ на веществени доказателства, комбиниран с графика на Cyber Kill Chain, трябва да се реконструира пътят на атаката, идентифицирайки тактиките, техниките и процедурите (TTPs) на атакуващите, предоставяйки основа за последващото подобряване на сигурността.

3. Приложение на ключови технологии за информационна сигурност

3.1 Решение за проследяваемост на енергийни данни, основано на блокчейн

Технологията блокчейн, с нейните характеристики на децентрализация, неизменяемост и проследяваемост, предоставя решение за висока доверливост на проследяваемостта на данните за системите за наблюдение на енергийата. В управлението на енергийни данни, целостта и доверливостта на данните са ключови проблеми. Традиционните централизирани бази данни имат рискове от единична точка на събиране и изменение. Блокчейн използва технология на разпределена книга за сметки, за да гарантира сигурността на съхранението на данните.

Първо, на нивото на съхранение на данните, се използват hash chains за шифриране и съхранение на данните за наблюдение на енергийата, всяка порция данни генерира уникален хеш код, свързан с предходния блок, гарантирайки временна последователност и неизменяемост на данните. Второ, на нивото на споделяне на данните, се използва архитектура на консорциумна верига, заделяйки центровете за разпределение, трансформаторни станции и регулаторни органи като възли на консорциума, проверявайки автентичността на данните чрез механизми за консенсус на Byzantine Fault Tolerance, гарантирайки, че данните могат да бъдат модифицирани само от авторизирани възли, подобрявайки сигурността на данните.

Накрая, в отношение на контрола на достъпа до данните, се комбинира механизъм за управление на права, основан на смарт контракти, дефинирайки правила за достъп, за да се гарантира, че правата за достъп на потребителите са ограничени от политики, избягвайки несанкционирани извиквания на данни. Например, чрез разполагане на смарт контракти чрез рамката Hyperledger Fabric, техническият персонал е ограничен само до проверка на работното състояние на оборудването, докато регулаторните органи могат да имат достъп до пълната история на данните, гарантирайки поверителността и съответствието на данните.

3.2 Защита на информационната сигурност на системите за енергийата в условията на 5G и периферни изчисления

Интегрираното приложение на 5G и периферни изчисления в системите за наблюдение на енергийата подобрява ефективността на обработката на данни и капацитета за реално време отговор, но също така внася нови предизвикателства за информационната сигурност. Първо, в отношение на комуникационната сигурност, тъй като мрежите 5G използват архитектура на мрежово сече, се нуждаят от независими политики за сигурност за различните видове трафик, за да се предотвратят атаки през сечата.

Трябва да се приеме технология за краен-до-краен шифриране (E2EE), комбинирана с Елиптична криволинейна цифрова подписна алгоритъм (ECDSA), за да се гарантира, че данните за разпределение на енергийата не са изменени или откраднати по време на прехвърляне. Второ, в отношение на сигурността на периферните изчисления, трябва да се разположи Trusted Execution Environment (TEE), като Intel SGX или ARM TrustZone, за да се изолира безопасно периферните възли и да се предотврати влизането на злонамерен код в критичната логика за управление.

Трябва да се приеме механизъм за децентрализирана аутентификация на самоличността (DID), управляйки правата за достъп до периферните устройства чрез децентрализирани идентификатори (Decentralized Identifier), за да се намали риска от изтичане на удостоверения. Накрая, за проблема с периферните възли, които са уязвими към физически атаки, трябва да се приеме технология Hardware Root of Trust (RoT), за да се извърши дистанционна проверка на целостта на микропрограмното обеспечение на устройствата, гарантирайки, че устройствата не са били злонамерено изменени.

4. Заключение

Технологиите за информационна сигурност в системите за наблюдение на енергийата играят важна роля в гарантирането на стабилна работа на мрежата и предотвратяването на кибератаки. Чрез създаване на многолойна система за защита и приемане на ключови технологии като блокчейн, 5G, периферни изчисления и алгоритми за шифриране, може да се подобрят ефективно сигурността на данните, способностите за мрежова защита и точността на контрола на достъпа.

В комбинация с интелигентни механизми за наблюдение и бърза реакция, може да се постигне реално време детекция на заплахи и бързо управление, намалявайки сигурностните рискове. С развитието на цифровизацията и интелигентността на мрежата, технологии за информационна сигурност ще продължат да се развиваат, за да се справят с все по-сложни методи на кибератаки, гарантирайки, че системите за наблюдение на енергийата работят безопасно, стабилно и ефективно на дългосрочна основа.