GNSS Related Threats to Power Grid Applications

As power grid environments are moving towards the smart grid vision of the future, the traditional schemes for power grid protection and control are making way for new applications. The advancements in this field have made the requirements for power grid’s time synchronization accuracy and precision considerably more demanding. So far, the signals provided by Global Navigation Satellite Systems have generally addressed the need for highly accurate and stable reference time in power grid applications. These signals however are highly susceptible to tampering as they are being transmitted. Since electrical power transmission and distribution are critical functions for any modern society, the risks and impacts affiliated with satellite-based time synchronization in power grids ought to be examined. This thesis aims to address the matter. The objective is to examine how Global Navigation Satellite Systems are utilized in the power grids, how different attacks would potentially be carried out by employing interference and disturbance to GNSS signals and receivers and how the potential threats can be mitigated. A major part of the research is done through literature review, and the core concepts and different implementations of Global Navigation Satellite Systems are firstly introduced. The literature review also involves the introduction of different power grid components and subsystems, that utilize Global Positioning System for time synchronization. Threat modeling techniques traditionally practiced in software development are applied to power grid components and subsystems to gain insight about the possible threats and their impacts. The threats recognized through this process are evaluated and potential techniques for mitigating the most notable threats are presented.Sähköverkot ovat siirtymässä kohti tulevaisuuden älykkäitä sähköverkkoja ja perinteiset sähköverkon suojaus- ja ohjausmenetelmät tekevät tilaa uusille sovelluksille. Alan kehitys on tehnyt aikasynkronoinnin tarkkuusvaatimuksista huomattavasti aikaisempaa vaativampia. Tarkka aikareferenssi sähköverkoissa on tähän saakka saavutettu satelliittinavigointijärjestelmien tarjoamien signaalien avulla. Nämä signaalit ovat kuitenkin erittäin alttiita erilaisille hyökkäyksille. Sähkönjakelujärjestelmät ovat kriittinen osa nykyaikaista yhteiskuntaa ja riskejä sekä seuraamuksia, jotka liittyvät satelliittipohjaisten aikasynkronointimenetelmien hyödyntämiseen sähköverkoissa, tulisi tarkastella. Tämä tutkielma pyrkii vastaamaan tähän tarpeeseen. Päämääränä on selvittää, miten satelliittinavigointijärjestelmiä hyödynnetään sähköverkoissa, kuinka erilaisia hyökkäyksiä voidaan toteuttaa satelliittisignaaleja häiritsemällä ja satelliittisignaalivastaanottimia harhauttamalla ja kuinka näiden muodostamia uhkia voidaan lieventää. Valtaosa tästä tutkimuksesta on toteutettu kirjallisuuskatselmoinnin pohjalta. Työ kattaa satelliittinavigointijärjestelmien perusteet ja esittelee erilaisia tapoja, kuinka satelliittisignaaleja hyödynnetään sähköverkoissa erityisesti aikasynkronoinnin näkökulmasta. Työssä hyödynnettiin perinteisesti ohjelmistokehityksessä käytettyjä uhkamallinnusmenetelmiä mahdollisten uhkien ja seurausten analysointiin. Lopputuloksena esitellään riskiarviot uhkamallinnuksen pohjalta tunnistetuista uhkista, sekä esitellään erilaisia menettelytapoja uhkien lieventämiseksi

Modeling Bitcoin Contracts by Timed Automata

Bitcoin is a peer-to-peer cryptographic currency system. Since its introduction in 2008, Bitcoin has gained noticeable popularity, mostly due to its following properties: (1) the transaction fees are very low, and (2) it is not controlled by any central authority, which in particular means that nobody can "print" the money to generate inflation. Moreover, the transaction syntax allows to create the so-called contracts, where a number of mutually-distrusting parties engage in a protocol to jointly perform some financial task, and the fairness of this process is guaranteed by the properties of Bitcoin. Although the Bitcoin contracts have several potential applications in the digital economy, so far they have not been widely used in real life. This is partly due to the fact that they are cumbersome to create and analyze, and hence risky to use. In this paper we propose to remedy this problem by using the methods originally developed for the computer-aided analysis for hardware and software systems, in particular those based on the timed automata. More concretely, we propose a framework for modeling the Bitcoin contracts using the timed automata in the UPPAAL model checker. Our method is general and can be used to model several contracts. As a proof-of-concept we use this framework to model some of the Bitcoin contracts from our recent previous work. We then automatically verify their security in UPPAAL, finding (and correcting) some subtle errors that were difficult to spot by the manual analysis. We hope that our work can draw the attention of the researchers working on formal modeling to the problem of the Bitcoin contract verification, and spark off more research on this topic

System-on-chip architecture for secure sub-microsecond synchronization systems

213 p.En esta tesis, se pretende abordar los problemas que conlleva la protección cibernética del Precision Time Protocol (PTP). Éste es uno de los protocolos de comunicación más sensibles de entre los considerados por los organismos de estandarización para su aplicación en las futuras Smart Grids o redes eléctricas inteligentes. PTP tiene como misión distribuir una referencia de tiempo desde un dispositivo maestro al resto de dispositivos esclavos, situados dentro de una misma red, de forma muy precisa. El protocolo es altamente vulnerable, ya que introduciendo tan sólo un error de tiempo de un microsegundo, pueden causarse graves problemas en las funciones de protección del equipamiento eléctrico, o incluso detener su funcionamiento. Para ello, se propone una nueva arquitectura System-on-Chip basada en dispositivos reconfigurables, con el objetivo de integrar el protocolo PTP y el conocido estándar de seguridad MACsec para redes Ethernet. La flexibilidad que los modernos dispositivos reconfigurables proporcionan, ha sido aprovechada para el diseño de una arquitectura en la que coexisten procesamiento hardware y software. Los resultados experimentales avalan la viabilidad de utilizar MACsec para proteger la sincronización en entornos industriales, sin degradar la precisión del protocolo