Enhancement of Cyber Security in Substation Projects

Abstract

This bachelor’s thesis was conducted for the Automation department at VEO Oy. The research was performed to better understand and be able to reduce the cyber security risks in VEO’s substation projects. The purpose of the thesis was to identify cyber security risks of the IEC 60870-5-104 communication between RTUs and SCADA systems and to find a cost-efficient and well-supported solution for mitigating these risks.

The theoretical part examines topics such as the OSI model, TCP/IP, and the IEC 60870-5-101/104 protocols. Additionally, it addresses topics such as the various phases of a cyber-attack, specific types of cyber-attacks, and mitigation solutions such as IEC 62351 and VPNs.

The first part of the empirical section describes the test environment that was set up for this thesis. The cyber-attacks presented in the theoretical part were then performed in the test environment. Having examined the attacks and their implications, a solution was presented and tested to assess its ability to effectively prevent these attacks.

The result of this thesis was an improved understanding of the cyber security risks of the IEC 60870-5-104 communication between RTUs and SCADA systems in VEO’s substation projects. A suitable solution to mitigate these risks was found in the IPsec VPN protocol.

Opinnäytetyö on suoritettu VEO Oy:n automaatio-osastolle. Tutkimus toteutettiin paremman ymmärryksen saavuttamiseksi ja kyberturvallisuusriskien vähentämiseksi VEO:n sähköasemaprojekteissa. Työn tarkoituksena oli tunnistaa IEC 60870-5-104-pohjaisen viestinnän RTU-laitteiden ja SCADA-järjestelmien väliset kyberturvallisuusriskit sekä löytää kustannustehokkaan ja vakiintuneen ratkaisun näiden riskien vähentämiseksi.

Työn teoreettinen osa käsittelee aiheita kuten OSI-malli, TCP/IP ja IEC 60870-5-101/104-protokollat. Lisäksi käsitellään kyberhyökkäyksien eri vaiheita, tiettyjä kyberhyökkäystyyppejä sekä eri ratkaisuja näiden hyökkäysten torjumiseksi, kuten IEC 62351 ja VPN.

Työn empiirinen osa alkaa kuvaamalla tätä työtä varten luotua testiympäristöä. Teoreettisessa osassa esitellyt kyberhyökkäykset suoritettiin tämän jälkeen testiympäristössä. Hyökkäysten ja niiden seurausten tutkimisen jälkeen esitettiin ratkaisu sekä testattiin ratkaisun kykyä estää hyökkäyksiä tehokkaasti.

Tämän työn tuloksena saavutettiin parempi ymmärrys IEC 60870-5-104-pohjaisen viestinnän RTU-laitteiden ja SCADA-järjestelmien välisistä kyberturvallisuusriskeistä VEO:n sähköasemaprojekteissa. Sopiva ratkaisu näiden riskien torjumiseksi löytyi IPsec VPN-protokollasta.

Examensarbetet har utförts för automationsavdelningen på VEO Oy. Undersökningen genomfördes för att bättre förstå och kunna minska cybersäkerhetsriskerna i VEO:s elstationsprojekt. Syftet med arbetet var att identifiera cybersäkerhetsriskerna med den IEC 60870-5-104-baserade kommunikationen mellan RTU-enheter och SCADA-system, samt att hitta en kostnadseffektiv och väletablerad lösning för att minska dessa risker.

Den teoretiska delen behandlar ämnen som OSI-modellen, TCP/IP och IEC 60870-5-101/104-protokollen. Därutöver behandlas ämnen som de olika skedena av en cyberattack, specifika typer av cyberattacker samt lösningar för att motverka dessa attacker, såsom IEC 62351 och VPN.

Empiriska delen inleds med en beskrivning av den testmiljö som byggdes upp för detta arbete. De cyberattacker som presenterades i den teoretiska delen genomfördes sedan i testmiljön. Efter att ha undersökt attackerna och deras konsekvenser presenterades och testades en lösning för att bedöma dess förmåga att effektivt motverka dessa attacker.

Resultatet av detta arbete var en förbättrad förståelse för cybersäkerhetsriskerna med den IEC 60870-5-104-baserade kommunikationen mellan RTU-enheter och SCADA-system i VEO:s elstationsprojekt. En lämplig lösning för att motverka dessa risker hittades i IPsec VPN-protokollet.