Informatiebeveiliging in energiebewakingssystemen: Technologieën en toepassingen

Stroommonitoring systemen nemen de kernopdrachten van real-time netwerkmonitoring, foutdiagnose en operationele optimalisatie op zich. Hun veiligheid heeft directe invloed op de stabiliteit en betrouwbaarheid van elektriciteitsnetwerken. Met de verdere toepassing van technologieën zoals cloud computing, het Internet of Things (IoT) en big data in de energie-industrie, nemen de informatiebeveiligingsrisico's voor stroommonitoring systemen geleidelijk toe.

Deze systemen staan voor meerdere uitdagingen, waaronder geavanceerde persistente bedreigingen (APT), weigering van dienst-aanvallen (DoS) en malware-infecties. Traditionele beveiligingsarchitecturen vertrouwen op eenvoudige lagen van verdedigingsstrategieën, die moeilijk effectief zijn tegen complexe aanvalsmethoden. Het is nodig om een diepgangverdedigingsarchitectuur te adopteren en de anti-aanvalsvermogens van het systeem te versterken door middel van meervoudige beveiligingsmechanismen.

1. Samenstelling en Functies van Stroommonitoring Systemen

Een stroommonitoring systeem is een alomvattende platform voor automatische elektriciteitsbeheer, voornamelijk gebruikt voor real-time monitoring, controle en optimalisatie van de operatiestatus van elektriciteitsnetwerken. Het systeem bestaat typisch uit een monitoringcentrum, gegevensverzamel- en overdrachtapparatuur, intelligente terminals, communicatienetwerken en applicatiesoftware. Het monitoringcentrum, dat als het kernknooppunt fungeert, is verantwoordelijk voor het verwerken van enorme hoeveelheden elektriciteitsgegevens, het analyseren van de operatiestatus en het uitvoeren van controlecommando's.

Gegevensverzamelapparatuur, zoals Remote Terminal Units (RTU's) en Intelligent Electronic Devices (IEDs), verkrijgt belangrijke parameters zoals stroom, spanning en frequentie via sensoren en communicatieinterfaces, en verzendt deze gegevens naar het hoofdbesturingssysteem. Communicatienetwerken gebruiken meestal protocollen zoals IEC 61850, DNP3 en Modbus om de efficiëntie en betrouwbaarheid van gegevensoverdracht te waarborgen.

Applicatiesoftware omvat functies zoals dispatch management, belastingvoorspelling, statusschatting en foutdiagnose, die ondersteuning bieden voor de optimalisatie van netwerkoperaties en vroege waarschuwing voor afwijkende situaties. Moderne stroommonitoring systemen hebben wijdverspreid cloud computing, edge computing en kunstmatige intelligentie (AI) technologieën geïmplementeerd om de gegevensverwerkingscapaciteit en beslissingsdoeltreffendheid te verbeteren. Het systeem betreft elektriciteitsdispatch, apparatuurregeling en gegevensanalyse, en zijn veiligheid staat direct in verband met netwerkstabiliteit en nationale energiebeveiliging.

2. Informatiebeveiligingssysteem van Stroommonitoring Systemen

2.1 Netwerkbeveiligingsstrategie

De netwerkbeveiligingsstrategie voor stroommonitoring systemen moet een diepgangverdedigingssysteem bouwen op meerdere niveaus, inclusief fysieke isolatie, protocolveiligheid, verkeersmonitoring en actieve verdediging, om effectief te reageren op risico's van kwaadwillige aanvallen en gegevensdiefstal. Ten eerste, wat betreft de netwerkarchitectuur van stroommonitoring systemen, dient een netwerkzoningstrategie te worden toegepast om fysiek of logisch de controle-, beheer- en kantoor-netwerken te isoleren om het aanvalsoppervlak te verminderen, en unidirectionele gegevensstroomtechnologieën moeten worden gebruikt om te zorgen dat kerncontrolesignalen niet kunnen worden gewijzigd.

Ten tweede, voor de veiligheid van communicatieprotocollen, moeten versleutelde tunneltechnologieën (zoals TLS 1.3) worden gebruikt om de gegevensoverdrachtsveiligheid van belangrijke protocollen zoals IEC 61850 en DNP3 te beschermen, en MACsec (IEEE 802.1AE) moet worden ingevoerd om link-laagversleuteling te bieden, om man-in-the-middle-aanvallen en gegevensroof te voorkomen. Wat betreft verkeersmonitoring, moet een AI-gebaseerd abnormaal verkeersdetectiesysteem (AI-IDS) worden geïmplementeerd, gebruikmakend van deep learning-algoritmen om pakketkenmerken te analyseren en afwijkend gedrag te detecteren, waardoor de detectieprecisie boven de 99% wordt verhoogd.

Tegelijkertijd, in combinatie met een DDoS-beveiligingssysteem, kan door middel van ratelimitering en automatische failover-mechanismen de impact van verkeersaanvallen op elektriciteitsdispatchcentra worden verminderd. Tenslotte, wat betreft actieve verdediging, kan een Zero Trust Architectuur (ZTA) worden geadopteerd om continu authenticatie en toegangscontrole voor alle verkeer te garanderen, om de verspreiding van interne bedreigingen te voorkomen, waardoor de netwerkbeveiliging van stroommonitoring systemen wordt versterkt.

2.2 Identificatie en Toegangscontrole

Het identificatie- en toegangscontrolesysteem van stroommonitoring systemen moet de legitimiteit van gebruikers, apparaten en applicaties garanderen, en ongeautoriseerde toegang en misbruik van privileges voorkomen. Enerzijds, wat betreft identificatie, moet een digitale certificaatauthenticatiemechanisme gebaseerd op Public Key Infrastructure (PKI) worden geadopteerd, waarbij unieke identiteitsidentificatoren worden toegewezen aan operationeel en onderhoudspersoneel, SCADA-systeemcomponenten en intelligente terminalapparaten.

Door twee-factorauthenticatie (2FA), one-time passwords (OTP) en biometrische identificatietechnologieën (zoals vingerafdruk- of irisherkenning) kan de veiligheid van identificatie worden verhoogd. In scenario's met externe toegang kan het FIDO2-protocol worden geadopteerd om wachtwoordloze authenticatie te ondersteunen, waardoor het risico van referentiestrooptocht wordt verminderd. Anderzijds, wat betreft toegangscontrole, moet een gecombineerd mechanisme van Role-Based Access Control (RBAC) en Attribute-Based Access Control (ABAC) worden geïmplementeerd om ervoor te zorgen dat gebruikersrechten strikt overeenkomen met hun verantwoordelijkheden, en ongeautoriseerde toegang te voorkomen.

Bijvoorbeeld, mogen substation operationeel en onderhoudspersoneel alleen specifieke apparatuur benaderen, terwijl dispatchers beperkt zijn tot gegevensmonitoring en commando-uitgifte. Om toegangsstrategieën verder te verfijnen, kunnen dynamische toegangsrechten aanpassingsmechanismen worden geadopteerd, waarbij toegangsrechten in real time worden aangepast op basis van gebruikersgedragspatronen en omgevingsvariabelen (zoals geografische locatie, apparaattype, enz.). Een toegangslogaudit-systeem (SIEM) moet worden gebruikt om alle toegangsverzoeken te registreren en machine learning-technieken te combineren om afwijkend toegangsverhalten te analyseren, waardoor de detectiecapaciteit van interne beveiligingsbedreigingen wordt verbeterd, en de veilige en stabiele werking van stroommonitoring systemen wordt gewaarborgd.

2.3 Gegevensbeveiliging en Versleuteltechnologieën

De gegevensbeveiliging van stroommonitoring systemen omvat fasen zoals gegevensopslag, -overdracht, -verwerking en -back-up. Er moeten hoge-sterkteversleutelalgoritmen en toegangscontrolemechanismen worden toegepast om de gegevensconfidentialiteit, -integriteit en -beschikbaarheid te waarborgen.

Ten eerste, in de fase van gegevensopslag, moet AES-256 worden gebruikt om gevoelige gegevens in rust te versleutelen, en Shamir's Secret Sharing (SSS) moet worden gecombineerd om sleutels te splitsen en op te slaan, om single-point-lekkage te voorkomen. Ten tweede, in het proces van gegevensoverdracht, moet het TLS 1.3-protocol worden gebruikt om end-to-end-versleuteling uit te voeren voor de communicatie tussen SCADA-systemen en intelligente terminals, en Elliptic Curve Cryptography (ECC) moet worden geadopteerd om de encryptie-efficiëntie te verbeteren en de berekeningsbronverbruik te verminderen.

Tot slot, om gegevensintegriteit te waarborgen, moet de hashfunctie SHA-512 worden gebruikt om hashwaarden te genereren, en HMAC moet worden gecombineerd voor gegevensverificatie om wijzigingsaanvallen te voorkomen. Voor gegevensopslagbeveiliging kan een immutable log-opslagtechnologie gebaseerd op blockchain worden toegepast, waarbij smart contracts worden gebruikt om toegangscontrole automatisch af te dwingen en de gegevensbetrouwbaarheid te verbeteren. Wat betreft gegevensback-up, moet de 3-2-1-strategie worden geadopteerd: minimaal drie kopieën van gegevens opslaan, op twee verschillende media, waarvan één kopie wordt opgeslagen in een off-site rampenherstelcentrum, om de gegevensherstelcapaciteit te verhogen en ervoor te zorgen dat het elektriciteitssysteem snel normaal kan functioneren na een aanval.

2.4 Beveiligingsmonitoring en Intrusiedetectie

Beveiligingsmonitoring en intrusiedetectie zijn essentiële componenten van het verdedigingssysteem van stroommonitoring systemen, die kwaadwillige aanvalsgedragingen identificeren door in real time netwerkverkeer en systeemlogboeken te analyseren, waardoor de netwerkbeveiliging wordt verbeterd.

Ten eerste, op netwerk niveau, moet een intrusiedetectiesysteem (IDS) gebaseerd op Deep Packet Inspection (DPI) worden geïmplementeerd, gecombineerd met verkeersafwijking-analysemodellen (zoals K-Means clustering of LSTM recurrent neural networks), om aanvallen zoals DDoS en gegevensvergiftiging te detecteren, en de vals-positieve ratio onder de 5% te houden.

Ten tweede, op host-beveiligingsmonitoringniveau, moet een Endpoint Detection and Response (EDR)-systeem gebaseerd op gedragsanalyse worden geadopteerd, gebruikmakend van User and Entity Behavior Analytics (UEBA) om gebruikers- en apparaatgedragspatronen te analyseren, en afwijkende inloggen, misbruik van privileges en malware-implantatie te detecteren. 

Tot slot, voor SCADA-systemen, kan industriële protocolafwijking-detectietechnologie worden ingevoerd, gebruikmakend van Finite State Machines (FSM) om de legitimiteit van commando's van protocollen zoals Modbus en IEC 104 te analyseren, om protocolmisbruikaanvallen te voorkomen. Wat betreft logboekauditing en correlatieanalyse, moet een Security Information and Event Management (SIEM)-systeem worden geadopteerd om loggegevens te aggregeren en in real time te analyseren door middel van de ELK-architectuur, waardoor de beveiligingsvisualisatiecapaciteit wordt verbeterd.

2.5 Noodreactie en Beveiligingsincidentbeheer

Noodreactie en beveiligingsincidentbeheer voor stroommonitoring systemen moeten bedreigingsidentificatie, incidentbehandeling, traceerbaarheidsanalyse en herstelmechanismen omvatten om de impact van beveiligingsincidenten op de werking van elektriciteitsnetwerken te verminderen. Ten eerste, in de fase van bedreigingsidentificatie, moet op basis van een SOAR-platform alarmevents automatisch worden geanalyseerd, en aanvalstypen worden geëvalueerd door bedreigingsinformatie te combineren, waardoor de precisie van eventclassificatie wordt verbeterd.

Ten tweede, in de fase van incidentbehandeling, moet een gestapeld responsmechanisme worden geadopteerd, waarbij beveiligingsincidenten worden ingedeeld in niveaus I tot IV, en passende maatregelen worden genomen volgens het incidentniveau, zoals het isoleren van besmette terminals, het blokkeren van kwaadwillende IP-adressen, of overschakelen naar een back-upbeheercentrum. Voor geavanceerde persistente bedreigingen (APT) kan een actieve verdedigingsstrategie gebaseerd op bedreigingsjacht worden geadopteerd, gebruikmakend van YARA-regels om verborgen backdoors te detecteren en de aanvalsdetectieratio te verbeteren. Tot slot, in de fase van traceerbaarheidsanalyse, moet door eventretrospectie en forensische analyse, gecombineerd met de Cyber Kill Chain-aanvalgraaf, de aanvalstraject worden gereconstrueerd, de tactieken, technieken en procedures (TTPs) van de aanvaller worden geïdentificeerd, om een basis te bieden voor latere beveiligingsversterking.

3. Toepassing van Belangrijke Informatiebeveiligingstechnologieën

3.1 Blockchain-gebaseerde Elektriciteitsgegevens Traceerbaarheidsoplossing

Blockchain-technologie, met haar kenmerken van decentralisatie, onveranderlijkheid en traceerbaarheid, biedt een hoogwaardige gegevenstraceerbaarheidsoplossing voor stroommonitoring systemen. In elektriciteitsgegevensbeheer zijn gegevensintegriteit en -betrouwbaarheid cruciale kwesties. Traditionele centrale databases hebben risico's van single-point-failure en vervalsing. Blockchain gebruikt gedistribueerde ledger-technologie om de veiligheid van gegevensopslag te waarborgen.

Ten eerste, op de gegevensopslaglaag, worden hashketens gebruikt om elektriciteitsmonitoringgegevens te versleutelen en op te slaan, waarbij elk gegevensfragment een unieke hashwaarde genereert die gekoppeld is aan het vorige blok, waardoor tijdelijke consistentie en onveranderlijkheid van gegevens wordt gewaarborgd. Ten tweede, op de gegevensdelingslaag, wordt een consortium chain-architectuur gebruikt, waarbij grid-dispatchcentra, transformatorstations en regelgevende instanties als consortiumknopen worden ingesteld, en gegevensauthenticiteit wordt gecontroleerd door Byzantine Fault Tolerance-consensusmechanismen, waardoor gegevens alleen kunnen worden gewijzigd door geautoriseerde knopen, waardoor de gegevensveiligheid wordt versterkt.

Tot slot, wat betreft toegangscontrole, wordt een toegangsbeheermechanisme gebaseerd op smart contracts gecombineerd, waarbij toegangsregels worden gedefinieerd om ervoor te zorgen dat gebruikerstoegangsrechten worden beperkt door beleid, om ongeautoriseerde gegevensoproepen te voorkomen. Bijvoorbeeld, door smart contracts te implementeren via de Hyperledger Fabric-framework, worden operationeel en onderhoudspersoneel beperkt tot het raadplegen van de werkstatus van apparatuur, terwijl regelgevende instanties toegang krijgen tot volledige historische gegevens, waardoor gegevensprivacy en -compliance worden gewaarborgd.

3.2 Informatiebeveiliging voor Elektriciteitsystemen in 5G- en Edge Computing-omgevingen

De geïntegreerde toepassing van 5G en edge computing in stroommonitoring systemen verhoogt de gegevensverwerkingsdoeltreffendheid en real-time reactievermogen, maar brengt ook nieuwe informatiebeveiligingsuitdagingen met zich mee. Ten eerste, wat betreft communicatiebeveiliging, aangezien 5G-netwerken een netwerkslicing-architectuur gebruiken, moeten onafhankelijke beveiligingsbeleid worden geconfigureerd voor verschillende serviceverkeer om cross-slice-aanvallen te voorkomen.

End-to-end-versleuteling (E2EE)-technologie moet worden geadopteerd, gecombineerd met de Elliptic Curve Digital Signature Algorithm (ECDSA), om ervoor te zorgen dat elektriciteitsdispatchgegevens tijdens de overdracht niet worden gewijzigd of gestolen. Ten tweede, wat betreft edge computing-beveiliging, moet een Trusted Execution Environment (TEE) worden geïmplementeerd, zoals Intel SGX of ARM TrustZone, om edge-knopen veilig te isoleren en te voorkomen dat kwaadwillige code binnendringt in kritieke controlelogica.

Een gedecentraliseerde identificatieauthenticatiemechanisme (DID) moet worden geadopteerd, waarbij edge-apparaattoegangsrechten worden beheerd door middel van gedecentraliseerde identificatoren (Decentralized Identifier) om het risico van referentiestrooptocht te verminderen. Tot slot, voor het probleem dat edge computing-knopen kwetsbaar zijn voor fysieke aanvallen, moet Hardware Root of Trust (RoT)-technologie worden geadopteerd om remote integriteitsverificatie van apparaatfirmware uit te voeren, om ervoor te zorgen dat apparaten niet zijn gewijzigd door kwaadwillende partijen.

4. Conclusie

Informatiebeveiligingstechnologieën in stroommonitoring systemen spelen een belangrijke rol bij het waarborgen van stabiele netwerkoperaties en het voorkomen van cyberaanvallen. Door een meervoudige beveiligingsbeschermingssysteem te bouwen en belangrijke technologieën zoals blockchain, 5G, edge computing en encryptiealgoritmen te adopteren, kan de gegevensbeveiliging, netwerkverdedigingscapaciteit en toegangscontrole-accurate effectief worden verbeterd.

In combinatie met intelligente monitoring- en noodreactiemechanismen kan real-time bedreigingsdetectie en snelle behandeling worden bereikt, waardoor beveiligingsrisico's worden verminderd. Met de ontwikkeling van netwerkdigitalisering en -intelligentie zullen informatiebeveiligingstechnologieën blijven evolueren om steeds complexere cyberaanvalsmethoden te tackelen, om ervoor te zorgen dat stroommonitoring systemen langdurig veilig, stabiel en efficiënt functioneren.