Das Dokument behandelt die Herausforderungen und Lösungsansätze für die Sicherheit im Smart Grid, einer komplexen und kritischen Infrastruktur, die auf Informations- und Kommunikationstechnik angewiesen ist. Es werden Sicherheitsanforderungen und ein domänenbasierter Ansatz zur Entwicklung von Sicherheitsarchitekturen vorgestellt, um den vielfältigen Bedrohungen und Anforderungen gerecht zu werden. Die Notwendigkeit von Security by Design und weiteren Forschungsanstrengungen wird ebenfalls betont.

1. 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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2. 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
Herkömmliches
Energienetz
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3. 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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4. Einleitung
 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
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5. Herausforderungen
 Angriffe auf Komponenten
 Ausspähen sensitiver Daten
 Einschleusen gefälschter Daten
 Manipulation von Steuerdaten
 etc.
 Beispiel: Smart Meter
 Manipulation von Verbrauchsdaten
 Datenschutzprobleme
 etc.
Herausforderungen
 Manipulationsresistente Hardware
 Sichere Identitäten, M2M, PKI,
Schlüsselmanagement etc.
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6. Herausforderungen
 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
 Vertrauenswürdige Umgebungen
 Sicherheit als integrierter Service (z.B. in der Cloud)
 Durchgängiges Monitoring der Sicherheit
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7. Herausforderungen
 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
 Absicherung der Prozess und Leittechnik, SCADA etc.
 Abgestufte Sicherheitsdomänen
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8. Herausforderungen
 Sehr komplexe, heterogene Leittechnik / Prozesssteuerung
Steuerung der
Energiehandel
Energiehändler /
Energiebroker
IKT Infrastruktur Steuerung der
Erzeugung
Steuerung der
Übertragung
Verteilung
Asset Mgmt Energielieferant
Großhändler
Energiebörse /
Clearinghaus
 Viele Marktteilnehmer mit unterschiedlichen EMS WAMS Demand
Response
MDMS
Energiedienstleistungen
EMS DMS
Aufgaben, Rechten, Geschäftsinteressen Unternehmens- Energie-
Energie-
lieferant
Unternehmens- Abrechnung
 One-size-fits-all Lösung ist weder möglich,
netzwerk Unternehmens- versorger
netzwerk
netzwerk Kunden IS
Abrechnung
Energielieferung
noch wünschenswert SCADA
Übertragungs-
netz
Verteilungsnetz
SCADA
Kunden IS
Gebäude- /
Haushaltsmgnt
 Smart Grid ist gleichzeitig Tatort und
SCADA
Zählersystem Messdienstleistung
Internet /
Tatwaffe E-Business
Daten- Schnittstelle
Wide Area
Herausforderungen Internet /
E-Business Network
sammlung
Lokales
Netzwerk
Energiedienste
Digitaler
Zähler
Haushalts-
netzwerk
 Entwicklung von Sicherheitsarchitekturen
Schaltanlagen- Prosumer
Umspannwerk- steuerung Equipment
netzwerk Elektro-
Prosumer mobilität
Markt- Field EMS
mit anpassbaren, angemessenen schnittstelle
Kontrollsystem Schaltanlage
Device
Thermostat
Dezentrale
Erzeugung
Dezentale
Sicherheitsleveln Energieanlage
Generator
Energiespeicher
Erzeugung Haushaltsgeräte
Energiespeicher
 Secure by Design
Verteilung
Erzeugung Übertragung Verbrauch
Basierend auf einer Grafik von P. Beenken,
 Secure during Operation Bereich
Netzwerk
OFFIS, Oldenburg,
Akteur
Bereichsübergreifender Akteur
Kommunikation
Bereichsübergreifende Kommunikation
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9. Lösungsansatz
 Domänen-orientierter Ansatz
 Einzelne Betrachtung der Domänen
 Erzeugung
 Übertragung
 Verteilung
 Kunde
 etc.
 Reduktion der Komplexität
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10. Lösungsansatz
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.
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11. Beispiel: Domäne Privatkunde
 Rollen
Kommunikations-
Messdienstleister
netzbetreiber
Ve
rtr
ag
Ko inf
m ras
m tr
g
un
un uk
s
ika tu
es
tio r
M
Energielieferant
ns
Messstellen-
-
ag
Vertr
Ver
Insta
betreiber lla
Betr tion
trag
ieb
Energienutzer
g
Vertra
En e
rgi
äte e
Ger
Verteilnetz-
Geräte betreiber
Hersteller
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12. Beispiel: Domäne Privatkunde
 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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13. Beispiel: Domäne Privatkunde
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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14. Beispiel: Domäne Privatkunde
Rolle: Verteilnetzbetreiber
 Sicherheitsanforderungen u.a.
 Versorgungssicherheit
 Korrektheit und Aktualität von
Prognosedaten, Statusdaten,
aggregierten Messwerten,
Steuerungsdaten, Wartungsdaten
 Keine Anforderungen an Datenschutz
 Fazit: Mehrseitige, ggf. konträre
Anforderungen
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15. Beispiel: Domäne Privatkunde
Referenzarchitektur
Daten
Gateway Energieinformationsnetz
Strom
Energie-
Stromnetz
verbraucher
Energie-
versorger
Energie-
erzeuger
Internet
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16. Beispiel: Domäne Privatkunde
Sicherheitsarchitektur und -konzepte
… Secure Elements Zugriffskontrolle Kryptographie
(…) (Smartcard, TPM) (Autorisierung, RBAC) (Verschlüsselung etc.)
1 2 3 4 5 6
Verbraucher Smart Meter Gateway Energieversorger
Verbraucher
7
Kontrollpunkte und
PC
Sicherheitsmechanismen
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17. Beispiel: Domäne Privatkunde
Konkretisierung: Sichere Messwerterfassung und -übertragung
TLS zum Schutz vor Angriffen auf HSM zum Schutz vor Hardware- Anonymisierung /
die Kommunikation Manipulationen Pseudonymisierung
• Korrekte Übertragung • Korrekte Messwerterfassung • Datenschutz
• Vertrauliche Übertragung • Korrekte Verarbeitung
1 2 3 4 5 6
Verbraucher Smart Meter Gateway Energieversorger
Verbraucher
7
PC
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18. Beispiel: Domäne Privatkunde
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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19. Beispiel: Domäne Verteilnetz
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.
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20. Beispiel: Domäne Verteilnetz
Referenzarchitektur
 Umspannwerke
 Transformation zwischen
Spannungsebenen
 Ortsnetzstationen
 Transformation Mittel- und
Niederspannung
 Erzeuger
 Windparks, Biogas etc.
 Ggf. Speicher
 Elektrofahrzeuge etc.
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21. Beispiel: Domäne Verteilnetz
Rollen Messstellen-
betreiber
Produzent Übertragungs-
el,
Vert
(Mittelspannung) nd )
netzbetreiber
a
(H ich
rag
En e gie sgle
rgie er u
En asta
L
Produzent Verteilnetz-
(Niederspannung) Energie betreiber Kommu
nikation
infrastru s- Kommunikations-
Me ktur
ssu netzbetreiber
ng rag
V ert
Ve
rgie rtr
En e ag
Messdienstleister Ver
ng trag
Messu
Energienutzer Vertrag Energielieferant
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22. Beispiel: Domäne Verteilnetz
 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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23. Beispiel: Domäne Verteilnetz
Rolle Verteilnetzbetreiber
 Sicherheitsanforderungen u.a.
 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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24. Beispiel: Domäne Verteilnetz
Sicherheitsarchitektur und -konzepte
 Rollenbasierte Zugriffe
 Zweckgebundene Verarbeitung von Daten
 Identitätsmanagement, PKI 2 3
 Spezielle Firewalls
Ortsnetzstationen
 Absicherung der 1 Gateway /
Smart Meter
2
Kommunikation (z.B. TLS)
1 Umspannwerke
 Auditing
2
 etc. Kleine Verbraucher
1 Große Verbraucher Leitstelle
Kleine Speicher
2
Kleinste Erzeuger
Mittlere und
1
große Speicher
2
Kleine und
1
mittlere Erzeuger
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25. Nächste Schritte
 Schnittstellen und Domänenübergänge spezifizieren
 Durchgehende Bedrohungs- und Risikoanalyse
 Simulationsmodelle entwickeln
 Referenz-Sicherheitsarchitekturen
Zugriffskontrolle
(Autorisierung,
RBAC)
Angriffserkennung Sicherheits-
(Intrusion Detection) management
Kryptographie
(Verschlüsselung
etc.)
Weitere Maßnahmen
(Redundanz, Separierung) Secure Elements
(Smartcard, TPM)
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26. Zusammenfassung
 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
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27. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
Dr. Christoph Krauß
Leiter „Innovation und Strategie“
Fraunhofer AISEC
Parkring 4
85748 Garching (bei München)
E-Mail: christoph.krauss@aisec.fraunhofer.de
Internet: http://www.aisec.fraunhofer.de
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