Bezpieczeństwo informacji w systemach monitorowania mocy: technologie i zastosowania

Systemy monitorowania mocy podejmują kluczowe zadania związane z rzeczywistym czasem monitorowania sieci, diagnozowaniem awarii i optymalizacją działania. Ich bezpieczeństwo bezpośrednio wpływa na stabilność i niezawodność systemów energetycznych. Z pogłębianiem się zastosowań technologii takich jak obliczenia w chmurze, Internet Rzeczy (IoT) oraz big data w sektorze energetycznym, ryzyko bezpieczeństwa informacyjnego dla systemów monitorowania mocy stopniowo rośnie.

Te systemy stoją przed wieloma wyzwaniami, w tym zaawansowanymi trwałymi zagrożeniami (APT), atakami typu odmowa usługi (DoS) oraz infekcjami wirusowymi. Tradycyjne architektury bezpieczeństwa opierają się na strategiach obrony jednopoziomowej, które są trudne do skutecznego kontrataku na skomplikowane metody ataku. Konieczne jest przyjęcie architektury obrony wielopoziomowej i wzmocnienie zdolności systemu do odpierania ataków poprzez mechanizmy bezpieczeństwa wielowarstwowe.

1. Skład i funkcje systemów monitorowania mocy

System monitorowania mocy to kompleksowa platforma zarządzania automatyzacją energii, głównie używana do rzeczywistego czasu monitorowania, sterowania i optymalizacji stanu operacyjnego systemów energetycznych. System ten zazwyczaj składa się z centrum monitorowania, urządzeń pozyskiwania i transmisji danych, inteligentnych terminali, sieci komunikacyjnych oraz oprogramowania aplikacyjnego. Centrum monitorowania, będące centralnym węzłem, odpowiada za przetwarzanie ogromnej ilości danych energetycznych, analizowanie stanu operacyjnego oraz wykonywanie poleceń sterujących.

Urządzenia pozyskiwania danych, takie jak Jednostki Terminali Zdalnych (RTU) i Inteligentne Urządzenia Elektroniczne (IEDs), uzyskują kluczowe parametry, takie jak prąd, napięcie i częstotliwość, za pomocą czujników i interfejsów komunikacyjnych, a następnie przesyłają te dane do głównego systemu sterującego. Sieci komunikacyjne zazwyczaj wykorzystują protokoły takie jak IEC 61850, DNP3 i Modbus, aby zapewnić efektywność i niezawodność transmisji danych.

Oprogramowanie aplikacyjne obejmuje funkcje takie jak zarządzanie dyspozycją, prognozowanie obciążeń, estymacja stanu i diagnoza awarii, wspierając optymalizację działania sieci oraz wczesne ostrzeganie o nietypowych sytuacjach. Nowoczesne systemy monitorowania mocy szeroko stosują technologie obliczeń w chmurze, obliczeń krawędziowych oraz sztucznej inteligencji (AI), aby zwiększyć zdolności przetwarzania danych i efektywność podejmowania decyzji. System ten obejmuje dyspozycję energii, sterowanie urządzeniami oraz analizę danych, a jego bezpieczeństwo bezpośrednio wpływa na stabilność sieci i bezpieczeństwo narodowej energii.

2. System ochrony bezpieczeństwa informacyjnego systemów monitorowania mocy

2.1 Strategia ochrony bezpieczeństwa sieciowego

Strategia ochrony bezpieczeństwa sieciowego dla systemów monitorowania mocy musi budować system obrony wielopoziomowej na wielu poziomach, w tym izolacji fizycznej, bezpieczeństwa protokołów, monitorowania ruchu i aktywnej obrony, aby skutecznie radzić sobie z ryzykiem ataków złośliwych i kradzieży danych. Po pierwsze, co się tyczy architektury sieciowej systemów monitorowania mocy, należy zastosować strategię podziału sieci, aby fizycznie lub logicznie izolować sieć sterującą, sieć zarządczą i sieć biurową, aby zmniejszyć powierzchnię ataku, a także korzystać z technologii jednokierunkowego przepływu danych, aby zagwarantować, że kluczowe sygnały sterujące nie mogą być modyfikowane.

Po drugie, w zakresie bezpieczeństwa protokołów komunikacyjnych, należy używać technologii tunelowania szyfrowanego (takich jak TLS 1.3) do ochrony bezpieczeństwa transmisji danych kluczowych protokołów, takich jak IEC 61850 i DNP3, a także wprowadzać MACsec (IEEE 802.1AE) do zapewnienia szyfrowania na warstwie łącza, zapobiegając atakom man in the middle i kradzieży danych. W zakresie monitorowania ruchu, należy wdrożyć system detekcji nietypowego ruchu oparty na sztucznej inteligencji (AI-IDS), korzystając z algorytmów głębokiego uczenia do analizy cech pakietów i wykrywania nietypowych zachowań, co zwiększa dokładność wykrywania do ponad 99%.

W tym samym czasie, w połączeniu z systemem ochrony przed atakami DDoS, za pomocą mechanizmów ograniczania szybkości i automatycznego przełączania, można zmniejszyć wpływ ataków ruchem na centra dyspozycyjne mocy. W końcu, w zakresie aktywnej obrony, można zastosować architekturę Zero Trust (ZTA) do ciągłej autentykacji i kontroli dostępu dla całego ruchu, zapobiegając rozprzestrzenianiu się zagrożeń wewnętrznych, co zwiększa bezpieczeństwo sieci systemów monitorowania mocy.

2.2 Autentykacja tożsamości i kontrola dostępu

System autentykacji tożsamości i kontroli dostępu systemów monitorowania mocy musi zapewniać legalność użytkowników, urządzeń i aplikacji, zapobiegając nieautoryzowanemu dostępowi i nadużywaniu uprawnień. Po pierwsze, w zakresie autentykacji tożsamości, należy zastosować mechanizm autentykacji certyfikatów cyfrowych oparty na infrastrukturze klucza publicznego (PKI), przypisujący unikalne identyfikatory tożsamości personelowi operacyjnemu i utrzymanemu, komponentom systemu SCADA oraz inteligentnym urządzeniom końcowym.

Poprzez uwierzytelnianie dwuskładnikowe (2FA), jednorazowe hasła (OTP) oraz technologie identyfikacji biometrycznej (np. odciski palców lub rozpoznawanie tęczówki), można zwiększyć bezpieczeństwo weryfikacji tożsamości. W scenariuszach dostępu zdalnego można zastosować protokół FIDO2 do wsparcia uwierzytelniania bez haseł, zmniejszając ryzyko kradzieży poświadczeń. Po drugie, w zakresie kontroli dostępu, należy zaimplementować połączone mechanizmy kontroli dostępu opartej na rolach (RBAC) i opartej na atrybutach (ABAC), aby zapewnić, że uprawnienia użytkownika ścisłe odpowiadają ich obowiązkom, zapobiegając nieautoryzowanemu dostępowi.

Na przykład, personel obsługi podstacji może mieć dostęp tylko do określonego sprzętu, podczas gdy dyspozytorzy są ograniczeni do monitorowania danych i wydawania poleceń. Aby dalej doskonalić strategie dostępu, można zastosować mechanizmy dynamicznej regulacji uprawnień, dostosowując uprawnienia dostępu w czasie rzeczywistym na podstawie wzorców zachowania użytkowników i zmiennych środowiskowych (takich jak lokalizacja geograficzna, typ urządzenia itp.). Należy używać systemu audytu logów dostępu (SIEM) do rejestrowania wszystkich żądań dostępu i łączyć techniki uczenia maszynowego do analizy nietypowych zachowań dostępu, zwiększając zdolność wykrywania wewnętrznego zagrożenia bezpieczeństwa, zapewniając bezpieczne i stabilne działanie systemów monitorowania mocy.

2.3 Bezpieczeństwo danych i technologie szyfrowania

Bezpieczeństwo danych systemów monitorowania mocy obejmuje etapy takie jak przechowywanie, transmisja, przetwarzanie i tworzenie kopii zapasowych. Muszą być stosowane silne algorytmy szyfrowania i mechanizmy kontroli dostępu, aby zapewnić poufność, integralność i dostępność danych.

Po pierwsze, na etapie przechowywania danych, należy używać AES-256 do szyfrowania poufnych danych w spoczynku, a także łączyć z technologią dzielenia sekretów Shamira (SSS) do dzielenia i przechowywania kluczy, zapobiegając przeciekowi z jednego punktu. Po drugie, w procesie transmisji danych, należy używać protokołu TLS 1.3 do wykonania end-to-end szyfrowania komunikacji między systemami SCADA a inteligentnymi urządzeniami końcowymi, a także wprowadzać kryptografię krzywych eliptycznych (ECC) do zwiększenia efektywności szyfrowania i zmniejszenia zużycia zasobów obliczeniowych.

W końcu, aby zapewnić integralność danych, należy używać funkcji hash SHA-512 do generowania wartości hash, a także łączyć HMAC do weryfikacji danych, aby zapobiec atakom modyfikacji. W zakresie bezpieczeństwa przechowywania danych, można zastosować technologię niezmiennego przechowywania logów opartą na blockchain, korzystając z kontraktów inteligentnych do automatycznego wymuszania kontroli dostępu i zwiększenia wiarygodności danych. W zakresie tworzenia kopii zapasowych, należy stosować strategię 3-2-1: przechowywanie co najmniej trzech kopii danych, na dwóch różnych nośnikach, z jedną kopią przechowywaną w ośrodku odzyskiwania poza miejscem, aby zwiększyć zdolność odzyskiwania danych i zapewnić, że system energetyczny może szybko wrócić do normalnego działania po doznanym ataku.

2.4 Monitorowanie bezpieczeństwa i wykrywanie włamań

Monitorowanie bezpieczeństwa i wykrywanie włamań to kluczowe elementy systemu obrony systemów monitorowania mocy, identyfikujące złośliwe zachowania atakujące przez analizę ruchu sieciowego i dzienników systemowych w czasie rzeczywistym, zwiększając bezpieczeństwo sieci.

Po pierwsze, na poziomie sieci, należy wdrożyć system wykrywania włamań (IDS) oparty na głębokiej inspekcji pakietów (DPI), łącząc go z modelami analizy anomalii ruchu (takimi jak K-Means clustering lub rekurencyjne sieci neuronowe LSTM), aby wykrywać ataki takie jak DDoS i zatrucie danych, kontrolując wskaźnik fałszywych dodatnich poniżej 5%.

Po drugie, na poziomie monitorowania bezpieczeństwa hostów, należy zastosować system wykrywania i reagowania na końcach (EDR) oparty na analizie zachowań, korzystając z User and Entity Behavior Analytics (UEBA) do analizy wzorców zachowania użytkowników i urządzeń, wykrywając nietypowe logowania, nadużywanie uprawnień i implantację malware.

W końcu, dla systemów SCADA, można wprowadzić technologię wykrywania anomalii protokołów przemysłowych, korzystając z Maszyn Stanów Skończonych (FSM) do analizy legalności poleceń z protokołów takich jak Modbus i IEC 104, zapobiegając atakom nadużywającym protokołów. W zakresie audytu logów i analizy korelacji, należy zastosować system zarządzania informacjami i zdarzeniami bezpieczeństwa (SIEM) do agregacji danych logów i wykonania analizy w czasie rzeczywistym za pomocą architektury ELK, zwiększając zdolności wizualizacji bezpieczeństwa.

2.5 Reagowanie w nagłych przypadkach i zarządzanie incydentami bezpieczeństwa

Reagowanie w nagłych przypadkach i zarządzanie incydentami bezpieczeństwa systemów monitorowania mocy musi obejmować identyfikację zagrożeń, obsługa incydentów, analiza śledztwa i mechanizmy odzyskiwania, aby zmniejszyć wpływ incydentów bezpieczeństwa na działanie systemu energetycznego. Po pierwsze, na etapie identyfikacji zagrożeń, na podstawie platformy SOAR, powinny być automatycznie analizowane zdarzenia alarmowe, a typy ataków oceniane poprzez łączenie inteligencji zagrożeń, zwiększając dokładność klasyfikacji zdarzeń.

Po drugie, na etapie obsługi incydentów, należy zastosować mechanism drabinkowy odpowiedzi, klasyfikując incydenty bezpieczeństwa na poziomy I do IV, i podejmując odpowiednie środki zgodnie z poziomem incydentu, takie jak izolowanie zainfekowanych terminali, blokowanie złośliwych adresów IP lub przełączanie na zapasowe centrum sterowania. Dla zaawansowanych trwałych zagrożeń (APT), można zastosować strategię aktywnej obrony opartej na polowaniu na zagrożenia, korzystając z reguł YARA do wykrywania ukrytych backdoorów i zwiększania stawek wykrywania ataków. W końcu, na etapie analizy śledztwa, poprzez retrospekcję zdarzeń i analizę śladów, łącząc je z grafem ataku Cyber Kill Chain, należy odtworzyć ścieżkę ataku, identyfikując taktyki, techniki i procedury (TTP) atakujących, dostarczając podstaw do kolejnego wzmocnienia bezpieczeństwa.

3. Zastosowanie kluczowych technologii bezpieczeństwa informacyjnego

3.1 Rozwiązanie śledzenia danych energetycznych oparte na blockchain

Technologia blockchain, ze swoimi cechami decentralizacji, niezmienności i śledzenia, oferuje wysoko wiarygodne rozwiązanie śledzenia danych dla systemów monitorowania mocy. W zarządzaniu danymi energetycznymi, kluczowymi problemami są integralność i wiarygodność danych. Tradycyjne centralne bazy danych mają ryzyko pojedynczego punktu awarii i modyfikacji. Blockchain używa technologii rozproszonego księgowania, aby zapewnić bezpieczeństwo przechowywania danych.

Po pierwsze, na warstwie przechowywania danych, łańcuchy hashowe są używane do szyfrowania i przechowywania danych monitorowania mocy, z każdą porcją danych generując unikalną wartość hashową połączoną z poprzednim blokiem, zapewniając temporalną spójność i niezmienność danych. Po drugie, na warstwie udostępniania danych, jest używana architektura konsorcjum, ustawiając centra dyspozycyjne siatki, podstacje i organy regulacyjne jako węzły konsorcjum, weryfikując autentyczność danych za pomocą mechanizmów konsensusu tolerancyjnego na błędy Byzantyńskie, zapewniając, że dane mogą być modyfikowane tylko przez autoryzowane węzły, zwiększając bezpieczeństwo danych.

W końcu, w zakresie kontroli dostępu do danych, jest łączone z mechanizmem zarządzania uprawnieniami opartym na kontraktach inteligentnych, definiując reguły dostępu, aby zapewnić, że uprawnienia dostępu użytkowników są ograniczone przez polityki, unikając nieautoryzowanych wywołań danych. Na przykład, poprzez wdrożenie kontraktów inteligentnych za pomocą frameworku Hyperledger Fabric, personel operacyjny i utrzymaniowy jest ograniczony do sprawdzania stanu pracy sprzętu, podczas gdy organy regulacyjne mogą uzyskać dostęp do pełnych historycznych danych, zapewniając prywatność i zgodność danych.

3.2 Ochrona bezpieczeństwa informacyjnego systemów energetycznych w środowisku 5G i obliczeń krawędziowych

Zintegrowane zastosowanie 5G i obliczeń krawędziowych w systemach monitorowania mocy zwiększa efektywność przetwarzania danych i zdolności odpowiedzi w czasie rzeczywistym, ale również wprowadza nowe wyzwania bezpieczeństwa informacyjnego. Po pierwsze, w zakresie bezpieczeństwa komunikacji, ponieważ sieci 5G używają architektury segmentacji sieci, niezależne polityki bezpieczeństwa muszą być skonfigurowane dla różnych ruchów usług, aby zapobiec atakom międzysegmentowym.

Należy zastosować technologię end-to-end szyfrowania (E2EE), łącząc ją z algorytmem cyfrowego podpisu krzywych eliptycznych (ECDSA), aby zapewnić, że dane dyspozycyjne mocy nie są modyfikowane ani kradzione podczas transmisji. Po drugie, w zakresie bezpieczeństwa obliczeń krawędziowych, należy wdrożyć Środowisko Wykonywania Zaufane (TEE), takie jak Intel SGX lub ARM TrustZone, aby bezpiecznie izolować węzły krawędziowe i zapobiegać wtargnięciu złośliwego kodu do kluczowej logiki sterującej.

Należy zastosować mechanizm dezentralizowanej autentykacji tożsamości (DID), zarządzając uprawnieniami dostępu urządzeń krawędziowych za pomocą dezentralizowanych identyfikatorów (Decentralized Identifier), aby zmniejszyć ryzyko przecieku poświadczeń. W końcu, dla problemu węzłów obliczeń krawędziowych narażonych na ataki fizyczne, należy zastosować technologię Root of Trust (RoT), aby wykonać zdalną weryfikację integralności firmware'u urządzeń, zapewniając, że urządzenia nie były modyfikowane złośliwie.

4. Podsumowanie

Technologie bezpieczeństwa informacyjnego w systemach monitorowania mocy odgrywają istotną rolę w zapewnianiu stabilnego działania sieci i zapobieganiu cyberatakami. Poprzez budowanie wielowarstwowego systemu ochrony bezpieczeństwa i zastosowanie kluczowych technologii, takich jak blockchain, 5G, obliczenia krawędziowe i algorytmy szyfrowania, można skutecznie zwiększyć bezpieczeństwo danych, zdolności obrony sieci i dokładność kontroli dostępu.

W połączeniu z inteligentnymi systemami monitorowania i mechanizmami reagowania w nagłych przypadkach, można osiągnąć rzeczywiste wykrywanie zagrożeń i szybkie reagowanie, zmniejszając ryzyko bezpieczeństwa. Z rozwojem cyfryzacji i inteligencji sieci, technologie bezpieczeństwa informacyjnego będą nadal ewoluować, aby sprostać coraz bardziej skomplikowanym metodom cyberataków, zapewniając, że systemy monitorowania mocy będą działały bezpiecznie, stabilnie i efektywnie w długim okresie.