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面向云计算的CBTC系统弹性评估方法研究

面向云计算的CBTC系统弹性评估方法研究

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作者：郭二妮北京交通大学

学位级别：硕士

将基于通信的列控(Communication Based Train Control System,CBTC)系统迁移到云计算平台是城市轨道交通的重要发展方向,由于商用软硬件产品的广泛应用,无线网络的开放性以及虚拟化技术的使用,使得面向云计算CBTC系统面临诸多的信息安... 详细信息

将基于通信的列控(Communication Based Train Control System,CBTC)系统迁移到云计算平台是城市轨道交通的重要发展方向,由于商用软硬件产品的广泛应用,无线网络的开放性以及虚拟化技术的使用,使得面向云计算CBTC系统面临诸多的信息安全风险,系统遭受信息攻击前后的性能变化(弹性)是影响CBTC云迁移的关键因素。论文结合CBTC系统和云计算特点,研究云计算CBTC系统的弹性评估方法。基于CBTC系统可靠性和安全性的需求,提出CBTC系统在云平台的部署方案设计原则。为解决状态空间爆炸和系统状态关联问题,利用攻击对策树和聚合随机过程方法评估云计算CBTC系统的弹性。论文的主要研究工作如下:(1)提出基于系统资源的弹性评估指标。分析CBTC系统迁移到云端面临的挑战和弹性评估面临的问题。基于CBTC系统和云计算的特点,分析影响云计算CBTC系统弹性的关键因素,提出基于系统资源指标衡量系统弹性变化的方法;(2)提出CBTC系统迁移到云平台的部署原则。首先,基于CBTC系统对可靠性和安全性的需求,给出CBTC系统在云平台部署方案的设计原则。其次,结合云计算CBTC系统虚拟化、冗余等特点,构建改进的攻击对策树模型。最后,利用攻击对策树基本事件之间的逻辑关系,计算攻击目标成功的概率,并将其等效为状态转移概率,以计算系统的弹性指标;(3)为解决云计算CBTC系统状态关联和状态空间爆炸的问题,采用聚合随机过程方法评估系统弹性。首先,构建云计算CBTC系统的聚合随机过程模型,基于系统虚拟化、冗余和后备模式的典型特征,分系统、集群、子系统和虚拟四个层级分析系统设备单元状态,进而获得系统层级的聚合状态。然后,计算系统各聚合状态的资源参数,并根据系统状态转移概率,计算状态停留的时间参数。最后根据获得的状态停留时间和状态资源,计算系统弹性指标;(4)利用蒙特卡洛方法进行弹性评估仿真验证。首先,本文根据系统各聚合状态,构建系统攻击场景。其次,根据系统聚合随机过程模型,计算系统弹性指标。最后,利用蒙特卡洛方法对系统弹性指标进行多次仿真,给出系统弹性评估结果;(5)基于蒙特卡洛方法的弹性评估结果表明:考虑管理、存储和网络集群影响的云计算CBTC系统弹性均值为0.9623,低于传统CBTC系统(0.9753)。论文通过增加云平台管理、存储和网络集群的物理资源提高其抗攻击能力,且当物理资源增加一倍时系统弹性达到了0.9871,实现了提升云计算CBTC系统弹性的目的。

关键词：云计算CBTC系统弹性评估攻击对策树系统资源聚合随机过程

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列控系统信息安全风险主动防御研究

列控系统信息安全风险主动防御研究

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作者：包正堂北京交通大学

学位级别：硕士

随着轨道交通列车运行控制系统的信息安全风险日益加剧,考虑到系统的特殊性和复杂性,一般工控系统的信息安全解决方案并不能很好地应用于列控系统。目前,国内外针对列控系统信息安全防御技术的研究很少且不深入,没有充分考虑列控系统数... 详细信息

随着轨道交通列车运行控制系统的信息安全风险日益加剧,考虑到系统的特殊性和复杂性,一般工控系统的信息安全解决方案并不能很好地应用于列控系统。目前,国内外针对列控系统信息安全防御技术的研究很少且不深入,没有充分考虑列控系统数据驱动的特点,防御方面也没有结合“安全冗余结构”及“故障—安全”等行业特色。因此,在列控系统信息化、网络化的背景下,开展结合系统特点的信息安全主动防御技术研究具有重要意义。基于上述考虑,本文主要研究了列控系统信息安全建模和防御策略选取问题。将攻击对策树(Attack Countermeasure Tree,ACT)引入列控系统的攻防建模之中,修订ACT模型定义来更好地描述系统特点。在此基础上,提出了列控系统的信息安全防御目标,并给出最优主动防御策略的选取方法。论文的具体研究内容如下:(1)研究了当前工控和列控系统信息安全的现状。以采用无线局域网(Wireless Local Area Networks,WLANs)的基于通信的列车控制(Communication-based Train Control,CBTC)系统为研究对象,重点分析列控系统信息安全相关内容,包括信息安全需求、系统网络脆弱性、攻击面、典型攻防技术,尤其是主动防御技术。(2)研究了基于攻击对策树的信息安全主动防御建模方法。首先分析了攻击树、防御树、攻击防御树、贝叶斯防御图等典型安全建模方法,指出它们的局限性。然后引入攻击对策树及其概率计算、定性分析和定量分析作为信息安全分析工具,通过修订ACT模型使其更加适合列控系统的信息安全建模,给出建模步骤。(3)提出了面向列控系统信息安全的最优策略选择方法。首先通过分析列控系统特点和需求,提出了列控系统的最优防御目标及其形式化表达,然后基于一般工控系统的攻击过程,给出面向列控系统的攻击分类。接着确定了攻防定量分析中的数值量化模型,最后给出基于定性、定量分析的最优防御策略的求解算法。(4)主动防御模型与最优防御策略选择方法的应用。通过分析基于WLAN的CBTC系统的信息流定义最小系统作为分析对象,建立ACT模型,通过对模型的具体量化来求解列控系统中考虑安全和效率的最优策略,并验证防御效果。分析结果表明,本文给出的结合攻击对策树的列控系统主动防御模型能够很好地反映列控系统攻击、检测和缓解事件的交互关系,提出的防御目标和最优策略选取方法能高效地求出符合系统安全和效率目标的最优策略,并能实现多目标的优化,实验结果证明了这一套方法具有科学性和高效性。

关键词：信息安全列控系统主动防御攻击对策树最优策略

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