Aqua-IT-Lab: Vorstellung der hybriden Simulationsumgebung

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1 Aqua-IT-Lab: Vorstellung der hybriden Simulationsumgebung Lehrstuhl für Wirtschaftsinformatik Prozesse und Systeme Universität Potsdam Chair of Business Informatics Processes and Systems University of Potsdam Univ.-Prof. Dr. Ing. habil. Norbert Gronau Lehrstuhlinhaber Chairholder August-Bebel-Str Potsdam Germany Tel Fax Web lswi.de

2 Stand des Projektes Anforderungsdefinition für das Labor Aufbau des Labors Aufbau der hybriden Steuerungssimulation Nächste Schritte Diskussion

3 Stand des Projektes Ziel 1: Strukturerhebung Durchführung einer Reihe von Fallstudien Auswertung der verwendeten Komponenten und Architekturen Identifikation von Elementkombinationen und Ebenen Ziel 2: Schnelltest Analyse unterschiedlicher IT-Sicherheitskataloge und Normen Bewertung, was für kleine und mittlere Versorger machbar ist Abstimmung mit Branchenstandards und Regulierungsvorgaben Ziel 3: Gestaltung einer Testumgebung Ziel 4: Gestaltung von Handlungsempfehlungen Detailanalyse der Netzstrukturpläne Identifikation von Testebenen und -elementen Konzeption einer Monitoringumgebung Gestaltung der hybriden Simulationskomponenten Vorlagen für Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen Vorgehen zur Risikoanalyse (orientiert an BIA) Matching zwischen Schnelltest und Handlungsvorschlägen Aufwand/Nutzen-Bewertung Im Zentrum dieser Präsentation steht die Testumgebung, welche aus der hybriden Steuerungssimulation, den Komponentensimulationen und der Softwaresimulation besteht.

4 Stand des Projektes Anforderungsdefinition für das Labor Aufbau des Labors Aufbau der hybriden Steuerungssimulation Nächste Schritte Diskussion

5 Vorgehen bei der Anforderungsdefinition Risikoanalyse auf Komponentenebene Gemeinsam mit Betreibern Identifikation der Funktionen und Bedeutung einzelner Komponenten im Versorgungsprozess Differenzierung zwischen Steuerung, Vernetzung und Office-IT Bestimmung der Systemgrenzen Bestimmung der Simulationskomponenten Analyse der Netzpläne Betrachtung der regionalen Verteilung Genauere Beschreibung der Kopplungselemente Identifikation typischer Aufbaumuster Bewertung der einzelnen Elemente und ihrer Exponiertheit Bestimmung der Systemelemente Bestimmung der Analysefähigkeiten Verbindung zwischen physischen Komponenten (reale Steuerungen), simulierten Komponenten (Soft-SPS, Inund Output-Simulation) und Effektsimulation Modellierung der hybriden Komponenten und Softwarekomponenten Datensammlung auf Signal, Komponenten und Netzwerkebene Festlegung der Abgriffspunkte Sammlung von Tools zur Überwachung Festlegung der Modellauswertung Die hybride Simulation bildet physisch Komponenten ab, welche einzelne Netzfunktionen koppeln oder einen signifikanten Einfluss auf die Versorgung haben. Andere Komponenten werden über Software abgebildet.

6 Abbildung der Standortschicht Kommunikationsschicht Systemschicht Geografische Verteilung wird berücksichtigt Unterschiedliche Übertragungstechnologien werden genutzt Verteilte und zentralisierte SCADA- Elemente werden berücksichtigt SPS-Architektur unterscheidet sich nach Größe des Standortes Single oder Multiple Points of Failure Abbilden der Bus-Topologie über unterschiedliche Abstraktionsebenen Abbilden der Vernetzung der Standorte über VPN Verbindung zur Office-IT über Firewall Interaktion mit lokaler Steuerung muss möglich sein Verbindung unterschiedlicher Steuerungskaskaden Unterschiedliche Abstraktionsebenen der Steuerung Einspeisen der Signale aus unterschiedlichen Ebenen in die Leitsystem, SPS, SCADA, Fernwirktechnik Darstellung der Effekte für die Versorgung und deren Lokalisierung Es müssen unterschiedliche Schichten in der Simulation abgebildet werden.

7 Analysefunktion Monitoring der Komponenten Zustand der Komponenten muss aufgenommen werden Sensorsignale und Steuerungsbefehle werden aufgezeichnet Aktionen der Komponenten werden an Effektsimulation übergeben Monitoring des Netzwerkverkehrs Angriffe erfolgen zumeist über die Manipulation des Netzwerks Zur Analyse der Kommunikation müssen die Netzwerkaktivitäten aufgezeichnet werden Darstellung des Systemzustandes Effekte des Verhaltens des Versorgungssystems Sammlung aller Systemdaten außerhalb der verwendeten Prozessleitsysteme, da diese kompromittiert werden können Zur Liveanalyse und zur nachträglichen Auswertung der Angriffe müssen die Aktivitäten aufgezeichnet werden.

8 Stand des Projektes Anforderungsdefinition für das Labor Aufbau des Labors Aufbau der hybriden Steuerungssimulation Nächste Schritte Diskussion

9 Identifikation von exponierten Systemelementen Steuerungsköpfe Eintrittspunkt in die verteilten Standorte Aktive Komponente zur Regulierung weiterer SPS Angriffspunkt: Steuerungsprogramme und Steuerungsbefehle Firewalls und VPN-Tunnel Abgreifen und Manipulation der Steuerungssignale Umgehen des Zoning Zentrale Regulierungsinstanz des Netzwerkverkehrs Angriffspunkte: Firewallkonfiguration, VPN- Verschlüsselung Prozessleittechnik/SCADA Systeme mit direkter Internetanbindung/DMZ Überblick über gesamte Infrastruktur Steuert weite Teile der Infrastruktur Verschleiert ggf. Angriffe Angriffspunkt: Betriebssystem und SCADA-Software Eintrittspunkt in die Infrastruktur Häufig zum Datenaustausch angebunden an die Steuerungssysteme Angriffspunkte: Netzwerkkonfiguration, Betriebssystem, Webserver Die hybride Simulation bildet exponierte Systemelemente real ab.

10 Abbildung Standort A Sensoren und Aktoren Office-IT Domain-Controller ERP, etc SCADA Standort B Simulierter Terminal Steuerungssimulation Simulierte Komponenten- Gruppe Firewall und VPN-Tunnel Steuerungskopf Steuerungskopf Prozessleittechnik Steuerungssimulation SCADA Datenbank Softwaresimulation Die Steuerungssimulation dient zum Abgreifen und Einspielen von Signalen und Befehlen zwischen Steuerungsbaustein und Sensoren bzw. Aktoren.

11 Elemente - Hybride Steuerungssimulation Ziel Abbildung der vielfältiger Outputgeräte Abgreifen der Befehle und Aktionen Einbindung realer Steuerungskomponenten Komponenten Siemenssteuerung (hier Logo, zukünftig S7) Raspberry Pi I/O-Interface Aktoren und Sensoren Hybride Steuerungskomponente ist das zentrale Element, welches die einzelnen Komponenten zusammenführt.

12 Inhalt Elemente - Simulierter Terminal/Komponentengruppe Das Fraktal Adaptive Produktion beschäftigt sich mit in der Praxis auftretenden Problemstellungen aus Produktion, Fertigung, Montage und Logistik. Hierbei spielen Wandlungsfähigkeit, Flexibilität und die ganzheitliche Analyse aller Produktionsobjekte und -prozesse eine wesentliche Rolle. Durch den Einsatz moderner Technologien, wie z. B. RFID und FunkZiel sensornetzwerken, können autonome und selbststeuernde Prozesse geschaffen werden. Auf diese Weise können Effektivität und Effizienz von Produktionsprozessen gesteigert werden. Möglichkeit zur Maschinenterminals Darstellung von Komponentengruppen (Wasserwerken) Ziele Sichtbarkeit der Effekte, Training des Wiederanlaufs t Entwicklung von Vorgehensmodellen zur Ermittlung Komponenten des optimalen Dezentralisierungsgrades von Produktionssystemen. t Entwicklung eines hybriden Labors zur LeistungsMicro-PC mit Linux und Webfrontend beurteilung unabhängiger Produktionsobjekte entlang der Supply Chain. TCP/IP-Verbindung Abruf der Simulation von hybrider Steuerungskomponente oder Projekte Soft-SPS t LUPO - Leistungsfähigkeitsbeurteilung unabhängiger Produktionsobjekte Suche/Biete Cubes stellen weniger exponierte Komponenten dar und zeigen die Effekte eines Hacks bzw. konsolidieren sie mehrere Steuerungen. t Wissenschaftliche Mitarbeiter t Studentische Mitarbeiter

13 Elemente - Netzwerkinfrastruktur Netzwerkverbindungen allgemein Darstellung des Zonings (falls vorhanden) Kopplung zwischen Netzsegmenten über physische Firewalls und ggf. Übernahme realer Konfigurationen VPN-Tunnel zwischen einzelnen Standorten Anschlüsse nach außen für Hacks Netzwerkverbindungen Steuerung Profibus, Modbus/TCP und EtherCAT wird real abgebildet über Anschluss von Klemmen Anbindung direkt an Prozessleittechnik oder WinCC

14 Erhoffte Ergebnisse Dynamische Testumgebung nahe an der Realität Verwendung für Livehacks Einfache Konfiguration unterschiedlicher Infrastrukturen Test von echtem Steuerungscode Einfache Übernahme der Konfiguration des Wasserversorgers Daten über Infrastrukturverhalten Abgreifen realer Steuerungssignale Beobachtung der Effekte von Manipulationen auf das Versorgungssystem Evaluieren von Angriffs- und Abwehrtechniken Trainingsumgebung Beobachtung und Interaktion mit gehacktem System Detektion und Wiederanlauf des Systems kann geübt werden

15 Stand des Projektes Anforderungsdefinition für das Labor Aufbau des Labors Aufbau der hybriden Steuerungssimulation Nächste Schritte Diskussion

16 Aufbau der hybriden Steuerungssimulation Wasserstandssensorsimulator inkl. Notaus- und Fehlersignale Pumpendrehzahlsimulator Netzwerkzugang zur Simulation Digital- sowie Analogsignaleingänge und Ausgänge Simulationssystem mit Prozessanzeige Industriesteuerung (Siemens Logo8! als erster Prototyp)

17 Konfiguration des Simulationssystems Raspberry PI mit SoftSPS auf Echtzeitlinux und I 2 C-Bus Prozessdarstellung über CODESYS- Visualisierung Abbildung aller realen I/O Operationen durch I 2 C-Module 17

18 Stand des Projektes Anforderungsdefinition für das Labor Aufbau des Labors Aufbau der hybriden Steuerungssimulation Nächste Schritte Diskussion

19 Nächste Schritte Erweiterung um Soft-SPS-Komponenten Implementierung der Komponentencubes Anbindung der Cubes an die Monitoring und Analyseinfrastruktur Erweiterung um Softwaresimulation Gestaltung der Datenbank Darstellung von Versorgungseffekten Abbildung von Komponenten mit Georeferenz Implementierung des Command/Controll und Monitoring Servers Datensammlung und -analyse (Datenexport) Abbildung und Konfiguration der Infrastruktur (Konfigurationsimport) Visualisierung der Effekte auf die Wasserversorgung Nachgestaltung der realen Infrastrukturen Kooperation mit Wasserversorgern Übernahme von Steuerungssystemen und SPS aus der Liveumgebung Konfiguration der Steuerungen am realen Beispiel

20 Stand des Projektes Anforderungsdefinition für das Labor Aufbau des Labors Aufbau der hybriden Steuerungssimulation Nächste Schritte Diskussion