Sicherheit cyber-physischer Energiesysteme: Bedrohungsmodellierung, Risikobewertung, Ressourcen, Kennzahlen und Fallstudien

Cyber-physische Systeme (CPS) sind vernetzte Architekturen, die analoge und digitale Komponenten sowie Kommunikations- und Rechenressourcen für ihren Betrieb und ihre Interaktion mit der physischen Umgebung nutzen. CPS bilden das Rückgrat von Unternehmensumgebungen (z. B. Smart Cities), der Industrie (z. B. Smart Manufacturing) und kritischen Infrastrukturen (z. B. Energiesystemen). Aufgrund ihrer entscheidenden Bedeutung, ihrer Interoperabilität und der Vielzahl an Rechengeräten sind sie daher bevorzugte Ziele für böswillige Angriffe, die darauf abzielen, ihren Betrieb zu stören. Angriffe auf cyber-physische Energiesysteme (CPES) können angesichts ihrer systemkritischen Rolle innerhalb der Stromnetzinfrastruktur katastrophale Folgen haben. Die Sicherheit von CPES lässt sich durch die Nutzung von Testumgebungen verbessern, um „ Energiesysteme “ Betriebsbedingungen nachzubilden und zu verstehen, Schwachstellen aufzudecken, Sicherheitsmaßnahmen zu entwickeln und den Netzbetrieb unter fehlerbedingten oder böswillig konstruierten Szenarien zu bewerten. Die angemessene Modellierung und Reproduktion des Verhaltens von CPS kann eine anspruchsvolle Aufgabe darstellen. In diesem Beitrag geben wir einen umfassenden Überblick über die CPS-Sicherheitslandschaft mit Schwerpunkt auf CPES. Insbesondere demonstrieren wir eine Methodik zur Bedrohungsmodellierung, mit der die CPS-Elemente, ihre Wechselbeziehungen sowie mögliche Angriffseinstiegspunkte und Systemschwachstellen genau dargestellt werden können. Auf der Grundlage der formulierten Bedrohungsmodelle stellen wir ein CPS-Framework vor, das darauf ausgelegt ist, die „ hardware “, „ software “ und Modellierungsressourcen abzugrenzen, die erforderlich sind, um das CPS zu simulieren und hochpräzise Modelle zu erstellen, mit denen die Systemleistung unter widrigen Szenarien bewertet werden kann. Die Systemleistung wird anhand szenariospezifischer Metriken bewertet, während die Risikobewertung eine Priorisierung der Systemschwachstellen unter Berücksichtigung der Auswirkungen auf den Systembetrieb ermöglicht. Das übergreifende Rahmenwerk zur Modellierung, Simulation, Bewertung und Abwehr von Angriffen in einem CPS wird anhand von vier repräsentativen Angriffsszenarien veranschaulicht, die auf CPES abzielen. Das Hauptziel dieses Beitrags ist es, einen schrittweisen Prozess aufzuzeigen, mit dem sich eingehende Cybersicherheitsanalysen durchführen lassen, was zu widerstandsfähigeren und sichereren CPS führt.