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Defending the SCADA Network Controlling the Electrical Grid from Advanced Persistent Threats

Antoine Lemay

Thèse de doctorat (2013)

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Citer ce document: Lemay, A. (2013). Defending the SCADA Network Controlling the Electrical Grid from Advanced Persistent Threats (Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal). Tiré de https://publications.polymtl.ca/1300/
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Résumé

RÉSUMÉ Les civilisations modernes sont dépendantes des technologies de l'information et des communications. Par ce fait, elles requièrent une alimentation constante en électricité pour assurer leur prospérité. Un siècle de travaux acharnés par des ingénieurs en électronique de puissance permet de garantir la fiabilité des réseaux électriques. Un des outils pour arriver à cette fin est une augmentation de l'automatisation et du contrôle à distance des réseaux électriques. Cette technologie permet aux contrôleurs qui opèrent le réseau électrique d'ajuster automatiquement des paramètres opérationnels pour faire face aux contraintes extérieures au fur et à mesure que ces contraintes évoluent. Par exemple, une augmentation de la demande suite à une vague de froid va automatiquement entraîner une augmentation de l'approvisionnement par l'envoi de commandes à distance pour ouvrir les vannes à la centrale hydroélectrique et faire tourner les turbines plus rapidement. Ceci garanti que le réseau électrique fonctionne toujours à pleine capacité et livre l'énergie électrique avec fiabilité, sans égard aux conditions externes. Paradoxalement, les gains offerts par les systèmes automatisés ont introduit un risque jusqu'alors inconnu à la fiabilité du réseau électrique : les cyber attaques. Pour permettre l'automatisation, les opérateurs de réseaux électriques se sont tournés vers la technologie d'acquisition de données et de supervision, mieux connu sous le nom de système SCADA. De nos jours, la technologie SCADA se base sur du matériel et des logiciels commerciaux comme les communications TCP/IP via Ethernet ou comme le système d'exploitation Windows. Ceci permet aux entités malicieuses de faire usage de leur savoir concernant les techniques offensives qu'ils ont développé pour attaquer les systèmes traditionnels faisant usage de ces technologies. La majorité de ces entités sont des menaces diffuses cherchant principalement à acquérir de la capacité de stockage servant à héberger du contenu illégal, du temps machine pour envoyer du spam ou des mots de passe pour permettre la fraude. Cet objectif est plus facile à atteindre en attaquant des ordinateurs personnels plutôt que des machines d'un réseau SCADA. Toutefois, certains acteurs ciblent délibérément les réseaux SCADA puisque ceux-ci ont le potentiel de causer des dégâts dans le monde physique. Ces acteurs recherchent agressivement les vulnérabilités et persévèrent dans leurs attaques, même face à une amélioration de la capacité défensive du réseau. Ces acteurs se font affubler le qualificatif de menaces persistantes avancées ou APTs. À cause de cette volonté de cibler un réseau spécifique, il est plus difficile de détourner ces attaquants vers d'autres victimes. Si nous souhaitons empêcher ces APTs de s'attaquer aux réseaux SCADA qui contrôlent l'infrastructure critique, nous devons élaborer une stratégie qui ne repose pas sur la réduction complète des vulnérabilités. Un bon nombre de contraintes opérationnelles, comme le mode d'opération 24/7 qui rend la tenue de périodes de maintenance difficile, garantissent qu'il y aura toujours au moins une vulnérabilité potentiellement exploitable par un attaquant. Dans ce contexte, l'objectif de ce projet de recherche est d'aider les opérateurs de réseaux électriques à défendre leur réseau SCADA contre les menaces persistantes avancées. Pour atteindre cet objectif, nous visons à mieux comprendre comment le comportement des menaces persistantes avancées se manifeste dans un réseau SCADA et à développer, en se basant sur des preuves expérimentales, de nouveaux outils et techniques pour se défendre contre les comportements attendus. En analysant les travaux antérieurs, on reconnaît que la vraie nature d'un réseau SCADA est de servir de boucle de contrôle pour le réseau électrique. Une conséquence directe est que tout attaquant qui obtient accès au réseau SCADA peut altérer l'état du réseau électrique à sa guise. Si un APT voudrait poursuivre ce but, la recherche actuelle en sécurité des réseau SCADA ne parviendrait pas à prévenir cette attaque puisqu'elle n'est pas orientée vers stopper les attaquants hautement qualifiés. Ceci rend les réseaux SCADA invitants pour les états engagés dans une compétition agressive. Malgré cela, aucun cyber incident majeur causant des dégâts physiques n'est répertorié à ce jour. En se basant sur cette observation, nous avons développé un modèle d'attaque pour le comportement d'un APT dans un réseau SCADA qui n'implique pas nécessairement des dommages massifs dans le monde physique. Ainsi, nous avons introduit le scénario d'attaque par trou d'aiguilles, notre première contribution majeure, dans lequel un attaquant cause de petits dégâts qui s'accumulent sur une longue période pour éviter d'être détecté. À partir de ce scénario, nous avons développé une stratégie consistant à augmenter la capacité de surveillance, c'est-à-dire de renforcer la puissance de la détection, pour prévenir l'utilisation de ce scénario d'attaque par les APTs. En se basant sur notre intuition que la détection d'intrusion par anomalie sera particulièrement efficace dans le contexte hautement régulier d'un réseau SCADA, l'utilisation de cette technique est favorisée. Pour tester les capacités de notre détecteur, nous devons adresser le problème du manque d'infrastructures expérimentales adaptées à la recherche en sécurité des réseaux SCADA. Une revue de la littérature montre que les approches expérimentales courantes ne sont pas appropriées pour générer des données réseau avec une haute fidélité. Pour résoudre ce problème, nous avons introduit le concept du Carré de sable ICS, notre deuxième contribution majeure, qui utilise une approche hybride combinant la haute fidélité des résultats de l'émulation et le facteur d'échelle et le faible coût de la simulation pour créer un montage expérimental capable de produire des données réseau de haute fidélité, adaptées à l'usage expérimental. Finalement, nous avons été en mesure de tester une implémentation d'un système de détection d'intrusion par anomalies, notre troisième contribution majeure, en utilisant le Carré de sable ICS. En utilisant des caractéristiques simples, il est possible de détecter du trafic de commandement et contrôle dans un réseau SCADA, ce qui force les attaquant à utiliser pour leurs opérations routinières de maintenance de complexes canaux cachés dont la bande passante est limitée. Ceci atteste de la validité de notre intuition selon laquelle la détection par anomalie est particulièrement efficace dans les réseaux SCADA, revitalisant par le fait même une technique de défense qui a longtemps été délaissée à cause de sa piètre performance dans les réseaux corporatifs typiques. La somme de ces contributions représente une amélioration significative de l'état de la défense des réseaux SCADA contre les menaces persistantes avancées, incluant les menaces en provenance des services de renseignement étatiques. Ceci contribue à une augmentation de la fiabilité des infrastructure critiques, et des réseaux électriques en particulier, face à un intérêt grandissant de la part des cyber attaquants.----------ABSTRACT Modern civilization, with its dependency on information technology, require a steady supply of electrical power to prosper. A century of relentless work by power engineers has ensured that the power grid is reliable. One of tools they used to achieve that goal is increased automation and remote control of the electrical grid. This technology allows the controllers supervising the power grid to automatically adjust operational parameters to meet external constraints as they evolve. A new surge in demand from a cold night will trigger an automated increase in supply. Remote control commands will be sent to open sluice gates at the hydroelectric plant to make turbines spin faster and generate more power. This ensures the electric grid always functions at peak efficiency and reliably deliver power no matter what the external conditions are. Paradoxically, the gains provided by the automated systems invited a previously unknown risk to the reliability of power delivery: cyber attacks. In order to achieve automation, utility operators have turned to Supervisory Control and Data Acquisition, or SCADA, technology. In this era, SCADA technology is built on top of commercial off the shelf hardware and software such as TCP/IP over Ethernet networks and Windows operating system. This enables malicious entities to leverage their pre-existing knowledge of offensive techniques known to work on these platform to attack the SCADA networks controlling critical infrastructure. Of those entities, the majority are unfocused attackers searching for commodity assets such as storage capacity to store illegal materials, processing power to send spam or credentials to enable fraud. However, some actors are deliberatively targeting the SCADA networks for their ability to cause damage in the physical realm. These actors aggressively search for vulnerabilities and are stubborn in the face of an increase in defensive measures and are dubbed advanced persistent threats, or APTs. As such, it is more difficult to turn them away. If we want to prevent these advanced persistent threats from preying on the SCADA networks controlling our critical infrastructure, we need to devise a defense that does not rely on completely removing vulnerabilities. A number of operational constraints, such as the need to operate 24/7 precluding the opening of maintenance windows, ensure that there will always be a vulnerability that can be exploited by an attacker. In that light, the goal of this research project is to is to help power grid operators defend their SCADA networks against advanced persistent threats. To achieve that goal we aim to better understand how the behaviour of advanced persistent threats will manifest itself in a SCADA network and to develop, based on evidence derived from experiments, new tools and techniques to defeat the expected behaviour. By analyzing prior work, we recognize that the true nature of SCADA networks is to serve as a basic control loop for the electric grid. A direct consequence is that any attacker gaining access to the SCADA network could send the grid into any state he wishes. We also showed that, should advanced persistent threats attempt to pursue this goal, current research in SCADA security would not provide significant help, not being focused on preventing the exploitation of SCADA network by skilled attackers. This makes SCADA networks attractive to nation states engaged in aggressively competitive behaviour. However, no evidence of major cyber incidents causing physical damage is forthcoming. From that observation, we developed an attacker model for advanced persistent threat behaviour in SCADA networks that did not necessarily involve causing massive physical damage. So, we introduced the pinprick attack scenario, our first major contribution, in which an attacker causes small amounts of damage that accumulate over time in order to stay under the radar. From this scenario, we developed a strategy of increasing the capability of surveillance, or boosting the radar so to speak, in order to prevent advanced persistent threats from using this scenario. The use of anomaly-based intrusion detection was favored based on our intuition that it would prove very effective in the highly regimented context of SCADA networks. To test the capability of our detector, we needed to address the lack of experimental infrastructure suitable for network security. However, a study of the literature shows that current experimental approaches are not appropriate to generate high fidelity network data. To solve this problem, we introduced the ICS sandbox concept, our second major contribution, that used a hybrid approach combining the high fidelity results of emulation and the scalability and cost reduction of simulation to create an experimental setup able to produce high fidelity network data sets for experimentation. Finally, we were able to test an implementation of anomaly-based intrusion detection, our third major contribution, using the ICS sandbox. Using only simple features, it was possible to detect command and control traffic in a SCADA network and push attackers to use complex covert channels with limited bandwidth to perform their routine maintenance operations. This attests to the validity of our intuition that anomaly-based detection is particularly effective in SCADA network, revivifying a defensive technique that suffers from poor performance in typical corporate networks. The sum of these contributions represent a significant improvement in the defense of SCADA networks against advanced persistent threats, including threats from nation state sponsored intelligence agencies. This contributes to the increased reliability of critical infrastructure, and of the electrical grid in particular, in the face of an increasing interest by cyber attackers.

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Département: Département de génie informatique et génie logiciel
Directeur de mémoire/thèse: José M. Fernandez et Scott Knight
Date du dépôt: 14 avr. 2014 11:01
Dernière modification: 01 sept. 2017 17:33
Adresse URL de PolyPublie: https://publications.polymtl.ca/1300/

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