DoS攻击下网络化系统的攻击策略与稳定性分析

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:daodaotianxia1234
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随着网络技术与工业控制系统的结合,网络化控制系统(Networked Control System,NCS)在理论和应用领域中的多个方面得到大量关注。网络环节的引入在带来进步的同时也带来了新的安全问题。由于网络环节的脆弱性,网络化控制系统在遭受攻击时安全控制问题亟待解决。目前相关研究大多考虑离线策略攻击者,对于能够根据获得信息即时决策的在线攻击者研究则相对不足。因此,本文首先考虑能量约束下的在线攻击策略,并假设攻击者可以实时获得系统丢包信息并即时决策。之后将得到的最优攻击策略施加到网络化控制系统上,给出系统可以采取的对抗手段,最后研究攻击下网络化控制系统的自身稳定性条件。针对网络化控制系统的在线拒绝服务(Denial of Service,DoS)攻击策略,在考虑攻击者拥有能量约束,同时能够实时得知攻击是否成功并改变自身行为的情况下,研究攻击者的最优在线DoS攻击策略。通过马尔可夫链建立攻击者策略与连续丢包概率的数学模型,进而获得衡量攻击威力的详细表达式。通过求解关于攻击策略中重新攻击规则的优化问题,得到最优的攻击策略。此外,与常见的周期策略的对比证明论文提出的在线DoS攻击策略更能破坏系统状态估计。在上述最优在线DoS攻击策略的基础上,从防御者的角度出发,研究通过多信道传输对抗攻击的方法。考虑一个具有冗余信道的网络化系统,系统会在遭遇DoS攻击且多次丢包的情况下通过冗余信道传输额外数据包。为了有效利用冗余信道中的传输器能量,系统传输器通过基于丢包的触发机制判断发送额外数据包的时机,并得到触发门限与传输器发送功率的关系。之后根据系统估计误差协方差与触发门限的关系,给出一个优化问题,问题最优解就是系统最优的触发门限,最后证明了其最优解在特定的区间内。在上述在线DoS攻击策略和系统丢包触发对抗机制的基础上,考虑单信道网络化控制系统的攻击对抗措施和系统稳定性。冗余信道的移除使得系统递包率下降,并且网络环节中全部数据包都会面临DoS攻击和攻击者窃听。通过采用基于随机允许传输间隔(Stochastic Allowable Transmission Interval,SATI)的触发机制,传感器可以根据连续丢包数量在两种功率状态下切换。在最优在线DoS攻击策略下,给出上述系统的平均丢包数以及平均触发数,得到触发门限、两功率状态与平均丢包率的关系。进一步给出了系统均方指数稳定(Exponentially Mean Square Stable,EMSS)的条件,并给出观测增益与控制增益。最后给出一个优化问题,其解就是能够以保证系统上述性能的触发门限和两功率状态方案的最小的通信资源上界。
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