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Thèse Année : 2017

Cyber security of the smart grid control systems: intrusion detection in IEC 61850 communication networks

Cyber sécurité des systèmes de contrôle du smart grid: détection d'intrusion dans les réseaux de communications IEC 61850

Résumé

Information and Communication Technologies have been pervading Industrial Automation and Control Systems (IACS) for a few decades now. Initially, IACS ran proprietary protocols on closed networks, thus ensuring some level of security through obscurity and isolation. Technologies and usages have evolved and today this intrinsic security does not exist any longer, though.This transition is in progress in the electricity domain, the power infrastructure turning into the smart grid. The IEC 61850 standard is key to the smart grid development. It is aimed at making interoperability possible in Communication networks and systems for power utility automation. It thus defines a common data object model and a stack of protocols answering different purposes. Although the cyber risk in IACS is now widely acknowledged, IEC 61850 does not address cyber security in any way whatsoever. This work tackles the question of cyber security through network intrusion detection in IEC 61850 networks, and more specifically in real-time GOOSE communications. The idea is to get the most out of the protocol specifications and system configuration while developing a tailored NIDS. This enables detection accuracy. This dissertation consists of four chapters. The first two ones give an extensive state of the art about intrusion detection in IACS and cyber risk assessment, respectively. The two other ones are the proper contribution of this work. Chapter 3 first explores the cyber risk hanging over a generic substation example and how it may impact the system dependability attributes. It then proposes an extension of the IEC 61850 data object model to handle intrusion detection. After demonstrating the feasibility of intrusions in GOOSE communications, Chapter 4 explains how system configuration files can be leveraged to tune detection rules and presents the proposed algorithm. The latter was integrated into the open-source network traffic analyzer Bro by implementing a GOOSE parser. The dissertation ends with a proposition of an IEC 61850 communication architecture resilient to attacks on GOOSE protocol based on the detector.
Le standard IEC 61850 est clé pour le développement du smart grid ou réseau électrique intelligent. Il a pour objectif de rendre l'interopérabilité possible dans les "Réseaux et systèmes de communication pour l'automatisation des systèmes électriques". Bien que le cyber risque dans les systèmes de contrôle industriels fasse aujourd'hui consensus, la norme IEC 61850 ne traite pas de la cyber sécurité. Ces travaux de thèse proposent de répondre à cette problématique de cyber sécurité à travers la détection d'intrusion réseau dans les systèmes IEC 61850, plus précisément dans les communication temps-réel GOOSE, impliquées dans la protection électrique. Nous nous sommes tout d'abord attachés à identier et comprendre les risques de cyber sécurité auxquels les postes IEC 61850 sont exposés. Les protocoles de communication de la pile IEC 61850 se révèlent vulnérables, en particulier GOOSE. Une preuve de faisabilité d'injection de fausses données dans les communications GOOSE a été faite. En guise de première réponse, nous explorons une mesure passive de sécurité : la détection d'intrusion. Nous proposons ainsi une extension au modèle d'information IEC 61850 dédiée à la détection d'intrusion dans les systèmes d'automatisation des services de distribution électrique. Nous proposons ensuite une approche de détection d'intrusion, de type comportementale, dont les règles de détection sont produites à partir des spécications du protocole et de la conguration du système. Un analyseur syntaxique pour le protocole GOOSE a été intégré à l'analyseur de trac réseau open source Bro. L'intégration de notre algorithme de détection à cet outil a permis de produire des résultats de performance préliminaires. Enn, an de tendre vers une solution globale de sécurité, nous avons imaginé une architecture du système de contrôle qui soit résiliente aux attaques GOOSE basées sur ce module de détection pour sécuriser activement les communications dans les environnements d'automatisation IEC 61850.
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tel-01609230 , version 1 (03-10-2017)
tel-01609230 , version 2 (22-01-2018)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01609230 , version 1

Citer

Maëlle Kabir-Querrec. Cyber security of the smart grid control systems: intrusion detection in IEC 61850 communication networks. Systems and Control [cs.SY]. Université Grenoble Alpes, 2017. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01609230v1⟩
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