Utilize este identificador para referenciar este registo: http://hdl.handle.net/10451/20038
Título: Secure GPS clock synchronization in smart grids
Autor: Onica, Radu Petrut
Orientador: Neves, Nuno Fuentecilla Maia Ferreira, 1969-
Costa, António Casimiro Ferreira da, 1968-
Palavras-chave: Smart grid
GPS
Sincronização de relogios
Segurança
Teses de mestrado - 2015
Data de Defesa: 2015
Resumo: As smart grids resultaram da integração da rede elétrica atual no mundo digital. Isso traz várias vantagens às redes elétricas, como uma instalação, configuração e manutenção mais simples e eficiente, mas também a fácil integração na rede de novas tecnologias. Enquanto as redes elétricas continuam a crescer em dimensão e complexidade, elas tornam-se mais importantes para a sociedade e subsequentemente mais sujeitas a ataques distintos. Alguns dos objetivos mais importantes da smart grid são: acomodar uma grande variedade de tecnologias de produção de eletricidade como a eólica, solar e geotérmica; ser resiliente a ataques físicos e ciber-ataques; ter mecanismos de deteção, análise e resposta automática a incidentes; dar mais poder ao consumidor final sobre como e quando a energia pode ser comprada ou consumida. Para implementar actividades relacionadas com a monitorização do estado da smart grid, vários componentes especializados são geograficamente distribuídos pela rede. Um dos dispositivos críticos é o Phase Measurement Unit (Unidade de Medição de Fase) (PMU). Este dispositivo é usado para estimar o estado da smart grid num determinado momento, recolhendo várias métricas sobre a qualidade do sinal elétrico. Para se conseguir criar uma imagem geral da rede inteira, todos estes dispositivos necessitam de ser sincronizados no tempo, assegurando assim que as medições são efetuadas aproximadamente no mesmo instante. A sincronização do tempo desempenha um papel crucial na estabilidade e no funcionamento correto de todos os componentes da smart grid. Dada a importância da sincronização de tempo, e a falta de qualquer tipo de proteção nas soluções atuais, este sistema torna-se num alvo potencial para atacantes. Em conformidade com os standards, a precisão dos relógios dos PMU’s devem ter um erro máximo na ordem dos 30 µs. Isso garante que a informação recolhida sobre o estado da smart grid é válida. Hoje em dia este requisito é satisfeito usando equipamentos GPS em cada sítio onde se encontra um PMU. Quando o GPS foi concebido, não se pensou que podia vir a ter o sucesso e o impacto atual e, portanto, assegurar a sua segurança não foi um ponto importante. Ao longo do tempo passou a ser usado em infraestruturas críticas, o que introduz eventuais problemas graves de segurança. As smart grids são uma destas estruturas críticas onde o GPS está a ser usado sem qualquer tipo de proteção. Atualmente existe também uma versão segura do GPS que é empregue pelas forças militares. Os dispositivos que conseguem decifrar este sinal só estão disponíveis ao exército. Por além disso, todos os detalhes sobre o funcionamento do algoritmo de cifra são mantidos em segredo. Ao longo dos anos foram desenvolvidos vários tipos de ataques ao GPS. O mais básico é o Blocking que consiste simplesmente em impedir a comunicação entre a antena do recetor e o sinal GPS. Isso pode ser conseguido de uma maneira tão simples como tapar a antena com um bocado de metal. Um ataque que tenta também quebrar a ligação com o satélite é o Jamming. A ideia deste ataque é introduzir ruído suficiente para que o recetor não consiga distinguir o sinal original. Estes dois tipos de ataques só conseguem perturbar o funcionamento do recetor GPS. Um tipo de ataque mais potente é o Spoofing. Este ataque consegue modificar o sinal original vindo do satélite de forma a enganar o recetor. Assim é possível fazer com que o recetor GPS mostre uma posição¸ ou tempo incorretos. Nesta dissertação também foi analisada uma evolução deste ataque que tem como alvo a alteração ilegítima dos dados contidos no sinal. Isso pode fazer como que o recetor falhe ou deixe de poder ser usado. Os algoritmos de sincronização de relógios existentes hoje em dia, nomeadamente o Network Time Protocol (NTP) e o Precision Time Protocol (PTP), não são suficientemente robustos, em termos de segurança ou precisão, para serem utilizados na smart grid. O NTP foi concebido para a sincronização de relógios em redes de grande escala mas não consegue fornecer a precisão necessária para os requisitos da smart grid. Por outro lado temos o PTP que consegue atingir uma precisão na ordem dos nanosegundos em certas condições, mas é muito sensível a atrasos e oscilações na rede. Isso faz com que o PTP só consiga garantir uma precisão de tempo na ordem dos nanosegundos em redes de pequena escala. A smart grid usa uma rede de alta velocidade com relativamente pouco tráfego, o que torna o PTP uma possível solução para algumas partes dessa rede. Em termos de segurançaa, o PTP não está preparado para ser utilizado num ambiente tão crítico como a smart grid, sendo suscetível a ataques. O foco desta investigação é encontrar um algoritmo resiliente a faltas, capaz de satisfazer os requisitos de sincronização de tempo necessários para o correto funcionamento da smart grid. Foi desenvolvida uma solução baseada no PTP, que consegue cumprir os requisitos de precisão temporal na smart grid e também consegue mitigar todos os tipos de ataques ao GPS que foram identificados. Para além disso, a solução também permite reduzir o número de recetores de GPS necessários para o funcionamento correto da smart grid.
Smart grids resulted from the integration of computer technologies into the current power grid. This brings several advantages, allowing for a faster and more efficient deployment, configuration and maintenance, as well as easy integration of new energy sources (e.g., wind and solar). As smart grids continue to grow in size and complexity, they become subject to failures and attacks from different sources. Time synchronization plays a crucial role in the stability and correct functioning of many grid components. Considering how sensitive time synchronization is, the tight restrictions imposed for correct operation and the lack of any kind of protection, makes this service a potential prime target for attackers. Today most of the time synchronization requirements are met using relatively expensive GPS hardware placed in some locations of the smart grid. When GPS was first devised, nobody could have predicted the success and the impact that it would have and therefore, security was never an important concern. Through the years, it slowly gained entrance into more critical systems, where it was never intended to be used, which can lead to serious security problems. The smart grid is just one of these critical systems where GPS is being employed without any kind of protection. The focus of this research is trying to solve this problem, by proposing a more secure and robust clock synchronization algorithm. A solution based on the Precision Time Protocol (PTP) was developed that manages to fulfill the time synchronization requirements of the smart grid and is also capable of mitigating all types of identified GPS attacks. As an added benefit, the solution may also reduce the number of GPS receivers necessary for the correct operation of the smart grid, contributing to decrease costs.
Descrição: Tese de mestrado, Segurança Informática, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2015
URI: http://hdl.handle.net/10451/20038
Designação: Mestrado em Segurança Informática
Aparece nas colecções:FC-DI - Master Thesis (dissertation)

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