随着社会的发展,信息化、网络化和智能化已经成为时代的主流,并且影响人类社会的生活、生产和管理方式。信息化的日渐完善将计算、通信和控制技术不断结合,使物理空间、信息空间和人类社会三元空间实现了互联互通,继而出现了三元空间深度融合的信息物理系统(Cyber Physical Systems,CPS)。鉴于网络的存在,CPS常常呈现出开放性的特点,同时也会带来许多潜在安全威胁,其中恶意网络攻击的存在,增加了安全估计算法设计的难度,甚至会使CPS的可靠运行无法保证。因此,本文针对CPS中存在的上述问题,研究了网络攻击建模、状态估计算法和防御策略设计。具体研究内容概述如下:首先,研究了CPS遭受到拒绝服务攻击(Denial-of-Service Attack,DoS Attack)时,网络攻击建模和系统防御策略设计问题。考虑攻击者和防御者均是能量受限的情况下,基于博弈论理论描述防御者和攻击者之间的交互决策,并采用矩阵博弈方法求得纳什均衡解,进一步获得通讯信道的递包率。然后,将该研究方法推广到多子系统构成的CPS,分别得到防御者和攻击者的最优防御策略和最优攻击策略。其次,研究了节点间具有耦合关系的CPS中的安全估计问题。利用无偏最小方差估计算法,估计各节点的状态及节点间的耦合关系。同时,考虑智能传感器到远程估计器间通信信道容易遭受到可自适应调整传输功率的智能干扰攻击,设计了攻击者和防御者的收益函数并建立斯坦伯格博弈框架来描述双方的交互决策,进而得到双方的最佳响应策略和防御策略,并且给出斯坦伯格均衡解的存在性和唯一性的证明。最后,研究了存在未知输入和智能干扰攻击情况下的CPS安全估计问题。智能传感器通过检测到的测量信息,基于无偏最小方差估计理论得到局部最优状态估计。同时为了节省通讯成本,设计了基于事件触发机制的远程状态估计器,并采用斯坦伯格博弈理论建立智能干扰攻击者和智能传感器之间的交互决策,进而得到双方的最佳响应策略和防御策略。最后,给出了存在未知输入和智能干扰攻击下系统稳定的充分条件。