Les systèmes de contrôle et d'automatisation industriels (IACS - Industrial Control and Automation Systems) reposent largement et de plus en plus sur les Technologies de l'Information et de la Communication. A l'origine, les IACS utilisaient des protocoles propriétaires sur des réseaux fermés, assurant ainsi une sécurité par obscurité et isolement. Mais les technologies et les usages ont évolué et cette sécurité intrinsèque n'existe plus désormais. Cette évolution concerne entre autre le domaine électrique : le réseau électrique devenant le "smart grid".Le standard IEC 61850 est un pilier pour le développement du smart grid. Il a pour objectif de rendre possible l'interopérabilité dans les "Systèmes et réseaux de communication pour l'automatisation des services de distribution d'énergie". Pour cela, la norme définit un modèle de données commun ainsi qu'une pile de protocoles répondant à divers besoins de communication.Le standard IEC 61850 n'aborde pas la question de la cyber sécurité malgré une prise de conscience générale qu'un risque cyber pèse sur les IACS.Ces travaux de recherche proposent de répondre à cette question de la cyber sécurité par de la détection d'intrusion dans les réseaux IEC 61850, et plus précisément dans les communications temps-réel GOOSE. L'idée est d'exploiter au maximum les sources d'informations que sont les spécifications du protocole et la configuration du système pour développer un système de détection d'intrusion réseau (NIDS - Network Intrusion Detection System) sur mesure. Cette approche comportementale déterministe est un gage de précision de détection.Ce manuscrit compte quatre chapitres. Les deux premiers consistent en un état de l'art détaillé sur les NIDS pour les IACS d'une part, et l'analyse du risque cyber d'autre part. Les deux autres chapitres présentent les contributions proprement dites de ces travaux de thèse. Le chapitre 3 explore tout d'abord le risque cyber pesant sur un poste électrique et pouvant compromettre la sûreté de fonctionnement du système. Dans un deuxième temps, est proposée une extension du modèle de données IEC 61850 dédiées à la détection d'intrusion dans les communication GOOSE. Le chapitre 4 commence avec la démonstration expérimentale de la faisabilité d'une attaque de type injection de données sur le protocole GOOSE, puis explique comment utiliser les fichiers de configuration du système pour spécifier les règles de détection. Un analyseur syntaxique pour le protocole GOOSE a été intégré à l'analyseur de trafic open source Bro, permettant l'implémentation d'un algorithme de détection. / Information and Communication Technologies have been pervading Industrial Automation and Control Systems (IACS) for a few decades now. Initially, IACS ran proprietary protocols on closed networks, thus ensuring some level of security through obscurity and isolation. Technologies and usages have evolved and today this intrinsic security does not exist any longer, though. This transition is in progress in the electricity domain, the power infrastructure turning into the "smart grid".The IEC 61850 standard is key to the smart grid development. It is aimed at making interoperability possible in ``Communication networks and systems for power utility automation''. It thus defines a common data object model and a stack of protocols answering different purposes.Although the cyber risk in IACS is now widely acknowledged, IEC 61850 does not address cyber security in any way whatsoever.This work tackles the question of cyber security through network intrusion detection in IEC 61850 networks, and more specifically in real-time GOOSE communications. The idea is to get the most out of the protocol specifications and system configuration while developing a tailored NIDS. This enables detection accuracy.

<p>Modern reactors promise enhanced capabilities not previously possible including integration with the smart grid, remote monitoring, reduced operation and maintenance costs, and more efficient operation. . Modern reactors are designed for installation to remote areas and integration to the electric smart grid, which would require the need for secure undisturbed remote control and the implementation of two-way communications and advanced digital technologies. However, two-way communications between the reactor facility, the enterprise network and the grid would require continuous operation data transmission. This would necessitate a deep understanding of cybersecurity and the development of a robust cybersecurity management plan in all reactor communication networks. Currently, there is a limited number of testbeds, mostly virtual, to perform cybersecurity research and investigate and demonstrate cybersecurity implementations in a nuclear environment. To fill this gap, the goal of this thesis is the development of a real-time cyber-physical testbed with real operational and information technology data to allow for cybersecurity research in a representative nuclear environment. In this thesis, a prototypic cyber-physical testbed was designed, built, tested, and installed in PUR-1. The cyber-physical testbed consists of an Auxiliary Moderator Displacement Rod (AMDR) that experimentally simulates a regulating rod, several sensors, and digital controllers mirroring Purdue University Reactor One (PUR-1) operation. The cyber-physical testbed is monitored and controlled remotely from the Remote Monitoring and Simulation Station (RMSS), located in another building with no line of sight to the reactor room. The design, construction and testing of the cyber-physical testbed are presented along with its capabilities and limitations. The cyber-physical testbed network architecture enables the performance of simulated cyberattacks including false data injection and denial of service. Utilizing the RMSS setup, collected information from the cyber-physical testbed is compared with real-time operational PUR-1 data in order to evaluate system response under simulated cyber events. Furthermore, a physics-based model is developed and benchmarked to simulate physical phenomena in PUR-1 reactor pool and provide information about reactor parameters that cannot be collected from reactor instrumentation system.</p>