Kraftnät under attack

Cyberattacker blir lika besvärliga för elnätet som naturkatastrofer, och problemet blir värre i takt med att dessa nät blir mer uppkopplade och smartare.

Till skillnad från tidigare, när ett strömavbrott bara påverkade elen som levererades till hem och företag, blir elnäten kärnelementen i smarta städer, infrastruktur och säkerhetsrelaterade tjänster. Utan makt fungerar inget av detta, och sofistikerade cyberkriminella operationer kan hålla stora regioner som gisslan tills de betalar enorma lösensummor eller ger sig på andra krav.

Hoten är också globala. I takt med att lönsamheten för att hacka dessa system ökar, ökar också antalet attacker. European Network of Transmission System Operators for Electricity (ENTSO-E), som representerar 42 europeiska överföringssystemoperatörer i 35 länder, var hackad 2020. Andra framgångsrika cyberattacker inkluderar de mot det ryska elnätet 2019 och Saudi Aramcos petrokemiska anläggningar 2017.

Ukrainas elnät attackerades 2015 och lämnade 200,000 2014 hushåll utan ström. En liknande attack inträffade året därpå. Och cyberbrottslingarna som gjorde intrång i Korea Hydro and Nuclear Power, det sydkoreanska kärn- och vattenkraftsföretaget, lade 10,000 upp planer och manualer för två kärnreaktorer på nätet och avslöjade XNUMX XNUMX anställdas personuppgifter.

Enligt Årlig rapport om hotbedömning från US Intelligence Community Report (sidan 20), länder med cyberattackskapacitet inriktad på kritisk infrastruktur inkluderar Ryssland, Kina, Iran och Nordkorea. Med andra ord kan cyberattacker ske var som helst och när som helst, och med denna nivå av förmåga är ingen enhet immun.

Vad är i fara?
Cyberangripares motiv delas i första hand in i två kategorier — ekonomisk vinning och krigsvapen. Cyberkriminella försöker extrahera pengar från sårbara mål med olika tekniker, inklusive ransomware. De kräver en lösensumma genom att låsa in offrens verksamhet. På senare tid har angriparna hotat att avslöja de stulna uppgifterna om deras krav inte beviljas.

Cyberkrigföring är mer komplicerat. Statligt sponsrade cyberbrottslingar har som uppdrag att stjäla, störa och ännu viktigare, orsaka skada på offrens verksamhet och kritiska infrastruktur.

Det senaste misslyckandet i Electric Reliability Council of Texas (ERCOT), som orsakades av en kraftig vinterstorm i februari 2021, ger en glimt av de potentiella konsekvenserna. Det misslyckandet kändes över hela staten, med 11 miljoner människor frysa i tre dagar. 2019 lämnade ett strömavbrott i Kalifornien 248 sjukhus utan el.

Effekterna av cyberattacker kan potentiellt bli ännu allvarligare. De betydande cyberincidenterna Listan tillhandahållen av Center for Strategic and International Studies noterar den alarmerande trenden med cyberattacker som blir mer frekventa och destruktiva. Elnät är särskilt sårbara, och de potentiella ingångspunkterna för dessa attacker finns överallt.

"Vår nationella kritiska infrastruktur är extremt hackbar", säger Andreas Kuehlmann, VD för Tortuga logik. ”Det är som en stegfunktion. Om jag hittar en sårbarhet i en effektmätare kan jag slå ut din makt. Men jag kan också slå ut allt som är kopplat till det. Jag behöver inte attackera själva nätet. Och några av dessa attacker kan vara förödande. Vi har bara sett en bit av vad som är möjligt.”

Anslutning gör säkerhetsproblemet mycket värre. "Traditionellt har elnäten till övervägande del varit isolerade infrastrukturer", säger Neeraj Paliwal, vice vd och general manager för Rambus säkerhet. "Digitaliseringen har förändrat det. Moderna, anslutna elnät ger bekvämligheten med fjärrövervakning, decentraliserad kontroll, lastbalansering för alternativa källor och dataanalys. Smarta städer kan dra fördel av fjärrstyrda IoT-möjligheter för att öka effektiviteten och ge insikter för framtida stadsplanering. Den nätverksbaserade, sammankopplade infrastrukturen väcker dock ofta säkerhetsproblem. Hackare riktar in sig på den kritiska infrastrukturen i en modern stad för att orsaka störningar. Att stoppa elförsörjningen medför inte bara olägenheter för användarna, det skulle också störa verksamheten i en nödsituation. Till exempel måste sjukhus förlita sig på reservkraftsgeneratorer, om sådana finns. Den statliga myndighetens verksamhet kommer att påverkas hårt i sin normala dagliga verksamhet när tjänsten avbryts. I vissa fall kan detta till och med hota den nationella säkerheten. Därför är skyddet av dessa kritiska infrastrukturer såväl som alla slutpunkter mycket viktigt för att förhindra storskaliga avbrott.”

Enligt US Government Accountability Office (GAO) har cybersäkerhet varit på gång Högrisklista sedan 1997. GAO är den amerikanska kongressens revisions-, utvärderings- och undersökande arm. Det finns till för att stödja kongressen i att uppfylla sina konstitutionella skyldigheter och för att hjälpa till att förbättra den federala regeringens prestation och ansvar för det amerikanska folket.

I sin rapport om Critical Infrastructure Protection, som publicerades i augusti 2019, påpekade GAO att åtgärder behövdes för att hantera betydande cybersäkerhetsrisker som elnätet står inför. Specifikt skapar tillverkare och mjukvaruutvecklare sina produkter på många olika platser runt om i världen, vilket gör dem potentiellt mottagliga för utlandsbaserade hot.

I Cybersäkerhetsrapport för elnät publicerad i mars 2021, noterade GAO att Department of Energy (DoE) och Department of Homeland Security (DHS) har ansvaret för att beskriva en nationell strategi för cybersäkerhet av kritisk infrastruktur, inklusive elnäten.

Rapporten drog slutsatsen att nätets distributionssystem löpte allt större risk från cyberattacker. DoE, DHS och andra federala myndigheter har hjälpt till att förbättra cybersäkerheten i distributionssystem. DoE:s planer för att implementera den nationella cybersäkerhetsstrategin för nätet tar dock inte helt upp riskerna för dessa system. Cyberattacker mot distributionssystem kan fortfarande leda till avbrott på nationell nivå.

Rapporten rekommenderade att "energiministern, i samordning med DHS, stater och industri, borde ta itu med riskerna för nätets distributionssystem från cyberattacker – inklusive den potentiella effekten av sådana attacker – i DoE:s planer att implementera den nationella cybersäkerhetsstrategin för rutnätet." DoE gick med på att vidta åtgärder, och GAO kommer att se över dess framsteg på årsbasis.

Är dessa ansträngningar tillräckliga för att hantera risken för landets elnät? Vidare, hur kommer DoE:s finansiering och schemaläggningsåtgärder att prioriteras?

Elnäten utvecklas. De kommer att bli mer uppkopplade och smartare. Framtida nätverksnät kommer att använda lågeffekts bredarea nätverk (LPWAN) och 5G för att förbättra energieffektiviteten via distribuerad och fjärrstyrning. Nya innovationer, som den nya Wi-Fi CERTIFIED 6 Release 2, läggs till regelbundet för att utveckla elnäten.

"Det är säkert möjligt att Wi-Fi, inklusive den nya Wi-Fi CERTIFIED 6 Release 2, skulle kunna användas av överföringssystemoperatörer som en del av deras IT-kommunikationsnätverk", säger Nick Sargologos, senior produktchef på Wi-Fi Alliance. "Den vanligaste placeringen av Wi-Fi HaLow och Wi-Fi CERTIFIED 6 Release 2 för IoT-applikationer är att Wi-Fi HaLow är bättre lämpad för låg datahastighet, vitt spridda, batteridrivna IoT-applikationer och Wi-Fi CERTIFIED 6 Release 2 är bättre lämpad för IoT-sensorer eller byggnadsautomationsenheter som är anslutna till ett tätt, högpresterande Wi-Fi-nätverk.”

Nätverken ger många fördelar, men de innebär också utmaningar. Ju mer uppkopplade elnäten är, desto fler möjligheter får cyberkriminella att hacka systemen. Dessutom, när förnybara energikällor och det befintliga elnätet integreras, kommer gränssnitten att presentera ytterligare sårbarheter.

"När du ansluter saker till ett nätverk, ökar du risken för cybersäkerhetsattacker", säger Steve Hanna, framstående ingenjör, Infineon Technologies. Med kritisk infrastruktur som elnätet förstärks denna risk eftersom påverkan av fel är stor. Ett av de största cybersäkerhetshoten mot elnätet involverar kontrollsystem som används för att hantera elektriska processer och fysiska funktioner som att öppna och stänga strömbrytare. Att nätverka dessa styrsystem möjliggör fjärrövervakning och kan förbättra kostnads- och energibesparing. Men det skapar också fler åtkomstpunkter för hackare. Attackerna på det ukrainska elnätet är ett typiskt exempel där angripare kunde använda internetbaserade attacker för att stänga av strömbrytare på distans.”

Hur förberedda är vi?
I sitt rapportkort för 2021 för America's Infrastructure utfärdade American Society of Civil Engineers en C – betyg till energisektorn. Rapporten varnade för att en "majoritet av landets nät åldras, med vissa komponenter över ett sekel gamla - långt över deras förväntade livslängd på 50 år - och andra, inklusive 70% av transmissions- och distributionsledningarna, är långt inne i andra halvan av deras livslängd."

Så hur förberedda är vi i kampen mot cyberattacker mot elnät? För att svara på den frågan måste vi först förstå vad ett elnät är.

I USA består elnätet av tre komponenter - produktion och lagring, överföring och distribution av el till bostäder, industrier och kommersiella användare. Kraftverken genererar el från olika källor, inklusive kemisk, vattenkraft, vind, sol eller kärnkraft. Lagring sker med batterier och vattenkraft. Ny teknik för att lagra energi undersöks.

Överföring sker över transformatorstationer och kraftledningar. Idag kan smarta mätare, solpaneler och nätverksenheter ansluta till distributionssystemen.

I USA finns det tre regioner för elnätssystem - östra, västra och Texas (ERCOT). Det finns också sammankopplingar mellan elnäten. Digitaliseringen av leverans av el (smarta nät) har diskuterats sedan 2007 när avdelning XIII i Energy Independence and Security Act från 2007 (EISA) antogs av kongressen. Från och med idag är vissa regioner digitaliserade, men inte alla.

Fig. 1: Komponenter i elnätet. Källa: GAO

2019 varnade GAO för det amerikanska elnätets sårbarhet i leveranskedjan. Någon av nätets komponenter kan potentiellt hackas och störa elförsörjningen till användarna. Mer alarmerande är att om en kärnkraftskälla hackas kan det innebära en stor katastrof.

Fig. 2: Typer av attacker och var de sker. Källa: GAO

Underliggande utmaningar
Det finns flera problem som elnäten står inför idag som gör det mer sårbart. Bland de tre bästa är systemens ålder, bristen på sammanhållen planering och handling, och antalet involverade intressenter,

I USA inkluderar intressenter operatörer, elnätsägare, lokala kommunala myndigheter, DoE och DHS. Termen "nationellt elnät" omfattar en samling privatägda nät och transformatorstationer. Dessutom har de tre amerikanska regionerna sina egna policyer och cybersäkerhetsstrategier. Även om DoE och DHS har det övergripande ansvaret för att fastställa cybersäkerhetspolicyer på nationell nivå, måste de olika intressenterna samarbeta och implementera policyer i tid.

Men varje intressent har sina egna prioriteringar, intressen och budgetar, som kanske inte överensstämmer med nationell politik. Idag är det nästan omöjligt att ha en storslagen plan på nationell nivå som varje intressent kan följa. Ännu viktigare är att individuella elnät har sin egen utrustning, maskiner och metoder för elproduktion. Det finns ingen enhetlighet. Det kan vara lättare för en nyare anläggning att implementera smarta elnät, samtidigt som det skulle bli mycket kostsamt för ett gammalt elnät att digitalisera. Det finns också ett tänkesätt om, "Om det inte är trasigt, fixa det inte", vilket begränsar möjligheten att göra något åt ​​en attack. När effekten av attacken märks är det för sent.

Lösa problem
För att övervinna dessa problem krävs att man använder teknik för att bekämpa cyberbrottslingar, ett bättre och mer centraliserat ledarskap och en förändring av tänkesättet som erkänner omedelbarheten av cyberhot.

Det finns gott om teknik och kunskap för att hjälpa till att bekämpa cyberattacker. Alla LPWAN- och 5G-nätverk har inbyggda säkerhetsprotokoll. De säkerhetsmedvetna utvecklarna av chips och hårdvara har tagit fram solida och pålitliga säkerhetsplattformar för hårdvara, som inkluderar säker start, noll förtroende, sofistikerad kryptering, autentisering och mer.

Svårare är att övertyga varje operatör i elnätet att undersöka deras nuvarande tillstånd av säkerhet och beredskap. Som tur är finns det gott om kunniga cybersäkerhetskonsulter som är redo att hjälpa till. Och med den godkända infrastrukturbudgeten på federal nivå är detta en bra tid för de federala myndigheterna att arbeta med branschen, inklusive tillhandahållande av ekonomiskt stöd och incitament för att förbättra och uppgradera enskilda kraftnät för att hantera framtida attacker.

"Elnätet är mottagligt för skadliga attacker från olika ingångspunkter från kraftgenerering till kraftdistribution till den smarta mätaren", säger Andy Jaros, vice vd för IP-försäljning och marknadsföring på Flex Logix. "Alla punkter involverar någon form av kommunikation för att övervaka aktivitet, från spårning av energiförbrukning till spänningsfluktuationer/avvikelser till övervakning av elproduktionsutrustning. Varje punkt representerar sårbara accesspunkter för att bryta sig in i ett elnäts nätverk. Förutom typiska krypteringstekniker kan FPGA-flexibilitet läggas till de nätverksanslutna enheterna till ett andra lager av säkerhet genom kretsobfuskation och/eller möjligheten att lägga till proprietära säkerhetsåtgärder i hårdvara som kan uppdateras efter att enheten har distribuerats. Den andra fördelen med omkonfigurerbara kretsar är att artificiell intelligensmodeller kan användas (och uppdateras i fält) för att övervaka misstänkta, icke-standardiserade kommunikationer, datarörelser eller anomalier i utrustningens drift."

Det finns nya standarder som utvecklas för att hjälpa till med detta, inklusive IEEE Wi-SUN Field Area Network (FAN), som är speciellt designat för elnät.

"Wi-SUN har en säkerhetsprofil som använder enhetscertifikat som är autentiserade av betrodda rotcertifieringsmyndigheter för att förhindra obehörig nätverksåtkomst", säger Rogerio Almeida, produktmarknadsföringsingenjör för marknadsföring under 1GHz på Texas Instruments. "Den använder också kryptoalgoritmer, såsom elliptisk kurva Diffie-Hellman, elliptisk kurva digital signaturalgoritmer och Advanced Encryption Standard-128 chifferblock chaining-meddelande autentiseringskod för att bevara meddelandets konfidentialitet och integritet. Detta är viktigt när du lägger till nya enheter i nätverket och aktiverar deras identifiering och autentisering. Tillverkare av Wi-SUN-utrustning kan till och med få ett cybersäkerhetscertifikat som indikerar överensstämmelse med FAN Technical Profile Specification, inklusive användning av SoC-säkerhets- och säkerhetsmöjligheterna för att hjälpa utvecklare att implementera sina säkerhetsåtgärder för att skydda sina tillgångar (data, kod, identitet och nycklar). ”

Säkerhetsstandarder kan implementeras vid design av nätsystem och kraftutrustning, vilket är särskilt effektivt. North American Electric Reliability Corporation (NERC) har sammanställt en uppsättning av tillförlitlighetsstandarder för de elektriska systemen i Nordamerika.

"Trådlös kommunikationsteknik har länge använts för att ansluta elnät, från TETRA till LoRaWAN och Wi-Fi", säger Kalina Barboutov, chef för trådlös försäljning och affärsutveckling på Hitachi Energy. "Hintills har 5G som teknik tillhandahållit några av de mest robusta cybersäkerhetsfunktionerna och arkitekturerna. Som med alla 3GPP-tekniker är 5G-trafik krypterad från början till slut. Hitachi Energy är en långvarig elnätsleverantör med över 100 års erfarenhet och bidrag till branschen. Därför fortsätter vi, förutom 3GPP-cybersäkerhetsstandarder, att implementera branschspecifika standarder, såsom IEC 62443 (och underliggande standarder), som fokuserar på cybersäkerhet för kritiska nätdrift under tillgångarnas livscykel."

Ett starkare ledarskap i hela branschen är potentiellt ett tuffare problem. I USA har DoE och DHS tillhandahållit resurser och information för industrin att utnyttja, men de måste också fortsätta att arbeta med kraftindustrin för att tillhandahålla ledarskap och riktlinjer för att uppnå nationella cybersäkerhetsmål.

"Operatörer måste samarbeta med cybersäkerhetsexperter och federala myndigheter för att identifiera sårbarheterna i deras nätnätverk, studera branschstandardens riktlinjer och ramverk för cybersäkerhet, skapa en hotmodell för att fastställa vilken säkerhetsnivå som krävs för varje system och kartlägga det till tillgänglig säkerhet lösningar”, sa Infineons Hanna. "För eventuella luckor måste de arbeta med leverantörer för att åtgärda luckorna och distribuera lösningen i ett stegvis tillvägagångssätt."

Det ledarskapet är viktigt för att utveckla ett övergripande cybersäkerhetstänk, och det måste ske på alla nivåer.

"Avancerad teknik, digitalisering och utveckling mot elförsörjning och efterfrågan i realtid inbjuder alla till ny sammankopplad teknik, och därmed det ökade hotet från skadliga cybersäkerhetshändelser", säger Rich Springer, chef för industriell cybersäkerhets affärsstrategi och utveckling på Tripwire. "Lyckligtvis började visa sinnen att bygga cybersäkerhetsskydd för nätet för 20 år sedan för att upprätta NERC Critical Infrastructure Protection (CIP)-föreskrifter för elindustrin. Nätet är alltid ett mål, och nyligen har vi sett lösensummor på flera miljoner dollar i andra kritiska infrastrukturer. Så det är inte en fråga om "om", utan "när" kommer nästa attack att inträffa. Så vad ska man göra? Enkelt, vi måste bygga in cybersäkerhet i våra framtida projektplaner och utvärdera vår nuvarande infrastruktur. Med cybersäkerhetshändelser är risken för både produktionsförluster och cyberförluster (immateriell egendom, personlig information, förlust av rykte etc.), och båda är kvantifierbara. Därför är behovet av en robust cybersäkerhetsbudget inte diskutabelt. Eftersom vi med rätta skyndar oss att använda Industry 4.0 och smarta städer, måste vi också tänka i termer av cybersäkerhet 4.0 och cybersäkra smarta städer. Tyvärr anses riskaspekterna för cybersäkerhet ofta vara för låga eller kommer att läggas till senare. På samma sätt täcker NERC CIP endast de mest kritiska delarna av nätdriften och lämnar resten av nätet relativt orörd. Därför måste vi utveckla ett tänkesätt för att ha cybersäkerhet inbyggd i varje aspekt av elnäten."

På den ljusa sidan tar North American Electric Reliability Corporation (NERC), en icke-vinstdrivande internationell tillsynsmyndighet, med uppdraget att öka nätets tillförlitlighet och säkerhet, ledningen. Vartannat år, NERC:s nätsäkerhetsövning, GridEx, kommer att vara värd för 700 planerare för att leda sin organisation att delta i en simulerad övning för att bekämpa cyberattacker. Det är den största sådana övningen i Nordamerika. NERC:s Electric Information Sharing and Analysis Center (E-ISAC) kommer att publicera sina resultat i sin nätsäkerhetsövningsrapport att hjälpa olika organisationer med liknande vision.

Slutsats
Vi lever i en "intressant" tid och bevittnar en modern nätmigrering där nya innovationer kommer att integreras med befintliga elnät. Framöver kommer vi sannolikt att se fler förnybara energikällor, inklusive sol, vind och vattenkraft, bli en betydande del av det moderna nätet. I det smarta, uppkopplade nätet, som involverar 5G, LPWAN (Wi-SUN och andra) kommer digitalisering att bli verklighet med tiden. Detta kommer i sin tur att driva utvecklingen av smarta städer.

Utmaningar kvarstår när det gäller hur dessa nya tekniker kommer att integreras i den befintliga åldrande infrastrukturen. Men en sak är oförändrad. Kraftindustrin kommer att stå inför ett angrepp av cyberattacker, och den måste vara vaksam när det gäller cybersäkerhet. Men beväpnad med 2 miljarder dollar federal finansiering för uppgraderingar av cybersäkerhet och IT-utrustning, har industrin i USA en chans att åtminstone hålla sig i cyberkriget.

Resurser

Källa: https://semiengineering.com/power-grids-under-attack/