Varnost informacij v sistemih za nadzor struje: Tehnologije in uporabe

Sistemi za nadzor struje opravljajo ključne naloge v realnem času, diagnostiko napak in optimizacijo delovanja. Njihova varnost neposredno vpliva na stabilnost in zanesljivost električnih sistemov. S poglobitvijo uporabe tehnologij, kot so oblačni računalništvo, internet reševalskih predmetov (IoT) in veliki podatki v elektroenergetskem sektorju, tveganja za informacijsko varnost sistemov za nadzor struje postajajo vedno večja.

Ti sistemi soočajo s številnimi izzivi, vključno z naprednimi trajnimi grožnjami (APT), napadi z zavračanjem storitev (DoS) in okužbami z zlonamerico. Tradicionalne varnostne arhitekture se zanašajo na enoslojne strategije obrambe, ki so težko učinkovite pri odražanju kompleksnih metod napadov. Potrebno je uporabiti arhitekturo globinske obrambe in izboljšati zmogljivosti sistema za odpornost na napade preko večslojnih varnostnih mehanizmov.

1. Sestava in funkcije sistemov za nadzor struje

Sistem za nadzor struje je celosten platforma za avtomatsko upravljanje z energijo, ki se glavno uporablja za nadzor v realnem času, nadzor in optimizacijo delovanja električnih sistemov. Sistem običajno sestavlja nadzorno središče, naprave za zajemanje in prenos podatkov, pametne končne točke, komunikacijske omrežja in programske aplikacije. Nadzorno središče, ki deluje kot centralna točka, je odgovorno za obdelavo ogromnih količin podatkov o strugi, analizo delovanja in izvrševanje ukazov za nadzor.

Naprave za zajemanje podatkov, kot so oddaljeni terminalni enoti (RTU) in pametne elektronske naprave (IED-Business), pridobivajo ključne parametre, kot so tok, napetost in frekvenca, preko senzorjev in komunikacijskih vmesnikov, ter prenašajo te podatke na glavni kontrolni sistem. Komunikacijska omrežja običajno uporabljajo protokole, kot so IEC 61850, DNP3 in Modbus, da zagotovijo učinkovitost in zanesljivost prenosa podatkov.

Programske aplikacije vključujejo funkcije, kot so upravljanje razporeditve, napovedovanje bremena, ocenjevanje stanja in diagnostika napak, ki podpirajo optimizacijo delovanja mreže in zgodnje opozarjanje na nepravilne stanje. Moderni sistemi za nadzor struje široko uporabljajo tehnologije, kot so oblačni računalništvo, robovno računalništvo in umetna inteligenca (AI), za izboljšanje zmogljivosti obdelave podatkov in učinkovitosti odločanja. Sistem vključuje razporeditev struje, nadzor opreme in analizo podatkov, njegova varnost pa je neposredno povezana z stabilnostjo mreže in nacionalno energetsko varnostjo.

2. Sistem za zaščito informacijske varnosti sistemov za nadzor struje

2.1 Strategija za zaščito omrežne varnosti

Strategija za zaščito omrežne varnosti sistemov za nadzor struje mora graditi sistem globinske obrambe na več ravneh, vključno z fizično ločitvijo, varnostjo protokolov, spremljanjem prometa in aktivno obrambom, da bi učinkovito obravnavala tveganja zlonamerne napadi in kraji podatkov. Prvič, glede na omrežno arhitekturo sistemov za nadzor struje, bi morala biti uporabljena strategija zoniranja omrežja, da bi fizično ali logično ločila nadzorno omrežje, upravno omrežje in pisarniško omrežje, da bi zmanjšala površino napada, in bi morali uporabiti tehnologijo unidirekcijskega pretoka podatkov, da bi zagotovili, da osnovni signali za nadzor ne morejo biti spremenjeni.

Drugič, glede na varnost komunikacijskih protokolov, bi morali uporabiti tehnologije šifriranih tunelov (na primer TLS 1.3) za zaščito varnosti prenosa podatkov kritičnih protokolov, kot sta IEC 61850 in DNP3, in bi morali uvajati MACsec (IEEE 802.1AE) za zagotavljanje šifriranja na povezvalni ravnini, da bi preprečili napade man-in-the-middle in ugrabljanje podatkov. Glede na spremljanje prometa, bi morali namestiti sistem za zaznavanje neobičajnega prometa, temelječ na umetni inteligenči (AI-IDS), ki uporablja algoritme globokog učenja za analizo karakteristik paketov in zaznavanje neobičajnih vzorcev, kar izboljša natančnost zaznavanja na preko 99%.

Hkrati, skupaj z DDoS zaščitnim sistemom, preko mehanizmov omejevanja hitrosti in samodejnega preklopa, bi lahko zmanjšali vpliv napadov z pretokom na nadzorna središča za razporeditev struje. Nazadnje, glede na aktivno obrambo, bi lahko uporabili Arhitekturo ničelnega zaupanja (ZTA) za stalno overjanje in nadzor dostopa za vse promete, da bi preprečili širjenje notranjih groženj, s tem pa izboljšali omrežno varnost sistemov za nadzor struje.

2.2 Overjanje identitete in nadzor dostopa

Sistem za overjanje identitete in nadzor dostopa sistemov za nadzor struje mora zagotoviti legitimnost uporabnikov, naprav in programov, da prepreči neupravičen dostop in zlorabo pravic. Na eni strani, glede na overjanje identitete, bi morali uporabiti mehanizem overjanja s digitalnimi potrdili, temelječim na javni ključni infrastrukturi (PKI), ki dodeljuje edinstvene identifikatorje identitete osebju za vzdrževanje, komponentam SCADA sistema in pametnim končnim napravam.

Preko dvofaktorskega overjanja (2FA), enkratnih gesel (OTP) in biometričnih identifikacijskih tehnologij (na primer prepoznavanje prstnih odtisov ali radirnice) lahko povečate varnost overjanja identitete. V scenarijih oddaljenega dostopa lahko uporabite FIDO2 protokol za podporo overjanju brez gesla, s tem pa zmanjšate tveganje za ugrabitev pooblastil. Na drugi strani, glede na nadzor dostopa, bi morali implementirati kombinirani mehanizem nadzora dostopa, temelječ na vlogah (RBAC) in atributih (ABAC), da bi zagotovili, da so pravice uporabnikov strogo usklajene s svojimi odgovornostmi, da preprečijo neupravičen dostop.

Na primer, osebje za vzdrževanje podstanci ima dostop le do določenih naprav, medtem ko so operaterji omejeni na nadzor podatkov in izdajanje ukazov. Za dodatno utemeljitev strategij dostopa lahko uporabite dinamične mehanizme prilagajanja pravic, ki prilagajajo pravice dostopa v realnem času glede na vzorce obnašanja uporabnika in okoljske spremenljivke (na primer geografsko lokacijo, tip naprave itd.). Sistem za revizijo dostopa (SIEM) bi moral biti uporabljen za beleženje vseh zahtev za dostop in kombiniranje tehnik strojnega učenja za analizo neobičajnih vzorcev dostopa, s tem pa izboljšati zmogljivost zaznavanja notranjih varnostnih groženj, da bi zagotovili varno in stabilno delovanje sistemov za nadzor struje.

2.3 Varnost podatkov in šifrirne tehnologije

Varnost podatkov sistemov za nadzor struje vključuje faze, kot so shranjevanje, prenos, obdelava in varnost kopij. Za zagotovitev zaupnosti, celovitosti in dostopnosti podatkov morajo biti uporabljeni močni šifrirni algoritmi in mehanizmi nadzora dostopa.

Prvič, v fazi shranjevanja podatkov, bi morali uporabiti AES-256 za šifriranje občutljivih podatkov v miru, in kombinirati Shamirovo deljenje skrivnosti (SSS) za razdelitev in shranjevanje ključev, da bi preprečili izgubo v enojni točki. Drugič, v procesu prenosa podatkov, bi morali uporabiti protokol TLS 1.3 za končno-do-končno šifriranje komunikacije med SCADA sistemi in pametnimi končnimi napravami, in uporabiti Eliptično krivuljno kriptografijo (ECC) za izboljšanje učinkovitosti šifriranja in zmanjšanje porabe računskih virov.

Nazadnje, za zagotovitev celovitosti podatkov, bi morali uporabiti funkcijo zgostitve SHA-512 za ustvarjanje zgostitvenih vrednosti, in kombinirati HMAC za preverjanje podatkov, da bi preprečili napade s spreminjanjem. Za varnost shranjevanja podatkov lahko uporabite tehnologijo nespremenljivega beležnega shranjevanja, temelječega na verigama blokov, ki uporablja pametne pogodbe za avtomatsko uveljavljanje nadzora dostopa in izboljšanje verodostojnosti podatkov. Glede na varnost kopij bi morali uporabiti strategijo 3-2-1: shranjevanje vsaj treh kopij podatkov, na dveh različnih medijih, z enim primerkopom shranjenim v oddaljenem centru za obnovo v primeru katastrofe, da bi izboljšali zmogljivosti obnove podatkov in zagotovili, da se sistem lahko hitro vrne v normalno delovanje po napadu.

2.4 Spremljanje varnosti in zaznavanje napadov

Spremljanje varnosti in zaznavanje napadov so ključni sestavni deli obrambnega sistema sistemov za nadzor struje, ki prepoznajo zlonamerne vzorce napadov z analizo prometa in dnevnikov sistema v realnem času, s tem pa izboljšajo varnost mreže.

Prvič, na ravni omrežja, bi morali namestiti sistem za zaznavanje napadov (IDS), temelječ na globokem pregledu paketov (DPI), kombiniran s modeli za analizo neobičajnega prometa (na primer K-Means clustering ali LSTM ponavljajoče neuralske mreže), za zaznavanje napadov, kot so DDoS in onesnaževanje podatkov, z nadzorom stopnje lažnih pozitivnih iskanih pod 5%.

Drugič, na ravni nadzora varnosti gostitelja, bi morali uporabiti sistem za zaznavanje in odziv končnih točk (EDR), temelječ na analizi obnašanja, ki uporablja analize obnašanja uporabnikov in entitet (UEBA) za analizo vzorcev obnašanja uporabnikov in naprav, za zaznavanje neobičajnih prijav, zlorabe pravic in implantiranja zlonamerice. 

Nazadnje, za SCADA sisteme, lahko uvedemo tehnologijo za zaznavanje anomalij industrijskih protokolov, ki uporablja konečne stanje stroje (FSM) za analizo legitimnosti ukazov iz protokolov, kot sta Modbus in IEC 104, da bi preprečili napade z zlorabo protokolov. Glede na revizijo dnevnikov in korelacijo analiz, bi morali uporabiti sistem za upravljanje varnostnih informacij in dogodkov (SIEM) za agregiranje podatkov dnevnikov in izvajanje analiz v realnem času preko arhitekture ELK, s tem pa izboljšati zmogljivosti vizualizacije varnosti.

2.5 Hitra odzivnost in upravljanje varnostnih incidentov

Hitra odzivnost in upravljanje varnostnih incidentov sistemov za nadzor struje mora pokrivati identifikacijo groženj, obdelavo incidentov, analizo sledljivosti in mehanizme obnove, da bi zmanjšali vpliv varnostnih incidentov na operativnost električnih sistemov. Prvič, v fazi identifikacije groženj, na podlagi SOAR platforme, bi morali alarmne dogodke avtomatsko analizirati in oceniti vrste napadov z uporabo inteligence o grožnjah, s tem pa izboljšati natančnost razvrščanja dogodkov.

Drugič, v fazi obdelave incidentov, bi morali uporabiti slojevni mehanizem odziva, ki klasificira varnostne incidente v stopnje I do IV, in sprejeti ustreze mere glede na stopnjo incidenta, kot so izolacija okuženih končnih točk, blokiranje zlonamerih IP naslovov ali preklop na rezervni nadzorno središče. Za naprede traječe grožnje (APT) bi lahko uporabili aktivno obrambno strategijo, temelječo na lovstvu za grožnjami, z uporabo YARA pravil za zaznavanje skritih zadnjih vrata in izboljšanje stopnje zaznavanja napadov. Nazadnje, v fazi analize sledljivosti, bi morali preko retrospekcije dogodkov in forenzne analize, kombinirane z grafom napada Cyber Kill Chain, rekonstruirati pot napada, identificirati taktike, tehnike in postopke (TTP) napadalcev, s tem pa zagotoviti podlago za nadaljnje ojačevanje varnosti.

3. Uporaba ključnih tehnologij za informacijsko varnost

3.1 Rešitev sledljivosti podatkov o strugi, temelječa na verigi blokov

Tehnologija verige blokov, s svojimi lastnostmi decentralizacije, nespremenljivosti in sledljivosti, zagotavlja visoko verodostojno rešitev sledljivosti podatkov za sisteme za nadzor struje. V upravljanju podatkov o strugi so ključni problemi celovitost in verodostojnost podatkov. Tradicionalne centralizirane baze podatkov imajo tveganja za enotočkovne propade in poskuše spreminjanja. Veriga blokov uporablja distribuirano knjigo denarja za zagotovitev varnosti shranjevanja podatkov.

Prvič, na ravni shranjevanja podatkov, se uporabljajo verige zgostitvenih vrednosti za šifriranje in shranjevanje podatkov o nadzoru struje, kjer vsak podatek generira edinstveno zgostitveno vrednost, povezan s prejšnjim blokom, s tem pa zagotavlja temporalno doslednost in nespremenljivost podatkov. Drugič, na ravni deljenja podatkov, se uporablja arhitektura konzorcija verig blokov, ki nastavlja nadzorna središča mreže, podstanci in regulativne agencije kot vozle konzorcija, preko konsenzusnih mehanizmov za toleranco Bizantinske napake, za preverjanje autentičnosti podatkov, s tem pa zagotavlja, da lahko podatke spreminjajo samo ovlasteni vozli, s tem pa izboljša varnost podatkov.

Nazadnje, glede na nadzor dostopa do podatkov, se kombinira mehanizem upravljanja pravic, temelječ na pametnih pogodbah, ki definira pravila dostopa, da zagotovi, da so pravice dostopa uporabnikov omejene z politikami, s tem pa prepreči neupravičene klice podatkov. Na primer, s posredovanjem pametnih pogodb preko okvira Hyperledger Fabric, so omejeni na preiskovanje stanja delovanja opreme, medtem ko regulativne agencije lahko dostopajo do celotnih zgodovinskih podatkov, s tem pa zagotavljajo zasebnost in skladnost podatkov.

3.2 Informacijska zaščita sistemov za strujni nadzor v okolju 5G in robovnega računalništva

Integrirana uporaba 5G in robovnega računalništva v sistemih za nadzor struje poveča učinkovitost obdelave podatkov in zmogljivosti za hiter odziv, vendar tudi prinaša nove izzive za informacijsko varnost. Prvič, glede na varnost komunikacije, ker 5G omrežja uporabljajo arhitekturo rezin omrežja, je potrebno za različne prometi storitev konfigurirati neodvisne varnostne politike, da se preprečijo napadi med rezinami.

Bi morali uporabiti tehnologijo end-to-end šifriranja (E2EE), kombinirano z eliptično krivuljno digitalno podpisno algoritmom (ECDSA), da zagotovite, da podatki o razporeditvi struje ne bodo spremenjeni ali ugrabljeni med prenosom. Drugič, glede na varnost robovnega računalništva, bi morali namestiti zaupanje zaslužno okolje (TEE), kot sta Intel SGX ali ARM TrustZone, za varno ločevanje robovnih vozlov in preprečevanje zlonamerne kode, da bi se vtrala v ključno kontrolo logike.

Bi morali uporabiti decentraliziran mehanizem overjanja identitete (DID), ki upravlja dostop do robovnih naprav preko decentraliziranih identifikatorjev (Decentralized Identifier), da zmanjšate tveganja za ugrabitev pooblastil. Nazadnje, glede na ranljivost robovno računalniških vozlov za fizične napade, bi morali uporabiti tehnologijo hardverskega korenskega zaupanja (RoT) za oddaljeno integritetno preverjanje firmware naprav, da zagotovite, da naprave niso bile zlonamerne spremenjene.

4. Zaključek

Tehnologije za informacijsko varnost v sistemih za nadzor struje igrajo ključno vlogo pri zagotavljanju stabilnega delovanja mreže in preprečevanju kibernetskih napadov. Z gradnjo večslojnega sistema za zaščito in uporabo ključnih tehnologij, kot so veriga blokov, 5G, robovno računalništvo in šifrirni algoritmi, lahko učinkovito izboljšamo varnost podatkov, zmogljivosti za obrambo omrežja in natančnost nadzora dostopa.

Z združevanjem inteligentnega nadzora in mehanizmov za hitro odzivnost, je mogoče doseči realnočasno zaznavanje groženj in hitro obdelavo, s tem pa zmanjšati tveganja za varnost. S razvojem digitalizacije in inteligentnosti mreže bodo tehnologije za informacijsko varnost nadaljevale s svojim razvojem, da bi se soočile s vedno bolj zapletenimi metodami kibernetskih napadov, s tem pa zagotovile, da bodo sistemi za nadzor struje dolgoročno delovali varno, stabilno in učinkovito.