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

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
© Fraunhofer AISEC
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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
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Insta
betreiber lla
Betr tion
trag
ieb
Energienutzer
g
Vertra
En e
rgi
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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.)
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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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