Bezpečnost informací v systémech pro monitorování elektrické energie: Technologie a aplikace

Systémy pro monitorování energie provádějí základní úkoly reálného časového sledování sítě, diagnostiky poruch a optimalizace provozu. Jejich bezpečnost přímo ovlivňuje stabilitu a spolehlivost elektrických systémů. S hlubší aplikací technologií jako je cloudové výpočty, Internet věcí (IoT) a big data v elektrotechnickém průmyslu se informační bezpečnostní rizika pro systémy pro monitorování energie postupně zvyšují.

Tyto systémy čelí mnoha výzvám, včetně pokročilých trvalých hrozeb (APT), útoků typu denial-of-service (DoS) a infekcí malwarem. Tradiční bezpečnostní architektury se spoléhají na jednosložkové obranné strategie, které jsou obtížné efektivně čelit složitým metodám útoku. Je třeba přijmout architekturu obrany v hloubce a posílit schopnosti systému proti útokům prostřednictvím vícesložkových bezpečnostních mechanismů.

1. Složení a funkce systémů pro monitorování energie

Systém pro monitorování energie je komplexní platforma pro automatizované správy energie, primárně používaná pro reálné časové sledování, řízení a optimalizaci provozního stavu elektrických systémů. Systém obvykle zahrnuje centrum monitorování, zařízení pro sběr a přenos dat, inteligentní terminály, komunikační sítě a aplikace. Centrum monitorování, které slouží jako centrální uzel, je odpovědné za zpracování obrovského množství energetických dat, analýzu provozního stavu a vykonávání řídících příkazů.

Zařízení pro sběr dat, jako jsou vzdálené terminálové jednotky (RTU) a inteligentní elektronické zařízení (IED-Business), získávají klíčové parametry, jako jsou proud, napětí a frekvence, pomocí senzorů a komunikačních rozhraní, a přenášejí data do hlavního řídícího systému. Komunikační sítě obvykle používají protokoly, jako jsou IEC 61850, DNP3 a Modbus, aby zajistily efektivitu a spolehlivost přenosu dat.

Aplikační software zahrnuje funkce, jako je správa dispečinku, předpověď zatížení, odhad stavu a diagnostika poruch, podporující optimalizaci provozu sítě a rané upozornění na neobvyklé situace. Moderní systémy pro monitorování energie široce využívají technologie, jako jsou cloudové výpočty, hraniční výpočty a umělá inteligence (AI), k zlepšení schopností zpracování dat a efektivity rozhodování. Systém zahrnuje dispečinku energie, řízení zařízení a analýzu dat, a jeho bezpečnost přímo souvisí se stabilitou sítě a národní energetickou bezpečností.

2. Informační bezpečnostní ochranný systém systémů pro monitorování energie

2.1 Strategie ochrany síťové bezpečnosti

Strategie ochrany síťové bezpečnosti pro systémy pro monitorování energie musí vybudovat systém obrany v hloubce na mnoha úrovních, včetně fyzické izolace, bezpečnosti protokolů, sledování provozu a aktivní obrany, aby efektivně čelila rizikům maliciózních útoků a krádeži dat. Nejprve, pokud jde o síťovou architekturu systémů pro monitorování energie, by měla být zavedena strategie dělení sítě, aby byla fyzicky nebo logicky izolována kontrolní síť, síť správy a kancelářská síť, abychom snížili plochu útoku, a měla by být použita technologie unidirekčního toku dat, aby bylo zajištěno, že jádrové řídící signály nemohou být pozměněny.

Druhý, pokud jde o bezpečnost komunikačních protokolů, by měly být použity šifrovací tunelové technologie (jako je TLS 1.3) k ochraně bezpečnosti přenosu dat kritických protokolů, jako jsou IEC 61850 a DNP3, a měl by být zaveden MACsec (IEEE 802.1AE) k poskytnutí šifrování na vrstvě linky, aby se zabránilo man-in-the-middle útokům a krádeži dat. Pokud jde o sledování provozu, by měl být nasazen systém detekce neobvyklého provozu založený na AI (AI-IDS), který používá algoritmy hlubokého učení k analýze charakteristik paketů a detekci neobvyklých chování, což zlepšuje přesnost detekce na více než 99%.

Zároveň, kombinováním s DDoS ochranným systémem, skrze mechanismy omezování rychlosti a automatické převzetí služeb, lze snížit dopad útoků provozem na dispečinkové centra. Nakonec, pokud jde o aktivní obranu, lze použít architekturu Zero Trust (ZTA) k nepřetržitému ověřování a řízení přístupu všech toků, aby se zabránilo šíření vnitřních hrozeb, což posiluje síťovou bezpečnost systémů pro monitorování energie.

2.2 Ověřování identity a řízení přístupu

Systém pro ověřování identity a řízení přístupu systémů pro monitorování energie musí zajišťovat legitimnost uživatelů, zařízení a aplikací, aby se zabránilo neautorizovanému přístupu a zneužití práv. Na jedné straně, pokud jde o ověřování identity, by měl být použit mechanismus ověřování digitálními certifikáty založený na infrastruktuře veřejných klíčů (PKI), který přiřazuje jedinečné identifikační identifikátory operačnímu a servisnímu personálu, komponentům SCADA systémů a inteligentním koncovým zařízením.

Pomocí dvoufaktorové autentizace (2FA), jednorázových hesel (OTP) a biometrických identifikačních technologií (jako jsou otisky prstů nebo skenování duhovek) lze zvýšit bezpečnost ověřování identity. V případě vzdáleného přístupu lze použít protokol FIDO2, který podporuje přihlašování bez hesla, což snižuje riziko krádeže přihlašovacích údajů. Na druhé straně, pokud jde o řízení přístupu, by měl být implementován kombinovaný mechanismus Řízení přístupu založeného na rolích (RBAC) a Řízení přístupu založeného na atributách (ABAC), aby bylo zajištěno, že oprávnění uživatelů přesně odpovídají jejich povinnostem, aby se zabránilo neautorizovanému přístupu.

Například, personál pro operaci a údržbu transformátorových stanic může mít přístup pouze k specifickým zařízením, zatímco dispečerové jsou omezeni na sledování dat a vydávání příkazů. Pro další zdokonalení strategií přístupu lze použít dynamické mechanismy přizpůsobení oprávnění, které v reálném čase přizpůsobují oprávnění na základě vzorců chování uživatelů a proměnných prostředí (jako je geografická poloha, typ zařízení atd.). By měl být použit systém auditu přístupových záznamů (SIEM) k zaznamenání všech žádostí o přístup a kombinováním technologií strojového učení k analýze neobvyklých přístupových chování, což zlepšuje schopnost detekce vnitřních bezpečnostních hrozeb a zajišťuje bezpečný a stabilní provoz systémů pro monitorování energie.

2.3 Bezpečnost dat a šifrovací technologie

Bezpečnost dat systémů pro monitorování energie zahrnuje fáze, jako je ukládání dat, přenos, zpracování a zálohování. Musí být použity vysokonáročné šifrovací algoritmy a mechanismy řízení přístupu, aby byla zajištěna důvěrnost, integrita a dostupnost dat.

Nejprve, v fázi ukládání dat, by měl být použit AES-256 k šifrování citlivých dat v klidu a měla by být kombinována metoda sdílení tajných klíčů Shamira (SSS) k rozdělení a ukládání klíčů, aby se zabránilo jednobodovému úniku. Druhé, v procesu přenosu dat, by měl být použit protokol TLS 1.3 k provedení end-to-end šifrování komunikace mezi SCADA systémy a inteligentními koncovými zařízeními, a měla by být adoptována Eliptická křivka kryptografie (ECC) k zlepšení efektivity šifrování a snížení spotřeby výpočetních zdrojů.

Nakonec, aby byla zajištěna integrita dat, by měla být použita hash funkce SHA-512 k generování hash hodnot a měla by být kombinována HMAC pro ověření dat, aby se zabránilo útokům na změnu dat. Pro bezpečnost ukládání dat lze použít technologii nezměnitelného uložení záznamů založenou na blockchainu, která používá inteligentní smlouvy k automatickému vynucování řízení přístupu a zlepšení důvěryhodnosti dat. Pokud jde o zálohování dat, by měla být použita strategie 3-2-1: ukládání alespoň tří kopíí dat, na dvou různých nosičích, s jednou kopíí uloženou v mimoústavovském centru pro obnovení po havárii, aby byly zlepšeny schopnosti obnovení dat a zajištěno, že elektrický systém může rychle vrátit se do normálního provozu po utrpění útoku.

2.4 Sledování bezpečnosti a detekce intruzí

Sledování bezpečnosti a detekce intruzí jsou klíčové komponenty obranného systému systémů pro monitorování energie, které identifikují maliciózní útoky analyzí síťového provozu a systémových záznamů v reálném čase, což zlepšuje bezpečnost sítě.

Nejprve, na síťové úrovni, by měl být nasazen systém detekce intruzí (IDS) založený na hluboké inspekci paketů (DPI), kombinovaný s modely analýzy anomálií provozu (jako jsou K-Means shlukování nebo LSTM rekurentní neuronové sítě), aby byly detekovány útoky, jako jsou DDoS a otrava dat, s kontrolou míry falešně pozitivních výsledků pod 5%.

Druhé, na úrovni sledování bezpečnosti hostitelů, by měl být adoptován systém detekce a odezvy koncových bodů (EDR) založený na analýze chování, který používá Analýzu chování uživatelů a entit (UEBA) k analýze vzorců chování uživatelů a zařízení, detekuje neobvyklé přihlášení, zneužití práv a implantaci malware.

Nakonec, pro SCADA systémy, lze zavést technologii detekce anomálií průmyslových protokolů, která používá konečné stavy (FSM) k analýze legitimnosti příkazů z protokolů, jako jsou Modbus a IEC 104, aby se zabránilo zneužití protokolů. Pokud jde o audit záznamů a korelační analýzu, by měl být použit systém Správy informací a událostí bezpečnosti (SIEM) k agregaci dat záznamů a provádění reálné analýzy skrze architekturu ELK, což zlepšuje vizualizační schopnosti bezpečnosti.

2.5 Naléhavá reakce a řízení bezpečnostních incidentů

Naléhavá reakce a řízení bezpečnostních incidentů pro systémy pro monitorování energie musí pokrýt identifikaci hrozeb, zpracování incidentů, analýzu stopovitosti a mechanismy obnovení, aby byl minimalizován dopad bezpečnostních incidentů na provoz elektrických systémů. Nejprve, v fázi identifikace hrozeb, by měly být na základě platformy SOAR automaticky analyzovány alarmové události a typy útoků hodnoceny kombinací hrozbové inteligence, což zlepšuje přesnost klasifikace událostí.

Druhé, v fázi zpracování incidentů, by měl být adoptován mechanismus hierarchické reakce, který klasifikuje bezpečnostní incidenty do úrovní I až IV, a jsou přijaty odpovídající opatření podle úrovně incidentu, jako je izolace infikovaných koncových bodů, blokování škodlivých IP adres nebo přepnutí na záložní řídící centrum. Pro pokročilé trvalé hrozby (APT) lze adoptovat strategii aktivní obrany založenou na hrozbové hledání, která používá YARA pravidla k detekci skrytých backdoorů a zlepšení sazby detekce útoků. Nakonec, v fázi analýzy stopovitosti, by měla být rekonstruována cesta útoku skrze retrospektivní analýzu událostí a forenzní analýzu, kombinovanou s grafem Cyber Kill Chain, identifikovány taktiky, techniky a postupy (TTP) útočníka, což poskytuje základ pro následné posílení bezpečnosti.

3. Aplikace klíčových technologií informační bezpečnosti

3.1 Řešení sledovatelnosti energetických dat založené na blockchainu

Technologie blockchainu, s jejími charakteristikami decentralizace, nezměnitelnosti a sledovatelnosti, poskytuje vysokodůvěryhodné řešení sledovatelnosti dat pro systémy pro monitorování energie. V správě energetických dat jsou klíčovými problémy integrity a důvěryhodnost dat. Tradiční centralizované databáze mají rizika jednobodové selhání a změny. Blockchain používá distribuovanou knihu účtových položek k zajištění bezpečnosti ukládání dat.

Nejprve, na úrovni ukládání dat, jsou použity hash řetězce k šifrování a ukládání dat pro monitorování energie, kde každé datum generuje jedinečnou hash hodnotu propojenou s předchozím blokem, což zajišťuje časovou konzistenci a nezměnitelnost dat. Druhé, na úrovni sdílení dat, je použita architektura koalice, kde jsou dispečinková centra, transformátorové stanice a regulační orgány nastaveny jako uzly koalice, ověřují autentičnost dat skrze konsenzuální mechanismy tolerancí byzantských selhání, což zajišťuje, že data mohou být upravena pouze autorizovanými uzly, což posiluje bezpečnost dat.

Nakonec, pokud jde o řízení přístupu k datům, je kombinován mechanismus řízení přístupu založený na inteligentních smlouvách, který definuje pravidla přístupu, aby bylo zajištěno, že přístupová oprávnění uživatelů jsou omezena politikami, aby se zabránilo neautorizovanému volání dat. Například, prostřednictvím nasazení inteligentních smluv skrze framework Hyperledger Fabric, jsou omezeni operační a servisní personál pouze na dotazování provozního stavu zařízení, zatímco regulační orgány mohou přistupovat k kompletním historickým datům, což zajišťuje soukromí a soulad dat.

3.2 Informační bezpečnostní ochrana elektrických systémů v prostředí 5G a hraničních výpočtů

Integrovaná aplikace 5G a hraničních výpočtů v systémech pro monitorování energie zvyšuje efektivitu zpracování dat a schopnost reálného času, ale také přináší nové informační bezpečnostní výzvy. Nejprve, pokud jde o bezpečnost komunikace, protože sítě 5G používají architekturu řezání sítě, je třeba pro různé služby konfigurovat nezávislé bezpečnostní politiky, aby se zabránilo útokům přes řezy.

Měla by být adoptována technologie end-to-end šifrování (E2EE), kombinovaná s Eliptickým křivkovým digitálním podpisovým algoritmem (ECDSA), aby bylo zajištěno, že data dispečinku energie nejsou pozměněna nebo ukradena během přenosu. Druhé, pokud jde o bezpečnost hraničních výpočtů, by měla být nasazena Spolehlivá výkonná prostředí (TEE), jako jsou Intel SGX nebo ARM TrustZone, k bezpečnému oddělení hraničních uzlů a prevenci proniknutí škodlivého kódu do klíčové řídící logiky.

Měl by být adoptován decentralizovaný mechanismus ověřování identity (DID), který spravuje přístupová oprávnění hraničních zařízení prostřednictvím decentralizovaných identifikátorů (Decentralized Identifier) k snížení rizik úniku přihlašovacích údajů. Nakonec, pokud jde o problém s ohledem na to, že hraniční výpočetní uzly jsou zranitelné vůči fyzickým útokům, by měla být adoptována technologie Hardwarové kořenové důvěry (RoT) k provedení vzdáleného integritního ověření firmwaru zařízení, aby bylo zajištěno, že zařízení nebyla škodlivě pozměněna.

4. Závěr

Technologie informační bezpečnosti v systémech pro monitorování energie hrají klíčovou roli v zajištění stabilního provozu sítě a prevenci kybernetických útoků. Tím, že se vybudovala vícesložková bezpečnostní ochranná struktura a byly adoptovány klíčové technologie, jako jsou blockchain, 5G, hraniční výpočty a šifrovací algoritmy, lze efektivně zlepšit bezpečnost dat, síťové obranné schopnosti a přesnost řízení přístupu.

Kombinováním inteligentního sledování a mechanismů naléhavé reakce lze dosáhnout reálného času detekce hrozeb a rychlého zpracování, což snižuje bezpečnostní rizika. S rozvojem digitalizace a inteligence sítě budou technologie informační bezpečnosti nadále evolovat, aby čelily stále složitějším metodám kybernetických útoků, a zajišťovaly, aby systémy pro monitorování energie dlouhodobě fungovaly bezpečně, stabilně a efektivně.