Dans ce travail, nous fournissons l’étude de l’état de l’art sur les techniques de simulation et les simulateurs existant pour le Smart Grid, faisons le choix d’un simulateur correspond
Trang 1UNIVERSITE NATIONALE DU VIETNAM, HANOI INSTITUT FRANCOPHONE INTERNATIONAL
VERS LA PRISE EN COMPTE DES ATTAQUES DE SÉCURITÉ DANS LES COMPTEURS INTELLIGENTS
DU SMART GRID NGHIÊN CỨU CÁC TẤN CÔNG AN NINH BẰNG BỘ ĐO
THÔNG MINH CỦA LƯỚI THÔNG MINH
MEMOIRE DE FIN D’ETUDES DU MASTER INFORMATIQUE
Trang 2UNIVERSITE NATIONALE DU VIETNAM, HANOI INSTITUT FRANCOPHONE INTERNATIONAL
NOUCKSA BOUNTHONG
VERS LA PRISE EN COMPTE DES ATTAQUES DE SÉCURITÉ DANS LES COMPTEURS INTELLIGENTS
DU SMART GRID NGHIÊN CỨU CÁC TẤN CÔNG AN NINH BẰNG BỘ ĐO
THÔNG MINH CỦA LƯỚI THÔNG MINH
Spécialité : Réseaux et Systèmes Communicants Code: Programme pilote
MEMOIRE DE FIN D’ETUDES DU MASTER INFORMATIQUE
Sous la direction de : Dr Vanea CHIPRIANOV, Maître de conférences
Lu et validé, bon pour la soutenance
Trang 3
ATTESTATION SUR L’HONNEUR
J’atteste sur l’honneur que ce mémoire a été réalisé par moi-même et que les données et les résultats qui y sont présentés sont exacts et n’ont jamais été publiés ailleurs La source des informations citées dans ce mémoire a été bien précisée
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc
Signature de l’étudiant :
NOUCKSA Bounthong
Trang 4REMERCIEMENTS
Je tiens à remercier tout d’abord Monsieur Nguyen Hong Quang, Professeur d’informatique à l’Institut Francophone International (IFI), Université Nationale du Vietnam, Hanoi, qui m’a recommandé pour cette offre
de stage
Je remercie Monsieur Vanea CHIPRIANOV et Monsieur Laurent GALLON, Maître de conférences, Département réseaux et télécommunications, IUT des Pays de l'Adour, Mont-de-Marsan, France, pour leur encadrement sans faille, le suivi qu’ils ont apporté à mon stage, leurs conseils, les nombreuses discussions que nous avons pu avoir tout au long de
la réalisation de ce stage, aussi pour l’inspiration, et pour le temps qu’ils ont bien voulu me consacrer
Je souhaite remercier Monsieur Shidoush SIAMI, Professeur agrégé, Monsieur Patrick CHARRIN, Assistance technique, Département réseaux et télécommunications, IUT des Pays de l'Adour, Mont -de-Marsan, France, qui m’ont donné des connaissances dans le domaine de réseau électrique
Je tiens à remercier Jamal EL HACHEM, Doctorant, LIUPPA, Université de Pau et des Pays de l’Adour, Mont-de-Marsan, France, pour ses aides à plusieurs reprises
Enfin, j’adresse mes plus sincères remerciements à ma famille, qui m’a toujours soutenue et encouragée au cours de la réalisation de ce mémoire
Trang 5RESUME
Le Smart Grid est considéré comme le réseau électrique de prochaine génération qui utilise les flux bidirectionnels de l'électricité et de l'information pour créer un réseau de distribution d'énergie automatisé largement distribué Il
a été proposé comme une solution pour la diversité croissante des sources d'électricité Aujourd'hui, les sources d'électricité comprennent non seulement les centrales au charbon et les centrales nucléaires, mais aussi l'énergie renouvelable comme les parcs éoliens et les panneaux solaires L'électricité est
de plus en plus produite non seulement par les producteurs traditionnels comme les centrales électriques mais aussi les consommateurs traditionnels qui peuvent installer des panneaux solaires ou des turbines éoliennes sont devenues ainsi les producteurs d'électricité Cela soulève la nécessité de transmission d’électricité dans les deux sens du producteur traditionnel au consommateur traditionnel et à l’inverse L’information sur la consommation,
la production, et les commandes de control sera aussi transmise dans les deux sens C’est pour cela que les nouveaux appareils comme les compteurs intelligents ont été proposées
Cependant, la distribution de ces nouveaux appareils soulève les défis sur la protection, la sécurité, la confidentialité, et les attaques informatiques Par exemple : L’attaqueur qui compromise le compteur intelligent pourrait changer l’information sur leur consommation ou production pour gagner l’argent ou demander à plusieurs compteurs intelligent de se déconnecter ou reconnecter qui pourrait causer le problème sur la stabilité et l’équilibrage du réseau électrique et probablement conduire au problème de grande coupure d’électricité Pour analyser l’impact des attaques de sécurités, l’utilisation de simulateur est une solution
Dans ce travail, nous fournissons l’étude de l’état de l’art sur les techniques de simulation et les simulateurs existant pour le Smart Grid, faisons
le choix d’un simulateur correspondant le plus à nos besoins et développons certains modules nécessaires pour la simulation du compteur intelligent Finalement, nous proposons un cas d’attaque de sécurité et analysons les impacts potentiels sur le réseau électrique du Smart Grid
Trang 6ABSTRACT
The Smart Grid is regarded as the next generation power grid which uses two-way flows of electricity and information to create a widely distributed automated energy delivery network It has been proposed as a solution for the increasing diversity of sources of electricity Nowadays the sources of electricity comprise not only coal plants and nuclear plants, but also the renewable energy like wind farms and solar panels More and more, the electricity is no longer produced by only traditional producers like plants, but also at the traditional consumers who can install solar panels or wind-powered turbines, thus becoming electricity producers This raises the need for electricity to be transmitted in both ways from the traditional producer to the traditional consumer and in the opposite way as well The information like metering data about the electricity produced and consumed and control commands has to be transmitted as well in both ways For this, new devices like smart meters have been proposed
However, the distribution of smart meters raises new challenges for their protection, safety, privacy, and cyber-attacks For example, Hackers who compromise a smart meter can immediately manipulate their energy costs, fabricate generated energy meter readings to make money, or ask several smart meters to disconnect or reconnect remotely which could cause the problem on the stability and balancing of the electrical network and probably lead to large power outage problem To study such attacks, one way is to use simulators
In this work we provide the study on the state of art of the existing simulation techniques and simulators for the Smart Grid, choosing a simulator corresponds the most to our needs and develop some module necessary for the simulation of the smart meter Finally, we propose a security attack case study and analyze the potential impacts on the power network of Smart Grid
Trang 7TABLE DES MATIERES
ATTESTATION SUR L’HONNEUR i
REMERCIEMENTS ii
RESUME iii
ABSTRACT iv
TABLE DES MATIERES v
TABLE DES FIGURES vii
LISTE DES TABLEAUX viii
CHAPITRE 1 1
INTRODUCTION 1
1.1 Smart Grid 2
1.1.1 Définition du Smart Grid 2
1.1.2 Infrastructure du Smart Grid 3
1.1.3 Caractéristiques du Smart Grid 6
1.1.4 Compteur intelligent (Smart Meter) 7
1.2 Motivation et objectif 8
1.3 Problématique 9
1.4 Lieu de stage 10
1.5 Plan du document 11
CHAPITRE 2 12
ÉTAT DE L’ART 12
2.1 Techniques de simulation et simulateurs existants 12
2.1.1 Simulateurs de réseaux de communications informatiques 13
2.1.2 Nouveaux simulateurs développés pour le Smart Grid 14
2.1.3 Intégration des modules électriques au simulateur de réseaux informatiques 16
2.1.4 Intégration des modules informatiques au simulateur de réseaux électriques 16
2.1.5 Co-simulation 17
2.2 Critères de choix des simulateurs 19
Trang 8CHAPITRE 3 22
CONTRIBUTION 22
3.1 Présentation de SCORE 22
3.2 Architecture de SCORE 24
3.3 Nouveaux modèles et fonctionnalités ajoutés 25
3.3.1 Modèle du compteur intelligent et turbine à gaz 27
3.3.2 Algorithme d’équilibrage de charge du réseau électrique 28
3.3.3 Log d’analyse 29
3.4 Évaluation du SCORE 32
CHAPITRE 4 33
CAS D’ÉTUDE 33
4.1 Scénario du réseau électrique pour le cas d'attaque 33
4.2 Scénario du cas d'attaque et résultat obtenu 38
CHAPITRE 5 46
CONCLUSION ET PERSPECTIVES 46
ANNEXE 47
Installation SCORE 47
BIBLIOGRAPHIE 48
Trang 9TABLE DES FIGURES
Figure 1 : L’évaluation de la production d’énergie de la France (Source [3]) 2
Figure 2 : La structure du réseau électrique (couche 1) 3
Figure 3 : La structure du réseau de communications du Smart Grid (couche 2) 4
Figure 4 : Linky le compteur intelligent de la France 7
Figure 5 : L’interface utilisateur graphique de SCORE[29] 22
Figure 6 : L’interface utilisateur graphique de CORE source[53] 23
Figure 7 : L’architecture de SCORE[29] 24
Figure 8 : Diagramme de classe de fonctionnalité développé 26
Figure 9: La liste des fichiers log d'analyse 29
Figure 10 : Log de la production totale du réseau électrique 29
Figure 11 : Log de l'offre et la demande électrique totale dans le réseau électrique30 Figure 12 : Log de la demande électrique souhaitée de chaque maison 30
Figure 13 : Log de la consommation réelle de chaque maison 31
Figure 14 : Log de la production électrique de chaque maison 31
Figure 15 : La carte de France 33
Figure 16 : Le réseau électrique simulé pour le cas d'attaque de sécurité 34
Figure 17 : La demande d'électricité moyenne quotidienne au Royaume-Unis[58]36 Figure 18 : Le profil de consommation d’énergie simulé 36
Figure 19 : Le profil de production d’énergie simulé 38
Figure 20 : Le point de la connexion des attaquants dans le réseau électrique 39
Figure 21 : Le réseau électrique avant l'attaque 40
Figure 22 : Le réseau électrique pendant l’attaque 41
Figure 23 : Le résultat du cas d’attaque pour la première exécution 42
Figure 24 : Le résultat de la production pour la première exécution 43
Figure 25 : Le résultat du cas d’attaque pour la deuxième exécution 44
Figure 26 : Le résultat de la production pour la deuxième exécution 44
Trang 10LISTE DES TABLEAUX
Table 1: La table des critères de choix de simulateur 20
Trang 11CHAPITRE 1
INTRODUCTION
De nos jours, l’électricité est un facteur nécessaire et important pour la vie quotidienne des gens, les entreprises, et le développement des pays De plus, la demande de l’énergie électrique mondialement est de plus en plus augmentée La production d’énergie totale en 2009 [1] a montré que la grande majorité de la production d’énergie électrique mondiale est basé sur le charbon, le gaz naturel et le pétrole couvrant 67% L’énergie nucléaire couvre 13%, et les centrales hydroélectriques couvrent 16%, tandis que la production d’énergie par les ressources renouvelables comme l’énergie solaire, éolienne et géothermique couvrent seulement 3%
La France est un des pays Européens qui produisent l’énergie électrique principalement dans les centrales nucléaires [2] comme le montre la Figure 1 Selon [3] 73% de l’électricité produite en 2013 en France est nucléaire, 8% sur le charbon,
le gaz naturel et le pétrole, et 18% sur l’énergie renouvelable et l’hydroélectrique
La tendance de l'utilisation de plus de l'énergie renouvelable (énergie vert) et l'utilisation de manière efficace est un facteur qui pousse le gouvernement à considérer la nouvelle génération de réseau électrique qui serait plus intelligent, contrôlable et facilite l’intégration de la production local varié et distribué, par exemple l’énergie solaire et l’éolienne peuvent être installé localement au tour de la maison du client qui est donc devenu fournisseur d’électricité Cela a pour objectif de diminuer la production principale qui crée beaucoup de pollution annuelle, de remplacer la production basée sur les ressources non-renouvelables qui sont de plus
en plus diminué, et d’éviter le grand pourcentage de perte d’énergie lors de la transmission et distribution à grand distance Cela est la motivation principale du
“Smart Grid”
Trang 12Figure 1 : L’évaluation de la production d’énergie de la France (Source [3])
1.1 Smart Grid
1.1.1 Définition du Smart Grid
Il existe plusieurs définitions de la notion “Smart Grid”, par exemple la définition de l’Union Européenne, le Smart Grid est un réseau d'électricité qui peut intelligemment intégrer les comportements et les actions de tous les utilisateurs pour assurer l'approvisionnement en électricité durable, économique et sécurisé [4] Alors que l’US Department of Energy indique que le Smart Grid est un réseau intelligent qui utilise la technologie numérique pour améliorer la fiabilité, la sécurité et l'efficacité du système d’électricité [5] Alors, sur le point de vue global, le Smart Grid est la nouvelle génération de réseau électrique qui combine des technologies de communications avancés et des technologies électrique ensemble Le Smart Grid a la capacité de supporter le flux bidirectionnel de l’énergie et l’information pour améliorer la qualité d’énergie distribuée, la fiabilité, l'isolement, et la restauration des pannes de courant plus rapidement Le Smart Grid facilite aussi l'intégration des sources d'énergie renouvelables dans le réseau électrique, et l'autonomisation des consommateurs avec des outils pour observer la variation de prix d’électrique en temps réel pour optimiser leur consommation d'énergie [4][6]
Trang 131.1.2 Infrastructure du Smart Grid
Le Smart Grid est un système complexe qui se divise en plusieurs couches [7]: (1) La couche de réseau électrique comprenant la production, la transmission, la distribution et la consommation d’énergie (2) La couche de communication qui permet la bidirectionnalité de flux de communication (3) La couche de contrôle de puissance qui permet la surveillance, le contrôle, et la gestion de fonctionnements du réseau électrique (4) La couche de sécurité qui fournit l’authentification, intégration, confidentialité, et disponibilité de données (5) La couche d’application qui distribue les applications aux consommateurs et la compagnie d’électrique basé sur l’infrastructure existant
Dans le cadre de notre travail, nous allons entrer dans le détail sur seulement les deux premières couches (1) et (2) concernant notre cas d’études
Figure 2 : La structure du réseau électrique (couche 1)
La vue global de la couche réseau électrique est montre sur la Figure 2 et le détail bref de chaque partie est suivant [8][9]:
La production d’énergie : C’est la partie qui joue le rôle de fournisseur
électrique principal dans le réseau électrique La grande quantité d’énergie est produit à partir de la centrale nucléaire, la centrales hydroélectrique, le charbon, le gaz naturel, le panneau solaire, l’éolien, la géothermie et l’autre pour pouvoir répondre à la grande quantité de la demande de consommation
Trang 14quotidienne La production d’énergie se divise en 3 types [10] : la production
de base qui fournit l’électricité à sa puissance maximale pour la consommation
de base, la production semi-base qui fonctionne quand la demande dépasse la capacité de la production de base, et la production de pointe qui fonctionne pendant les courtes périodes de demande de pointe dans la journée
La transmission d’énergie : qui joue le rôle de transmission d’énergie de
haute tension à travers la distance longue entre la partie production et distribution
La distribution d’énergie : qui joue le rôle de transformation d’énergie à la
basse tension et distribue aux villes, entreprises, usines et maisons
La consommation : ce sont les compteurs électriques qui jouent le rôle
important dans cette partie pour mesurer la consommation d’énergie des maisons, entreprises, usines et d’autre
Figure 3 : La structure du réseau de communications du Smart Grid (couche 2)
Pour la couche de réseau de communication, dans le cadre de notre travail, nous allons nous concentrer seulement sur l’infrastructure de comptage avancée ou AMI (Advanced Metering Infrastructure) Selon [4][7] la communication sous AMI est divisée basé sur leur application en 3 parties suivantes :
Réseau de domicile : C’est un réseau de communication entre le compteur
intelligent et les appareils électriques intelligents qui se trouvent dans la région
de domicile Tous les appareils électriques intelligents fournissent les
Trang 15intelligent à travers le réseau de domicile permettant au propriétaire de la maison de pouvoir les regarder sur l’écran d’affichage, et de pouvoir gérer son comportement de consommation ou contrôler ses appareils électriques à réagir périodiquement basé sur le changement du prix d’électrique en temps réelle
Le compteur intelligent échange périodiquement ou manuellement l’information avec la compagnie d’électrique à travers le réseau AMI La bande passante nécessaire demandée sur ce réseau est entre 10 à 100 Kbps et les technologies de communications intéressantes qui peuvent répondre au besoin du réseau de domicile sont ZigBee, Wi-fi, Bluetooth, 6LoWPAN, et Z-Wave Mais la majorité des chercheurs considèrent que ZigBee est la technologie la plus convenable
Réseau de voisinage : C’est un réseau de communication entre les compteurs
intelligents et le concentrateur de données La bande passante nécessaire est environ 100 - 1000 Kbps Selon [11] les technologies les plus utilisées en Europe et Amérique du nord sont CPL (Courants porteurs en ligne) et RF (Radio Frequency) Par exemple, la France, l’Italie, et la Suède, la Chine, et la Corée du sud choisissent la technologie PLC, l’Irlande fait la combinaison entre CPL et RF, et l’Australie choisit RF pour la plupart des compteurs
intelligents dans son pays
Réseau de grande distance : C’est un réseau de communication entre les
concentrateurs des données et les récepteurs de données de consommation de
la compagnie d’électrique Ensuite, les données de consommation sont stockées, calculés, et les clients sont facturés La bande passante nécessaire est environ 10 – 100 Mbps Selon [11] la technologie la plus utilisée est la communication cellulaire GPRS/3G/4G
Alors, comme notre cas d’étude concerne la sécurité de compteur intelligent qui se trouve dans le réseau AMI, Donc, la partie de réseau concernant notre travail c’est la partie de réseau de domicile
Trang 161.1.3 Caractéristiques du Smart Grid
Pour améliorer le fonctionnement du réseau électrique traditionnel sur la fiabilité, l’économie, l’efficacité, la sécurité, et la protection de l’environnement Le Smart Grid possède des technologies de solution suivantes [12] :
AMI (Advanced Metering Infrastructure) :
C’est un système de mesure et collection de données de consommation électrique avancée Ce système se constitue de compteur intelligent du côté de client qui fait la lecture de données de consommation et de prix d’électrique en temps réel, fait la détection de panne de courant et de vol d’électricité, fournit les communications bidirectionnelles entre le client et la compagnie électrique,
et fournit le système de gestion de données reçus qui rend l’information disponible aux services
CSS (Customer Side Systems) :
C’est un système de gestion de la consommation d’énergie du côté de client permettant l’affichage de l’information sur sa consommation d’énergie en temps réel et la gestion de son comportement de consommation à travers l’appareil In-home display
EV (Electric Vehicle charging systems) :
C’est un système de charge/décharge de la batterie d’une voiture électrique Il
y a 4 modes d’opération : G2V (Grid to Vehicles), V2G (Vehicles to Grid), S2V (Storage to Vehicles), et V2S (Vehicles to Storage)
ICT (Information and Communication Technology integration) :
Ce sont les systèmes de communications qui supportent toutes les transmissions de l’information en temps réel pour que la compagnie d’électrique puisse utiliser, gérer, calculer, contrôler, et planifier le réseau électrique de manière efficace
Surveillance, mesure et contrôle de zone large :
C’est un système de surveillance, de mesure, et de contrôle pour les réseaux électriques globaux pour optimiser le fonctionnement des composants du réseau électrique, et leur comportement et performance Par exemple : WASA, WAMS, WAAPCA
Trang 171.1.4 Compteur intelligent (Smart Meter)
Figure 4 : Linky le compteur intelligent de la France
Sur l’infrastructure de comptage avancée ou l’AMI, le compteur intelligent est un appareil indispensable qui se trouve dans la maison de consommateur qui permet généralement de mesurer la consommation ou la production d’énergie Le compteur intelligent est équipé avec la technologie de communication bidirectionnelle qui permet l’automatisation, le contrôle, et la lecture de donnée à distance qui peut aider la compagnie d’électrique d’enlever le paiement pour l’effort envoyé pour la lecture de donnée de consommation à chaque maison et permettre de faire la facturation mensuelle basé sur les données réels au lieu de données estimés [13] Un compteur intelligent a l’intervalle de l’envoi des informations détaillées sur
la consommation d’une fois par jour ou dans chaque 15 minute Avec cette informations la compagnie d’électrique peut identifier le modèle de consommation irrégulière qui indique la fraude (l’électrique volé) et l’arrêter
De plus, grâce à la communication bidirectionnelle la compagnie d’électrique peut déconnecter ou reconnecter le compteur intelligent à distance au cas des factures impayées, de la fraude, ou dans la situation d'urgence [13][14] Avec le compteur intelligent, la compagnie d’électrique peut fournir le prix et l’information en temps réel sur la consommation d’un consommateur qui va être affiché sur l’écran dans la maison, sur le site internet ou le logiciel de téléphone portable, et qui pourrait
Trang 18influencer le comportement du consommateur à consommer l’énergie quand le prix est moins cher
Traditionnellement, la compagnie d’électrique a peu d’information sur la partie du réseau de distribution d’électrique Avec le compteur intelligent qui peut envoyer l’information en temps presque réel sur la production distribué et la consommation courant La compagnie d’électrique peut surveiller l’intégration de la production distribué qui pourrait causer la fluctuation de la production d’énergie et causer le problème de l’équilibrage entre la production et la demande d’électricité dans le réseau électrique [13]
1.2 Motivation et objectif
Dans l’infrastructure de comptage avancée (AMI) du Smart Grid, le compteur intelligent est un nouvel appareil équipé avec les nouvelles fonctionnalités de gestion,
de surveillance, et de contrôle qui sera distribué pour remplacer les compteurs
électriques traditionnels La distribution de ce nouvel appareil soulève les défis sur la protection, la sécurité, la confidentialité, et les attaques informatiques Par exemple :
L’attaqueur qui compromise le compteur intelligent pourrait changer l’information sur leur consommation ou production pour gagner l’argent ou demander à plusieurs compteurs intelligent de se déconnecter ou reconnecter qui pourrait causer le problème sur la stabilité et l’équilibrage du réseau électrique et probablement
conduire au problème de grande coupure d’électricité Pour étudier et analyser le résultat d’attaque de sécurité, l’utilisation de simulateur est une solution
Donc, dans le cadre de notre travail, d’abord, nous commençons par une recherche bibliographique sur les techniques de simulation et les simulateurs existant pour le Smart Grid, faire le choix d’un simulateur correspondant le plus à nos besoins
et développer certaines modules ou fonctionnalités manquant Puis nous proposons
un cas d’attaque de sécurité et analysons les impacts sur le réseau électrique du Smart Grid
Trang 191.3 Problématique
Les nouvelles technologies viennent toujours avec les nouveaux défis de sécurités Le compteur intelligent est équipé avec beaucoup de nouvelles fonctionnalités pour faciliter la gestion de réseau électrique et l’intégration de
l’énergie renouvelable Donc, nous intéressons aux problèmes de sécurités du compteur intelligent particulièrement sur l’impact entier du Smart Grid dans le cas d’attaque informatique
Selon [8] l’équipe de NIST a divisé l’objectif de sécurité dans le Smart grid en
3 types suivants :
Disponibilité : Assurer l'accès en temps approprié et fiable Car
l'utilisation de l'information est le plus important dans le Smart Grid Donc, une perte de disponibilité est la perturbation de l'accès ou de l'utilisation de l'information ce qui peut miner davantage la livraison de puissance
Intégrité : La protection contre la modification ou la destruction de
l'information incorrecte est d'assurer la non-répudiation de l'information
et de l'authenticité Une perte de l'intégrité est la modification ou la destruction non autorisée de l’information qui peut en outre induire une mauvaise décision sur la gestion de puissance
Confidentialité : Préserver les restrictions autorisées sur l'accès et la
divulgation de l'information est principalement de protéger la vie privée
et des informations confidentielles Ceci est particulièrement nécessaire pour empêcher la divulgation non autorisée d'informations qui ne sont pas ouvertes au public et aux particuliers
Du point de vue de la sécurité, la fiabilité, la disponibilité, et l'intégrité du système sont les objectifs de sécurité les plus importants dans le Smart Grid Les problèmes de sécurités sont variés selon chaque partie du Smart Grid Dans ce travail, nous nous concentrons particulièrement sur le problème de sécurité du compteur intelligent qui se trouve dans le réseau AMI du Smart Grid
Trang 20 Traitement des documents électroniques
Image et la visualisation scientifique
Les membres constituant le LIUPPA sont répartis sur différents sites situés à :
Trang 211.5 Plan du document
Ce mémoire de fin d’études comprend de 5 chapitres Les 4 chapitres restants
sont organisés comme la suite Le chapitre 2 présente l’état de l’art sur les techniques
de simulation et les simulateurs existant pour le Smart Grid, et nos critères de choix
de simulateur Le chapitre 3 porte sur la présentation en détail sur le simulateur
choisi, les nouveaux modèles et fonctionnalités qu’on a développés, et l’évaluation
du SCORE Le chapitre 4 porte sur l’explication du scénario du réseau électrique
pour notre cas d’attaque, le scénario du cas d’attaque, et l’analyse du résultat obtenu
Le dernier chapitre porte sur la conclusion de tout ce qu’on a fait et le travail futur
Trang 22CHAPITRE 2
ÉTAT DE L’ART
Actuellement, ils existent des techniques et des simulateurs pour faire la modélisation et simulation de réseau de communications du Smart Grid Chaque technique et simulateur a ses propres avantages et inconvénients Normalement, le fait de choisir un simulateur est basé sur nos besoins spécifiques Dans ce chapitre, nous allons expliquer en détail les techniques de simulation et les simulateurs existants
2.1 Techniques de simulation et simulateurs existants
Dans le domaine de réseau électrique et de réseau de communication, chaque domaine possède leur propre simulateur pour la modélisation et simulation de son système qui permet l’analyse de la performance, de tester le fonctionnement ou la sécurité de nouvelle application avant de la déployer dans le système réel Par contre,
le Smart Grid est la combinaison entre les deux domaines Avec un simulateur individuel spécifiquement dans un domaine, on peut seulement simuler ou modéliser une partie du Smart Grid Par exemple : on peut utiliser les simulateurs de réseau de communication comme NS-2 pour simuler la transmission de données, la performance, ou le cas d’attaque de sécurité de la communication mais on ne peut pas simuler le comportement, la réaction, et l’impact entre les deux domaines Par exemple : On ne peut pas simuler l’impact sur le réseau électrique au cas ó il y a quelque problème sur le réseau de communication et à l’inverse Donc, on a besoin
de nouveau simulateur et technique de simulation spécifique pour le Smart Grid
Selon le papier de synthèse de [4], il existe plus de 23 simulateurs et extensions pour le Smart Grid Ces simulateurs comprennent les nouveaux simulateurs développés spécifiquement pour le Smart Grid, les extensions développés pour un simulateur individuel de réseau informatique ou électrique permettant de simuler la partie manquante, et la co-simulation entre les deux types de simulateur pour pouvoir réutiliser leurs capacités existantes
Pour notre travail, nous prenons en compte seulement les 14 simulateurs qui sont open-sources, réutilisables, adaptables, et cohérents le plus à notre cas d’attaque intéressé Car il existe d’autres simulateurs et extensions qui sont développé
Trang 23spécifiquement pour leur machine testbed, pour un objectif spécifique, ou une partie spécifique du Smart Grid qui ne sont pas dans la portée de notre cas d’étude Les détails sur chaque simulateur choisi sont présentés dans ce qui suit
2.1.1 Simulateurs de réseaux de communications informatiques
Certains simulateurs de réseau de communication incluant les simulateurs open-sources et commerciaux sont utilisés pour faire la modélisation et la simulation pour l’analyse de la performance de réseau de communication, l’analyse de la transmission des données, l’analyse de la sécurité, et tester les nouveaux protocoles pour le Smart Grid Les deux simulateurs open-sources suivants sont les simulateurs
le plus utilisés dans ce domaine
NS-2 [15] est un simulateur open-source très utilisé dans le domaine de
simulation de réseau de communication On utilise le langage C++ pour le développement de nouveau algorithme, protocole ou modèle Le TCL script est utilisé pour configurer des paramètres de configurations Dans le cas du Smart Grid,
il existe pas mal de travail scientifique qui a utilisé NS-2 pour évaluer la performance
de réseau de communication entre les compteurs intelligents, par exemple : Dans [16] NS-2 est utilisé pour simuler le réseaux de communications entre les compteurs intelligents et le concentrateur de données pour évaluer sa capacité et performance Dans [17] NS-2 est utilisé pour simuler le réseau de communication entre les compteurs intelligents à base de capteur pour évaluer l'efficacité de gestion puissance consommée Dans [18] NS-2 est utilisé pour simuler un réseau de communication entre les compteurs intelligents en utilisant l'architecture basée sur la technologie de
la fréquence radio maillé (Radio Frequency Mesh) pour analyser les conséquences d’un cas d’attaques de sécurité (DoS) d'une petite partie de la communication entre les compteurs intelligents
OMNeT++ (Objective Modular Network Testbed in C++) [19] est un simulateur open-source développé en C++ Le modèle de simulation de OMNeT++ est le modèle hiérarchie Donc la modélisation et la simulation est divisé en deux partie différentes La modélisation est écrite en code de langage C++ Mais pour la simulation est très simple, après avoir un modèle, on peut faire une simulation d’un réseau de communication à travers l’interface utilisateur graphique (GUI) et cela prend moins de temps pour le développement et diminuer la complexité quand la simulation est devenue de plus en plus grande Pour le Smart Grid, il existe beaucoup
de travail qui ont utilisé OMNeT++ par exemple dans [20] le module pour simuler un
Trang 24pour analyser et évaluer le problème de recherche le plus court et efficace chemin dans un réseau maillé (Mesh Network) basé sur la position géographique réelle des compteurs intelligents dans chaque maison, et puis identifier les goulots d'étranglement potentiels et les charges maximales dans le réseau Dans [21] OMNeT++ est utilisé pour simuler un modèle de communication de la technologie CPL (Courants porteurs en ligne) pour évaluer sa performance Dans [22] OMNeT++ est utilisé pour simuler un réseau AMI pour évaluer la conséquence sur la communication dans le cas d’attaque de sécurité DoS
D’après les travaux mentionnés ci-dessus, on voit bien que dans le domaine de simulateur open-source, NS-2 et OMNeT++ est très utilisé pour simuler les réseaux
de communications du Smart Grid qui n’a pas de lien ou d’interaction avec le fonctionnement du réseau électrique
2.1.2 Nouveaux simulateurs développés pour le Smart Grid
Ce sont les simulateurs qui sont développés spécifiquement pour la modélisation et simulation du Smart Grid Car c’est le nouveau développement Donc, ce type de simulateur manque encore beaucoup de capacité par rapport aux simulateurs individuels spécifique pour un domaine Alors, ils ont besoin encore beaucoup de développement
GridLAB-D [23][24] est un simulateur open-source basé sur l’approche de
modélisation à base d'agents C’est un nouvel outil de simulation de réseau de distribution d’électrique du Smart Grid qui fournit des avantages sur les nouvelles technologies et les techniques de modélisation avancé du Smart Grid Par exemple :
la technologie de modélisation de charge d'utilisation finale, de flux de puissance triphasé déséquilibré, et de système de marché de détail permettant aux utilisateurs qui conçoivent et exploitent des systèmes de transmission et distribution de puissance
de recevoir les informations précieuses pour l’analyse GridLAB-D fournit l’environnement de simulation qui permet l’intégration avec une variété d'outils tiers,
et combine des modèles d’utilisation finale et des modèles d’automation de distribution d'énergie ensemble [25] Dans [26] GridLAB-D est utilisé pour modéliser
et simuler un réseau électrique et son comportement de charge pour estimer les avantages de déploiement du système de réduire la consommation d'énergie qui s’appelle VVO (Volt-VAR Optimization) Dans [27] GridLAB-D est utilisé pour simuler un système de tarification en temps réel du Smart Gird pour l’objectif de diminuer le prix de l’électricité non seulement du côté de client mais aussi du côté de
Trang 25un projet de voiture électrique pour une résidence et analyser le problème de surcharge dans la résidence D’après les travaux mentionnés ci-dessus, on voit bien que GridLAB-D est très utilisé pour la modélisation et simulation du côté de réseau électrique du Smart Grid Il n’existe pas encore de module de communication dans GridLAB-D au moment de fait la recherche Donc, il n’y a pas encore de travail concernant la communication ou l’interaction entre les deux types de réseau du Smart Grid
SCORE (Smart Grid Common Open Research Emulator) [29] est un très
nouveau émulateur temps-réel développé pour la modélisation et simulation des comportements et les interactions entre le réseau électrique et le réseau de communication du Smart Grid SCORE se constitue des composants principales suivants :
L’interface utilisateur graphique (GUI) qui permet à l’utilisateur de
simuler un réseau de communication ou un réseau électrique en faisant quelque clique sur l’écran ce qui prend moins de temps pour la simulation
et le développement
La couche service qui permet à l’utilisateur de customiser, modifier et
choisir quelques services par exemple pour un nouveau modèle d’un appareil
Les modules de réseau de communication, ce sont les technologies pour
la communication comme les protocoles, les techniques de transmission, les modèles d’appareil de communications
Les modules de réseau électrique, ce sont les technologies pour les
réseaux électriques comme le modèle de production, de transmission, de calcul de perte, de stockage, et de consommation d’électricité
Dans [29] SCORE a été utilisé pour émuler un cas d’étude sur l’application de
la variation du prix d’électrique en temps réel dans un réseau de distribution de Smart Grid pour évaluer l’interaction entre la production (la centrale électrique, l’éolien, le panneau solaire), le stockage, la transmission, la voiture électrique, et la consommation dans une maison lorsque le prix d’électrique change pendant la journée Donc, SCORE est un bon émulateur qui permet la modélisation et simulation entre le réseau électrique et le réseau de communication
Trang 262.1.3 Intégration des modules électriques au simulateur de réseaux
informatiques
Ce sont les nouvelles extensions qui sont développées pour les simulateurs de réseau de communication informatique pour soutenir la modélisation et simulation de réseau électrique Avec ce type d’extension, il existe encore quelque problème de précision lorsque la simulation est de plus en plus grande Donc, il a besoin encore de développement
Agent/Plant [30][31] est une extension de NS-2 pour simuler le système
physique de dynamique et contrôle dans une usine Il est développé spécifiquement pour les systèmes de contrôle de réseau, et la transmission de capteur et de contrôle des paquets entre les usines et les contrôleurs Selon [4], il y a une possibilité d’adopter Agent/Plant pour les scénarios de réseau électrique pour le Smart Grid Par contre, il existe encore de problème de précision ou d'erreur lorsque la simulation est
de plus en plus complexe
SensorSim [32] est une extension de NS-2 qui possède des modèles et
techniques pour la conception et analyse des réseaux de capteur De plus, avec SensorSim on peut aussi modéliser et simuler le réseau électrique, les interactions entre le réseau électrique et le réseau de communication, et le nouveau protocole de communication Mais selon [4], SensorSim n’ai pas été diffusé au public et il n’est plus sous la poursuite du développement
2.1.4 Intégration des modules informatiques au simulateur de réseaux
électriques
Ce sont les nouvelles extensions qui sont développées pour les simulateurs individuels dans le domaine de système dynamique pour la modélisation et simulation de réseau de communication Avec ce type d’extension, il manque encore
des modèles de communication Donc, il a besoin encore de développement
Prowler (Probabilistic Wireless Network Simulator) [33] est une extension
de MATLAB pour simuler les réseaux de capteurs et les systèmes de distribution sans fil qu’on peut faire la modélisation d’un modèle depuis la couche application jusqu’à la couche physique de la pile de réseau de communication Dans [34] Prowler est utilisé pour analyser une méthode d’optimisation de performance et sa capacité de traiter les erreurs de bruits dans les réseaux de capteurs sans fil Puisque MATLAB est un simulateur que l’on peut utiliser pour la modélisation et simulation de réseau
Trang 27électrique Donc, on pourrait l’utiliser pour simuler et analyser les impacts et les interactions entre les réseaux électriques et les réseaux de communications dans le Smart Grid
VisualSense [35][36][37] est une extension de Ptolemy II framework [38]
pour la modélisation et simulation de réseau de communication complexe, l’analyse des réseaux de capteurs, des canaux de communication, des protocoles de réseau ad-hoc, des protocoles de contrơle d'accès de média, et l’analyse de la consommation d’énergie dans les capteurs Comme VisualSense hérite tous les modèles de calcul de Ptolémée II, il est capable de l’utiliser pour modéliser des modèles de réseau électrique Donc, on pourrait l’utiliser pour simuler et analyser les impacts et les interactions entre les réseaux électriques et les réseaux de communications dans le Smart Grid Par contre, VisualSense n’ai plus été encore développé
2.1.5 Co-simulation
Pour réutiliser les capacités existantes des simulateurs spécifiques très connus dans chaque domaine, la co-simulation serait une bonne solution Par contre, les simulateurs de réseau électrique sont normalement dirigés par le temps (Time-Driven) mais les simulateurs de réseau de communication sont dirigés par les événements (Event-driven) Alors, il existe encore de problème sur la synchronisation
du temps pendant l’exécution, l'échange de données, et le temps de simulation est lentement [4] Mais il existe aussi plusieurs travaux qui ont proposé les nouvelles approches pour résoudre ses problèmes
OpenDSS + NS-2 [39][40] les auteurs ont développé une plateforme de
co-simulation en reliant OpenDSS (Open Distribution System Simulator) [41] avec NS-2 pour modéliser et simuler le réseau de communication et le réseau électrique particulièrement le système de solaire photovoltạque du Smart Grid pour analyser comment la latence de communication peut avoir un impact négatif sur le comportement du réseau électrique Par contre, A cause des structures indépendantes entre OpenDSS et NS-2, la plateforme de co-simulation n’est pas très bien intégrée et
on doit écrire le script de simulation en deux fichiers séparément pour chaque simulateur
OpenDSS + OMNeT++ [42] les auteurs ont développé un co-simulateur de
réseau de communication et réseau de distribution électrique Le co-simulateur lance principalement sur OMNeT++ et puis périodiquement maintenir la couche de réseau électrique lorsqu’il y a des changements de charge en appelant vers le calculateur de
Trang 28réseau électrique d’OpenDSS à distance Dans [43] le co-simulateur est utilisé pour mesurer la performance du plug-in de véhicule électrique (PEV) sur le réseau de fibre-sans fil de bas cỏt (FiWi) du Smart Grid Dans [44] le co-simulateur est utilisé pour évaluer la performance du système de surveillance du réseau de large zone basé sur l'unité de mesure de phaseur du Smart Grid Le co-simulateur a un module principal très important appelant « DSS Time Solver » qui fournit l’interface de communication entre OpenDSS et OMNeT++ et résout le problème sur la synchronisation du temps pendant l’exécution et l'échange de données
Mathlab/Simulink + OMNet++ [45] est une plateforme de co-simulation
modulaire implémenté en C++ en utilisant le simulateur open-source OMNeT++ La plateforme réutilise tous les modèles existants dans OMNeT++ pour la simulation de réseau de communication et fournit l’interface pour la connexion aux modèles de réseau électrique existant dans MATLAB Dans [46] la plateforme est utilisé pour étudier l’impact de la génération distribué par les panneaux photovoltạques dans le réseau de distribution électrique
GECO (Global Event-Driven Co-Simulation Framework) [47] est une
plateforme de co-simulation de réseau de communication et réseau de distribution électrique qui a intégré le simulateur PSLF (Positive Sequence Load Flow) et NS-2 ensemble en utilisant le mécanisme de dirigée par événement global L’objectif principal de cette méthode de co-simulation est d'améliorer l’analyse et l’évaluation des systèmes de mesure et de contrơle de zone large du Smart Grid Par contre, selon [4], il existe encore le problème de goulot d'étranglement sur l’interface de connexion entre PSLF et NS-2 lorsque le réseau électrique est de plus en plus grand et la vitesse
de co-simulation est limité De plus, le simulateur PSLF n’est pas open-source
PowerNet [48] est une plateforme de co-simulation qui intègre Modelica [49]
et NS-2 ensemble Le PowerNet se compose des réseaux hétérogènes qui sont interopérables via une couche de convergence, et fournit des niveaux adéquats de qualité de service en temps réel, la fiabilité, et la sécurité pour soutenir le contrơle de réseau du Smart Grid En raison du fait que NS2 détermine les temps de communication entre les deux simulateurs, l'envoi de données entre Modelica et NS2
en réponse à des événements générés à l'intérieur de Modelica est pas encore soutenu Donc, Le PowerNet n’ai pas encore soutenu la co-simulation en parallèle
Adevs + NS-2 [50] est une plateforme de co-simulation qui a été développé
pour l’objectif d’améliorer l’algorithme de synchronisation existant Dans cette plateforme, le réseau électrique est modélisé et simulé en utilisant le formalisme et
Trang 29l’encapsulé DEVS dans le simulateur Adevs[51] Le réseau de communication est modélisé et simulé en utilisant NS-2 Ensuite, les deux simulateurs sont intégrés dans
le Framework de spécification du système à événements discrets (DEVS) [52] Théoriquement, cet environnement de simulation hybride donne une très bonne synchronisation et DEVS est aussi adapté pour la modélisation du système continu et
la modélisation des systèmes à événements discrets Cependant, le paquet de DEVS qui a été utilisé est conçu pour le système d’événements discrets généraux plutôt que des simulations de système de réseau électrique Donc, les utilisateurs doivent implémenter leur propre code de simulation du réseau électrique qui conforme à la spécification DEVS
2.2 Critères de choix des simulateurs
Parmi les 14 simulateurs que nous avons choisis ci-dessus, nous allons choisir seulement un simulateur qui répond le plus à nos critères de choix suivants :
Extensibilité : C’est la facilite d’extensibilité Le simulateur ayant la
possibilité d’ajouter facilement le nouveau modèle ou module supportant certaines exigences spécifiques Car on va développer le module compteur intelligent s’il n’est pas encore disponible
Sim temps-réel (Simulateur temps-réel) : Le simulateur doit fonctionner
en temps réel et ayant une possibilité de communiquer avec les matériels sur un testbed ou les matériels réel comme le panneau soleil, l’éolien ou le compteur intelligent Car dans l’avenir nous voudrions effectuer des cas d’attaques de sécurités avec les matériels réels ou même construire notre propre testbed
Code disponible : C’est un critère pour vérifier s’il le code source d’un
simulateur est disponible pour le téléchargement ou pas Car existent des simulateurs de type open-sources code disponible et open-sources code indisponible
Maintenance : C’est un critère pour vérifier s’il un simulateur est encore
maintenu ou sous la poursuite du développement ou pas Car il existe quelque simulateur que le développement est officiellement arrêté depuis très longtemps Donc, on peut considérer qu’il n’est plus mise à jour
GUI (Interface utilisateur graphique) : C’est un critère supplémentaire
sur la facilité de faire la simulation sur ce type de simulateur Car ce serait plus facile et consacrer moins de temps si on pourrait simuler ou configurer certains paramètres de la simulation à travers l'interface graphique
Trang 30 Compteur intelligent existant : C’est un critère pour vérifier s’il existe
déjà le module ou modèle de compteur intelligent dans un simulateur Car
il serait beaucoup mieux pour notre cas d’attaque au niveau de temps de développement de réutiliser ou d’ajouter quelques fonctionnalités au lieu
de toute redévelopper ce qu’il existe déjà
Table 1: La table des critères de choix de simulateur
D’après la Table 1 ci-dessus, après avoir fait la recherche en détail sur les simulateurs choisis, nous pouvons d’abord éliminer 5 co-simulateurs et 2 extensions : OpenDSS + NS2, Mathlab/Simulink + OMNet++, GECO, PowerNet, Adevs+NS-2, Agent/Plant, et SensorSim que les codes sources ne sont pas disponibles à télécharger
au moment ó nous faisons la recherche Ensuite, nous avons éliminé NS-2 et OMNeT++ en raison que les deux simulateurs ne soutiennent pas la modélisation et simulation du réseau électrique du Smart Grid et donc les modules qui restaient à développer seraient trop par rapport à d’autres simulateurs qui ont déjà une bonne partie de ses modules Car dans notre cas d’étude, nous intéressons à l’impact sur les réseaux électriques au cas ó le réseau de communication est attaqué Puis nous avons éliminé l’extension VisualSense car son projet de développement est arrêté depuis longtemps Donc, cette extension est obsolète Comme on connaỵt bien que MATLAB n’est pas le simulateur open-source et Prowler est son extension Donc, nous avons l’éliminé de notre choix Ensuite, nous avons éliminé GridLAB-D en raison que GridLAB-D est simulateur développé spécifiquement pour tester et évaluer les technologies de réseau de distribution d’électrique du Smart Grid et il n’y
a pas encore de modèle de réseau de communication Et finalement il reste encore deux simulateurs qui peuvent répondre à nos critères de choix le plus Nous avons installé les deux simulateurs pour étudier en détail et nous avons finalement éliminé
le co-simulateur OpenDSS + OMNet++ en raison que ce co-simulateur n’a pas de
Trang 31possibilité de se connecter au matériel réel et il existe encore le problème de synchronisation du temps pendant l’exécution Donc, l’émulateur SCORE a été choisi pour notre cas d’étude