Sicherheit im Smart Grid

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SICHERHEIT IM SMART GRID HERAUSFORDERUNGEN UND LÖSUNGSANSÄTZE

Dr. Christoph Krauß

Smart Grids - neue Fördermöglichkeiten im Rahmen des Informations- und Kommunikationstechnik-Programms Bayern 10.Juli 2012

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Herkömmliches

Energienetz

Einleitung

Wandel vom herkömmlichen

Energienetz zum Smart Grid

Dezentrale Energieerzeugung

Erneuerbare Energien

Hohe Schwankungen

Änderungen in Transport und

Verteilung

Speicherung von Energie

Energiemarktplätze

Einsatz von Informations-

und Kommunikationstechnik

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Einleitung

IKT ist das „Nervensystem“ des Smart Grid

Überwachung und Steuerung zur Sicherstellung der Versorgungssicherheit

(Geschäfts-)Prozesse

…

Essentiell: Daten korrekt, vollständig, rechtzeitig

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Verwundbarkeit des „Nervensystems“

Gezielte Störung der Betriebssicherheit durch Angriffe:

Manipulierte, veraltete, unvollständige Daten

Gezielte Störung von (Geschäfts-)Prozessen durch Angriffe

Gefälschte Identität, Überfluten, falsche Abrechnung etc.

Maßnahmen der IT-Sicherheit

zum Schutz gegen Angriffe

Einleitung

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Angriffe auf Komponenten

Ausspähen sensitiver Daten

Einschleusen gefälschter Daten

Manipulation von Steuerdaten

etc.

Herausforderungen

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Beispiel: Smart Meter

Manipulation von Verbrauchsdaten

Datenschutzprobleme

etc.

Herausforderungen

Manipulationsresistente Hardware

Sichere Identitäten, M2M, PKI,

Schlüsselmanagement etc.

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Bedrohungen für Software und Dienste

Manipulierte Dienste/Systeme

Daten stehlen, ausspähen, ändern etc.

Störung sicherheitskritischer Prozesse

Beispiel: Life Hack Demo RSA Conf 2010

Einschleusen von Malware über eine

Software-Lücke in Kernkraftwerk

Herausforderungen

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Herausforderungen

Vertrauenswürdige Umgebungen

Sicherheit als integrierter Service (z.B. in der Cloud)

Durchgängiges Monitoring der Sicherheit

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Bedrohungen der Kommunikation im Netz (u.a. GSM/LTE, WLAN, SCADA)

Keine End-2-End Sicherheit

Mangelhaftes Identitäts-

und Schlüsselmanagement

Kaskadierende Angriffe

aufgrund fehlender Isolation

Beispiel: Stuxnet 2010

Herausforderungen

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Herausforderungen

Absicherung der Prozess und Leittechnik, SCADA etc.

Abgestufte Sicherheitsdomänen

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Sehr komplexe, heterogene

IKT Infrastruktur

Viele Marktteilnehmer mit unterschiedlichen

Aufgaben, Rechten, Geschäftsinteressen

One-size-fits-all Lösung ist weder möglich,

noch wünschenswert

Smart Grid ist gleichzeitig Tatort und

Tatwaffe

Herausforderungen

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Verteilung

Dezentale

Erzeugung

Field

Device

Übertragung Verbrauch

Energiehandel

Energiedienstleistungen

Erzeugung

Leittechnik / Prozesssteuerung

Steuerung der

Erzeugung

Steuerung der

Übertragung

Steuerung der

Verteilung

Energie-

versorger

Energie-

lieferant

Energiebörse /

ClearinghausEnergielieferant

Energiehändler /

GroßhändlerEnergiebroker

Markt-

schnittstelle

Kontrollsystem

Energieanlage

Generator

EMS

EMS DMS

SCADA

Asset Mgmt

MDMSDemand

Response

Übertragungs-

netz

SCADA

Verteilungsnetz

SCADA

Zählersystem

WAMS

Kommunikation

Bereichsübergreifende Kommunikation

Akteur

Bereichsübergreifender Akteur

Bereich

Netzwerk

Abrechnung

Abrechnung

Kunden IS

Kunden ISGebäude- /

Haushaltsmgnt

Messdienstleistung

Energielieferung

Internet /

E-Business

Unternehmens-

netzwerk Unternehmens-

netzwerk

Unternehmens-

netzwerk

Internet /

E-BusinessLokales

Netzwerk

Energiespeicher

Haushaltsgeräte

Prosumer

EMS

Prosumer

Equipment

Digitaler

Zähler

Schnittstelle

Energiedienste

Haushalts-

netzwerk

Schaltanlage

Energiespeicher

Schaltanlagen-

steuerung

Daten-

sammlungWide Area

Network

Umspannwerk-

netzwerk

Thermostat

Elektro-

mobilität

Dezentrale

Erzeugung

Basierend auf einer Grafik von P. Beenken,

OFFIS, Oldenburg,

Herausforderungen

Entwicklung von Sicherheitsarchitekturen

mit anpassbaren, angemessenen

Sicherheitsleveln

Secure by Design

Secure during Operation

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Domänen-orientierter Ansatz

Einzelne Betrachtung der Domänen

Erzeugung

Übertragung

Verteilung

Kunde

etc.

Reduktion der Komplexität

Lösungsansatz

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Für jede Domäne

Identifikation der relevanten Rollen

z.B. Kunde, Messstellenbetreiber

Identifikation von Use Cases

z.B. Fernwartung, Messen

Ableitung von Sicherheitsanforderungen

z.B. korrekte Steuerungsdaten

Entwicklung Sicherheitsarchitektur

Rollenspezifische Rechte und Pflichten

Angepasste Sicherheitskonzepte

Identitätsmanagement, Schlüsselmanagement, sichere Hard- und

Software, Kommunikationsprotokolle etc.

Lösungsansatz

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Energienutzer

Messstellen-betreiber

Kommunikations-

netzbetreiber

Verteilnetz-betreiberHersteller

Messdienstleister

EnergielieferantVertrag

Energie

InstallationBetrieb

Mes

sung

Vertrag

Geräte

Ver

trag

Komm

unikations-

infrastruktur

Geräte

Vertrag

Rollen

Beispiel: Domäne Privatkunde

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Use-Cases u.a.

Messwerterfassung

(Fern)-Wartung

(Echtzeit-)Tarifierung

Pflichten

Rollen-abhängige Pflichten und Auflagen

z.B. zur Abrechnung, Wartung etc.

Schützenswerte Daten (Use-Case abhängig)

Verbrauchsdaten

Steuerungsdaten

Messwerte

Preisinformationen

Rechnungsdaten …


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Rolle: Energienutzer

Sicherheitsanforderungen u.a.

Vertraulichkeit von Messwerten,

Rechnungsdaten

Datenschutz bzw. nutzerkontrollierbare

Weitergabe personenbeziehbarer

Daten (z.B. Messwerte)

Korrektheit, Zuordenbarkeit von

Messwerten, Abrechnungsdaten,

Wartungsdaten (z.B. Patches)

Manipulationsschutz von Smart Meter

und Gateway

Versorgungssicherheit


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Rolle: Verteilnetzbetreiber


Versorgungssicherheit

Korrektheit und Aktualität von

Prognosedaten, Statusdaten,

aggregierten Messwerten,

Steuerungsdaten, Wartungsdaten

Keine Anforderungen an Datenschutz

Fazit: Mehrseitige, ggf. konträre

Anforderungen


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Referenzarchitektur


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Energie-verbraucher

Energie-erzeuger

Gateway Energieinformationsnetz

Stromnetz

Internet

Daten

Strom

Energie-versorger

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1 2 3 4 5

Verbraucher Smart Meter Gateway Energieversorger

6

Verbraucher

PC

7

Sicherheitsarchitektur und -konzepte


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Secure Elements

(Smartcard, TPM)

Zugriffskontrolle

(Autorisierung, RBAC)

Kryptographie

(Verschlüsselung etc.)

…

(…)

Kontrollpunkte und

Sicherheitsmechanismen

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1 2 3 4 5

Verbraucher Smart Meter Gateway Energieversorger

6

Verbraucher

PC

7

Konkretisierung: Sichere Messwerterfassung und -übertragung


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HSM zum Schutz vor Hardware-

Manipulationen

• Korrekte Messwerterfassung

• Korrekte Verarbeitung

TLS zum Schutz vor Angriffen auf

die Kommunikation

• Korrekte Übertragung

• Vertrauliche Übertragung

Anonymisierung /

Pseudonymisierung

• Datenschutz

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Sicherer Smart Meter / sicheres Gateway: FhI-AISEC u. G&D

Basis: BSI Schutzprofil

Zusätzliche Sicherheitsmechanismen

Sicherheits-Modul: JavaCard

Manipulationssicherer Speicher

Sichere Ausführungsumgebung für

kryptographische Operationen

Authentifizierung, Verschlüsselung etc.


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Stromnetz im Nieder- und Mittelspannungsbereich

Betreiber: idR lokale Energieversorgungsunternehmen

Mehr als 720 Stadtwerke, ca. 70 regionale Netzbetreiber und über

100 private Versorger

Niederspannungsnetze

100m bis wenige km

Sternförmige Versorgung

Smart Grid

Kommunikation zur

Lastflusssteuerung,

Netzüberwachung etc.

Beispiel: Domäne Verteilnetz

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Referenzarchitektur

Umspannwerke

Transformation zwischen

Spannungsebenen

Ortsnetzstationen

Transformation Mittel- und

Niederspannung

Erzeuger

Windparks, Biogas etc.

Ggf. Speicher

Elektrofahrzeuge etc.


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Energienutzer

Messstellen-betreiber

Kommunikations-

netzbetreiber

Verteilnetz-betreiber

Produzent(Mittelspannung)

Messdienstleister

Energielieferant

Vertrag

Energie

Vertrag

Vertrag

Übertragungs-netzbetreiber

Produzent(Niederspannung) Kommunikations-infrastruktur

Energie (H

andel,

Lasta

usgleich

)

Vertrag

Energie

Messung

Messung

Energie

Vertrag

Rollen


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Use-Cases u.a.

Steuerung & Überwachung

Erkennung und Behandlung von

Ausfällen

Energieeinspeisung

Pflichten

Abrechnung, Wartung etc.

Schützenswerte Daten

Verbrauchsdaten

Steuerungsdaten

Statusdaten

Wartungsdaten


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Rolle Verteilnetzbetreiber


Verfügbarkeit des Verteilnetzes

Korrektheit und Aktualität von

Steuerungsdaten, Statusdaten

Authentizität und Integrität von

aggregierten oder anonymisierten

Messwerten (z.B. zur Netzplanung)

Schutz der Systeme gegen

Manipulationen


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Sicherheitsarchitektur und -konzepte

Rollenbasierte Zugriffe

Zweckgebundene Verarbeitung von Daten

Identitätsmanagement, PKI

Spezielle Firewalls

Absicherung der

Kommunikation (z.B. TLS)

Auditing

etc.


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1

Leitstelle Kleine Verbraucher

Kleine Speicher

Kleinste Erzeuger

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Gateway /Smart Meter

Ortsnetzstationen

Umspannwerke

Große Verbraucher

Mittlere und große Speicher

Kleine undmittlere Erzeuger

1

1

1

1

2

2

2

2

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Schnittstellen und Domänenübergänge spezifizieren

Durchgehende Bedrohungs- und Risikoanalyse

Simulationsmodelle entwickeln

Referenz-Sicherheitsarchitekturen

Nächste Schritte

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Zugriffskontrolle

(Autorisierung,

RBAC)

Kryptographie

(Verschlüsselung

etc.)

Secure Elements

(Smartcard, TPM)

Sicherheits-

management

Weitere Maßnahmen

(Redundanz, Separierung)

Angriffserkennung

(Intrusion Detection)

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Smart Grid: komplexe, kritische Infrastruktur

IKT zentraler Bestandteil des Smart Grid

Viele Herausforderungen bei der Absicherung

Security by Design, Security during Operation notwendig

Lösungsansatz: Domänen-basiertes Vorgehen

Rollen und Use-Case spezifisch

Sicherheitsanforderungen

Entwicklung von Sicherheitsarchitekturen

Noch viele Herausforderungen

Weitere Forschung notwendig

Zusammenfassung

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Dr. Christoph Krauß

Leiter „Innovation und Strategie“

Fraunhofer AISEC

Parkring 4

85748 Garching (bei München)

E-Mail: [email protected]

Internet: http://www.aisec.fraunhofer.de

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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