[论文解读] sSCADA: Securing SCADA Infrastructure Communications

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

Smart Grid Security and Resilience被引用 12

一句话总结

本文识别出SCADA通信AGA 12标准初版草案中的关键漏洞，并提出一套优化的安全协议——点对点安全通道、经过认证的广播以及修订后的紧急通道——采用基于哈希的承诺机制与时间绑定的新鲜度，以防止在低带宽、实时控制环境中的重放和伪装攻击。

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.

研究动机与目标

• 解决传统SCADA系统中缺乏强大密码学安全的问题，这些系统对电网和水系统等国家基础设施至关重要。
• 识别并演示在AGA 12标准初版草案中可实际实施的重放攻击，证明其易受伪装和消息伪造攻击。
• 设计一套针对SCADA系统独特限制的安全协议：低带宽、实时响应以及计算能力有限。
• 在不依赖昂贵的公钥密码学或高延迟随机数交换的情况下，确保紧急广播消息的新鲜度。
• 提供一个可证明安全、轻量级的替代方案，以替代存在缺陷的AGA 12草案初版，适用于智能电网和工业控制系统集成。

提出的方法

• 提出一种基于对称密钥密码学和基于哈希的消息认证的点对点安全通道，以保护标准SCADA通信。
• 设计一种使用哈希承诺的认证广播协议，将消息与随机数和时间戳绑定，确保其真实性和完整性。
• 引入一种基于时间绑定承诺的认证紧急通道：每条消息均关联一组随机数和到期时间。
• 实现一种修订后的紧急广播协议，其中每条消息均与特定的到期时间 $T_j^i$ 绑定，确保仅在 $T_j^i$ 之前接收到的消息才被接受。
• 使用哈希函数 $\mathcal{H}(e_i \| N_j^i \| T_j^i)$ 将消息、随机数和到期时间绑定为承诺 $r_{i,j}$，该承诺在消息发送前广播。
• 通过要求接收方验证哈希承诺以及当前时间在到期时间 $T_j^i$ 之前，来强制实现新鲜度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在实际SCADA环境中，AGA 12标准初版的安全机制如何被攻破？
• RQ2 SCADA系统的关键约束是什么，导致标准密码学协议无法直接应用？
• RQ3 在不依赖公钥密码学或高延迟机制的前提下，如何确保紧急广播场景下消息的真实性与新鲜度？
• RQ4 轻量级的基于哈希的协议是否能在低带宽、实时控制环境中提供可证明的安全性与充分的新鲜度保障？
• RQ5 哪些设计模式能够在最小性能开销的前提下，实现在SCADA系统中安全、可扩展且高效的通信？

主要发现

• AGA 12标准初版草案易受重放攻击，攻击者可在不被检测的情况下伪造或延迟消息。
• 所提出的点对点安全通道通过使用对称密钥密码学和基于哈希的MAC，提供了强认证与完整性保护。
• 认证广播协议通过预先广播的消息、随机数和时间戳的哈希承诺，确保了消息的完整性和真实性。
• 修订后的紧急广播协议通过将消息与到期时间 $T_j^i$ 绑定，保证了弱新鲜度，防止接收超过 $T_j^i$ 的消息。
• 协议设计避免了公钥密码学和高延迟的随机数交换，因此适用于低带宽、实时SCADA环境。
• 修订紧急通道的安全性已正式确立：攻击者无法将消息延迟至其到期时间 $T_j^i$ 之后，从而确保了时间绑定的新鲜度。