信息物理系统欺骗攻击及其检测与性能优化研究

作     者：李小杭 

作者单位：东北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：化建宁

授予年度：2019年

学科分类：0839[工学-网络空间安全] 08[工学] 

主      题：信息物理系统 重放攻击 水印检测 线性攻击 自适应控制 

摘      要：随着科学和技术的不断发展,控制系统日渐变得复杂,信息物理系统(Cyber-physical Systems,CPS)正在迅速发展,并且变得越来越普遍。这类系统通过传感器网络自我监控,通过分层架构进行通信,最重要的是可以进行自治,从而促成网络和物理组件之间的复杂集成和交互。未来世界万物的互联互通必然需要信息物理系统具有更高的开放性,而更高的开放性则必然导致更高的潜在安全威胁。一旦针对信息物理系统的攻击获得成功,那么后果将难以想象,可以说信息物理系统的安全牵动着一个国家的国民经济命脉。所以从控制与检测的角度研究信息物理系统安全问题具有重要理论和现实意义。针对信息物理系统的欺骗攻击问题,本文进行了相关研究,主要工作内容及创新点总结如下。(1)针对重放攻击的检测问题,本文采用了一种编码水印检测方案来使得系统中的某些特定数据产生协方差的变化。不同于现有方法,这种检测不需要牺牲系统未受攻击情况下的性能。基于编码水印方案,提出了两种检测器来分别检测残差数据和传感器测量输出数据的方差变化。此外,基于输出数据的检测器比基于残差数据的检测器具有更小的设计计算量。(2)针对执行器受到虚假数据注入攻击的问题,本文提出了系统执行器在受到常值虚假数据注入攻击与有界时变虚假数据注入攻击时的自适应补偿控制器的设计方法。为了防止虚假数据注入攻击对系统产生的影响,我们设计了自适应补偿控制策略。将该自适应补偿控制算法应用到虚假数据注入攻击的结果表明,所设计的自适应律具有收敛速度快、估计参数准确等优点。该补偿控制算法能够基本上补偿虚假数据注入攻击产生的影响,可以证明最终的闭环系统的所有信号是有界的并且系统状态能够渐近收敛到零。最后我们提供了仿真实例验证了本章所提出状态反馈自适应补偿控制器的有效性。(3)针对传感器遭受虚假数据注入攻击的问题,本文研究了远程状态估计情况下基于残差的最优攻击情况。其中攻击者不仅能够截获传输的数据包,而且还能够测量系统状态,并使用测量的数据或组合信息来设计攻击策略。我们通过求解凸优化问题获得最优攻击策略,并提供仿真实例来论证分析结果。