Diseño e implementación de un sistema para detección automática de ciberataques en instalaciones críticas

Abstract

El proyecto trata de diseñar una aplicación informática con conectividad a sistemas SCADA a través del protocolo de comunicación industrial OPC con el objetivo de detectar ciberataques en los dispositivos que conforman el sistema de control (autómatas programables, accionamientos, sensores, el propio SCADA). Se han utilizado técnicas de monitorización estadística multivariante, concretamente modelos estadísticos basados en el Análisis de Componentes Principales (PCA) y en los gráficos de control T2 y SPE. Con ello se ha conseguido realizar una monitorización en línea del estado de la instalación, generando los avisos, las alarmas y las recomendaciones correspondientes cuando se detecten comportamientos anómalos. El desarrollo se ha aplicado a dos casos prácticos. El caso principal es la detección de ciberataques en una red de distribución de agua propuesta en la competición BATADAL (BATtle of the Attack Detection ALgorithms). Este caso práctico se planteó en el área de ingeniería hidráulica dentro de las actividades de la Environmental & Water Resources Institute (EWRI) perteneciente a la American Society of Civil Engineers (ASCE). El segundo caso es la detección de los diferentes fallos en la instalación de flujo multifase de la Universidad de Cranfield. Los datos de este caso han sido publicados en el sitio MATLAB Central para su posterior uso en benchmarks relacionados con el control estadístico de procesos. Para el diseño y la implementación de la aplicación se han utilizado los entornos de desarrollo integrado MATLAB y LabVIEW.

The project tries to design a computer application with connectivity to SCADA systems through the industrial communication protocol OPC with the aim of detecting cyber-attacks on the devices that make up the control system (programmable automata, drives, sensors, the SCADA itself). Multivariate statistical monitoring techniques have been used, specifically statistical models based on Principal Component Analysis (PCA) and control charts T2 and SPE. With this, it has been possible to carry out an online monitoring of the state of the installation, generating warnings, alarms and corresponding recommendations when anomalous behaviors are detected. The development has been applied to two practical cases. The main case is the detection of cyberattacks in a water distribution network proposed in the BATADAL competition (BATtle of the Attack Detection ALgorithms). This case study was raised in the area of hydraulic engineering within the activities of the Environmental & Water Resources Institute (EWRI) belonging to the American Society of Civil Engineers (ASCE). The second case is the detection of the different faults in the multiphase flow installation of the University of Cranfield. The data of this case have been published in the MATLAB Central site for later use in benchmarks related to statistical process control. The MATLAB and LabVIEW integrated development environments have been used for the design and implementation of the application.

El projecte tracta de dissenyar una aplicació informàtica amb connectivitat a sistemes SCADA a través del protocol de comunicació industrial OPC amb l’objectiu de detectar ciberatacs en els dispositius que conformen el sistema de control (autòmats programables, accionaments, sensors, el propi SCADA). S’han utilitzat tècniques de monitoratge estadístic multivariant, concretament models estadístics basats en l’Anàlisi de Components Principals (PCA) i en els gràfics de control T 2 i SPE. Amb això s’ha aconseguit realitzar un monitoratge en línia de l’estat de la instal·lació, generant els avisos, les alarmes i les recomanacions corresponents quan es detecten comportaments anòmals. El desenvolupament s’ha aplicat a dos casos pràctics. El cas principal és la detecció de ciberatacs en una xarxa de distribució d’aigua proposada en la competició BATADAL (BATtle of the Attack Detection ALgorithms). Aquest cas pràctic es va plantejar en l’àrea d’enginyeria hidràulica dins de les activitats de l’Environmental & Water Resources Institute (EWRI) pertanyent a l’American Society of Civil Engineers (ASCE). El segon case és la detecció de les diferents fallades en la instal·lació de flux multifase de la Universitat de Cranfield. Les dades d’aquest cas han sigut publicats en el lloc MATLAB Central per al seu posterior ús en benchmarks relacionats amb el control estadístic de processos. Per al disseny i la implementació de l’aplicació s’han utilitzat els entorns de desenvolupament integrat MATLAB i LabVIEW.