[论文解读] 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 9

一句话总结

EPICTWIN 提供了一款低成本、开源的物理智能电网试验平台（EPIC）数字孪生系统，用于网络空间安全研究、教学和渗透测试。通过使用虚拟机（VMs）和 Docker 虚拟化合并电器（IEDs）、可编程逻辑控制器（PLCs）、网络交换机和高级计量基础设施（AMI）设备，并利用 OVS 和 libiec61850 模拟真实通信协议，该系统可在无需物理硬件的情况下实现可扩展、可复现且逼真的网络攻击与防御实验，其保真度与物理试验平台相当，但成本仅为后者的几分之一。

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.

研究动机与目标

• 解决物理混合系统（CPS）试验平台在智能电网安全研究中成本高昂、可扩展性差且配置不灵活的问题。
• 开发一种数字孪生系统，精确复现真实 EPIC 试验平台的行为与网络保真度，以支持安全、可重复且可扩展的网络安全实验。
• 使研究人员和教育工作者能够在无需物理基础设施的安全虚拟环境中部署真实世界的网络攻击与防御措施。
• 通过模块化配置电力系统组件、网络拓扑和通信协议，支持端到端的安全测试。
• 通过提供低成本、开源的替代方案，降低研究人员和机构的入门门槛，替代昂贵的物理试验平台。

提出的方法

• 使用虚拟机（VMs）虚拟化所有合并电器（IEDs）、可编程逻辑控制器（PLCs）和网络交换机，以在软件定义环境中模拟物理组件。
• 在 Docker 容器中部署高级计量基础设施（AMI）设备，以实现轻量化、可扩展且隔离的智能电网通信测试。
• 使用 Open vSwitch（OVS）构建软件定义网络，以模拟真实的网络拓扑，包括 HSR 环形配置。
• 通过 libiec61850 C 库集成真实协议栈，确保与物理试验平台的协议保真度，支持 IEC61850、Modbus、MQTT、OPC-UA 和 MMS 协议。
• 集成攻击与日志模块（AD 和 AL），以系统化地部署中间人攻击（MITM）、拒绝服务攻击（DoS）和欺骗攻击，用于入侵检测系统（IDS）的基准测试。
• 使用标准市售笔记本电脑托管整个数字孪生系统，确保低成本部署和广泛可及性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在无需物理硬件的前提下，开发出保真度足够高的物理智能电网试验平台数字孪生系统，以支持逼真的网络安全测试？
• RQ2 该数字孪生系统中的虚拟化网络与协议栈在多大程度上复现了真实物理试验平台的行为与数据包捕获特征？
• RQ3 该数字孪生系统在可扩展且可复现的条件下，能否有效支持真实世界网络攻击与防御机制的部署与评估？
• RQ4 与传统物理试验平台相比，使用虚拟化数字孪生系统在成本与资源效率方面表现如何？
• RQ5 该数字孪生系统能否通过数据驱动与设计驱动两种方法，实现对入侵检测系统（IDS）的系统性基准测试？

主要发现

• EPICTWIN 数字孪生系统成功复现了物理 EPIC 试验平台的网络行为与数据包捕获特征，其嗅探输出与真实硬件部署结果完全一致。
• 通过使用 libiec61850，系统实现了协议级别的保真度，能够准确模拟变电站自动化中使用的 IEC61850 通信。
• 该数字孪生系统支持全规模的网络攻击仿真，包括中间人攻击（MITM）和拒绝服务攻击（DoS），其网络与过程数据与物理试验平台无异。
• 整个系统可部署于两台标准笔记本电脑上，使基础设施成本降低至物理试验平台（成本超过 €200 万）的几分之一。
• 虚拟化架构允许在无硬件限制的情况下轻松修改、扩展和重新配置电力系统组件与网络拓扑。
• 通过集成 AD 和 AL 模块，系统支持对入侵检测系统（IDS）的系统化、可重复且可基准化的评估，兼容数据驱动与设计驱动的检测技术。