Int ern at i onal  Journ al of Ele ctrical  an d  Co mput er   En gin eeri ng   (IJ E C E)   Vo l. 8 ,  No. 6 ,  D ece m ber   201 8 , pp.  4423 ~ 44 31   IS S N:  20 88 - 8708 ,  DOI: 10 .11 591/ ijece . v 8 i 6 . pp 4423 - 44 31     4423       Journ al h om e page :  http: // ia es core .c om/ journa ls /i ndex. ph p/IJECE   A Defense - in - de pth   Cyber securit y for Sm art Sub stat i ons       M.   N. D az ah r a ,  F. Elm aria mi ,  A . Belfqih , J. B ou khe ro uaa   Depa rtment  o f  E le c tri c al Net wor ks a nd  Sta ti c   Co nver te rs,   Nat ion al   super ior  Scho ol  of El ec tr ic i t y   and  Mec h anics,  Morocc o       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   Ma r 27 , 201 8   Re vised  Ma y  27 , 2 01 8   Accepte d  J un  10 , 201 8       The   inc r ea se  of  c y b er - a tt a cks  on  industri al   and  p ower  sy st ems   in  the   rec en t   y e ars  m ake   the  c y ber s ec uri t y   of  supervisor y   cont r ol  and  da ta   a cqu isit ion  an d   subs ta ti on  au to m at ion  s y st ems a  high  important   engi ne eri ng  issu e.   Th is  pape r   proposes  a  def e nse  in  dept h   c yber sec uri t y   solu t ion  for  sm art   su bstat ions  in  diffe ren t  lay e rs  of  the   subs ta tion  aut om at ion  s y stem.  In  fa ct ,   it   pre sent s   poss ibl e  vulne r a bil ities  in   the  subs ta ti on  aut om at ion  s y stem  an d  propose  a   m ult ipl e  lay e r  soluti on  base d  o n  best  pra ct i ce   i n  c y be r  s ec urity  such  as  the   har deni ng  ofd evi c es,   white l i sting,   net work   conf igura t ion,  net work  segm ent at ion ,   role - base d  a ccount  m ana gement  and  c y be r  sec ur i t y   m ana gement and   depl o y emen t.   Ke yw or d:   Cy ber sec ur it y   Def e ns e i n dept h   IEC6 1850   Sm art su bs ta ti on   Substat ion  aut om ation   Copyright   ©   201 8   Instit ut e  o f Ad vanc ed   Engi n ee r ing  and  S cienc e .    Al l   rights re serv ed .   Corres pond in g  Aut h or :   Dazah ra M oh a m ed  N ouh,    Dep a rtm ent o f El ect rical  N et works a nd Stat ic  Conver te rs,   Nati on al   superi or Sc hool  of   Ele ct rici ty  an d  M echan ic s ,   Road  El Ja did a , K m  7 , B P: 8 1 18, Oasi s – Ca s ablanca,  Mo rocco.   Em a il :  m .n .d azahra @g m ai l.com       1.   INTROD U CTION   The  po wer   gr i d  is  a  national  crit ic al   infr ast r uctu re  that  pla ys  an  i m po rtan t  pill ar  fo r  the  dev el op m ent   of   a  nation,  w hen   el ect rici ty   stop s  e ver yt hi ng  sto p.   T he  gr ow t h  of  pow er   gr id  a nd  the  use   of   c omm un i cat ion  te chnolo gies  m ake  it   vu l ner a bl e  to  cy be r - at ta cks,  te rror ist   at ta cks,   va nd al is m   and   ot her   t hreat s.  Accor din g  to   Nati on al   I ns ti tute  of  Sta ndar ds   a nd  Tec hnol og y  NI S T  the   threats  of   cy be r - a tt acks   on  Super visory  c on tr ol  an d  data acq uisit io n  SC ADA has   increase d four  tim es in th e las t y ears.   The  fi rst  at ta ck  on  a  powe r  gr i d  was  t he  at ta ck  on  a  Ukra inian  util it y  (Ivano - Fr a nkivs k)   SCA DA   i n  Decem ber   2015.  Fi rst,  the   ha cker   got  acce s s  to  the  SCA D A  an d  sta rted  disablin g  the   powe r  backu p  s yst e m .  The n,   he  blo c ked  the  c us to m er  cal l  centre s.  Finall y,  he  s ta rted  ope ning   ci rcu it   brea ke rs  a nd   delet in g  us e r’ s  accounts w hich  pr e ve nt  the operat or s   f ro m   cl os in g  the   ci rc uit  breake rs  t o  resto re n orm al   sta te .  the  dam a ges  of   these  at ta ck  w ere  a  disc onne ct ion   of  30   substat ion s  w hich  im pacted  225  00 0  cu stom ers  f or   3  hour s  [1] .     The  im pact o f  this att ack s ho ws  th e  necessit y of t akin g  act i on s  to  secu re t he powe r gr id   against cy ber - a tt acks.   Substat ion s a re  the h earth  of   t he  powe r  gri d,   and  the sec uri ty  o f  the pow e r  gr i d  nee ds  to  be  d one first   at   the  substat ion s   le vel.  As  new  m od er n  s ub sta ti ons  or  s m art  su bs ta ti ons  a re  based  on  I EC6 1850  st and a r ds   and   Et hernet  com m un ic at ion ;  al so ,  they   are  connecte d  to  S CAD A  an d  co rpor at e  n et wor k,   w hich  m ake  the m   m or e  vu lne rab l e  to  cy ber - at ta cks  [ 2].  Re cent ly ,  the  cy ber   s ecur it y  in  subs ta ti on s  has  rec ei ved   m or e  an d  m or e   at te ntion   [3 ] - [4] .   Ther e  ha ve  be en  m any  research es  a nd  act ion s  on  the  c ybersec ur it y  of  substat io ns .  In   fact,  the   Tech nical   Com m i tt ee  Nu m ber   57   TC5 7  of   the  I nternat ion al   Ele ct r otechn ic al   Com m issi on   I EC  has   al ready   dev el op e d  se ve ral  sta ndar ds   to  so l ve  sec ur i ty   pr oble m s  in  the  aut om ation   syst em   IEC  62351  sta ndar ds   f or  Power   syst em s  m anag e m ent  and  a s so ci at ed  i nfor m at ion   exc hange - d at a  a nd  com m un ic at ions     secur it y  [ 5 ] - [ 6 ] .  T he  I EC  62 443  sta ndar d  de fines  secu rity   f or  in du st rial   co ntr ol  syst em s  of   the   po wer  syst e m s.   These  sta ndar ds gi ve  a  guideli ne on h ow to  a pp ly  cybe rsec uri ty  in  operati on a nd m ai ntenan ce  [ 7 ] .    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
      IS S N : 2088 - 87 08   In t J  Elec   &  C om p  En g,   V ol.  8 , N o.   6 ,  Dece m ber   201 8   :   4423   -   4431   4424   More  resea rches  ha ve  be e n  done   on  t he   cy ber sec uri ty   of  the   subst at ion s.   I n  [ 8 ] - [ 10 ]   aut hors   pr ese nted  s olu t ion s  f or  intrusi on   detect ion   ba sed  on  IEC 61 850  pr oto c ol.  I n  [ 8 ] - [1 1 ]   so m e  cy ber sec ur it y  te st - bed  w he re  pr e sented   to   te st  and  detect   vulnera bili ti es  in  the  S ubsta ti on  A uto m a ti on   S yst e m   SA S  ba sed  on   fu zzy   te st.  S om e  research e s p rese nted   phys ic al   secur it y  usi ng  unidirecti onal   gate ways  [ 1 2 ] , while   oth e rs  we re   interest ed  i n  a ddin g  e ncr y ptio n  to  pr oto c ol [1 3 ].   Howe ver,  thes e  work s  sta y  in su f fici ent  f or   c ybersec ur it y  of  SA S  becau se   i t  will   be  too   la te   to  detect   an  intr us io n  if   it   is  no t  sto pped  at   first  place  because   unti l  the  zer o  day  at ta ck  the  hac ker   ca n  ca us e  seve r e   dam ages  on  th e  substat ion.   More ov e r,   t he   sta nd a r ds   have  not  bee n  im plem ented  by  m anu fact ur es   because   they   are  f oc u si ng   on  op e rati on  m or e  tha n  se cur it y,  f or  exa m ple  the  app li cat ion   of   t he  e ncr y ption   pro pose d  in   sta nd a rds  IEC 62351 - 5  cause d  a  tim e  delay  to  the  pac ket s  wh ic h  is  not   acce pted  in  t he  ope rati on   of  SAS.     The  pr opos e d  so luti ons  in  li te ratur e  f or   cy be rsecurit y  i n  su bs ta ti on  are  i n  m os t  tim e  no t  pr act ic al   or   c om plex   to  be  im ple m e nted  in  the  SAS.  Most  resea r ches  f oc us ed  on  exter nal  at ta cks  but  not  m u ch  on  ho w  to  preve nt   from   internal  at ta cks.   In   reali ty ,  there  is  m or e  requirem ents  of   in - de pth   in vestigat io n,   an al ysi s  and   pr ac ti cal   so luti on  f or   c ybersec ur it y.  To  this  en d,   this  pap e r  pro po s es  a  reali sti c  def ense  in   dep th  s olu ti on  f or   cy ber sec ur it y  in  sm art  su bs ta ti on s  base d  on   best  pr act ic es   in  cy ber secu ri ty   in  or der   to  pr e ve nt  interna l  and   exter nal treat s  of cy ber - at t ack s at dif fer e nt le vels  of  t he  S A S.   The  rem ai nd er   of   this  pap e r  is  or ga nized  a s  fo ll ow.  Sect ion   2  pr es ents  the  arch it ect ur e  of   sm ar t   su bst at ion s  with  the  IEC6 1850  pr oto c ol.   Sect ion   3  giv es  an  ov e rv i ew  of  the  cy ber   vu l ner a bili ti es  in  su bst at ion   a ut om ation   syst e m s  and   their  i m pact  on   s ubsta ti on   opera ti on .  Ba se d  on  the   vulne ra bili ti es   pr ese nted   in  s ect ion   2,   sect i on   4  pr e sents  a  fr am ewo r k  of   cy ber sec uri ty   fo r   substat io n.   Fi nally ,  sec ti on   5  con cl ud e s this  pap e r  a nd s ugge sts f utu re  r ese arch w ork.       2.   SU BST ATIO N A UTO M A TION  SYST EM  ARCHITE CTU RE   The  s ubsta ti on  autom at ion   s yst e m   in  s m art  su bs ta ti on  use s  a  three - la ye r  arc hitec ture   form ed  of  su bst at ion   le ve l,  bay  le vel  and   proces s  le ve l.  The  substat ion   le vel  c on ta i ns   H um an  Mach ine  I nter face s  that  disp la ys  t he  st at us   of  I E Ds,  bay  c on tr oller   an d  oth e r  de vices,  it   al lo w s  operat or s   to   co ntr ol  the   pri m ary   equ i pm ent  su ch  as  ci rc uit  breake rs  a nd   di sconnecto rs.   The  s ub sta ti on  le vel  co ntains  al so   e ngin eerin g  workst at ion   t ha t  al lows   co nfi gurati on  a nd  set ti ng s  of   a ll   dev ic es  in  the  substat io n.  The  s ubsta ti on   is   m on it or ed  rem otely   by  co ntr ol   centre  c onnec te d  via  a   gate way,  a nd  the  c omm un ic at ion   is  ens ur e d  acc ordi ng   to  so m e  protoc ols  su c h  as   IE C  60870 - 5 - 104,   IEC  60 870 - 5 - 101,  D NP3  or   t he  ne w  pro tocol  I EC6 1850 - 90 - 2  [14] - [ 15] .    The  bay  le vel  com pr ise s  In te ll igent  Ele ct ronic  De vices  IE D  su c h  as  num eric  protect ive   relay s,  bay   con t ro ll ers   an d  netw ork  a naly ser.   T he  proce ss  le vel  c on ta i ns   m arg in  unit   that  sen ds   per i od ic al   sam pled   value   of   th ree  ph a se s  cur re nt  an d  vo lt age  us in g  the  Sam pled  M easur e  Values  SMV;  al so ,  th e  pr oce ss  com pr ise s   intel li gen t  ci rcu it   br ea ker   tha t  con tr olled  by   Gen e ric  Obje ct - Or ie nted  S ubsta ti on   E ven t   GOOSE  [ 16] - [17].   The  i nterf ace s  betwee n  the se  three le vels are  two net wor ks .     The  substat io n  networ k  co nnect s  equ ip m ents  in  su bs ta ti on  le vel  with  de vices  in  bay  le vel.  I n  the   su bst at ion   net work  the   Ma nufactu rin g  Me ssage  Sp ec ific at ion   MM S  is  a dopted   f or   t he  cl ie nt/serve r   com m un ic at ion ,  the   Pr eci si on  Tim e  Pr oto c ol  PTP  def i ne d  in  IEEE  15 88   is  us e d  f or   high  preci sio n  tim e   synch ronisat io n  f or  the  S AS   [18],  ot her   pro tocols  s uc h  as  Si m ple  Netw ork  Ma nagem ent  Pr ot oco l  S N PM  is  us e d  f or   Ma na gem ent  of   S AS  netw ork,  File   Transfe r  Proto col  FTP  is use d  to  tra nsfer  se tt ing   to  I EDs  a nd  The   Hype rtext  T ra ns fe r  P r oto c ol  is  us e d  to   ge t  acce s s  to  e m bed ded   we b  ser ver   i n  s om e  IED s.   T he   process   netw ork  c onne ct s  the  bay  le ve l  and  the   pr oc ess  le vel,   w hile  G OOSE  a nd  SMV  a re  a dopt ed  f or  real   tim e  hi gh   sp ee d  c omm un ic at ion .   Fi gure  1 pr ese nts t he a rch it ect ure  of   a sm art su bs ta ti on .       3.   SU BST ATIO N  AU TO M A TION  SYST EMV ULNE R A BIL ITIE S   The  s ubsta ti on   is expose d  to  wide ran ge of   cy ber  th reats, t hese threat s ca n  be  ex te rn al  t hr eat s s uc h  as   te rr ori st,  sp yi ng   or   hack e rs ;  al so ,  they   can  be  inter nal   threats  inten ded   by  disgruntl ed  em plo ye es  or   inad ver te ntly   t hr eat s  ca us ed  i n  m ai ntenan ce  ph a ses.   Fig ure  2  de pict  the  sever al   points  f r om   wh ere  an  i ntrude r   can  get access   to the SA S.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec   &  C om p  En g   IS S N:  20 88 - 8708     A D ef e ns e - in - de pth   Cy bersec ur it y for  ….   ( D az ahr a  M oham ed  N ouh )   4425       Figure  1 .  Sm art substat ion  a rc hitec ture       Figure  2 .  Vuln erab le   points i n  a  sm art  su bs t at ion       The  si gn i ficat ion an d  t he  im pact o f  the i ntr uder  in  eac h p oin t f ro m   Figure  2  is  desc ribe d belo w.   a.   Po int  1: C on tr ol cen t re   If   th e  intr uder  get  acce ss  to   th e  co ntro l  ce ntr e,  he  ca n  se nd  con t ro l  orders  to  the  s ubsta ti on ’s  pri m ary   equ i pm ents, which   will  cause  a d ist urban ce   or a  black ou t t o  the  po wer sy stem .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
      IS S N : 2088 - 87 08   In t J  Elec   &  C om p  En g,   V ol.  8 , N o.   6 ,  Dece m ber   201 8   :   4423   -   4431   4426   b.   Po int  2: C orporate Net work   If   the  int rude r  get  acce ss  to  the  enter pri se  corp or at e  net work,  he  ca n  get  data  that  are  c onfide ntial   from  the substati on  s uc h  as  r eal  en er gy c onsu m ption .    c.   Po int  3:  Gat ew ay  f or c omm un ic at ion  w it h  c ontr ol cen tr e   The  i ntr ud e r  c an  do  a n  at ta ck   in  t wo  w ay s.  First,  a   m al war e  in  US B   key   because   gatew ay s  oft en  use   an  em bed de d  op e rati ng  syst e m   wh ic h  will   m ake  it   easi ly   i m ple m ented.   The  m al war e  c an  se nd  false  data  t o  con t ro l  cent re   and   co ntr ol  orde rs  to  the  prim ary  equ ipm ents.  Seco nd,  the  intruder  c an  pr et e nd  to  be  the   gateway  by  usi ng   a  sim ulator  of  le gacy  protoc ol  su c h  as   IEC6 0870 - 5 - 101,   IEC 6087 0 - 5 - 104  or  D NP3  a nd   sen d  false  m easur em ents  an d  da ta   to  the  con t ro l  ce ntre,  wh ic h  ca n   af f ect   app li cat ions  instal le d  in  con t rol   centre  t hat  us e   these  data  s uc h  as   ene r gy  m anag em ent  sys tem   or   distrib ut ion   m anag em ent  syst em .  Also ,   the   intruder s  can  interr upt  con t rol   or de rs  f ro m   con t ro l  cent re  and   se nd  false   feedback ,  w hi ch  can  distu r b  the   pow e r  syst em  f or exam ple in t he  case  of is olati ng  a  hea vy lo ad.   d.   Po int  4:  Gatew ay  f or c omm un ic at ion  w it h  e nt erp rise   The  sam e  case  at   point   3,  the   intr ud e r  ca n  pret en d  to   be  th is  gateway   an d  sen d  false  m easur em ents   wh ic h wil l affe ct  r ep or ts  u se d by the e nter pr i se or in fect t he  g at eway  by  U SB k ey  m al war e.   e.   Po int  5:  Hu m an  Ma c hin e  In te rf ace   The  HMI   is  one  of  the   cr ucial   point  t o  be  protect ed  i n  a  substat ion  beca use   it   co ntains  i nterf ace s  t o  con t ro l  t he  pr i m ary  equ i pm e nt  a nd  ha ve   m any  vu l ner a bili ti es.  I n  fact,  t he   in tr ud e r  c an   do  se ver al   at ta cks  i n  the  HM I,   f or  i ns ta nce ,  he   can   crack   the  pass word  of  the   use r’ s  acc ounts  a nd   sta rts  e xecut ing   c on tr ol  order s  t o  sh ut  down   t he  su bst at ion ;  al so ,  he  ca n  us e  a  fak e  IEC 61850  cl ie nt  an d  s end   c on t ro ls  to   diff e ren t  IEC 6185 0  serv e r s.  Besi de s,  he  ca n delet e arc hiv es a nd  use r’ s  acco unts  or in j ect  a m alw are  v ia  a  US B key.    f.   Po int  6: E ngin eerin g Work  st at ion   The  E WS  is  oft en  us e d  to  cha ng e  the  set ti ng   and   pa ram et er s  of   protect ive  relay s,  bay  cont ro ll er  an d  gateways.   I f  t he   intr ud e r  get  a ccess  to   the   E WS,  he   ca n  se nd  false   set ti ng  to   relay s  w hich  will   cause   trips  or   can  c hange  c omm un ic at ion   par am et ers  f or   t he  c omm u nicat ion   with  con t ro l  ce ntre   wh ic h  will   le ad  to   com m un ic at ion   inte rrup ti on.  Also ,   he  ca n  c hange  t he  S ubs ta ti on   Co nf i gu rati on  La ngua ge   of  I EDs   w hic h  wil l   disturb t he whole  S AS .   g.   Po int  7: stat io n b us   If   t he  i ntr ud e rs   get  acce ss  to   t he  sta ti on  bus  switc hes  he   ca n  us e  a n  IEC 6185 0  sim ulator   in  orde r  to  interr up t,   ta m per ,  pret en d  an d  rep la y  the  MM S,  SN MP   or   PTP  et hernet  pack et s  w hich  can   le ad  to  trips,   Den ia l  of ser vi ce D oS   by  pac ket sto rm  o r  er rone ou s  sync hron isa ti on  for  t he  en ti re s yst em .   h.   Po int  8:  IED   The  intr ud e r  can  get  acce ss  to  the  IE D  dire ct ly   fr om  the  c omm un ic at ion   fron t  port,  a vaila ble  in  the   total it y of  I E D s,  by  us i ng uns ecur e  c omm un ic at ion  pr oto c ol  su c h  as tel ne t.   The  intr uder  c an  cha ng e  t he  set ti ng ,  pa ram et ers  or   update   fau lt y  firm wa re  to  the  IE D  wh ic h  will   cau se  an   equ i pm ent f ai lure  or tri ps   of  ci rcu it  brea kers.   i.   Po int  9: P r oces s bus   If   t he  i ntr ud e rs   get  acc ess  t o  the  process   b us  switc hes  he  can  i nterru pt,  t a m per ,  pret en d  an d  re play   the GO OS ES  a nd S V  m essages which  can  lead to  trips , Do S.   j.   Po int  10: IE D C B   As  the  c ontrol  of   IE D  CB   is  connecte d  t o  th e  process  bus  by  Ether net,  t he   intruder  ca n  pr et e nd   t o  be   the  IE D  of  a  ci rcu it   bre a ker  an d  se nd  fals e  posit ion  w hi ch  will   cause  pro blem s  to  t he  op e rati on  of  th e   su bst at ion  a nd  the po wer sy stem .   k.   Po int  11: M er gi n  U nit   The  i ntr ud e r  c an  pr et e nd  to   be  t he  MU   a nd  se nd  false  m easur em ents  of  c urren t   an d  vo lt a ge  to   protect ive  relay s w hic h wil l  cause tri ps .   In   a dd it io n  to  these  points,  t her e  sti ll   oth e r   inad ver te ntly   threats  tha n  ca n  af fect  the  se cur it y  of   t he  su bst at ion s  s uc h  as  eq ui pm ent  fail ur e,  disco nn ect io n  of   e quipm ent’s,   los s  of   se r ver s  or  m isc on fig urat ion   of   IED w hich  m us t be ta ken in c on si der at io n o f  cybersec uri ty  o f  substat io n.       4.   DEFENSE  IN DEPTH  SOL UTIO N   Def e ns e  i n  de pt h  is  a  c oncept   insp ire d  from   the  m il i ta ry  where  a n  e nem y  c annot  def eat   e f fortl essly   a   com po und  a nd  m ulti - la ye red   def i nes  syst em   tha n  to   punctu re  a   sin gle  fe nc e.  T he  sam e  P rinciple  is   a pp l ie d  i n  the  dom ai n  of   inf or m at ion   syst e m s  by  the  use   of  m ulti ple  secur it y  co unte rm easur es  to  protect   the  i nteg rity   of   the in form at io n netw ork.    Def e ns e  i n  de pth   re du ce   th e  pro ba bili ty   t hat  a n  intr ude r  ca n  s uccee d  to  pe netrate  the  syst em .   De fe ns e in d e pt h  can also  hel p  to iden ti fy in tru der s wh o  at tem pt to  the sys tem . I f  an  intruder  gai ns  acces s to  a   syst e m ,  def ens e  in  de pth   reduce  the  har m fu l  i m pact  and   giv es  a dm inistr at ors  an d  e ngineers  ti m e  to  updat e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec   &  C om p  En g   IS S N:  20 88 - 8708     A D ef e ns e - in - de pth   Cy bersec ur it y for  ….   ( D az ahr a  M oham ed  N ouh )   4427   counterm easure s  and   pr e ven t   fu tu re  at ta c ks.   In   this  pa pe r ,  we  pro pose  a  def e ns e  in  de pth   s olu ti on  f or   the   cy ber sec ur it y  of   s ubsta ti on   a uto m at ion   syst e m   in  s m art  su bs ta ti on.  Fig ure  3  de pict  the  pro po se d  de fe ns e  in  dep t h  s olu ti on.   The  d if fer e nt l ay ers  of t his d e fen se  in de pth   are e xp la ine d  i n  Fi gure  3.           Figure  3 .  D e fe ns e i n dep t h  s ol ution       4 . 1.   Archi tect ure    The  loss  of  a  GOOSE  or   S V  in  the  case  of   com m un ic at ion   cable  fail ur e  ca n  le ad  to  disastr ous   dam ages  to  the  su bst at ion .  As   a  m itigati on   to  this  pro blem ,  we  enc o ur a ge  the  us e  of   redu nd a ncy  arc hitec ture   for  the  SAS.  F or   the  pr ocess   bu s,  it   is  recom m end ed  to  use   High   a vaila bili ty   sea m le ss   red un da ncy  (H SR )   protoc ol  an d  f or  the  substat io n  netw ork ,  it   is   reco m m end ed   to  us e  the  Par al le l  Re du nd a nc y  Pr oto c ol  (PR P)   as  desc ri bed in  IE C 624 39 - 3  sta ndar ds   [19]. T he se two seam le s s pro t oco ls  off er m or e sec ur it y t o  the  SAS a s any   loss  of   G OOS E or SV  pac kets can  b e  r ec ov e red in  0m s.   Secu rity   of   protect ive  relay s   can  be  e nhan ced  us in g  lo ca l  backu p  prote ct ion   as  prese nted  i n  [ 20]   wh ic h  offer   a   backu p  of   prot ect ive  relay   in   case  of  t heir  f ai lure  or   a   trip   fail ur e .   Also ,   we  e ncourage  to  us e   PTP  for  sy nchr on isa ti on  as   it   offer s   a  bette r  synch ronisat io n  acc ur acy   of  1u s   c om par ing  to  IRI G  wh ic h  offe rs  a sync hron isa ti on accu racy  of   1m s.     4.2. Ne twork   Segme ntati on   We  pro po se   to   segm ents  the  netw ork  of  s ubsta ti on  to  t hree  zo nes  s epa r at ed  by   fire wa ll s  as  it   will   offer  m or e  sec ur it y  beca us e   if  a n  int rude r  c om pr om ise   the  pe rim e te r  zo ne   he   m us t  co m pr omi se  the  oth e r  zon e s  beh i nd it  to get co ntr ol   of physi cal  equ ipm ent. Th ese  zon e s ar e  prese nted  i n  F i gure  4.           Figure  4 .  N et w ork  se gm entat i o n i n sm art su bst at ion   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
      IS S N : 2088 - 87 08   In t J  Elec   &  C om p  En g,   V ol.  8 , N o.   6 ,  Dece m ber   201 8   :   4423   -   4431   4428   Zo ne  3:  Is  a  D e m ilit arized  Zon e  wh ic h  co nt ai ns   the  gate w ay   fo r  c omm un ic at ion   with  en te rp rise  netw ork,   an d  it  sh ould  b e  v ia  a V i rtual P riva te  N et w ork.   Zo ne 2:  Co ntains t he  E WS, L og serve rs,   H MI and  gatewa y for c omm un i cat ion   with t he  contr ol cen t re .   Zo ne 1:  C onta ins t he  sta ti on bus  a nd the  pro c ess bus  with  MU, IE D  a nd Ci r cuit b reak e r .     4.3. Fi rew alls    Firewall   m us t   be  config ur e d  to  auth or ise   on ly   need e d  serv ic es  or   pr oto c ols  for  co m m un ic at ion  betwee n  the  th ree se gm ented z on e s.  T hese  wi ll  h ide the  n et work str uctu re  and d e vices  fro m  o utside v ie w .     4.4. Secure   Pr otoc ols   All  unsec ur e   prot oco l  or  cl ea r  te xt  prot oco l s  m us t  be  disabled  beca us e  da ta   su c h  as   use rn am e  an d  pass word  are  t r ansf e rr e d  with ou t  e ncr y ption and  a  sim ple  sn iffi ng  can g et  them .  we  encour a ge  to   us e   on ly   the   secur e  ver si on   for  exam ple.   Fo r  the  netw ork   m anag em ent  t he  us e  of   Sim ple  Netw ork  Ma nag em ent  Pr ot oco l  V3  SN MP v3  i ns te ad  of  S N MPv1  or  v2.  Fo r   file   tra ns f er  the  us e  of   Secu re  Fil e  Tr ansf e r  P ro t oc ol   SFTP  instea d  of   FTP .   For  web   ser ve r  the  us e  of   t he  sec ur e  Hyp ertext  Tra nsfer   Protoc ol  HT T PS  instea d  of  HTTP.   Fo r  device  c on fig ur at io n  t he use  of SS H Se cur e  S hel l i ns t ead  of Telnet .     4.5. Har denin g  Dev ic es   On e  of   best  sol ution   a gainst  inter nal  at ta ck  is  harde ning  de vices  in  s ub sta ti on s .   Harde nin g  de vice s   m ean  that  al l  unus e d  ports,  protoc ols  or   s e rv ic es  i n  a  de vice  m us t  be  disable d.   F or  each  e qu i pm e nt  in  t he  arch i te ct ure  w e  propose  s ome   act ion s  to  be   ta ken .   S witc he s:  The  first  ac ti on   is  to  disab le   the  def ault  a dm in   account  an d  cr eat e  new   acc ount  wit h  com plex  pass w ord.   The  sec ond  act ion   2  is  to  disa ble  unus e d  por ts  fo r   com m un ic at ion .  T he  thi rd   ac ti on   is  to  e na ble  se cur e   prot oc ol  an d  disable   unsecu re  protoco ls  s uc h  as  HTTP,   FTP  an d  Tel ne t.   Be sides,  w e  su ggest   to  a sso ci at e  ports  with  m edia  acce ss  co ntr ol  ( MAC)  ad dress   for  al l   dev ic es  i n  the  SA S .  I n  this  c ase,  If   t he  intr ud e r  trie s  to  c onnect  a  dev ic e  into  a  port  that   i s  assigne d  to  MAC   address  the  por t wil l be  disabl ed pre ve nting  acce ss to  t he n et work.   Com pu te rs:  G at eways  an d  HMI  a re  in dustria l  com pu te rs  that  ar e  r unning  on  wind ows  op e rati ng   syst e m .  The  first  act ion  is  to   be  sure  t hat  the  op e rati ng  s yst e m   is  installed  f ro m   trust ed  a nd  certi fie d  C D   because   en gine ers  of te n  inst al l  wind ows  f or m   m a te rial s  dow nlo a ded   from   the  interne t,  so   these  m a te rial s   cou l d  be  i nf ec te d  or   ha ve  s om e  vu lne rab il it ie s.  The  sec ond  act io n  is  to   instal l  the  la t est   updates  f rom   the  op e rati ng  syst e m   pr ov i der  tha t  correct   al l  vu lnera bili ti es  detect ed  in  pr e vi ou s   ver si on.  T he  thi rd  Acti on  is  t o  disable  al l  U S B  port  as  m alw ares   an d  vir us  can  be  i nj ect ed  via  U SB  ke y  dr ive rs.  Acti on  4  is  to  disa ble  al l  unus e d  se r vices,  a pp li cat ion  or  ports   in  t he   com pu te r.   IE D:  f or  the   bay   co ntr ollers  or  num eric  protect ive   relay s w e  sug ge st t o delet e d e fau lt   us er  and  pass word a nd  us e m or e c om plex  pa sswo rd.     4.6 .  Access   C ontr ol Man age ment   Anothe r  so l ution   for  protect ion   a gainst  in te rn al   treat s  can  be  done  by   us ing   acce s s  con tr ol   m anag em ent.  Fo r  t his  aim   we  su ggest   to  ap ply  the  reco m m end at ion   of   pa rt  8  f or m   IEC623 51,  w hich  i s  Role - base d  acce ss  con t ro l.  F or   eve ry  dev ic e  in  th e  su bs ta ti on  the  RB AC  sh ou l d  be  de plo ye d,   so   for  ever y  use r  in   the  substat io n  acce ss  sho uld   be  grun te d  on l y  for  ob j ect   c on ce r ning  this   us e r  ope rati on.  for  e xam ple,  so m e   op e rato r  will   hav e  acce ss  only   to  op en  or   cl os e  pri m ary  eq uip m ent  bu t  will   no t  hav e  acc ess  to  change  s et ti ng   of   relay   set ti ngs.  The  RB AC  al lows   to  di vide   acce ss  by  areas  of   ex pe rtise   wh ic h   pr e ve nt  from   un intenti on a l   op e rati on  fau lt   an d  from   disg r untl ed  em plo ye es.   For  c om pu te rs  base d  on  wind ow s   op e rati ng  syst e m ,  we  su ggest  t o use  a dom ai n  con tr oller to  secu re  authe ntica ti on   requests .     4.7 .  M on it or  Tr affic   The  Mo nitor i ng  of   lo ggin g  act ivit ie s   and   un s uccess fu l  lo gin  at tem pts  can  giv e  an  idea  ab out  the  way  us er  a re  op e rat ing   the   SAS.  F or   t his  ai m ,  we  sugg est   to   de pl oy  log s  syst e m   m anag er  w hi ch  will   colle ct   log s   from   all  dev ic es  us in g  Sysl og  pr oto c ol  fo ll ow i ng   sta ndar d  RFC 31 64   a nd   R FC  5424.   This  will   gi ve   the  po s sibil it y t o  c reate hist ori cal  audit  trail s of i nd i vidual u ser a ccount acce s s  acti vity .     4.8. Whi te - li st ing   In   a ddit ion   t o  the  antivir us   t hat  sho uld   be  instal le d  on  c om pu te r  we  s uggest  to  a dd  a  wh it e  li sti ng  pro gr am ,  this  will   al low  only   tr us te d  a ppli cat ion s  a nd  se r vi ces  declare d  i n  th e  li st  to   be   execu te d,  w hic h  will  Bl ock s a ny m a li ci ou s s of t ware, eve n  i f  it  is  unknow n.     4.9.  B ackup &  R es to re   On e   way  t o  e nh a nce  t he  S A S  secu rity   fro m   equ ipm ent’s  fail ur e   is  to  hav e   a  backu p  an d  re store   po li cy .   T he  ba ckup  a nd  resto re  of   com pu te r s  will   be   aut om at ic   us ing   de dicat ed  s oft wa re.  In  the   case   IE D   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec   &  C om p  En g   IS S N:  20 88 - 8708     A D ef e ns e - in - de pth   Cy bersec ur it y for  ….   ( D az ahr a  M oham ed  N ouh )   44 29   set ti ng  are  store d  in their in te rn al  m e m or y, s o  the b ac kup  w il l be  m anu al ly  b y t aking  a copy of  the last  k now n  validat ed  set ti ngs.   In   t he  case  of   a n  eq uip m ent   fail ur e ,  f or   e xam ple,  a  com pu te r  or  a  IE D   dam aged   due  to  an  ov e r vo lt age  i n  the  au xili ary  powe r  sup ply,   the  m ai ntenan ce  te am   can  change  t he  eq uip m ent  and   i nj ect   t o  backu p  set ti ng   w hich  will   off er  them   bette r  tim e  in  com par iso n  to   the  ca se  if  they   don’ t  hav e   a  backu p  a nd  sh oul d  c onfig ure it  fro m  zero.     4.10 .  Cyberse curi ty M ana ge ment    Cy ber  sec ur it y i s an  on go i ng   process t hat enc om passes  pro cedures,  poli ci es, softwa re,  a nd   ha rdware .   We  sugg e st  to  i m ple m ent  a  plan  for  m a nag i ng   inci de nce  res pons e  in  case  of   an y   extern al   or   internal  vu l ner a bili ty  r eported  fro m  the v e ndor  on any  d evice i n  t he SAS .  Fi gure  5 pr ese nts t he pr opos e  p la n .           Figure  5 .  Cy be rsecurit y m ana gem ent p la n       First,  if  a  detect ion   of  a  vu l ne rab il it y  occu r s,  an  im pact  a naly sis  on   the  SA S  s hould   be   carry  ou t.    The n,   a  Patc h  to  fix  t he  vuln erab il it y  sh oul d  be  f ound  an d  te ste d  befo re  bein g  ap plied  t o  the  S AS.  Fin al ly ,  a   repor t  a bout  t he  vu l ner a bili ty   sh ould   be  s har e d  with  othe r  ve ndors.   Cy ber sec uri ty   procedu res  a nd   po li ci e s  sh oul d  ha ve  a pp li ed  i n  earl y  ph ase  of   S AS   proj e ct   fo l lowing  the  cy ber   se c uri ty   lif e  cy cl e  pr ese nted  in     F igure  6 .           Figure  6 .  Cy be rsecurit y l ife c yc le       The  fi rst  ste p  is  to  determ ine  baseli ne  risk  and   secu rity   le vels.  T he  sec ond  ste p  is  to   desig n  the   syst e m   us ing   the  ap pro pr ia te   secur it y  m easur em ents  as  we  reco m m end ed.  The  thir d  ste p  is  to  i m ple m e nt  the  secur it y  m easur em ents  and   proce dures  with   the  pur pose  to  obta in  the  m ini m al   i m pact  on   t he  ope rati on   of  su bst at ion .  Fin al ly , th e cy bers ecur it y sh ould  be  m anag ed  b y  an  i ncide nce  r esp on se  p la n.         Disco ver  vu lnerabilities Impa ct  Analysis Disco ver  &   Test  P atc h Applay  P atc h Share  repo rt • D et er mine r i sk Ev al u ate • Secu r i t y  M eas u r es De sign • Implem en t   se c u r i t y  M eas u r es   Ap p ly • ma nage Cybe r  Sec u rity Control Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
      IS S N : 2088 - 87 08   In t J  Elec   &  C om p  En g,   V ol.  8 , N o.   6 ,  Dece m ber   201 8   :   4423   -   4431   4430   5.   CONCL US ION   Althou gh   th e  f act   that  the  defense  in  de pth   c om es  into  sight   to  be  a  com p le x  an d  fati guing   s olu ti on   to  im ple m ent  i n  s ubsta ti on  au tom a ti on   syst e m s,  it   is  m and at or y  to   a pp ly   i t  on  powe r  gr i ds  beca us e   the   c yber - at ta cks  bec ome   da ng e rous   to   substat ion s;  al so ,  t he  m ulti ple  la ye rs  of  sec ur it y  is  an  e f fici ent  way  to   preve nt   from   extern al   at ta cks  and   es pe ci al ly  fr om   int ern al   treat s  tha t  are  har d  to b e   detect ed  or  p r even te d  as  the  m ajo r  el e m ent in in te rn al  treat s  are   hu m an  w hethe r  at ta cks  a re i ntend e d o r un i ntention al   w ron g o per at io ns .   In   t his  pap e r,   first,  we  pr es e nt  the  sm art  s ub sta ti on  a rch i te ct ur e  based  on  the  IEC 61850  prot oc ol.  Seco nd,  we  pr esent  diff e re nt  vu lne rab le   po int  in  the  s ub s ta ti on   autom ation   syst em   of   a  s m art  su bs ta ti on .   Finall y,  we  pr e sent  the  def e nse   in  dep th  s olut ion .   I n  the  f utu re ,  the  de velo pm ent  of   intel l igent  crypt ogra ph i c   al gorithm s  wil l   m ake  the  app li cat ion   of   IEC 62351  sta nda r ds   easi er  an d  will   giv e  m or e  secur it y  to  su bs ta ti on   autom at ion  syst e m s.       REFERE NCE S   [1]   “ Anal y sis of   the  C y ber     At tack  o n  the Ukrai n ia n   Pow er  Grid” ,   De fen se  Us e  C ase   ,   Marc h   18,   2016 .   [2]   H y unguk  Yoo,  Ta eshik  Shon,  C hal l enge s  and  r e sea rch   dir ection s  for  het ero gen e ous  c y b er – ph y s i ca l  s y s te m   base d   on  IEC  61850:   Vulner abilities,  sec urity   req uir e m ent s,  and  se cu rity   a rch i te c ture,   In  Future  G enerat ion  Com put er  S y stems ,   Volum e  61,   2016,   Page s 128 - 136,   ISS N 0167 - 739X.   [3]   J.  Cai ,   Y.  Zhe n g  and  Z.   Zhou,  "Revi ew  of  c y ber - sec uri t y   challe ng es  and  m ea sures  in  s m art   s u bstat ion" ,   2016   Inte rna ti ona l  Co nfe ren c e  on   Sm art   Grid  and  C lea n  Ene rg y   T ec hn ologi es  (ICSG CE),   Ch engdu, 20 16,   pp .   65 - 69 .   [4]   R.   Doroth y ,   Sa sila tha,  "S m art   Grid  S y stems   Based  Surve y   o n  C y ber   Secur i t y   Iss ues",  Bull e ti n  of  E le c tri c al   Engi ne eri ng  and   Inform at ic s   , Vo l.   6 ,   No .   4 ,   De cem ber   2017,   pp .   3 37~342 .   [5]   Rom an  Schle ge l,   Sebast ia n  Ob ermei er ,   Johann es  Schnei der ,   A   sec urity   evalua ti on  of  IEC  62 351,   Journal  of   Inform at ion  Se c urity   and  Appli c at ions,   Volum e 34,  Part   2,   2017,   P age s 197 - 204 ,   ISS N 2214 - 2126 .   [6]   Cle veland  F.  IE C  62351  sec urity   stand ard s  for  the   power  s y ste m   informati on  infra struct ur e.   W hit e  pap er,   ver .   14.   Inte rna ti ona l El e ct rot ec hni ca l   Co m m is sion;  June  2012 .   [7]   Industria l   Com muni cation  Ne tworks  -   Network an d  S y stem Se cur ity ,   IEC   Std.   6244 3.   [8]   Yi  Yang,   K.  McLa ughli n ,   Lei  Gao,   S.  Seze r ,   Yubo  Yuan  and  Yanfe ng  Gong,  "Intrusion  det e ct ion   sy st em  for  IE C  61850  base d  smart   subs ta ti ons " ,   2016  IEE E  Pow er  and  Ene rg y   Societ y   Gen era l  Mee ti ng  (PESG M),  Boston,  M A,  2016,   pp .   1 - 5.   [9]   U.  Prem ara tne ,   C.   Li ng,   J.  Sam ara bandu  and  T .   Sidhu ,   "P oss ib il isti c  dec ision  t ree s  for  Intrusion  Dete ct ion  in   IEC61850  aut o m at ed  subs ta ti o ns" ,   2009  Inte rna ti on al   Confer en ce   on  Industria l  and  Inform at ion   Sy st ems   (ICIIS ),  Sri L ank a, 2009, pp. 204 - 209.   [10]   U.K.  Prem ara tn e,   J.  Sam ar aba n du,   T . S.  Sidhu,   R.   Ber esh  an d   J.C.   T an,   "A n   Intrusion  Det e ct ion  S y s te m   fo r   IEC61850  Auto m at ed  Subs ta ti o ns " ,   in  IE EE   Tr ansa ctions  on  Pow er  Deli v er y ,   vol.   25 ,   no.   4,   p p.   2376 - 2383,   Oct .   2010.   [11]   Y.  Yang  et   al.,   "C y ber se cur ity   t est - bed  for  I EC  61850  base d  sm art   subs ta ti ons " ,   2015  IEEE  Pow e r  &  Ener g y   Socie t y   G ene r al   Mee ti ng ,   Denv er ,   CO,   2015,   pp.   1 - 5.   [12]   Introduc t ion  to  wate rfa ll   unidi r e ct ion al   sec uri t y   gat ewa y s:  tru e  unidi re ct ion al i t y,   true   sec uri t y .   Te chn ic a l  rep ort .   W at erf all  Se cur i t y   Soluti ons   Lt d . ;  Augus t  2012.   [13]   Naia ra  More ira ,   El ía s  Molina ,   Jesús   Lá za ro,   E duar do  Jac ob,   Arm ando  As ta rloa ,   C y ber - se cur ity   in  subs ta ti o n  aut om at ion   s y st e m s,  In  Rene wab l e  and   Sus ta in able  En erg y   R evi e ws ,   Volum e  54,   2016,   Pages   155 2 - 1562   [14]   IEC  61850 - 1  S ta ndar d   ed2 . 0.   Com m unic at ion  net works   and   s y stems   for  po wer  utilit y   aut o m at ion — Part  1 :   Introduc t ion  and   over vi ew;  Mar c h  2013.   [15]   IEC  61850 - 90 - 2  Standa rd  ed1. 0 .   Comm unic at ion   net works   and  s y stems   for  power  uti li t y   aut om ation — Part  90 - 4:   Network  engi n e eri ng  gu ide l ine s;   Augus t  2013.   [16]   IEC  61850 - 8 - 1  Standa rd  ed2 . 0.   Com m unic at io n  ne tworks  and   s y stems   for  po wer  uti l ity   aut o m at ion — Part  8 - 1:  Speci fi c  comm unic a ti on  servi ce  m appi ng  (SCSM) — m appi ngs  to  MM S  (IS O  9506 - 1  and  ISO   9506 - 2)  and  to   ISO /IE C  8802 -   3;  June  2011 .   [17]   IEC  61850 - 9 - 2  Standa rd  ed2 . 0.   Com m unic at ion  net works   and  s y stems   for    po w er  uti l ity   aut o m at ion — Part  9 - 2:  Speci fi c  comm unic a ti on  serv ice m appi ng  (SCS M ) — sam ple d  val u es  over   ISO /IE C   8802 - 3;  Sep te m ber   2011.   [18]   IEE E  C37. 238 - 2 011.   Standa rd  pr ofil e  for  use  of  IEE E  1588  pre c i sion  ti m e  protocol  in  power  sy st em  appl ic a ti ons;   Jul y   2011 .   [19]   IEC  62439 - 3  ed 2. 0.   Industri al   c om m unic at ion  n et works — high  a vai l abi lit y   au to m at ion  net works — Part  3:  Para llel   red undancy   prot ocol   (PRP )  and   higha va il ab il i t y   sea m le ss   red und ancy   (HS R);   July   2012   [20]   M.N.  Daz ahr a ,   F.  El m ariam i,  A.  Bel fq ih,  J.  Boukherou aa  . "S m art   Local   Bac kup  Prot e ct ion  for   Sm art   Subs ta ti on",Inter nat ion al   Journa l of E l ec tr ical and   Com pute r  Eng i nee ring   (IJECE)   , Vol  7 ,   No 5               Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec   &  C om p  En g   IS S N:  20 88 - 8708     A D ef e ns e - in - de pth   Cy bersec ur it y for  ….   ( D az ahr a  M oham ed  N ouh )   4431   BIOGR AP H I ES   OF  A UTH ORS       Daz ahr a  Moham ed  Nouh  has  obt ai ned  it s  state  elec tr ic i t y   engi ne e ring  degr ee   in  2 012  from   the   superior   Nat ional  School  of   elec t ric ity   and  M ec h ani cs  ( ENSEM).   Curre ntly   D aza hra   is  pursuing  his  Ph.D.  Degre e  progra m m e  in   El e ct ri cal  Pow e r  Engi ne eri ng  at  ENSEM.  He  is   a  m ember  of  La bora tor y   of  El e ct ri ca l  Ne tworks  and  Stat ic  Convert ers  in  ENSEM.  His  rese arc h  intere sts   inc lud e  power   sy stems   stab il i t y   using FACTS,  Sm art   Grid  and  S m art   subs ta ti on .         El m ari ami  Fa issal  Profess or  at  the   Super ior  Nati ona l  School   of  elec tri c ity   and  m ec han ic s   Casabl an ca,  elec tri c al   eng ineeri n g  depa rtment .   M ember  of  the   stu d y   t ea m   "El ec tr i ca l  Ne tworks   and  Sta ti c   Conv ert ers".   He  work s ont he  st abi l ity   of  the electri ci t y   net work a nd   sm art   gr ids         Bel fqih  Abde laziz   Profess or  a t  the   Na ti on al  High  School  of  El e ct ri cit y   a nd  Mec hanics  (Unive rsit y   Has san  II  of  Casab l anc a  -   Morocc o ).   PhD ,   Engi n eer  and  hold er  of  the   Univer si t y   Habil itati on  se a rch es  (HD R).   Hea d  of  the   re sea rch   t ea m   "Ele c tri c al   Networ ks  and  Stat ic  Convert ers. “ Teac her   rese arc h er   cur ren t l y   workin g  on  e lectr i ci t y   n et work a nd   sm art   grids         Boukheroua a  Ja m al   Profess or  A bil ity   to  Dire c t  Resea rch   at   th e  Nati ona l  School   of  El ectri ci t y   and  Mec han ic s  ( ENSEM  -   Hass a n  II  Univer sit y   of  Casabl an ca ) .   Doctor   Engi n ee r   and  holde r   of  HD R.   RECS Res ea rch   Team   Leade r. Curre n tly   working  on  high - fre quency   sta ti c   conve r te rs.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.