Certificateless Attribute-Based Server-Aided Cryptosystem for Substation Automation Systems (CASC-SAS)

Automatisierungssysteme digitaler Umspannwerke (SAS) nutzen zur Überwachung und Steuerung zunehmend Informations- und Kommunikationstechnologie. Dies führt zu neuen Herausforderungen in Bezug auf die Informationssicherheit. Bestehende Normen wie IEC 61850 und IEC 62351 decken jüngste Entwicklungen, einschließlich der attributbasierten Zugriffskontrolle (ABAC) und der attributbasierten Public-Key-Kryptographie (AB-PKC), nicht ausreichend ab. Daher schlagen wir ein zertifikatsloses, attributbasiertes, servergestütztes Kryptosystem für digitale Umspannwerke vor, das in neu gebaute oder nachgerüstete digitale Umspannwerke integriert wird. ... mehrUm ein SAS gegen domänentypische Angriffe zu schützen, setzt unser Ansatz auf eine obligatorische Authentifizierung, Autorisierung und Zugriffskontrolle für die SAS-Kommunikation. Unser zertifikatsloser, attributbasierter, servergestützter Authentifizierungsansatz bietet algorithmenagnostische kryptographische Protokolle und Dienste, die als Grundlage für andere Cybersicherheitsmechanismen in einem SAS dienen. Mit unserem Ansatz heben wir die Vorteile von PKC in einem SAS hervor, einschließlich der leichtgewichtigen und sicheren Schlüsselverteilung sowie der Anpassungsfähigkeit in Hinblick auf zu erfüllende Sicherheitsanforderungen. Um die Authentizität, Integrität und Nicht\-abstreitbarkeit der SAS-Kommunikation zu gewährleisten, verwendet unser Ansatz einen authentifizierten Nachrichtenaustausch, der auf digitalen Signaturen basiert. Um die Vorteile serverbasierter Kryptographie zu unterstreichen, stellen wir zudem ein serverbasiertes AB-PKC-Signaturschema vor. Zusätzlich zu unserem Authentifizierungsansatz bieten wir einen servergestützten, attributbasierten Autorisierungs- und Zugriffskontrollansatz an, um unautorisierten Zugriff auf SAS-Geräte zu verhindern. Wir erweitern das Konzept von ABAC durch die Einführung von Echtzeit-Attributen und zeitabhängiger Richtlinienauswertung. Zudem delegieren SAS-Geräte die rechenintensive Zugriffskontrolle an Durchführungs- und Entscheidungspunkte. Darüber hinaus bietet unser Ansatz verschiedene Auswertungsstrategien für Zugriffsrichtlinien, um die Recheneffizienz, die Leistungseffizienz und die Speichernutzung für verschiedene Netzwerkverkehrsmuster zu optimieren. Um unseren Ansatz zu bewerten, führten wir eine theoretische und experimentelle Evaluation durch, die auf einem Ziel-Frage-Metrik-Ansatz basiert. Die Bewertung umfasst Sicherheits-, Leistungs- und Kompatibilitätsaspekte unseres Ansatzes. Für die experimentell durchgeführten Analyse stellen wir eine Implementierung des Ansatzes in Form einer Testumgebung bereit. Auf der Grundlage dieser Implementierung führten wir eine laborgestützte experimentelle Demonstration der Anwendbarkeit mit Umspannwerksequipment unter Verwendung des GOOSE- und SV-Protokolls durch. Die Ergebnisse der Evaluation zeigen, dass unser Ansatz eine Lösung zur Verbesserung der Kommunikationssicherheit in digitalen Umspannwerken darstellt. In Übereinstimmung mit den verwandten Arbeiten zeigen die Ergebnisse zudem, dass die strengen Zeitvorgaben für die Kommunikation in einem SAS eine große Herausforderung für die Informationssicherheit darstellen.

Substation automation systems (SAS) increasingly rely on information and communication technology for monitoring and control. This leads to new challenges with regard to information security. Existing standards such as IEC 61850 and IEC 62351 do not sufficiently cover recent developments, including attribute-based access control (ABAC) and attribute-based public key cryptography (AB-PKC). Therefore, we propose a certificateless attribute-based server-aided cryptosystem for SAS, which integrates into the levels and busses of a newly constructed or retrofitted SAS to enhance its communication security. ... mehrTo protect a SAS against domain-typical adversarial attacks, our approach employs mandatory authentication, authorization, and access control for SAS communication.
Our certificateless attribute-based server-aided authentication approach provides algorithm-agnostic cryptographic protocols and services that serve as a foundation for other cybersecurity mechanisms in a SAS. With our approach we emphasize the advantages of PKC in a SAS, including lightweight and secure key distribution as well as malleability with regard to satisfied security requirements. Accordingly, to safeguard the authenticity, integrity, and non-repudiation of SAS communication, our approach uses authenticated message exchanges based on mandatory digital signatures and signature verification. Furthermore, as we tailored our approach for time-critical communication, it emphasizes the advantages of server-aided cryptography by providing a server-aided AB-PKC signature scheme. In addition to our authentication approach, we provide a server-aided attribute-based authorization and access control approach to prevent unauthorized access to SAS devices. We extend the concept of ABAC by introducing real-time attributes and time-dependent policy evaluation. To take the strict time and resource constraints of a SAS into account, SAS devices delegate the expressive and flexible yet computationally expensive ABAC to policy enforcement and decision points. Moreover, our approach provides evaluation strategies for different network traffic patterns to optimize the computation efficiency, power efficiency, and memory utilization.
To evaluate our approach, we conducted a theoretical and experimental evaluation based on a goal-question-metric approach. The evaluation covers security, performance, and compatibility aspects of our approach. For the experimentally performed evaluations, we provide a testbed implementation of the approach. Based on the implementation, we conducted a laboratory-based experimental demonstration of applicability using the GOOSE and SV protocol between an intelligent electronic device, a merging unit, and an I/O box. The results of the evaluation indicate that our approach is a viable solution to enhance the communication security in a newly constructed or retrofitted substation. The results also indicate, in accordance with the related literature, that the strict time constraints of the low latency communication in a SAS pose a key challenge for information security.