Aplicando SDN em Smart Grids e Redes de Telecomunicações

Aeronáuticas

Msc. Márcio de Freitas MiniczProf. Dr. Alessandro Anzaloni

Prof. Dr. Ulrich HoffmannPedro Bittencourt Arruda

Instituto Tecnológico de Aeronáutica

Parceiros

SDN em Smart Grids

O Grid Elétrico

O que é Smart Grid

Comunicação Intra-subestação

Smart Grid Intra-subestação

● Pode haver centenas de IEDs por Subestação

● Todos os IEDs geram e consomem informações

● Cada IED participa de vários grupos de mensagens (multicasting)

● Nas redes tradicionais são utilizadas VLANs

– Uma VLAN para cada grupo

– As VLANs evitam um possível congestionamento na rede

Latência/Congestionamento

● Mensagens com limite superior da ordem de ms de latência

– Caso ocorra violação desse limite será considerado falha no sistema elétrico, mesmo que seja devido ao congestionamento

● Como implementar um controle efetivo em comutadores de camada 2 tradicionais?

– Uso de engenharia de tráfego é difícil devido ao uso do Spanning Tree

● O Controlador SDN pode facilmente gerenciar o tráfego e controlar o congestionamento (ex. redirecionar algum tráfego através de enlaces alternativos)

Tópico de Pesquisa

● SDN para topologia robusta a falha para aplicações críticas no tempo.

● Objetivo

– O Smart Grid sendo uma aplicações críticas no tempo, na presença de falhas na rede de comunicação, deve ser capaz de se recuperar o mais rapidamente possível.

OpenFlow Tolerante à Falhas

● Trabalhos anteriores:

– CORONET (OpenFlow 1.0)

– FatTire● O OpenFlow 1.1 introduziu o Fast-Failover Group

– Permite que um grupo de ações seja associada à uma regra de match

– Cada ação é relacionada com uma porta

– Executa a ação da primeira porta ativa

Exemplo de Fast-Failover

IED A IED B IED C

SW 1 SW 2

A B C CBA

D D

Grupos de Mensagens:1) do IED A para o IED C2) do IED B para o IED C

Match Instrução

InPort = A Grupo 1

InPort = B Grupo 1

InPort = D Grupo 2

Match Instrução

InPort = A Grupo 1

InPort = B Grupo 1

InPort = D Grupo 2

Grupo Tipo Ações

1 FF <Fwd C>, <Fwd D>

2 FF <Fwd C>

Grupo Tipo Ações

1 FF <Fwd C>, <Fwd D>

2 FF <Fwd C>

OpenFlow Tolerante à Falhas

● Vantagens do Fast-Failover:

– De simples implementação (já está disponível no hardware)

– Não tem fase de reconvergência

– Não precisa de intervenção da controladora● O que está sendo feito...

– Medida de desempenho em um ambiente real

– Desenvolvimento de uma metodologia para aplicar em redes que precisem ser robustas e críticas no tempo

SDN em Redes de Telecomunicações Aeronáuticas

Arquitetura Básica

Intranet

RedeOperacional

ServidorATC

Equip.Fusão

Sinal deRadar

ADS-B

GPS

Principais Ataques ao ADS-B

● Origem

– RF (ADS-B)

– Intranet● Destino

– Controlador● Tipo

– Lógico/Aplicação (RF ou Intranet)

Injeção de Aeronave Fantasma

Principais Ataques ao ADS-B

● Origem

– RF (ADS-B)

– Intranet● Destino

– Controlador● Tipo

– Lógico/Aplicação (RF ou Intranet)

Inundação da Estação de Terra

Intranet

RedeOperacional

ServidorATC

Equip.Fusão

Sinal deRadar

ADS-B

GPS

Principais Ataques ao ADS-B

● Origem

– RF (ADS-B)● Destino

– Controlador● Tipo

– Lógico/Aplicação (RF)

Modificação de Trajetória de uma

Aeronave

Principais Ataques ao ADS-B

Desaparecimento de Aeronaves ● Origem

– RF (ADS-B)● Destino

– Controlador● Tipo

– Físico (jamming)

Implantando SDN em ATN

ServidorATC

Equip.Fusão

Sinal deRadar

ADS-B

ControladoraSDN

Intranet

Mitigando Ataque via SDN

ServidorATC

Equip.Fusão

Sinal deRadar

ADS-B

ControladoraSDN

Intranet

● Ataques

– Aeronave fantasma

– Inundação de aeronaves

● Defesa – O controlador analisa cada fluxo:

– Está entrando pela porta correta?

– Os endereços MAC/IP são corretos?

– É uma mensagem ADS-B?

Trabalhos Futuros

● Implementar uma NetApp para identificação da fonte

● Implementar uma NetApp para detecção de mudança de trajetória (provável necessidade de consolidação com o plano de voo da aeronave)

● Identificar parâmetros de desempenho

● Utilizar simuladores/emuladores (exemplo: OMNeT++)

Obrigado!!

Equipe de Pesquisa

● Prof. Dr. Alessandro Anzaloni (ITA)

● Msc. Márcio de Freitas Minicz (ITA)

● Ten.-Cel. Dr. Alexandre de Barros Barreto (ICEA)

● Prof. Dr. Carl Hebert Rokytanski (USBG)

● Dr. Max Ehammer (USBG)

● Prof. Dr. Ulrich Hoffmann (USBG)

● DI (FH) Thomas Pfeiffenberger (Salzburg Research)

● Dr. Eng. Jia Lei Du (Salzburg Research)

● DI (FH) Georg Panholzer, MSc (Salzburg Research)

● Pedro Bittencourt Arruda (ITA)

Bibliografia

● Zargar et al.: A survey of defense mechanisms against distributed denial of service (DDoS) flooding attacks, IEEE Communications Surveys & Tutorials, Vol. 15, nº 4, 2013

● Schäfer et al.: Experimental analysis of attacks on next generation air traffic communication, Applied Cryptography and Network Security,Lecture Notes in Computer Science Volume 7954, 2013, pp 253-271

● Strohmeier et al.: Security of ADS-B: State of the art and beyond, arXiv: Computer Science - Cryptography and Security; Computer Science - Networking and Internet Architecture,arXiv:1307.3664, 2013

● Lara et al.: Network innovation using OpenFlow: A survey, IEEE Communications Surveys & Tutorials, Vol. 16, nº 1, 2014

Bibliografia - continuação

● Ancillotti et al.; The role of communication systems in smart grids: Architectures, technical solutions and research challenges, Computer Communications, Volume 36, Issues 17–18, November–December 2013, Pages 1665–1697.

● Hyojoon Kim et al.; CORONET: Fault tolerance for Software Defined Networks, IEEE 2012.

● Reitblatt et al.; FatTire: Declarative fault tolerance for Software-Defined Networks, In Proceedings of HotSDN'13, August 2013.

● The Open Network Foundation; OpenFlow Switch Specification, Version 1.3.1 (Wire Protocol 0x04), September 6, 2012

● Cahn et al.: Software-Defined Energy Communication Networks: From substation automation to future Smart Grids, IEEE SmartGridComm 2013 Symposium

Bibliografia - continuação

● Nunes et al.: A Survey of Software-Defined Networking: Past, present, and future of programmable networks, IEEE Communications Surveys & Tutorials, Accepted for Publication, 2014.