      Utilização de ontologia para auxı́lio na avaliação de segurança
           cibernética da infraestrutura crı́tica do setor elétrico:
                            perspectiva brasileira
                           Márcio Rosostolato Machado1 ,Marcello Peixoto Bax1
                    1
                  ECI - PPGGOC - Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)
         Av. Antônio Carlos, 6627 – Pampulha — Belo Horizonte – MG 31270-901 – Brasil
                                              {marciorm,bax}@ufmg.br

            Abstract. This research project seeks to unify the cybersecurity terms of the
            fields of Information Technology and Operational Technology to organize kno-
            wledge of cybersecurity in the domain of the electric sector. It proposes the use
            of an ontology to build a conceptual model that considers terminologies from
            both fields and also cybersecurity requirements for the protection of critical in-
            frastructure in the energy sector. In addition, it is expected that the use of on-
            tology in cybersecurity assessments will enable a better understanding of cyber
            risk and the level of compliance with the cybersecurity best practices applicable
            to the energy sector.

            Resumo. Este projeto de pesquisa busca unificar os termos de segurança ci-
            bernética dos campos de Tecnologia da Informação e Tecnologia Operacional
            para organizar o conhecimento de segurança cibernética no domı́nio do setor
            elétrico. Propõe o uso de uma ontologia para construir um modelo concei-
            tual que considere terminologias de ambos os campos e também os requisi-
            tos de segurança cibernética para a proteção da infraestrutura crı́tica do setor
            de energia. Além disso, espera-se que o uso da ontologia nas avaliações de
            segurança cibernética possibilite melhor compreensão do risco cibernético e
            do nı́vel de conformidade com as melhores práticas de segurança cibernética
            aplicáveis ao setor elétrico.

      1. Introdução
      O setor de energia elétrica sempre foi considerado complexo e fortemente interconectado.
      O aumento da conectividade de redes, a convergência entre a Tecnologia da Operação
      (TO) e a Tecnologia da Informação (TI) e a transformação digital do modelo de negócio
      do setor elevaram a superfı́cie de ataque a ser explorada por agentes maliciosos, bem
      como o risco para as organizações e para a sociedade, de forma geral [WEF 2019].
              No setor elétrico, como em outros ramos da indústria, a incorporação de no-
      vos conceitos e tecnologias, caracterı́stica do fenômeno Indústria 4.0, implica no surgi-
      mento de novas vulnerabilidades que demandam nova abordagem em relação à segurança
      cibernética [Ghobakhloo 2018]. A área de TI é a responsável pelo desenvolvimento,
      manutenção e uso dos sistemas computacionais, softwares e redes para o processamento
      de dados. Por outro lado, a área de TO compreende o hardware e software que detecta
      ou faz mudanças, por meio de monitoramento e/ou controle de dispositivos fı́sicos, em
      processos e eventos no ambiente industrial.


Copyright © 2020 for this paper by its authors. Use permitted under Creative Commons License Attribution 4.0 International (CC BY 4.0).
         Tanto as redes de TI quanto as de TO necessitam da segurança cibernética e o
setor elétrico, nessa convergência das redes, ainda se depara com problemas relativos a
conceitos e à terminologia, impossibilitando que os requisitos, os riscos, os controles e as
relações entre eles sejam claramente compreendidos.
         Para [Uschold et al. 1996], ontologias podem ser utilizadas como estruturas unifi-
cadoras para resolver questões semelhantes ao que se apresenta neste artigo.

2. Problema de Pesquisa
As diferenças existentes em cada domı́nio (TI e TO) apresentam desafios e restrições
quando se trata de segurança cibernética aplicada na infraestrutura crı́tica, mais especı́fico,
no Sistema de Controle Industrial. Essas diferenças persistem em três nı́veis: operacio-
nal, técnico e gerencial, impondo limitações à atuação conjunta na adoção de medidas de
segurança cibernética para a infraestrutura crı́tica do setor elétrico [Hahn 2016].
          No Brasil, apesar de entidades como o Operador Nacional do Sistema (ONS) e a
Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) atuarem para formalizar um documento
que sintetize os procedimentos mı́nimos esperados para a proteção dos Sistemas de Con-
trole Industrial no setor elétrico, não existe, atualmente, um guia único de implementação
de controles, mas diversos documentos de requisitos de segurança utilizados em outros
paı́ses que são utilizados em iniciativas isoladas pelos agentes.
          Como exemplo temos o padrão North American Electric Reliability Corpora-
tion - Critical Infrastructure Protection Standards (NERC-CIP) , a norma ISO/IEC
27019:2017: Information technology — Security techniques — Information security con-
trols for the energy utility industry e os padrões ISA/IEC 62443 - Security for industrial
automation and control systems.
          Assim, o questionamento que guia esta pesquisa é como oferecer um arcabouço
conceitual unificando os termos de Tecnologia da Operação e Tecnologia da Informação
relacionados à segurança cibernética, acrescido dos requisitos de segurança especı́ficos
para o setor, com o objetivo de apoiar a avaliação de segurança cibernética da infraestru-
tura crı́tica do setor elétrico brasileiro?

3. Objetivos
3.1. Objetivo Geral
O objetivo geral deste projeto é demonstrar a contribuição de um modelo conceitual,
utilizando-se ontologia, para organizar o conhecimento relativo à segurança cibernética
aplicável na proteção dos sistemas de controle industrial da infraestrutura crı́tica do setor
elétrico brasileiro, tendo por base uma taxonomia criada à partir da unificação de termos
pertinentes das áreas de TI e TO.

3.2. Objetivos Especı́ficos
Os objetivos especı́ficos deste projeto são:
     • Criar uma taxonomia unificando termos relativos à segurança cibernética em TI e
       TO;
     • Incorporar um conjunto de controles de segurança cibernética aplicáveis à infra-
       estrutura crı́tica do setor elétrico;
     • Desenvolver uma ontologia de domı́nio para a segurança cibernética em sistemas
       de controle industrial no setor elétrico;
     • Validar a ontologia proposta com uma equipe de especialistas em TI e TO, res-
       ponsável pela segurança cibernética em uma distribuidora de energia elétrica bra-
       sileira.

4. Justificativa
Infraestrutura crı́tica é um termo utilizado para descrever as instalações, serviços, bens e
sistemas cuja interrupção ou destruição, total ou parcial, provoque sério impacto social,
ambiental, econômico, polı́tico, internacional ou à segurança do Estado e da sociedade
[Brasil 2018].
         O setor elétrico é categorizado como uma infraestrutura crı́tica, cujos Sistemas de
Controle Industrial necessitam de proteção adequada para que ameaças cibernéticas não
causem a interrupção ou degradação da prestação de serviço essencial à sociedade.
         O crescente número de ataques cibernéticos ao setor, a grande quantidade de fra-
meworks existentes em vários paı́ses, normas e padrões que apresentam requisitos de
proteção e a convergência entre as áreas de TI e TO despertaram a necessidade de uma
abordagem cientı́fica que apoie a organização do conhecimento referente à segurança ci-
bernética no domı́nio do setor elétrico.
         Por conseguinte, o setor elétrico brasileiro carece de uma base que contemple, de
modo unificado, os conceitos e as relações dos termos relativos à segurança cibernética de
TI e TO. Para [Noy et al. 2001], entre os motivos para o desenvolvimento de uma ontolo-
gia cita-se a análise do conhecimento de um domı́nio e a capacidade de tornar explı́citas
as suposições implı́citas no conhecimento do domı́nio.
         A despeito de um assunto em ascensão, o tema segurança cibernética no setor
elétrico brasileiro é carente de regulamentação especı́fica que trate a aplicação na infra-
estrutura crı́tica do setor. Além disso, o conhecimento do domı́nio deve ser abrangente e
possuir o apoio de uma base conceitual que reflita o significado dos termos utilizados de
modo compreensı́vel por humanos e computadores, permitindo a remoção de ambiguida-
des nas avaliações de segurança e servindo como referência para o desenvolvimento de
aplicações.

5. Trabalhos Correlatos
Alguns trabalhos refletem o interesse em representar o conhecimento sobre segurança
cibernética. A pesquisa bibliográfica inicial revelou uma subdivisão em que foram utili-
zados termos como Sistema Fı́sico-Cibernéticos (CPS), Sistema de Controle Industrial
(ICS) e Sistema de Supervisão e Aquisição de Dados (SCADA), o que corrobora com a
percepção do autor sobre a existência de diferentes perspectivas para abordar a questão.
        Compreendendo          essa       heterogeneidade        terminológica,      cita-se
[Bergner and Lechner 2017] que abordam o desenvolvimento de uma ontologia de
segurança de TI como uma diretriz de implantação de proteção contra ataques hackers.
        O trabalho de [Shaaban et al. 2019] trata da segurança cibernética de CPSs –
sistemas cibernéticos que controlam entidades fı́sicas – apresentando um conjunto de
ferramentas de segurança baseado em ontologia capaz de ser integrado com os estágios
iniciais do processo de desenvolvimento de sistemas crı́ticos.
        Com foco em ICS encontramos [Tebbe et al. 2016], que definem os requisi-
tos sobre o conhecimento necessário para executar uma avaliação de segurança de
ICS e o ciclo de vida desse conhecimento. Com o foco voltado ao SCADA temos
[Krauß and Thomalla 2016] que, considerando a grande dependências desses sistemas
pelas infraestruturas crı́ticas, propõem uma ontologia para especificar um modelo de
eventos de segurança, ataques e vulnerabilidades.
         Direcionado       ao    setor     elétrico    relacionamos    o trabalho de
[Vorozhtsova and Skripkin 2018] que apresenta uma análise ontológica da termino-
logia associada ao conceito de vulnerabilidade no setor e também possı́veis meios de
proteção para garantir a segurança cibernética no setor de energia.

6. Metodologia
Conforme citado por [Almeida and Bax 2003] metodologias têm sido desenvolvidas com
o propósito de sistematizar a construção e a manipulação de ontologias.
        Nos estudos iniciais foram vistos o método de Uschold e King, a metodo-
logia de Grüninger e Fox e a metodologia Methontology, sendo esta última a es-
colhida para a construção da ontologia proposta neste estudo, composta pela eta-
pas de especificação, conceitualização, formalização, implementação e manutenção
[Gomez-Perez et al. 2006].
        A seguir, são apresentadas as etapas previstas na condução desta pesquisa, entre-
tanto adequações podem ser realizadas durante a execução.
6.1. Pesquisa bibliográfica
Iniciou-se o projeto com uma pesquisa bibliográfica, em bases de divulgação cientı́ficas,
por trabalhos sobre o uso de ontologias para apoiar a segurança cibernética aplicada a
sistemas de controle industrial (ICS), bem como estudo de normas e padrões de segurança
cibernética aplicáveis ao setor elétrico.
6.2. Seleção de fontes para a criação do glossário de termos
Nesta etapa foram selecionados os documentos mais relevantes de padrões de segurança
cibernética aplicáveis à TI, TO e especı́ficos para o setor elétrico, conforme Tabela 1,
sendo o critério de seleção a utilização de padrões reconhecidos internacionalmente,
quando não encontradas referências nacionais.
          Tabela 1. Fontes selecionadas para a criação do glossário de termos


       Na etapa seguinte foram selecionados os documentos nacionais que entende-se
que podem contribuir para o desenvolvimento da ontologia ao incorporar ao glossário
termos especı́ficos do cenário brasileiro:
     • Decreto nº 9.573, de 22 de novembro de 2018 - Polı́tica Nacional de Segurança de
       Infraestruturas Crı́ticas;
     • Vocabulário Controlado da ANEEL;
     • PRODIST - documentos que normatizam e padronizam as atividades técnicas rela-
       cionadas ao funcionamento e desempenho dos sistemas de distribuição de energia
       elétrica.

6.3. Realização de entrevistas com os especialistas de domı́nio

Está prevista a realização de entrevistas com os especialistas do domı́nio em uma distri-
buidora de energia elétrica em Minas Gerais para colaborar com a criação das Questões
de Competência que apoiarão na delimitação do escopo e no delineamento dos objetivos
da ontologia.

6.4. Construção da taxonomia de conceitos

Em seguida, propõe-se extrair controles de segurança cibernética dos documentos da Ta-
bela 1 antes da construção da taxonomia de conceitos. Como parte dessa pesquisa de
mestrado, ressalta-se que ainda se encontra em estudo os métodos de construção de onto-
logias.

6.5. Desenvolvimento da ontologia

A ontologia será modelada com o apoio do software Protégé.

6.6. Avaliação da ontologia

A fase contempla a busca por metodologias que auxiliem em uma sistemática avaliação da
ontologia visando a qualidade do conteúdo e da metodologia, em alinhamento ao trabalho
de [Obrst et al. 2007].

7. Considerações Finais
Este artigo reflete os estudos realizados nas etapas iniciais da pesquisa e apresenta o plane-
jamento das próximas fases. Entre outras atividades, serão realizadas ações para aquisição
de conhecimento junto aos especialistas de domı́nio. Será ainda aprofundada a revisão da
literatura e relacionados os trabalhos cujos objetivos se aproximem e/ou apoiem o resul-
tado almejado por este projeto.
         Os resultados esperados ao final deste projeto de pesquisa devem compreender
as entregas: (1) sob uma visão pragmática da contribuição para a sociedade, a capaci-
dade de apoiar e ampliar a compreensão dos operadores que atuam no setor elétrico e por
conseguinte, elevar o nı́vel de proteção da infraestrutura crı́tica do setor elétrico brasi-
leiro; e (2) como contribuição cientı́fica, a manutenção de um vocabulário controlado de
segurança cibernética aplicada ao setor elétrico, em lı́ngua portuguesa, que possa ser uti-
lizado como referência na organização do conhecimento do domı́nio, com a visão de que
o tema segurança cibernética em infraestruturas crı́ticas vem ganhando relevância devido
às mudanças que a tecnologia tem provocado na sociedade.
Referências
Almeida, M. B. and Bax, M. P. (2003). Uma visão geral sobre ontologias: pesquisa
  sobre definições, tipos, aplicações, métodos de avaliação e de construção. Ciência da
  informação, 32(3):7–20.
Bergner, S. and Lechner, U. (2017). Cybersecurity ontology for critical infrastructures.
  In KEOD, pages 80–85.
Brasil (2018). Decreto n. 9.573, de 22 de nov de 2018. aprova a polı́tica nacional de
  segurança de infraestruturas crı́ticas. Diário Oficial [da] República Federativa do Bra-
  sil.
Ghobakhloo, M. (2018). The future of manufacturing industry: a strategic roadmap
  toward industry 4.0. Journal of Manufacturing Technology Management.
Gomez-Perez, A., Fernández-López, M., and Corcho, O. (2006). Ontological Enginee-
  ring: with examples from the areas of Knowledge Management, e-Commerce and the
  Semantic Web. Springer Science & Business Media.
Hahn, A. (2016). Operational technology and information technology in industrial control
  systems. In Cyber-security of SCADA and other industrial control systems, pages 51–
  68. Springer.
Krauß, D. and Thomalla, C. (2016). Ontology-based detection of cyber-attacks to scada-
  systems in critical infrastructures. In 2016 Sixth International Conference on Digital
  Information and Communication Technology and its Applications (DICTAP), pages
  70–73. IEEE.
Noy, N. F., McGuinness, D. L., et al. (2001). Ontology development 101: A guide to
  creating your first ontology.
Obrst, L. et al. (2007). The evaluation of ontologies-toward improved semantic interope-
  rability. semantic web, part ii, 139-158.
Shaaban, A. M., Gruber, T., and Schmittner, C. (2019). Ontology-based security tool for
  critical cyber-physical systems. In Proceedings of the 23rd International Systems and
  Software Product Line Conference-Volume B, pages 207–210.
Tebbe, C., Niemann, K.-H., and Fay, A. (2016). Ontology and life cycle of knowledge
  for ics security assessments. In 4th International Symposium for ICS & SCADA Cyber
  Security Research 2016 4, pages 32–41.
Uschold, M., Gruninger, M., et al. (1996). Ontologies: Principles, methods and applicati-
  ons. TECHNICAL REPORT-UNIVERSITY OF EDINBURGH ARTIFICIAL INTELLI-
  GENCE APPLICATIONS INSTITUTE AIAI TR.
Vorozhtsova, T. and Skripkin, S. (2018). Ontological analysis of vulnerabilities in the
  energy sector. In Vth International workshop”Critical infrastructures: Contingency
  management, Intelligent, Agent-based, Cloud computing and Cyber security”(IWCI
  2018). Atlantis Press.
WEF (2019). Cyber resilience in the electricity ecosystem: principles and gui-
 dance for boards.principles and guidance for boards. Disponivelem:http:
 //www3.weforum.org/docs/WEF_Cyber_Resilience_in_the_
 Electricity_Ecosystem.pdf. ”Acessado em 10 out. 2020”.