[論文レビュー] sSCADA: Securing SCADA Infrastructure Communications

Yongge Wang|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2012

Smart Grid Security and Resilience被引用数 12

ひとこと要約

この論文は、SCADA通信のAGA 12標準の初期ドラフトにおける深刻な脆弱性を特定し、ハッシュベースのコミットメントと時間制限付きの新鮮さを用いて、リプレイ攻撃や偽装攻撃を防ぐための最適化されたセキュリティプロトコルのセットを提案している。低帯域幅でリアルタイム制御が求められる環境においても有効である。

ABSTRACT

Distributed control systems (DCS) and supervisory control and data acquisition (SCADA) systems were developed to reduce labour costs, and to allow system-wide monitoring and remote control from a central location. Control systems are widely used in critical infrastructures such as electric grid, natural gas, water and wastewater industries. While control systems can be vulnerable to a variety of types of cyber attacks that could have devastating consequences, little research has been done to secure the control systems. American Gas Association (AGA), IEC TC57 WG15, IEEE, NIST and National SCADA Test Bed Program have been actively designing cryptographic standard to protect SCADA systems. American Gas Association (AGA) had originally been designing cryptographic standard to protect SCADA communication links and finished the report AGA 12 part 1. The AGA 12 part 2 has been transferred to IEEE P1711. This paper presents an attack on the protocols in the first draft of AGA standard (Wright et al., 2004). This attack shows that the security mechanisms in the first version of the AGA standard protocol could be easily defeated. We then propose a suite of security protocols optimised for SCADA/DCS systems which include: point-to-point secure channels, authenticated broadcast channels, authenticated emergency channels, and revised authenticated emergency channels. These protocols are designed to address the specific challenges that SCADA systems have.

研究の動機と目的

• 電力網や水道システムなど、国家インフラに不可欠なレガシーSCADAシステムにおける強固な暗号セキュリティの欠如に対処すること。
• AGA 12標準の初版ドラフトに対して、実用的なリプレイ攻撃を特定・実証し、偽装やメッセージ改ざんの脆弱性を立証すること。
• 低帯域幅、リアルタイム応答、限られた計算能力といったSCADAの独自の制約に適合したセキュリティプロトコルの設計。
• 高価な公開鍵暗号暗号や高遅延のノンス交換に依存せずに、緊急ブロードキャストにおけるメッセージ新鮮性を保証すること。
• 欠陥のあるAGA 12ドラフトの代わりに、スマートグリッドや産業制御システムへの統合に適した、証明可能に安全で軽量な代替手段を提供すること。

提案手法

• 対称鍵暗号とハッシュベースのメッセージ認証を用いて、標準SCADA通信を保護するポイントツーポイントのセキュアチャネルを提案する。
• メッセージ、ノンス、タイムスタンプへのハッシュコミットメントを用いて、認証済みブロードキャストプロトコルを設計し、真正性と整合性を保証する。
• 時間制限付きコミットメントを用いた認証済み緊急チャネルを導入：各メッセージはランダムなノンスと有効期限を関連付ける。
• 各メッセージが特定の有効期限 $T_j^i$ に関連付けられるように、緊急ブロードキャストプロトコルを改訂し、受信時刻が $T_j^i$ まででなければメッセージを受け入れないようにする。
• メッセージ、ノンス、有効期限を結合したコミットメント $r_{i,j}$ を生成するため、ハッシュ関数 $\mathcal{H}(e_i \| N_j^i \| T_j^i)$ を使用する。このコミットメントはメッセージ送信前にブロードキャストされる。
• 受信者がハッシュコミットメントの検証に加え、現在時刻が有効期限 $T_j^i$ よりも前であることを確認することで、新鮮性を強制する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実用的なSCADA環境において、AGA 12標準初版ドラフトのセキュリティメカニズムはどのようにして侵害可能になるか？
• RQ2 標準的な暗号プロトコルの直接適用を妨げるSCADAシステムの主な制約は何か？
• RQ3 公開鍵暗号や高遅延メカニズムに依存せずに、緊急ブロードキャストにおけるメッセージ真正性と新鮮性をどのように保証できるか？
• RQ4 低帯域幅でリアルタイム制御が求められる環境において、ハッシュベースの軽量プロトコルが証明可能に安全で十分な新鮮性保証を提供できるか？
• RQ5 最小限のパフォーマンスオーバーヘッドで、安全でスケーラブルかつ効率的な通信を実現するための設計パターンは何か？

主な発見

• AGA 12標準の初版ドラフトは、検出されないままメッセージの偽装や遅延が可能なリプレイ攻撃に対して脆弱である。
• 提案されたポイントツーポイントのセキュアチャネルは、対称鍵暗号とハッシュベースのMACを用いて、強力な認証と整合性を実現する。
• 認証済みブロードキャストプロトコルは、メッセージ、ノンス、タイムスタンプへの事前ブロードキャスト済みハッシュコミットメントにより、整合性と真正性を保証する。
• 改訂された緊急ブロードキャストプロトコルは、メッセージが特定の有効期限 $T_j^i$ に関連付けられるようにすることで、$T_j^i$ よりも古いメッセージの受信を防止し、弱い新鮮性を保証する。
• プロトコル設計は公開鍵暗号や高遅延のノンス交換を回避しており、低帯域幅でリアルタイム性が求められるSCADA環境に適している。
• 改訂された緊急チャネルのセキュリティは形式的に確立されている：攻撃者はメッセージを有効期限 $T_j^i$ を超えて遅延できないため、時間制限付きの新鮮性が保証される。