Informations- und Kommunikationstechnologie

für Smart Grids

Peter Eder-Neuhauser 9.Dezember 2015

Informations- und Kommunikations- Technologie in Smart Grids

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Kaltstart muss ohne IKT möglich sein (Fallback-Ebene)

Kommunikation zu jedem Knoten

Unterschiedlichste Informationen werden verarbeitet, produziert und gespeichert

Schwer handhabbare Menge an Informationen

Backbone-Kommunikationsinfrastruktur

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Quelle: http://www.smartgrids.at/ am 8.2.2015

IKT bietet Angriffsfläche aus dem Cyber Space

Buchtipp: Blackout – Morgen ist es zu spät von Marc Elsberg

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Wenige Großerzeuger in den höheren Spannungsebenen aber Großteil aller Verbraucher in den unteren Spannungsebenen (Verteilnetz)

Heute - zentralisierte Topologie im Stromnetz

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SCADA basierte Leittechnik in den höheren Netzebenen

Keine Informationen über untere Netzebenen → Blindflug

Versorgung des Verteilnetzes basiert weitgehend auf Erfahrungswerten

Anschließen dezentraler Erzeuger verursacht ab einer gewissen Grenze Probleme im Verteilnetz

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Zentralisiert Vollständige Kontrolle auf

höchster Ebene

Politisch heikel

Große Datenmengen – Überlastung und Latenzen

Single Point of Failure

Wahl fällt eher auf homogene Komponenten und erleichtert damit Angriffe

Angriffe auf die Infrastruktur einfacher

Ideale Energieoptimierung

Dezentralisiert Autonome Mikronetze

Keine zentrale Kontrolle

Resilienter Ansatz

Zukünftige Topologie – noch nicht entschieden

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vs.

Anforderungen an IKT in Smart Grids

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Was will ich mit Smart Grids machen? Wozu IKT?

• Smart Meter Abrechnung (best effort delivery in 15 min Mittelwerten) zeitunkritisch & verschlüsselt

• Smart Market über Energiemanager (Peak-Shaving) → Echtzeitdaten Dienstleistungen & Energiemarkt

• Netzleittechnik → Echtzeitdaten & Fernwirktechnik gesicherte & schnelle Kommunikation

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Verschmelzung von Netzen für Smart Meter, Energiemarkt & Leittechnik hat aus Sicht der Ökonomie und Funktionalität Sinn

Gefahren bezüglich Sicherheit

Heute existieren gänzlich getrennte Infrastrukturen für Leittechnik und Abrechnung

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IKT Grundlagen

Zeitbereich OSI-Modell

IP Protokolle

Übertragungstechnologien

Zeitbereich

Daten für Schutz- und Leitsysteme sind zeitkritisch

• Integer, authentifizierbar und verschlüsselt !

• Geschwindigkeit, Zuverlässigkeit und Integrität wichtiger als Vertraulichkeit

Daten für Gebäude-Regler, Energiemarkt oder Smart Meter sind nicht zeitkritisch

• Vertraulichkeit & Integrität sind wichtiger als Geschwindigkeit & Zuverlässigkeit

• Langsame Daten gut verschlüsseln und nach best effort zustellen, etwa wie eMails

• Daten könnten auch über Mobilfunk gesendet werden

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8 peter.eder-neuhauser@nt.tuwien.ac.at

Quelle: https://learningnetwork.cisco.com/thread/69899 , am 12.2.2015

IP (Internet Protocol)

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verbreitet, gut erforscht und kostengünstig

Pakete warten beim Router bis sie verarbeitet werden

• Keine Garantien weil packet switched (Paketvermittelt)

• Pakete werden bei Überlastung verworfen

Alle Pakete gleichwertig

IP Netzwerke sind Best effort Netzwerke

Traditionelle Echtzeit Netzwerk z.B. Telefon

• Verlangt reservierte Bandbreite weil circuit switched (Leitungsvermittelt)

Höhere OSI-Schichten können Real Time ohne Zustellungsgarantie implementieren

Es gibt Echtzeit fähige Protokolle aber die müssen auf Link Layer eingreifen: Bsp: Time Triggered Ethernet, ProfiNet, PowerLink, EtherCAT

Garantien nur bei reservierten Kapazitäten sonst Problem der babbling idiots

IPv6 vs IPv4: größerer Adressbereich, auto configuration, Sicherheit implementiert

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Quelle: VO Communication Networks Lecture 06, Network Layer: IP, von Prof. Dr. Tanja Zseby, Vienna University of Technology, am 16.2.2015

Protokolle

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Große Anzahl an Protokollen im Einsatz

• Internet Protocol (IP)-basierte Automationsprotokolle wie IEC 60870-5 für Wide Area Network (WAN)-Kommunikation

• Modbus, Profibus, Echonet, BacNet, etc.

• DNP3 (Distributed Network Protocol)

• IEC 61850 in Umspannstationen (62351-6 generelle Sicherheitsmechanismen in 61850)

• RS485, RS232 und field bus auf Feldebene

• IEEE C37.118.2 für Phasor Measurement Units

• Viele Andere (siehe SGAM am Ende der Präsentation)

Üblicherweise wird jeder Datenpunkt jedes Sensors über eine virtuelle Verbindung an das SCADA-System angeschlossen

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Quelle 1: P. Palensky and F. Kupzog, “Smart Grids,” Annual Review of Environment and Resources, vol. 38, no. 1, pp. 201–226, 2013 am 12.2.2015 Quelle 2: T. Zseby and J. Fabini, „Security Challenges for Wide Area Monitoring in Smart Grids“, vol. 131, Elektrotechnik und Informationstechnik, 2014 am 12.2.2015

Reichweiten von Übertragungstechnologien

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HAN (Home Area Network)

• WIFI (Heimnetzwerke)

• ZigBEE (für low-power devices wie Thermostat etc. – geringe Reichweite)

• Femtocell (Micro Handymast)

NAN (Neighborhood Area Network)

• WiMAX (Mikrowellen Funk)

• LTE (Long Term Evolution – IP basiert)

• Powerline Communication PLC (über Stromnetz)

Sehr unterschiedliche Anforderungen bezüglich Sicherheit -> siehe Quelle

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Quelle: E. Bou-Harb and C. Fachkha „Communication security for smart grid distribution networks “, vol. 51, IEEE Communications Magazine 2013 am 12.2.2015

Reichweiten von Übertragungstechnologien

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WAN (Wide Area Network oder Metropolitan Area Network)

• Wired (Signal besser geschützt als wireless)

− Optical (Fiber)

− Powerline Communication PLC (Stromnetz) – max Reichweite beachten

− Coaxial Cable (Kupfer)

• Wireless (Signal verliert über Distanz an Stärke & kann leichter blockiert werden)

− 2G (EDGE)

− 3G (UMTS)

− 4G (LTE)

− WiMAX

− WIFI

− Mesh

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IKT Grundlagen

Quality of Service, Datenvolumen und Sicherheit

Quality of Service

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Verzögerung

• One-Way und Round-Trip Delay

Fehlerrate

• Wahrscheinlichkeit, dass einzelne Pakete bei der Übertragung aufgrund von Bitfehler ihr Ziel nicht erreichen.

Jitter (Verzögerungsschwankungen)

• Pakete erreichen ihr Ziel mit unterschiedlicher Verzögerung.

• Negative Effekte auf Audio oder Video Streams

Paket-Reihung

Pakete können verschiedene Pfade nehmen und kommen nicht zwingend in der richtigen Reihenfolge an. Isochrone Reihung passiert auf Protokollebene

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Datenvolumen

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Datenvolumen

• Datenmenge die per Zeit-Intervall übertragen wird

• IoT (Internet of Things) Datenmenge wächst rasant an

• Beispiele:

− Jeder Kühlschrank möchte seinen Hersteller anfunken um das Nutzerverhalten zu übertragen

− Smart TV‘s

− Smart Phone Apps

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Sicherheit in IKT Systemen

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Confidentiality = Vertraulichkeit = Verschlüsselung

(Schutz gegen nicht autorisierten Zugriff)

Integrity = Integrität

(Schutz gegen nicht autorisierte Modifizierung)

Availability = Verfügbarkeit

(Verfügbarkeit der Services gegen DDoS oder Ausfälle)

Authenticity = Authentizität

(authentische Kommunikation mit Partner)

Non-repudiation / Accountability – Verbindlichkeit

(Nichtabstreitbarkeit von Aktionen)

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CIA

IKT Sicherheit für Stromsysteme

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Quelle: http://ec.europa.eu/energy/sites/ener/files/documents/xpert_group1_security.pdf Kapitel 6 am 8.2.2015

CIA vs. AIC Paradigma

In Energienetzen ist die Reihenfolge Availability, Integrity, Confidentiality (AIC) sinnvoller, da ohne hoher Verfügbarkeit von Daten keine Integrität der Daten mehr notwendig ist. Gleiches gilt für die Vertraulichkeit

In Kommunikationsnetzen existiert diese Gewichtung nicht

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Datensicherheit / Security

• Technische Sicherheit von Systemen

• Technische & organisatorische Maßnahmen (Firewall, Backup, Redundanz, Kryptographie, Zutrittskontrolle, etc.)

• Schutz vor unautorisiertem Gebrauch, zerstörenden Einflüssen und Delikten (Angriffe)

• Nicht nur Daten im Fokus

• CIA Paradigma

• Eine eMail ist wie eine Postkarte wenn unverschlüsselt

• Gegenteil von Security by Obscurity

• Sicherheit ermöglicht Datenschutz

Datenschutz / Privacy

• Gesetzliche Regulierungen

• Recht auf Privatheit gegen legitime Interessen Anderer (Staat)

• Menschenrecht auf Achtung des Privatlebens, EMRK 1 und DSG 2

1

• Sichtweise auf das Individuum und sein Bedürfnis nach Privatsphäre

• unterschiedliche Auffassungen je nach Gesellschaft

• So wenig Daten wie möglich, so viel wie nötig und nur so personen-bezogen wie unbedingt notwendig

• nur solange gespeichert wie unbedingt nötig

Begrifflichkeiten

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≠

1 Europäische Konvention zum Schutze der Menschenrechte ² Datenschutzgesetz Österreich

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Security & Privacy im Smart Grid

Trends bei Cyber-Angriffen

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Angriffe auf zunehmend komplexere Systeme

• weg vom klassischen PC

• Nun auch SCADA-Systeme (supervisory control and data acquisition)

• DDoS Angriffe (distributed denial of service) = Überlastungsangriff

Angriffe sind eine Kombination aus: Social Engineering, Infiltration und Sabotage

• Bsp. Stuxnet -> Iranische Uran Zentrifugen über Industrie-PC‘s beschädigt

− Ausbreitungswege Netzwerk und USB (Bad USB über eCigarette)

neue Motivationen

• Spekulation, Marktmanipulation, Erpressung, Terrorismus, Diebstahl, Machtdemonstration, moderne Kriegsführung, Spionage, Mitbewerber ausschalten

Keine 100%ige Sicherheit sondern nur Vorsprung möglich

• Angreifer muss nur eine einzige Lücke ausnutzen – Verteidiger muss ALLE Lücken schließen bzw. gegen JEDE Sorte von Angriff verteidigen (Katz & Maus Spiel)

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Quelle1: https://srlabs.de/badusb/# , am 9.2.2015 Quelle2:http://www.theguardian.com/technology/2014/nov/21/e-cigarettes-malware-computers , am 14.2.2015

Verteidigung

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Dezentralisierte Architektur

• Resilienz erhöhen (Mikronetze)

• Ausfallssicherheiten einbauen

Physischen Zugriff auf Geräte erschweren

• Gasgekapselte Smart Meters (teuer) -> vertrauenswürdig

Sicherheitsgedanken in Unternehmen fördern

• Bsp. Sony PlayStation Network hack & Film „The Interview“ zeigt mangelhafte Sicherheit

• Advanced Persistent Threat -> dauerhafter Zugriff auf Hochtechnologie Unternehmen

Anomalie Erkennung in Netzwerken

• Maschine zu Maschine (m2m) Kommunikation

• Source Classification (Darkspace Traffic)

Open Source - sonst Security by Obscurity

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Ausbreitung und Eindämmung

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Ausbreitung und Eindämmung = Propagation & Containment

• Strenge Firewall Regeln -> wenig erlauben alles andere verbieten

• Plausible Authentifizierung von IKT Knoten

Cyberangriffe produzieren ein Eindämmungsproblem – ähnlich wie bei chemischen Waffen – gleiche Lücken im eigenen Land und ein Wurm könnte zuhause angreifen

• Bsp. Stuxnet -> tailored attack

• Bsp. Regin Malware -> rückt Eindämmung in ein anderes Licht

− Kaum Infizierungen in USA und anderen five Eyes Länder, nur Ausbreitung im russischen & europ. Raum und mittleren Osten

− Vermutlich Spionagetool der NSA

− Backdoor-Trojaner mit Zero Day Exploits

− Anpassungsfähig an Ziel

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Quelle 1: http://www.ibtimes.co.uk/regin-malware-uk-us-israel-likely-creators-new-stuxnet-1476358 , am 14.2.2015 Quelle 2: http://www.symantec.com/connect/blogs/regin-top-tier-espionage-tool-enables-stealthy-surveillance , am 14.2.2015

Smart Meter Hacking

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Stromdiebstahl (Business Case)

Zeitmodifikation

Auslesen von schützenswerten Daten

Steuerung fremder Smart Meter

• Fernabschaltung!!!

• Nicht vertrauenswürdige Geräte!

Datenmodifikation (Man in the middle)

Mithören der Kommunikation

Einbruch in die Kommunikationsinfrastruktur

• Erpressung

Auslesen bzw. Modifikation der Software an Konzentratoren und Smart Meter

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SCADA Hacking

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Damn Vulnerable Chemical Process - Exploitation in a new media

• SCADA Hack kartographiert ein chemisches Werk. Schwachstellen mit verschiedenen Methoden ausgenutzt Bsp. Water-Hammer) ---> tailored attack

• Prinzipiell auch im Smart Grid möglich -> daher hoher Grad an Resilienz wichtig

SCADA Angriffe sind komplex ---> Erlangter Zugriff ≠ Kontrolle

• Zugriff -> Infiltration

• Prozesse kartographieren -> Spionage

• Kontrolle erlangen -> Wie und was kann ich kontrollieren

• Schaden verursachen -> was kann man mehr oder weniger subtil erreichen

• Säuberung -> Spuren verwischen

Motivation: Kosten erhöhen, DDoS, Erpressung, Zerstörung, uvm.

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Quelle 1: http://media.ccc.de/browse/congress/2014/31c3_-_6463_-_en_-_saal_6_-_201412291245_-_damn_vulnerable_chemical_process_-_marmusha.html#video am 9.2.2015 Quelle 2: http://media.ccc.de/browse/congress/2014/31c3_-_6010_-_en_-_saal_1_-_201412271400_-_scada_strangelove_too_smart_grid_in_da_cloud_-_sergey_gordeychik_-_aleksandr_timorin.html#video , am 9.2.2015

DDoS aus dem Gasnetz

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Zählerstandsabfrage (Broadcast) aus einem bayrischen Gasnetz ist in das Steuerungssystem der Stromnetze gelangt und hat es mit Daten geflutet

Beinahe Zusammenbruch des österreichischen Stromnetzes der sich auf Europa auswirken könnte

Abfrage ging an alle Komponenten des Gasnetzes und hat sich in das Stromnetz verirrt und fortgepflanzt. Identische Steuerprotokolle im Einsatz

Abfrage hat sich im Stromleitsystem rasant vermehrt

Zentrale Steuerung des Stromnetzes nicht mehr erreichbar

Kein echter Angriff sondern fehlerhafte Messdaten

Kraftwerke und Steuersysteme mussten bemannt werden

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Quelle 1:G. Christiner, “Die Rolle der APG für die Stromversorgungssicherheit - nationale und internationale Herausforderungen,” May 2013. Quelle 2: http://www.heise.de/newsticker/meldung/Chaos-im-Stromnetz-durch-verirrte-Zaehlerabfrage-1865269.html , am 12.2.2015

Privacy im Smart Grid

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Fokus der Öffentlichkeit auf Smart Metering

• „Smart Meter verraten Fernsehprogramm“

− nur bei 2 Sek. Auflösung möglich. Wird in der Praxis aber in 15 Min. Mittelwerten aufgelöst

− Urlaub oder Abendessen sichtbar (könnte unterstellen dass man gar nicht krank war)

Andere Privatsphärenaspekte bei Smart-Grid-Anwendungen

• E-Mobilität: Fahrstil Auto? Welche Strecken?

• Building to Grid (Home Automation) kürzlich: Vaillant-Sicherheitsleck

• All Smart Devices calling home (nest Thermostat, vernetzte Kochtöpfe, etc.)

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Quelle: http://www.heise.de/security/meldung/Smart-Meter-verraten-Fernsehprogramm-1346166.html, am 9.2.2015

Quelle: http://www.heise.de/security/meldung/Vaillant-Heizungen-mit-Sicherheits-Leck-1840919.html, am 9.2.2015

Quelle: http://www.heise.de/newsticker/meldung/Fissler-setzt-auf-vernetzte-Kochtoepfe-2548869.html , am 14.2.2015

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Kryptografie & Schüsselverwaltung

Kryptografie allgemein

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Cryptography Definition: “The mathematical science that deals with transforming data to render its meaning unintelligible (i.e., to hide its semantic content), prevent its undetected alteration, or prevent its unauthorized use. If the transformation is reversible, cryptography also deals with restoring encrypted data to intelligible form.” [RFC4949]

Beispiele:

• Substitution Ciphers (E wird zu T) -> kann über Buchstaben Frequenz geknackt werden

• Codebooks (ganze Wörder durch etwas anderes ersetzen)

• Polyalphabetic Substitution Ciphers (mehrere Alphabete und veränderbare Substitution)

• One Time Pad (schlüssel gleich lang wie Nachricht)

Schlüssel sollte zufällig und lang sein

• Wiederholende Muster und Frequenzanalysen gefährlich

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Quelle: VU Network Security, von Prof. Dr. Tanja Zseby, Vienna University of Technology, am 16.2.2015

Symmetrische Verschlüsselung

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Ziel: gemeinsamer geheimer Schlüssel zur Verwendung mit AES, 3DES oder RC4 Alice: wählt zufällige Primzahl p, Generatorzahl g und Geheimnis a. Berechnet A=ga mod p Bob: wählt Geheimnis b Berechnt B=gb mod p

Ein „Man in the Middle“ der von Beginn an lauscht kann zwei unabhängige Verbindungen aufbauen und beiden vortäuschen dass er jeweils der andere ist

Quelle: VU Network Security, von Prof. Dr. Tanja Zseby, Vienna University of Technology, am 16.2.2015

Asymmetrische Verschlüsselung

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Quelle: VU Network Security, von Prof. Dr. Tanja Zseby, Vienna University of Technology, am 16.2.2015

Verschlüsselung

• Bob verschlüsselt Nachricht an Alice mit ihrem public key -> nur Alice kann sie lesen

• Alice verschlüsselt Nachrichten an Bob mit seinem public key usw.

Authentifizierung

• Alice schickt Bob eine mit dem Secret Key verschlüsseltes „r“. Bob kann es mit dem public key entschlüsseln und hat den Beweis dass er mit Alice spricht

Authentifiziert & verschlüsselt

• Bob verschlüsselt mit Alice‘s public key und signiert mit seinem secret key

• Alice empfängt eine authentische message

Schlüsselpaar (secret & public) vorher generiert

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Original Text

From: peter.eder-neuhauser@nt.tuwien.ac.at

To: robert.annessi@nt.tuwien.ac.at

Subject: Test

Message: Das ist eine Test-Nachricht

Versendete Nachricht

PGP-verschlüsselte eMail Beispiel .

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Key Exchange & PKI

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Schüsselverteilung

• Public Key per eMail oder Key-Server verteilen

• Secret Key oder Symmetric Keys niemals verteilen!!!

• -> Via Asymmetric Keys einen Symmetric Key aushandeln und Session Keys verwenden

Public Key Infrastructure mit Certificate Authority – PKI + CA

• Zertifikat bindet das Key Pair an meine Person / Firma

• Vertrauenswürdiger Dritter für Erzeugung, Verteilung und Widerrufung von Zertifikaten

• Nachlässigkeit seitens der Certificate Authorities führt zu Vertrauensverlust

• Wenn eine CA kompromittiert wird müssen sehr viele Zertifikate widerrufen werden

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Smart Grid Architekturen

Nationale Beispielprojekte

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Intelligent Energy Management

• Logische Trennung von EVU-Daten und Kundendaten

• Eigene Schnittstellen für: Home Automation, Sensoren, Wechselrichter

Smart Web Grid

• umfassende Informationsplattform die Webservices anbietet um Datenquellen für verschiedene Funktionen nutzbar zu machen

• Gegensatz zu Insellösungen für Smart-Grid-Applikationen

• ganzheitliches Modell, Effizienz, flexible Architektur, Rechtemanagemen, Security & Privacy by Design

Projekt „(SG)² - Smart Grid Security Guidance“

• Bedrohungs- und Risikokatalog für Smart Grids

• Sicherheitsanalyse von Smart-Grid-Komponenten

• Maßnahmenkatalog zur Umsetzung eines Basisschutzlevels

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NIST Guidelines for Smart Grid Cyber Security

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NIST (National Institute of Standards and Technology) hat früh begonnen Standards für Smart Grids zu entwickeln, da der Smart-Meter Roll Out in den USA weiter fortgeschritten ist

umfassender Standard zum Thema Smart Grid Cyber Security

• „High-Level Requirements“

• ergänzt durch Privacy-Aspekte

direkt nutzbare Maßnahmen, die von Energienetzbetreibern umgesetzt werden können fehlen

auf US-amerikanische Gegebenheiten ausgelegt

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Quelle: http://dx.doi.org/10.6028/NIST.IR.7628r1, am 9.2.2015

Smart Grid Architecture Model Framework (SGAM) M/490

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SG Information Security (SGIS) - Security Levels (SGIS-SL) Brücke zwischen Netzoperationen und Informationssicherheit

SG Data Protection Classes (SG-DPC) Brücke zwischen Informationsmodellen und Sicherheitsanforderungen

Konzeptuelles Modell

Security view by layer

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Quelle: http://cimug.ucaiug.org/Meetings/London2012/CIMug%20Presentations%20%20London%202012/Day%202%20-%20Wednesday,%20May%2016/AM2_M490%20Smartgrid%20Mandate%20Status_Lambert_EdF.pdf , am 17.2.2015

BSI-Schutzprofil

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Technische Richtlinie TR-03109 vereinheitlicht weitere TR zu jedem Bereich

Gateway Protection Profil für Smart Meter Systeme

Security Module Protection Profil Security Modul

Das Gateway ist:

• Die zentrale Komponente

• sammelt, verarbeitet und speichert Zählerdaten

• die einzige Einheit die mit dem WAN verbunden ist

• Sicherstellung von:

− Vertraulichkeit

− Authentizität

− Integrität

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WAN – Wide Area Network HAN – Home Area Network LMN – Local Metrological Network CLS – Controllable Local Systems

Kommunikation zwischen Geräten in versch. Netzen

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Quelle ↓ Ziel → WAN LMN HAN

WAN erlaubt

(aber out of scope) verboten verboten

LMN

verboten Geräte im LMN dürfen

nur mit Gateway kommunizieren

verboten

HAN nur zu vertrauenswürdigen, vorkonfigurierten Endpunkten; nur verschlüsselt

verboten erlaubt

(aber out of scope)

WAN – Wide Area Network LMN – Local Metrological Network HAN – Home Area Network

BSI-Schutzprofil

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Ziele

• Privatsphäre schützen

• verlässliche Abrechnung sicherstellen

• Schutz der Infrastruktur

Sicherheitsmodul

• Signaturgenerierung & -verifizierung

• Schlüsselgenerierung & aushandlung

• Zufallszahlengenerierung

• sichere Speicherung von Schlüssel und Zertifikaten

• Nutzerverwaltung & Protokollierung Pseudonymisierung

• Zeitsynchronisation

• Verschlüsselte lokale Datenspeicherung

• sicheres Löschen nicht mehr gebrauchter Daten

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Take home message

Sicherheit bei der Planung mitdenken Open Source gegen Security by Obscurity

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Peter Eder-Neuhauser Institute of Telecommunications Vienna University of Technology Gusshausstraße 25-29/389 1040 Vienna, Austria peter.eder-neuhauser@nt.tuwien.ac.at urbem.tuwien.ac.at