[논문 리뷰] sSCADA: Securing SCADA Infrastructure Communications

Yongge Wang|arXiv (Cornell University)|2012. 07. 23.

Smart Grid Security and Resilience인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 SCADA 통신을 위한 AGA 12 표준 초안에서 심각한 취약점을 식별하고, 저대역폭, 실시간 제어 환경에서 재생 공격 및 위조 공격을 방지하기 위해 해시 기반의 암호화 및 시간 제한된 신선도를 활용한 최적화된 보안 프로토콜 세트를 제안한다. 이는 점대점 안전 채널, 인증된 브로드캐스트, 개선된 비상 채널을 포함한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 국가 인프라(예: 전력망 및 수자원 시스템)에 핵심적인 역할을 하는 레거시 SCADA 시스템에 통합된 강력한 암호 보안의 부재를 해결한다.
• AGA 12 표준 초안의 첫 번째 초안에 대해 실질적인 재생 공격을 식별하고, 이를 통해 위조 및 메시지 위조 공격에 취약함을 입증한다.
• 저대역폭, 실시간 반응, 제한된 계산 능력이라는 SCADA의 고유한 제약 조건에 맞게 설계된 보안 프로토콜 세트를 설계한다.
• 공개 키 암호화나 고지연성 노난 교환에 의존하지 않고도 비상 브로드캐스트에서 메시지의 신선도를 보장한다.
• 결함이 있는 AGA 12 초안의 대체로 증명 가능하고 경량적인 솔루션을 제공하여 스마트 그리드 및 산업 제어 시스템에 통합 가능하게 한다.

제안 방법

• 대칭 키 암호화와 해시 기반 메시지 인증을 사용하여 표준 SCADA 통신을 보호하는 점대점 안전 채널을 제안한다.
• 메시지, 노난, 타임스탬프에 대한 해시 커밋먼트를 사용하여 메시지의 진위성과 무결성을 보장하는 인증된 브로드캐스트 프로토콜을 설계한다.
• 각 메시지가 특정 랜덤 노난과 만료 시간과 연계된 시간 제한 커밋먼트를 사용하는 인증된 비상 채널을 도입한다.
• 각 메시지가 특정 만료 시간 $T_j^i$ 와 연계된 수정된 비상 브로드캐스트 프로토콜을 구현하여, 수신자가 $T_j^i$ 이전에 메시지를 수신한 경우에만 수락되도록 한다.
• 메시지, 노난, 만료 시간을 하나의 커밋먼트 $r_{i,j}$ 로 묶기 위해 해시 함수 $\mathcal{H}(e_i \| N_j^i \| T_j^i)$ 를 사용한다. 이 커밋먼트는 메시지 전송 이전에 방송된다.
• 수신자가 해시 커밋먼트를 검증하고 현재 시간이 만료 시간 $T_j^i$ 이전임을 확인하도록 하여 메시지의 신선도를 강제한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 SCADA 환경에서 AGA 12 표준 초안의 보안 메커니즘은 어떻게 악용될 수 있는가?
• RQ2 표준 암호 프로토콜의 직접 적용을 방해하는 SCADA 시스템의 핵심 제약 조건은 무엇인가?
• RQ3 공개 키 암호화나 고지연성 메커니즘에 의존하지 않고도 비상 브로드캐스트 시나리오에서 메시지의 진위성과 신선도를 어떻게 보장할 수 있는가?
• RQ4 경량이고 해시 기반의 프로토콜이 저대역폭, 실시간 제어 환경에서 증명 가능한 보안성과 충분한 신선도 보장을 제공할 수 있는가?
• RQ5 성능 오버헤드를 최소화하면서도 안전하고 확장성 있고 효율적인 통신을 가능하게 하는 설계 패턴은 무엇인가?

주요 결과

• AGA 12 표준 초안의 첫 번째 초안은 메시지를 위조하거나 지연시키는 재생 공격에 취약하여, 이를 탐지할 수 없다.
• 제안된 점대점 안전 채널은 대칭 키 암호화와 해시 기반 MAC를 사용하여 강력한 인증 및 무결성을 제공한다.
• 사전 브로드캐스트된 해시 커밋먼트를 통해 메시지, 노난, 타임스탬프에 대한 연결을 보장함으로써 인증된 브로드캐스트 프로토콜이 메시지의 무결성과 진위성을 보장한다.
• 개선된 비상 브로드캐스트 프로토콜은 메시지가 특정 만료 시간 $T_j^i$ 와 연계되도록 하여 약한 신선도를 보장하며, $T_j^i$ 이후 수신된 메시지는 거부한다.
• 공개 키 암호화와 고지연성 노난 교환을 회피함으로써, 저대역폭, 실시간 SCADA 환경에 적합한 프로토콜 설계를 이룬다.
• 수정된 비상 채널의 보안성은 공식적으로 입증되었으며, 악성 공격자가 메시지를 $T_j^i$ 이후로 지연시킬 수 없음을 보장하여 시간 제한된 신선도를 확보한다.