[論文レビュー] EPICTWIN: An Electric Power Digital Twin for Cyber Security Testing, Research and Education

Nandha Kumar Kandasamy, Sarad Venugopalan+2 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2021

Smart Grid Security and Resilience参考文献 31被引用数 9

ひとこと要約

EPICTWIN は、サイバー セキュリティ研究、教育、ペネトレーション テストを目的とした、低コストでオープンソースの物理的スマートグリッド テストベッド（EPIC）のデジタルツインを提供する。VM および Docker を用いて IED、PLC、ネットワーク スイッチ、AMI デバイスを仮想化し、OVS および libiec61850 を用いて実際の通信プロトコルをエミュレートすることで、物理的ハードウェアを必要とせずにスケーラブルで再現可能かつ現実的なサイバー攻撃および防御の実験が可能となり、物理的テストベッドと同等の忠実度を実現しながらも、コストはその数分の一に抑えられる。

ABSTRACT

Cyber-Physical Systems (CPS) rely on advanced communication and control technologies to efficiently manage devices and the flow of information in the system. However, a wide variety of potential security challenges has emerged due to the evolution of critical infrastructures (CI) from siloed sub-systems into connected and integrated networks. This is also the case for CI such as a smart grid. Smart grid security studies are carried out on physical test-beds to provide its users a platform to train and test cyber attacks, in a safe and controlled environment. However, it has limitations w.r.t modifying physical configuration and difficulty to scale. To overcome these shortcomings, we built a digital power twin for a physical test-bed that is used for cyber security studies on smart grids. On the developed twin, the users can deploy real world attacks and countermeasures, to test and study its effectiveness. The difference from the physical test-bed is that its users may easily modify their power system components and configurations. Further, reproducing the twin for using and advancing the research is significantly cheaper. The developed twin has advanced features compared to any equivalent system in the literature. To illustrate a typical use case, we present a case study where a cyber attack is launched and discuss its implications.

研究の動機と目的

• スマートグリッド セキュリティ研究のための物理的サイバー物理システム（CPS）テストベッドの高コスト、スケーラビリティの限界、設定の不柔軟性に対処すること。
• 物理的 EPIC テストベッドの動作およびネットワーク忠実度を再現するデジタルツインを構築し、安全で繰り返し可能かつスケーラブルなサイバー セキュリティ実験を可能にすること。
• 研究者や教育者が物理的インfraストラクチャを必要とせずに、安全な仮想環境で実世界のサイバー攻撃および対策を展開できるようにすること。
• 電力系統部品、ネットワークトポロジー、通信プロトコルのモジュラー構成を可能にすることで、エンドツーエンドのセキュリティテストを支援すること。
• 高価な物理的テストベッドの代替として、低コストでオープンソースの選択肢を提供することで、研究者や機関の参入障壁を低減すること。

提案手法

• 仮想マシン（VM）を用いた IED、PLC、ネットワーク スイッチの仮想化により、ソフトウェア定義環境で物理的部品をエミュレートすること。
• スマートグリッド通信の軽量でスケーラブルかつ隔離されたテストを可能にするために、Docker コンテナに先進的メーターインフラストラクチャ（AMI）デバイスをデプロイすること。
• Open vSwitch（OVS）を用いたソフトウェア定義ネットワークの実装により、HSR リング構成を含む現実的なネットワークトポロジーをエミュレートすること。
• 物理的テストベッドとのプロトコル忠実度を保証するため、libiec61850 C ライブラリを用いて実際のプロトコルスタックを統合し、IEC61850、Modbus、MQTT、OPC-UA、MMS をサポートすること。
• IDS ベンチマークのための MITM、DoS、スプーフィング攻撃の体系的デプロイを可能にする攻撃およびログモジュール（AD および AL）の統合。
• 標準の市販ラップトップを用いてデジタルツイン全体をホスティングすることで、低コストの展開と広範なアクセス性を実現すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 物理的スマートグリッド テストベッドのデジタルツインは、物理的ハードウェアを必要とせずに、現実的なサイバー セキュリティテストを実施するのに十分な忠実度で開発可能か？
• RQ2 デジタルツイン内の仮想ネットワークおよびプロトコルスタックは、物理的テストベッドの動作およびパケットトレースをどの程度正確に再現するか？
• RQ3 デジタルツインは、スケーラブルかつ再現可能に、実世界のサイバー攻撃および防御メカニズムの展開と評価をどの程度効果的に支援できるか？
• RQ4 セキュリティ研究および教育の分野において、従来の物理的テストベッドと比較して、仮想化されたデジタルツインのコストおよびリソース効率はどの程度か？
• RQ5 デジタルツインは、データ中心および設計中心の両アプローチを用いて、インシデント検出システム（IDS）の体系的ベンチマークを可能にするか？

主な発見

• EPICTWIN デジタルツインは、物理的 EPIC テストベッドのネットワーク動作およびパケットトレースを成功裏に再現しており、スニファー出力が実際のハードウェア展開と一致している。
• libiec61850 の使用によりプロトコルレベルの忠実度が確保され、変電所自動化に使用される IEC61850 ベースの通信の正確なシミュレーションが可能になった。
• デジタルツインは MITM や DoS 攻撃を含む包括的なサイバー攻撃シミュレーションをサポートしており、ネットワークおよびプロセスデータは物理的テストベッドと区別がつかない。
• システム全体は 2 台の標準ラップトップで展開可能であり、物理的テストベッドの €200 万を超えるコストの数分の一にまで削減された。
• 仮想化アーキテクチャにより、ハードウェア制約なしに電力系統部品およびネットワークトポロジーの容易な変更、スケーリング、再構成が可能になった。
• AD および AL モジュールの統合により、IDS の体系的で繰り返し可能かつベンチマーク可能な評価が可能となり、データドリブンおよびデザインドリブンな検出技術の両方を支援した。