基于DoS攻击和检测的信息物理系统攻防策略研究

来源 :沈阳航空航天大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:sntatgh
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信息物理系统(Cyber-Physical System,CPS)是信息空间与物理空间高度融合与协同设计的大型复杂系统。由于其具有不同于传统控制系统的高度集成、以及高度网络化的特点,CPS在各种领域取得了广泛的应用。CPS网络层的开放共享给其实际应用带来更高效率的同时,也加大了自身的风险。在潜在的风险中,网络攻击凭借较大的破坏力,成为CPS需要解决的首要安全问题。其中,拒绝服务(Denial-of-Service,DoS)攻击是最为普遍、影响效果最大的网络攻击类型,可以通过占用通信信道的网络资源,导致系统拒绝对正常数据的收发。本文从控制角度出发,对基于DoS攻击和检测的CPS的攻防策略进行研究,具体研究内容如下:首先,为了获得攻击者的最优解,构造了一种可以最大化期望平均误差的DoS最优攻击策略,同时给出了攻击者收益的计算公式。本文考虑这样的一个系统:传感器处理测量数据,并通过无线信道将数据发送到远程估计器,攻击者具有有限的能量预算,并在每个采样时间点决定是否对信道进行阻塞攻击以降低远程状态估计质量。相反,还提出了 DoS攻击下的最差攻击策略以及收益计算公式。为了降低攻击者的收益,提出了一种存在入侵检测系统(Intrusion Detection System,IDS)的最优攻击策略,通过仿真验证了IDS的有效性。其次,研究了在传感器与攻击者都具有能量约束下的攻防博弈问题,为了获得双方博弈的最优解,建立了传感器何时发送数据包和攻击者何时攻击的交互决策过程,构造了一个博弈论框架,并证明了双方的最优策略构成了一个零和博弈的纳什均衡。对于传感器和攻击者都有之前传输结果的在线信息的情况,提出了一个基于在线信息的动态更新的算法。为了解决计算复杂度问题,提出利用平均能量约束条件代替整体的能量约束的方法,并利用马尔可夫链理论给出了相应的解决方案,仿真证明了新能量约束条件的有效性。最后,继续研究DoS攻击在无线网络控制方面的最优攻击决策问题,分析了在能量约束下可以使线性二次型高斯(Linear Quadratic Gaussian,LQG)函数最大化的最优攻击策略。从控制系统性能的角度入手,研究了攻击者在自身能量不足的情况下,如何优化自己的攻击计划以最大限度地影响系统性能,同时考虑了系统在最优攻击策略下的稳定性,通过实例验证了所提出的最优攻击策略的有效性。
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