Die zunehmende Verbreitung dezentraler Stromerzeugung in der Energieverteilungsdomäne erfordert eine zuverlässige und QoS-fähige Kommunikation, um das Stromnetz sicher zu managen. Die Verwaltung dieses komplexen Cyber-physikalischen Systems, genannt Smart Grid (SG), erfordert eine reaktionsfähige, skalierbare und hochbandbreitige Kommunikation, die oft jenseits der Fähigkeiten der klassischen geschlossenen Kommunikationsnetze des Stromnetzes liegt. Der Einsatz skalierbarer öffentlicher IP-basierter Netzwerke wird daher zunehmend befürwortet. Eine unmittelbare Konsequenz der Nutzung öffentlicher Netze ist jedoch die Exposition des SG gegenüber vielfältigen Zuverlässigkeits- und Sicherheitsrisiken. Insbesondere unterstützt die aktuelle Internet-Infrastruktur keine Kommunikation mit Ende-zu-Ende (E2E) QoS-Garantien. Darüber hinaus setzt die offene Struktur öffentlicher Netzwerke im Vergleich zu proprietären Netzwerken das SG potenziell Cyberattacken wie Denial-of-Service (DoS) und verteilte DoS (DDoS) aus, welche die hohe Verfügbarkeit und schnelle Reaktionsfähigkeit der SG-Anwendungen beeinträchtigen können. Deswegen besteht ein Bedarf an neuen leichtgewichtigen Mechanismen, die sowohl Ende-zu-Ende-Kommunikationsgarantien als auch einen starken Schutz gegen DoS- und DDoS-Angriffe bieten.

Um diesen Anforderung gerecht zu werden, schlagen wir zunächst einen Overlay-Netzwerk-Ansatz vor, der QoS-Garantien im gesamten Netzwerk mittels eines dedizierten QoS-Routing-Mechanismus bereitstellt, wobei drei Parameter berücksichtigt werden: Zuverlässigkeit, Latenz und Bandbreite für SG-Anwendungen. Um die QoS-Garantie zu erreichen, entwickeln wir außerdem zwei zusätzliche Mechanismen: (a) ein Multipath-Routing-Schema, das die kritischen Anwendungen für ihre hohen Zuverlässigkeitsanforderungen durch Verwendung von physisch disjunkten Pfaden kompensiert und (b) eine altruistisches Ressourcenzuweisung mit dem QoS Routing-Mechanismus, der auf QoS-garantierte Kommunikation für Anwendungen mit strengen QoS-Anforderungen abzielt.

Zweitens schlagen wir einen neuartigen DDoS-Abwehr-Mechanismus vor, unter Ausschöpfung von: (1) einem bedingt vertrauenswürdigen P2P-basierten Publish-Subscribe (Pub-Sub) System, welches proaktive Gegenmaßnahmen für DoS/DDoS-Angriffe und sichere Gruppen-Kommunikation durch ein gruppenbasiertes Schlüsselverwaltungssystem beinhaltet, (2) einem Mechanismus zur Diffusion von Daten, der die Datenpakete über alle Server im Vergleich zu einem einzigen Server verbreitet, um einen robusten Schutz gegen volumenbasierte DDoS-Angriffe bereitzustellen, die einige der Server beeinträchtigen würden, und (3) einem schnellen Multi-Homing-basierten Wiederherstellungs Mechanismus zur Detektion und Wiederholung von verlorenen Paketen, womit der Weg geebnet wird für die Erfüllung der strengen Latenzanforderungen von SG-Anwendungen.

Drittens entwickeln wir eine Cloud-unterstützte Kommunikationsplattform, DDoS-Angriffen widersteht und auf dem oben besprochenen Verteidigungsmechanismus aufbaut. Um DDoS-Angriffe auf Transport- oder Anwendungsebene zu verhindern, verwendet diese Plattform einen Port-Hopping-Ansatz. Dabei wird der offene Port des Servers als Funktion der Zeit und eines zwischen autorisierten Clients und Server geteiltes Geheimnis gewechselt und somit Pakete mit ungültiger Portnummer effizient gelöscht. Danke der reaktionsschnellen Elastizität der Cloud und unseres Datendiffusionsmechanismuses, können wir Replikatserver instanziieren, welche die Aufgaben der angegriffenen Server übernehmen ohne den gesamten Verkehr zu blockieren. Darüber hinaus schlagen wir einen Shuffling-basierten Containment Mechanismus vor, um bösartige Clients zu isolieren, die eine DDoS-Attacke unter Ausnutzung des gemeinsamen Geheimnisses in einer besonders kurzen Zeit ausführen können. Dementsprechend wird die Auswirkung eines DDoS-Angriffs, der auf dem kompromittierten Geheimnis der böswilligen Clients basiert, minimiert.

Schließlich, um DoS- und DDoS-Angriffen auf Transport- und Anwendungsschicht entgegenzuwirken, die von kompromittierten SG-Geräten gestartet werden, schlagen wir eine proaktive und robuste Erweiterung von Multipath-TCP (MPTCP) vor, die solche Angriffe mithilfe eines neuartigen Stream-Hopping-Mechanismus, MPTCP-H genannt, entschärft. MPTCP-H benötigt kein gemeinsames Geheimnis und Zeitsynchronisation zwischen den Clients im Gegensatz zu dem oben beschriebenen Port-Hopping-Mechanismus. Das vorgeschlagene MPTCP-H verbirgt die offenen Portnummern der Verbindung vor einem Angreifer indem (im Laufe der Zeit) die Unterströme über neue Portnummern erneuert werden, ohne den SG-Datenverkehr zu stören.

Unsere Ergebnisse zeigen, dass die vorgeschlagenen Mechanismen sowohl in Szenarien mit Angriffen als auch in angriffsfreien Szenarien einen erheblichen Verfügbarkeitsgrad bieten.Die Ergebnisse zeigen auch einen angemessenen Zusatzaufwand hinsichtlich zusätzlicher Latenzzeiten und Nachrichten für die vorgeschlagenen Ansätze an.