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DSS a protezione delle infrastrutture critiche: l’esperienza SAFEGUARD
Seminario CAMO - 28 ottobre 2003I Sistemi di Supporto alle Decisioni
Progetto SAFEGUARD
Progettare ed implementare una rete di componenti software (agent oriented) che
incrementino la capacità di sopravvivenza delle infrastrutture critiche
(di tipo altamente informatizzato)
in presenza di attacchi, intrusioni o anomalie
OBIETTIVO:
DUE INFRASTRUTTURE DI RIFERIMENTO:
Sistema di Dispacciamento e Tele-controllo della energia elettrica su reti di trasmissione ad alta-media tensione Sistema di Call Centres di reti di telecomunicazioni pubbiche
Modellare una infrastruttura come una popolazione di agenti residenti su layers differenti
Modellare una infrastruttura come una popolazione di agenti residenti su layers differenti
Un modello a tre strati per l’infrastruttura di trasmissione dell’elettricità
Un modello a tre strati per l’infrastruttura di trasmissione dell’elettricità
Componenti rete elettricaComponenti rete elettricageneratori, trasformatori, generatori, trasformatori,
interruttori, linee, etcinterruttori, linee, etc
Componenti hardware/software di gestione e controllo
(SCADA/EMS systems)
Gestore della Rete ElettricaOperatore indipendente
per la gestione ed il trasporto dell’elettricità
Intra-dipendenze
Rete di trasmissione elettrica nazionale
Rete di telecomunicazione
Sistema di trasporto Olio/Gas
Rete di trasmissione
esteraInter-dipendenze
Perché è così difficile costruire questo modello
Strato Strato InformativoInformativo
Strato Strato OrganizzazivoOrganizzazivo
Intra-dipendenze
Inter-dipendenze
Strato Strato FisicoFisico
Complessità strutturale
Evoluzione della rete
Diversità nei nodi
Diversità nelle connessioni
Complessità dinamica
Configurazione dello strato fisico ed informativo della rete elettrica di trasmissione
Strato Fisico
Strato
Informativo
Gestione Rete(Dati)
SIA-R
SIA-RSIA-R
CNCCC CC
SIA-C SIA-CSIA-C
RTU (Unità di gestione locali)
SIA-C Concentratori Dati
CC Centri Controllo
Area elettrica 1
Area elettrica
2
Area elettrica
3
GeneratoriSottostazioni elettriche
CarichiCollegamenti fisici
Bus
Generatori
Transformatori
Linee connessione (tra bus)
Utenze
Elementi fisici
Sottostazioni
Misure di flussi di potenza (Mw, Mvar)
Segnali di stato (Connessioni tra gli elementi dei bus)
Elementi informativi(Usati per il controllo e supervisione)
Misure di voltaggi ed angoli (Kv, Dg)
Elementi della Rete Elettrica(fisici ed informativi)
Simulazione dei flussi di potenza in funzione delle manovre di connessione o distacco
(PowerWorld Simulator)
Interruzione di una connessione
critica
Simulazione dei flussi di potenza in funzione delle manovre di connessione o distacco
(PowerWorld Simulator)
Distacco programmato del carico 1
Simulazione dei flussi di potenza in funzione delle manovre di connessione o distacco
(PowerWorld Simulator)
Distacco programmato del carico 2
Simulazione dei flussi di potenza in funzione delle manovre di connessione o distacco
(PowerWorld Simulator)
Simulazione del sistema di telecontrollo (SCADA system)
Su
b
1S
ub
2
Su
b
3S
ub
n
CC Master
CC Reserve
Data Base rete elettrica
(Modalità Update)
Data Base rete elettrica
(Modalità On-line)
Unità remote
Sottostazioni
Centri di Controllo
Rete Locale di area
Sorg
en
te d
i d
ati
sim
ula
ti
Sistema Telecontrollo Rete Elettrica (RTUs e Centri Controllo)
Home LCCIs
Topology agent
Negotiation agent
MMI agent
Altre LCCIsReti elettriche estere
Reti di telecomunicazioni -------------------
Correlation agent
Action agent
Ag
en
ti d
i b
asso liv
ello
Ag
en
ti d
i alt
o liv
ello
Diagnosticwrappers
Intrusion Detection wrappers
Anomaly detector agents
Actuators
Comandi ed informazioni Solo informazioni
Protezione della rete a livello
globale
Architettura multi-agente SAFEGUARD applicata alle LCCI (Large Complex Critical Infrastructures)
Protezione della rete a livello
locale
Sistema Telecontrollo Rete Elettrica (RTUs e Centri Controllo)
Home LCCIs
Topology agent
Negotiation agent
MMI agent
Altre LCCIsReti elettriche estere
Reti di telecomunicazioni -------------------
Correlation agent
Action agent
Ag
en
ti d
i b
asso liv
ello
Ag
en
ti d
i alt
o liv
ello
Diagnosticwrappers
Intrusion Detection wrappers
Anomaly detector agents
Actuators
Comandi ed informazioni Solo informazioni
“Anomaly detection”
locale
Architettura multi-agente SAFEGUARD applicata alle LCCI (Large Complex Critical Infrastructures)
Sistema Telecontrollo Rete Elettrica (RTUs e Centri Controllo)
Home LCCIs
Topology agent
Negotiation agent
MMI agent
Altre LCCIsReti elettriche estere
Reti di telecomunicazioni -------------------
Correlation agent
Action agent
Ag
en
ti d
i b
asso liv
ello
Ag
en
ti d
i alt
o liv
ello
Diagnosticwrappers
Intrusion Detection wrappers
Anomaly detector agents
Actuators
Comandi ed informazioni Solo informazioni
“Anomaly detection”
locale
Correlazione e diagnosi globale
Architettura multi-agente SAFEGUARD applicata alle LCCI (Large Complex Critical Infrastructures)
Sistema Telecontrollo Rete Elettrica (RTUs e Centri Controllo)
Home LCCIs
Topology agent
Negotiation agent
MMI agent
Altre LCCIsReti elettriche estere
Reti di telecomunicazioni -------------------
Correlation agent
Action agent
Ag
en
ti d
i b
asso liv
ello
Ag
en
ti d
i alt
o liv
ello
Diagnosticwrappers
Intrusion Detection wrappers
Anomaly detector agents
Actuators
Comandi ed informazioni Solo informazioni
“Anomaly detection”
locale
Correlazione e diagnosi globale
Architettura multi-agente SAFEGUARD applicata alle LCCI (Large Complex Critical Infrastructures)
Attuazione politiche di
difesa
Metodi di stima e di “action planning” impiegati in Safeguard
“Event Base reasoning” come estensione dei metodi di Case Base reasoning. Riconoscimento di “invarianti” come parametri per il controllo della congruenza dei dati della rete elettrica. Tecniche di “Data Mining” per classificare la bontà dei pacchetti che transitano sui canali di comunicazione Metodi basati su Reti Neurali come controllori intelligenti delle unità di controllo remoto (RTUs)
Anomaly detection localeAnomaly detection locale
Correlazione globale e generazione delle politiche di Correlazione globale e generazione delle politiche di difesadifesa Correlazione mediante “reti causali” di tipo temporale e spaziale Ricerca delle priorità di difesa e ottimizzazione delle politiche
RicercaRicerca
Caso proposto
Confronta usando una metrica
RiusaRiusa
Produci la soluzione
Caso trovato
Nuovo Caso
RiaggiornaRiaggiorna
RevisionaRevisionaCaso non trovatoApprendimento
Base di Casi
Caso correnteAttività
CBR: la metodologia delle quattro R
SCADA INSTRUMENTATION
Intelligence
Information
Command
Editor della
Base di Casi
Componente di
addestramento
CBR
off-line
Base di Casi
Componente di
riconoscimento
CBR
on-line
Dal Correlato
r
Verso il Correlator
e
Da Action Agent
CBR: architettura dei componenti
CBR: viene proposto in SAFEGUARD per il riconoscimento di “sequenze di eventi”
Attibute ID Attribute type Fact 1 Fact 2 Fact 3 .. .. Fact n
12
…..m
BooleanNumerical
……Time
X11X21…
Xm1
X12X22…
Xm2
X13X23…
Xm3
X1nX2n…
Xmn
Struttura “generica” di un Caso
CBR: viene proposto in SAFEGUARD per il riconoscimento di “sequenze di eventi”
Attibute ID Attribute type Fact 1 Fact 2 Fact 3 .. .. Fact n
12
…..m
BooleanNumerical
……Time
X11X21…
Xm1
X12X22…
Xm2
X13X23…
Xm3
X1nX2n…
Xmn
Struttura “generica” di un Caso
Attibute ID Attribute type Event 1 Event 2 Event 3 .. .. Event n Total Time
T 1 2 3
Time, tolerancePresence flag
Sequence constraint
t1,d1yes/noEx,Ey
t2,d2yes/noEx,Ey
t3,d3yes/noEx,Ey
tn,dnyes/noEx,Ey
Struttura di un Caso come modello di una sequenza di eventi
CBR: metrica atta a riconoscere le sequenze di eventi
n
d
tct
S
n
i ti
ii
1
S -> “distanza” or “similarity” tra la sequenza X e la sequenza corrente
t i -> etichetta temporale dell’evento i all’interno della sequenza correntetc i -> etichetta temporale dell’evento i all’interno della sequenza Xd i -> toleranza temporale dell’evento i nella sequenza X
n -> numero di eventi nella sequenza X
NN: vengono proposte in SAFEGUARD per monitorare lo stato degli elementi informativi della sottostazione elettrica
Misure di flussi di potenza (Mw, Mvar)
Segnali di stato (Connessioni tra gli elementi dei bus)
Misure di voltaggi ed angoli (Kv, Dg)
Matrice dei pesi
Addestrare una rete neurale significa aggiustare i valori (dei pesi) in modo tale the a certe configurazioni dei
dati di input corrisponda un output desiderato
La rete “riconosce” patterns di inputs “simili” a quelli sui quali è stata addestrata.
NN: il processo di addestramento di una rete neurale
Apprende implicitamente certe caratteristiche tipiche dei dati di input (dati di processo) ed indica che il sistema non si trova più in uno stato normale, bensì nuovo.
Qui avviene il processo di “encoding”.
La rete è di tipo “auto-encoder” poichè è addestrata a produrre un output esattamente uguale al suo input.
NN: Auto-encoder novelty neural detector
Data Mining: Monitoraggio di pacchetti anomali sulle porte di comunicazione
Questa metodologia è stata trattata in una presentazione precedente
Dislocazione degli agenti nell’ambiente di test per il sistema “Safeguard“
Unità remote
Sottostazioni
Centri di Controllo
Su
b
1S
ub
2
Su
b
3S
ub
n
CC Master
CC Reserve
Data Base rete elettrica
(Modalità Update)
Data Base rete elettrica
(Modalità On-line)
Agenti di alto livello (Correlator, Action
ect.)
Controllore di sequenze di eventi
Controllore di invarianti
Interfaccia di generazione degli
attacchi e dei guasti
Interfaccia di monitoraggio e logging
Sensore basato su Reti Neurali
Controllore basto su Data Mininig
Rete Locale di area
Sorg
en
te d
i d
ati
sim
ula
ti
Attualmente il sistema SAFEGUARD è in fase di implementazione
La fine del progetto è prevista per giugno 2004 La piattaforma di test sviluppata sarà dedicata anche in
futuro alla ricerca di metodi innovativi per affrontare le problematiche di gestione delle reti elettriche
Sulla base dei tests effettuati, il primo prototipo SAFEGUARD potrà essere decicato alla individuazione di nuove funzionalità intelligenti per prevenire e gestire le situazioni di rischio da introdurre sui sistemi SCADA.
CONCLUSIONI
Ringraziamenti
Partners Progetto SAFEGUARDPartners Progetto SAFEGUARD
Queen Mary, University of London, England AIA (Applicaciones en Informatica Avanzada), Spain ENEA (Institute for New Technology, Energy, Environment), ItalyLinköping University (Real-time system laboratory), Sweden Swisscom (Telecommunication provider), Switzerland
Principali Partners con interesse industrialePrincipali Partners con interesse industriale• Swedish Defence Establishment for Research (FOI) at Linköping• GRTN, the Italian Independent System Operator for electrical transmission network• INVENSYS-Foxboro Scada • Red Electrica de España• UK Cabinet Office• Swisscom Business Units• ACEA electricity, gas and water distributor• Foxboro SCADA