Entornos de ejecución confiables: la clave para una Smart Grid más cibersegura

Cómo reforzar la ciberseguridad de los dispositivos en la Smart Grid con entornos de ejecución confiables

En los últimos años, la red eléctrica ha experimentado un creciente despliegue de dispositivos embebidos, es decir, sistemas con recursos limitados, pero con capacidades de procesamiento, comunicación y conectividad en red. Esta tendencia se refleja en el aumento previsto de dispositivos de operación de red, cuyo número pasará de 74,9 millones en 2025 a 157 millones en 2035 según Transforma Insights.

En paralelo, la integración de recursos energéticos distribuidos (DERs), como generación renovable, sistemas de almacenamiento energético y vehículos eléctricos, junto con el despliegue de nuevas infraestructuras de comunicación, ha impulsado la evolución desde una red eléctrica tradicional hacia la denominada Smart Grid. Esta nueva red se caracteriza por flujos bidireccionales tanto de energía como de información, monitorización en tiempo real y capacidades de control autónomo.

Elementos clave de una subestación

La digitalización en la Smart Grid tiene su origen en los equipos de medida, protección y control de la subestación, que evolucionaron de dispositivos electromecánicos convencionales hacia elementos más inteligentes, con mayores capacidades de procesamiento y comunicación.

Entre ellos destacan:

• Dispositivos Electrónicos Inteligentes (IEDs), incluyendo relés de protección y controladores de vano, que ejecutan lógica de protección y control y se comunican mediante protocolos estandarizados como GOOSE y Sampled Values de IEC 61850.
• Unidades Terminales Remotas (RTUs): proporcionan conectividad SCADA y telemetría hacia el centro de control.
• Merging Units (MUs): digitalizan las medidas analógicas de corriente y tensión y las transmiten hacia los IEDs como Sampled Values según IEC 61850-9-2.
• Unidades de Medida Fasorial (PMUs): supervisan el sistema en tiempo real y con alta precisión el estado de la red eléctrica mediante datos de fasores sincronizados.

Ilustración 1: arquitectura típica de dispositivos digitales en una subestación eléctrica

Vulnerabilidades y riesgos de la digitalización

Sin embargo, la digitalización trae consigo ciertas vulnerabilidades y riesgos a tener en cuenta. El hecho de trabajar con dispositivos embebidos, junto con la creciente integración de tecnologías IIoT desplegadas en el Edge, conlleva que la superficie de ataque se expanda considerablemente, ya que cada dispositivo conectado representa un nuevo punto de entrada potencial para un atacante. Además, la mayoría de estos dispositivos no fueron diseñados teniendo en cuenta medidas de ciberseguridad, lo que los convierte en potenciales vectores de ataque.

Es por esto por lo que diversas instituciones y organizaciones han comenzado a trabajar en normativas y estándares de ciberseguridad específicos para estos entornos. Este aspecto es especialmente relevante dado que la red eléctrica es considerada una infraestructura crítica, ya que un ataque exitoso podría tener graves consecuencias sobre el suministro eléctrico y otros servicios esenciales que dependen de ella.

Cyber Resilience Act (CRA): requisitos obligatorios de ciberseguridad

En este contexto, encontramos iniciativas como el Cyber Resilience Act (CRA), que establece requisitos obligatorios de ciberseguridad para productos digitales comercializados en la UE, y la Directiva NIS2, centrada en reforzar la gestión de riesgos y la resiliencia de operadores de infraestructuras críticas.

En cuanto a los estándares, destacan la familia IEC 62443, orientada a la seguridad de sistemas de automatización y control industrial (IACS), y el estándar IEC 62351, desarrollado específicamente para proteger las comunicaciones y protocolos utilizados en sistemas eléctricos y Smart Grid.

Además, el framework MITRE ATT&CK for ICS proporciona una clasificación estructurada de tácticas y técnicas empleadas en ataques contra sistemas industriales, entre las que destacan

• Unauthorized Command Message (envío de comandos no autorizados a dispositivos industriales)
• Manipulation of Control (alteración de la lógica o parámetros de control)
• Program Download (carga de firmware o software malicioso en equipos industriales)
• o Manipulation of View (modificación de la información mostrada a operadores y sistemas SCADA)

Mecanismos de seguridad reforzados por hardware

Algunas de estas normativas y estándares comienzan además a reconocer la necesidad de incorporar mecanismos de seguridad reforzados por hardware, capaces de proporcionar aislamiento, almacenamiento seguro de claves y verificación de integridad directamente en los dispositivos. Los avances tecnológicos en el campo de la electrónica han permitido el desarrollo de técnicas de ciberseguridad reforzadas por hardware (hardware-enforced cybersecurity), entre las que destacan:

• La seguridad del dispositivo se basa en una raíz de confianza hardware (Hardware Root of Trust, RoT), un componente inmutable que garantiza la autenticidad del software ejecutado. La RoT combina una memoria de arranque inmutable, hardware de aislamiento y claves criptográficas protegidas que, al estar fuera del control del sistema operativo, resultan altamente resistentes frente a malware. Esta raíz puede implementarse mediante chips dedicados (como los TPMs) o integrarse directamente en el SoC, sirviendo como base para la creación de TEEs y la implementación del Secure Boot. Este proceso de Secure Boot valida cada etapa del arranque mediante una "cadena de confianza", de manera que una etapa solo se ejecuta si la anterior ha verificado correctamente su firma digital. Para evitar manipulaciones, la clave de verificación se graba en el hardware durante la fabricación, asegurando que solo el software autorizado sea ejecutado, aunque esto no excluye la existencia de vulnerabilidades en dicho código.
• Los módulos de plataforma de confianza (Trusted Platform Modules, TPM) son chips de seguridad dedicados, estandarizados por el Trusted Computing Group (TCG), que implementan una raíz de confianza en hardware. Su función principal es almacenar de forma segura las claves criptográficas y realizar operaciones criptográficas dentro del propio chip, sin exponerlas al resto del sistema. Además, puede utilizarse para almacenar y verificar medidas criptográficas del proceso de arranque, permitiendo detectar modificaciones no autorizadas en el firmware o el sistema operativo. Los TPM pueden encontrarse como chips independientes en la placa base o integrados directamente en el procesador principal.
• Los entornos de ejecución confiables (Trusted Execution Environments, TEE) son entornos de ejecución seguros que corren en paralelo al sistema operativo principal del dispositivo, de forma completamente aislada. En ellos se ejecutan aplicaciones confiables y aisladas del sistema operativo principal. Para garantizar este aislamiento, los TEEs se apoyan tanto en mecanismos de seguridad hardware como software, protegiendo el almacenamiento y el procesamiento de datos sensibles frente al resto del sistema.

Ilustración 2: Arquitecturas hardware de confianza: TPM y TEE

Cómo funciona un entorno de ejecución confiables (TEE)

Un Entorno de Ejecución confiables (TEE, por sus siglas en inglés) es un área aislada del procesador principal que garantiza que el código y los datos cargados en ella estén protegidos contra accesos no autorizados del resto del sistema. A diferencia de un sistema operativo convencional, el TEE ofrece un nivel de seguridad superior al ejecutar procesos críticos en un entorno donde el sistema operativo principal (aunque esté comprometido) no puede intervenir ni observar.

Aunque inicialmente la adopción de los TEE se extendió a dispositivos móviles, tabletas y Smart TVs para la gestión de contenidos protegidos y datos sensibles, su aplicación en entornos industriales y en la Smart Grid es de creciente interés. Esto se debe a que permiten proteger operaciones críticas, como el cifrado de comunicaciones o la gestión de claves, directamente en los dispositivos embebidos de la subestación, eliminando la necesidad de hardware externo adicional.

• Las implementaciones de TEE más extendidas se basan en la tecnología ARM TrustZone, la cual divide el hardware en dos mundos: el "mundo no seguro", donde habitualmente se ejecutan sistemas como Linux o Android, y el "mundo seguro", donde se implementan microkernels especializados como OP-TEE.
• Un TEE puede integrar funcionalidades equivalentes a las de un TPM. Su seguridad radica en el aislamiento estricto a nivel de hardware: la zona no segura no tiene acceso directo a la zona segura y toda interacción se realiza a través de una API específica y controlada, asegurando que las claves y la información sensible permanezcan inaccesibles.

Esta arquitectura mitiga diversas técnicas descritas en la matriz MITRE ATT&CK for ICS, especialmente aquellas relacionadas con el robo de claves criptográficas, la modificación de firmware y la ejecución de comandos no autorizados. Entre ellas destacan técnicas como Unauthorized Command Message, Modify Controller Tasking y Program Download, ya que el atacante no puede modificar el código ejecutado en el TEE ni extraer los secretos almacenados en él.

Para optimizar este proceso, los TEE suelen apoyarse en aceleradores criptográficos por hardware. Estos componentes permiten que las operaciones de cifrado, descifrado y firma digital sean significativamente más eficientes y rápidas que si se ejecutaran mediante software. Esto no solo reduce el impacto en la latencia de las medidas industriales, sino que aumenta la seguridad al procesar las operaciones criptográficas en circuitos dedicados, minimizando el riesgo de ataques de canal lateral (side-channel attacks).

Infraestructura eléctrica preparada para el futuro

La evolución hacia una Smart Grid más segura no es solo una respuesta a las amenazas actuales, sino el camino para construir una infraestructura eléctrica preparada para el futuro. La adopción de mecanismos de seguridad reforzados por hardware y entornos de ejecución confiables marcará la diferencia entre una red vulnerable y una red resiliente, capaz de sostener la transición energética y la digitalización que están por venir.