Безпека інформації в системах моніторингу електроенергії: технології та застосування

Системи моніторингу електроенергії виконують ключові завдання з реального часу моніторингу мереж, діагностики несправностей та оптимізації роботи. Їх безпека безпосередньо впливає на стабільність та надійність систем електропостачання. З поширенням технологій, таких як обчислювання в хмарі, Інтернет речей (IoT) та великі дані у сфері енергетики, інформаційні ризики для систем моніторингу електроенергії поступово зростають.

Ці системи стикаються з багатьма проблемами, включаючи застосування першочергових тривалих загроз (APT), атак отаки відмови в обслуговуванні (DoS) та інфекції шкідливими програмами. Традиційні архітектури безпеки спираються на одношарові стратегії захисту, які важко ефективно протистояти складним методам атак. Необхідно впроваджувати глибинну архітектуру захисту та підвищувати можливості системи до протистояння атакам за допомогою багатошарових механізмів безпеки.

1. Склад та функції систем моніторингу електроенергії

Система моніторингу електроенергії є комплексною платформою автоматизованого управління електроенергією, головним чином використовувана для реального часу моніторингу, контролю та оптимізації стану роботи систем електропостачання. Система зазвичай складається з центру моніторингу, пристроїв збору та передачі даних, інтелектуальних терміналів, комунікаційних мереж та прикладного програмного забезпечення. Центр моніторингу, який є ключовим центром, відповідає за обробку великих обсягів даних про електроенергію, аналіз стану роботи та виконання керуючих команд.

Пристрої збору даних, такі як Віддалені Термінальні Блоки (RTU) та Інтелектуальні Електронні Пристрої (IEDs), отримують ключові параметри, такі як струм, напруга та частота, за допомогою датчиків та інтерфейсів зв'язку, та передають дані до основної системи керування. Комунікаційні мережі зазвичай використовують протоколи, такі як IEC 61850, DNP3 та Modbus, для забезпечення ефективності та надійності передачі даних.

Прикладне програмне забезпечення включає функції, такі як управління диспетчеризацією, прогнозування навантаження, оцінка стану та діагностика несправностей, підтримуючи оптимізацію роботи мережі та раннє попередження про аномальні ситуації. Сучасні системи моніторингу електроенергії широко використовують технології обчислювання в хмарі, на краю мережі та штучний інтелект (AI) для покращення можливостей обробки даних та ефективності прийняття рішень. Система включає диспетчеризацію електроенергії, керування обладнанням та аналіз даних, а її безпека безпосередньо пов'язана зі стабільністю мережі та національною енергетичною безпекою.

2. Система захисту інформаційної безпеки систем моніторингу електроенергії

2.1 Стратегія захисту мережевої безпеки

Стратегія захисту мережевої безпеки для систем моніторингу електроенергії має будувати глибинну систему захисту на багатьох рівнях, включаючи фізичну ізоляцію, безпеку протоколів, моніторинг трафіку та активний захист, для ефективного протистояння ризикам зловмисних атак та крадіжки даних. По-перше, щодо мережевої архітектури систем моніторингу електроенергії, слід застосовувати стратегію зонування мережі, щоб фізично або логічно ізольувати керуючу мережу, мережу управління та офісну мережу, щоб зменшити поверхню атак, та використовувати технологію одностороннього потоку даних, щоб забезпечити, що ключові сигнали керування не можуть бути змінені.

По-друге, щодо безпеки комунікаційних протоколів, слід використовувати технології шифруваних тунелів (наприклад, TLS 1.3) для захисту безпеки передачі даних критичних протоколів, таких як IEC 61850 та DNP3, та вводити MACsec (IEEE 802.1AE) для забезпечення шифрування на рівні ланки, щоб запобігти атакам "чоловік посередині" та крадіжці даних. У контексті моніторингу трафіку слід розгорнути систему детекції аномального трафіку на основі штучного інтелекту (AI-IDS), використовуючи алгоритми глибокого навчання для аналізу характеристик пакетів та виявлення аномальних поведінок, підвищуючи точність виявлення до понад 99%.

Одночасно, поєднуючи це з системою захисту від DDoS-атак, за допомогою механізмів обмеження швидкості та автоматичного перехідного режиму, можна зменшити вплив атак на трафік на диспетчерські центри електропостачання. Нарешті, щодо активного захисту, можна використовувати архітектуру Zero Trust (ZTA) для постійної автентифікації та контролю доступу для всього трафіку, щоб запобігти поширенню внутрішніх загроз, таким чином підвищуючи мережеву безпеку систем моніторингу електроенергії.

2.2 Аутентифікація та контроль доступу

Система аутентифікації та контролю доступу для систем моніторингу електроенергії має забезпечувати легітимність користувачів, пристроїв та програм, запобігаючи несанкціонованому доступу та злою використанню привілеїв. З одного боку, щодо аутентифікації, слід використовувати механізм аутентифікації цифрових сертифікатів на основі Публічної Ключової Інфраструктури (PKI), присвоюючи унікальні ідентифікатори особистості операторам та технікам, компонентам SCADA-систем та інтелектуальним термінальним пристроям.

Застосовуючи двофакторну аутентифікацію (2FA), одноразові паролі (OTP) та технології біометричної ідентифікації (наприклад, відбитки пальців або радіус очей), можна підвищити безпеку перевірки особистості. У випадках віддаленого доступу можна використовувати протокол FIDO2 для підтримки аутентифікації без пароля, зменшуючи ризик крадіжки облікових даних. З іншого боку, щодо контролю доступу, слід реалізовувати поєднаний механізм Role-Based Access Control (RBAC) та Attribute-Based Access Control (ABAC), щоб забезпечити, що права користувачів строго відповідають їх обов'язкам, запобігаючи несанкціонованому доступу.

Наприклад, оператори та техніки підстанцій можуть мати доступ лише до конкретного обладнання, а диспетчерам дозволяється лише моніторинг даних та видання команд. Для подальшого вдосконалення стратегій доступу можна використовувати механізми динамічного регулювання прав доступу, адаптивно змінюючи права доступу на основі шаблонів поведінки користувачів та змінних оточення (наприклад, географічне положення, тип пристрою тощо). Система аудиту журналів доступу (SIEM) повинна використовуватися для запису всіх запитів на доступ та поєднання технік машинного навчання для аналізу аномальних поведінок доступу, підвищуючи можливості виявлення внутрішніх загроз безпеці, забезпечуючи безпечну та стабільну роботу систем моніторингу електроенергії.

2.3 Безпека даних та технології шифрування

Безпека даних систем моніторингу електроенергії стосується етапів зберігання, передачі, обробки та резервного копіювання даних. Необхідно використовувати алгоритми шифрування з високою ступенем надійності та механізми контролю доступу, щоб забезпечити конфіденційність, цілісність та доступність даних.

По-перше, на етапі зберігання даних, слід використовувати AES-256 для шифрування чутливих даних, та поєднувати це з методом розподілу секретів Шаміра (SSS) для розподілення та зберігання ключів, щоб запобігти єдиному витоку розкриття. По-друге, в процесі передачі даних, слід використовувати протокол TLS 1.3 для виконання шифрування від кінця до кінця для зв'язку між системами SCADA та інтелектуальними терміналами, та використовувати Еліптичну Криву Криптографію (ECC) для поліпшення ефективності шифрування та зменшення витрат обчислювальних ресурсів.

Нарешті, для забезпечення цілісності даних, слід використовувати хеш-функцію SHA-512 для генерації хеш-значень, та поєднувати HMAC для перевірки даних, щоб запобігти атакам зміни даних. Для безпеки зберігання даних можна застосовувати технологію незмінного зберігання журналів на основі блокчейну, використовуючи смарт-контракти для автоматичного виконання контролю доступу та підвищення довіри до даних. Щодо резервного копіювання даних, слід використовувати стратегію 3-2-1: зберігати принаймні три копії даних, на двох різних носіях, з однією копією, зберіганою в оф-сайт центрі відновлення після аварії, щоб підвищити можливості відновлення даних та забезпечити, що система електропостачання може швидко повернутися до нормальної роботи після атаки.

2.4 Моніторинг безпеки та виявлення вторгнень

Моніторинг безпеки та виявлення вторгнень є ключовими компонентами системи оборони систем моніторингу електроенергії, які виявляють зловмисні атаки, аналізуючи мережевий трафік та журнали системи в реальному часі, підвищуючи безпеку мережі.

По-перше, на рівні мережі, слід розгорнути систему виявлення вторгнень (IDS) на основі Глибокого Інспекціонування Пакетів (DPI), поєднуючи моделі аналізу аномальних трафіків (наприклад, K-Means clustering або LSTM рекурентні нейронні мережі), для виявлення атак, таких як DDoS та отруєння даних, контролюючи рівень хибних позитивних результатів нижче 5%.

По-друге, на рівні моніторингу безпеки хоста, слід використовувати систему виявлення та відповіді на кінцевих точках (EDR) на основі аналізу поведінки, використовуючи аналіз поведінки користувачів та сутностей (UEBA) для аналізу шаблонів поведінки користувачів та пристроїв, виявляючи аномальні входи, злою використання привілеїв та встановлення шкідливого програмного забезпечення. 

Нарешті, для SCADA-систем, можна ввести технологію виявлення аномалій промислових протоколів, використовуючи Конечні Автомати (FSM) для аналізу легітимності команд від протоколів, таких як Modbus та IEC 104, запобігаючи атакам зловживання протоколами. Щодо аудиту журналів та кореляційного аналізу, слід використовувати систему управління інформацією та подіями безпеки (SIEM) для агрегації даних журналів та проведення реального часу аналізу через архітектуру ELK, підвищуючи можливості візуалізації безпеки.

2.5 Реагування на надзвичайні ситуації та управління інцидентами безпеки

Реагування на надзвичайні ситуації та управління інцидентами безпеки для систем моніторингу електроенергії повинні охоплювати виявлення загроз, вирішення інцидентів, аналіз відстежуваності та механізми відновлення, щоб знизити вплив інцидентів безпеки на операції систем електропостачання. По-перше, на етапі виявлення загроз, на основі платформи SOAR, слід автоматично аналізувати події сигналів тривоги, оцінювати типи атак, поєднуючи інтелектуальні дані про загрози, підвищуючи точність класифікації подій.

По-друге, на етапі вирішення інцидентів, слід використовувати послідовний механізм відповіді, класифікуючи інциденти безпеки на рівні від І до IV, та застосовувати відповідні заходи відповідно до рівня інциденту, такі як ізоляція заражених терміналів, блокування зловмисних IP-адрес або переход на резервний центр керування. Для першочергових тривалих загроз (APT) можна використовувати стратегію активного захисту на основі пошуку загроз, використовуючи правила YARA для виявлення прихованих бекдорів та підвищення ступеня виявлення атак. Нарешті, на етапі аналізу відстежуваності, через ретроспективний аналіз подій та судово-технічну експертизу, поєднуючи граф атак Cyber Kill Chain, слід реконструювати шлях атаки, виявляючи тактики, методи та процедури (TTPs) атакуючих, надаючи основу для подальшого підсилення безпеки.

3. Застосування ключових технологій інформаційної безпеки

3.1 Рішення для відстеження даних електроенергії на основі блокчейну

Технологія блокчейну, зі своїми характеристиками децентралізації, незмінності та відстежуваності, надає високонадійне рішення для відстеження даних систем моніторингу електроенергії. У керуванні даними електроенергії, ключовими питаннями є цілісність та надійність даних. Традиційні централізовані бази даних мають ризики єдиного витоку відмови та зміни. Блокчейн використовує технологію розподілених реєстрів для забезпечення безпеки зберігання даних.

По-перше, на рівні зберігання даних, використовуються хеш-ланцюги для шифрування та зберігання даних моніторингу електроенергії, де кожен елемент даних генерує унікальне значення хешу, пов'язане з попереднім блоком, забезпечуючи часову узгодженість та незмінність даних. По-друге, на рівні обміну даними, використовується архітектура консорціумного ланцюга, встановлюючи диспетчерські центри, підстанції та регуляторні органи як вузли консорціуму, верифікуючи автентичність даних за допомогою механізму консенсусу з витриманням відмови, щоб забезпечити, що дані можуть бути змінені лише авторизованими вузлами, підвищуючи безпеку даних.

Нарешті, щодо контролю доступу до даних, поєднуються механізми управління правами на основі смарт-контрактів, визначаючи правила доступу, щоб забезпечити, що права доступу користувачів обмежені політиками, уникнути несанкціонованих викликів даних. Наприклад, шляхом розгорнення смарт-контрактів через фреймворк Hyperledger Fabric, оператори та техніки обмежені лише запитами статусу роботи обладнання, тоді як регуляторні органи можуть отримати повний історичний набір даних, забезпечуючи конфіденційність та відповідність даних.

3.2 Захист інформаційної безпеки систем електропостачання в середовищі 5G та обчислень на краю мережі

Інтегроване застосування 5G та обчислень на краю мережі в системах моніторингу електроенергії підвищує ефективність обробки даних та реальність відгуку, але також вносить нові виклики інформаційної безпеки. По-перше, щодо безпеки зв'язку, оскільки мережі 5G використовують архітектуру розрізання мереж, для різних службових потоків необхідно налаштовувати незалежні політики безпеки, щоб запобігти атакам між різними сегментами.

Слід використовувати технологію end-to-end шифрування (E2EE), поєднуючи це з Еліптичним Цифровим Алгоритмом Підпису (ECDSA), щоб забезпечити, що дані диспетчеризації електроенергії не можуть бути змінені або викрадені під час передачі. По-друге, щодо безпеки обчислень на краю мережі, слід розгорнути Trusted Execution Environment (TEE), такі як Intel SGX або ARM TrustZone, для безпечного ізоляції краєвих вузлів та запобігання вторгненню зловмисного коду в критичну логіку керування.

Слід використовувати механізм децентралізованої ідентифікації (DID), керуючи правами доступу до краєвих пристроїв через децентралізовані ідентифікатори (Decentralized Identifier), щоб зменшити ризики витоку облікових даних. Нарешті, щодо проблеми того, що краєві вузли вразливі до фізичних атак, слід використовувати технологію Hardware Root of Trust (RoT) для проведення віддаленої перевірки цілісності прошивки пристроїв, забезпечуючи, що пристрої не були зловмисно змінені.

4. Висновок

Технології інформаційної безпеки в системах моніторингу електроенергії відіграють важливу роль у забезпеченні стабільної роботи мережі та запобіганні кібератакам. Будуючи багатошарову систему захисту та впроваджуючи ключові технології, такі як блокчейн, 5G, обчислення на краю мережі та алгоритми шифрування, можна ефективно підвищити безпеку даних, можливості мережевого захисту та точність контролю доступу.

Поєднуючи це з інтелектуальними систем