[논문 리뷰] EPICTWIN: An Electric Power Digital Twin for Cyber Security Testing, Research and Education

Nandha Kumar Kandasamy, Sarad Venugopalan외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 10.

Smart Grid Security and Resilience참고 문헌 31인용 수 9

한 줄 요약

EPICTWIN은 스마트 그라이드 테스트 베드(EPIC)의 저비용, 오픈소스 디지털 트윈을 제공하여 사이버 보안 연구, 교육 및 펜트레인 테스팅을 위해 사용됩니다. 가상화된 가상 머신(VMs)과 도커를 활용해 IED, PLC, 네트워크 스위치 및 AMI 장치를 가상화하고, OVS와 libiec61850를 통해 실제 통신 프로토콜을 에뮬레이션함으로써, 물리적 하드웨어가 없이도 확장성 있고 재현 가능하며 현실적인 사이버 공격 및 방어 실험을 가능하게 하며, 비용의 일부에 불과한 비용으로 물리적 테스트 베드 수준의 정밀도를 달성합니다.

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.

연구 동기 및 목표

• 스마트 그라이드 보안 연구를 위한 높은 비용, 제한된 확장성 및 유연하지 못한 구성이 문제인 물리적 사이버-물리 시스템(CPS) 테스트 베드의 문제를 해결하기 위해.
• 실제 EPIC 테스트 베드의 행동과 네트워크 정밀도를 재현하는 디지털 트윈을 개발하여 안전하고 반복 가능하며 확장 가능한 사이버 보안 실험을 가능하게 하기 위해.
• 연구자와 교육자들이 물리적 인프라 없이도 실제 사이버 공격과 대응 조치를 안전한 가상 환경에서 배포할 수 있도록 하기 위해.
• 전력 시스템 구성 요소, 네트워크 토폴로지 및 통신 프로토콜의 모듈식 구성이 가능하도록 하여 종단 간 보안 테스팅을 지원하기 위해.
• 비싼 물리적 테스트 베드의 대안으로 저비용, 오픈소스 솔루션을 제공하여 연구자와 기관의 진입 장벽을 낮추기 위해.

제안 방법

• 모든 IED, PLC 및 네트워크 스위치를 가상 머신(VMs)을 사용해 가상화하여 소프트웨어 정의 환경에서 물리적 구성 요소를 에뮬레이션하기 위해.
• 스마트 그라이드 통신을 위한 경량, 확장 가능하고 격리된 테스팅을 가능하게 하기 위해, Advanced Metering Infrastructure(AMI) 장치를 도커 컨테이너에 배포하기 위해.
• 실제 네트워크 토폴로지, 특히 HSR 레인 구성까지 포함한 현실적인 네트워크 토폴로지를 에뮬레이션하기 위해 오픈 vSwitch(OVS)를 사용한 소프트웨어 정의 네트워크를 구현하기 위해.
• 실제 테스트 베드와의 프로토콜 정밀도를 확보하기 위해 libiec61850 C 라이브러리를 통합하여 IEC61850, Modbus, MQTT, OPC-UA 및 MMS를 지원하기 위해.
• IDS 벤치마킹을 위해 MITM, DoS 및 스푸핑 공격을 체계적으로 배포할 수 있도록 공격 및 로깅 모듈(AD 및 AL)을 통합하기 위해.
• 표준 오프더스토어 랩톱을 사용해 전체 디지털 트윈을 호스팅하여 저비용 배포와 광범위한 접근성을 확보하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 물리적 하드웨어 없이도 실제 스마트 그라이드 테스트 베드의 충분한 정밀도를 갖춘 디지털 트윈을 개발할 수 있는가?
• RQ2 디지털 트윈 내의 가상화된 네트워크와 프로토콜 스택이 실제 물리적 테스트 베드의 행동과 패킷 트레이스를 어느 정도 재현하는가?
• RQ3 디지털 트윈이 확장성 있고 재현 가능한 방식으로 실제 사이버 공격과 방어 메커니즘의 배포 및 평가에 얼마나 효과적으로 기여하는가?
• RQ4 보안 연구 및 교육을 위한 기존 물리적 테스트 베드에 비해, 가상화된 디지털 트윈의 비용 및 자원 효율성은 어떠한가?
• RQ5 디지털 트윈이 데이터 중심 및 설계 중심 접근 방식을 모두 지원하는 IDS의 체계적 벤치마킹을 가능하게 하는가?

주요 결과

• EPICTWIN 디지털 트윈은 실제 물리적 EPIC 테스트 베드의 네트워크 행동과 패킷 트레이스를 성공적으로 재현하였으며, 스니퍼 출력이 실제 하드웨어 배포 결과와 일치함을 확인함.
• libiec61850의 사용으로 프로토콜 수준의 정밀도를 확보하여, 변전소 자동화에 사용되는 IEC61850 기반 통신의 정확한 시뮬레이션을 가능하게 함.
• MITM 및 DoS 공격을 포함한 전체 스케일의 사이버 공격 시뮬레이션을 지원하며, 네트워크 및 프로세스 데이터가 물리적 테스트 베드와 구분되지 않음.
• 전체 시스템은 두 대의 표준 랩톱에서 배포 가능하여, 물리적 테스트 베드의 €200만 이상의 비용에 비해 인프라 비용을 극도로 낮춤.
• 가상화 아키텍처 덕분에 하드웨어 제약 없이 전력 시스템 구성 요소 및 네트워크 토폴로지의 수정, 확장 및 재구성가능성이 향상됨.
• AD 및 AL 모듈의 통합으로 IDS의 체계적이고 반복 가능하며 벤치마킹 가능한 평가가 가능해졌으며, 데이터 기반 및 설계 기반 탐지 기법을 모두 지원함.