网络攻击下的网络控制系统安全策略研究

• 作 者: 杨天宝
• 出 处: 南京邮电大学
• 发表日期: 2020年02期
• 关键词: 网络控制系统 网络安全 DoS攻击 预测控制 事件触发 冗余控制

网络控制系统是系统组件通过共享通信网络连接形成的闭环反馈控制系统。近年来,网络技术的不断发展,给控制系统带来诸多便利的同时,也给系统带来了安全问题。网络控制系统的安全问题已经引起了国内外广大科研工作者、政府机构的广泛关注。拒绝服务(Denial of Service)攻击作为网络控制系统中常见的、有效的、易实现的攻击方式之一,其通过干扰或者耗尽系统资源的形式造成系统通信中断。对于实时性要求高的闭环网络化系统,DoS攻击将造成系统控制性能下降,甚至导致系统不稳定。因此,本文将针对不同时间尺度的DoS攻击,从网络化控制系统角度,进行安全性分析和安全防御策略设计,主要工作如下:(1)基于预测控制方法的DoS攻击防御策略设计。首先,考虑系统参数未知的非线性网络化系统,采用无模型自适应控制方法,设计基于数据驱动的预测控制方法补偿由DoS攻击造成的数据丢包,同时引入事件触发机制以减轻网络传输的负担。其次,考虑网络化线性控制系统,采用基于模型的预测控制方法,设计自适应预测补偿算法,即根据DoS攻击的历史强度设计预测补偿区间以防御未来可能发生的DoS攻击,以降低预测补偿的保守性。最后,通过实例仿真实验验证所设计的防御策略的有效性。(2)DoS攻击下预测控制系统的弹性性能分析和触发控制参数设计。引入虚拟触发机制,构建基于预测控制的系统防御架构,采用切换系统理论和平均驻留时间分析方法,分析DoS攻击下预测防御系统的弹性性能。获取保证系统稳定的DoS攻击约束条件,同时给出基于线性矩阵不等式LMIs的触发参数和控制参数联合设计方法,并通过仿真验证理论的有效性。(3)基于冗余思想的DoS攻击防御策略设计。针对大时间尺度的DoS攻击,构建基于冗余传输通道的双事件触发通信机制。进一步,基于Lyapunov稳定性理论分析所设计系统的稳定性,并给出双触发控制结构的参数设计方法。最后,通过数值仿真验证所设计防御策略的有效性。本文的创新点在于针对不同时间尺度的DoS攻击,分别采用预测补偿方法和冗余思想,进行系统安全性分析和安全控制策略设计,以实现网络化系统的安全稳定运行。