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针对DoS攻击的网络化控制系统安全问题研究

徐豪  
【摘要】:传统的本地控制方式在处理远距离控制时,需要专设信道,从而加大了设计、布线、维护成本。随着互联网的普及,网络化控制已成为国际控制界研究的热点课题之一,并广泛应用于众多领域。网络化控制系统(Networked Control Systems,NCSs)可以将互联网信道用于传输控制及测量信号,这虽然能节省各项成本,但在理论和实践中存在着很多待解决的问题和挑战。封闭的控制系统接入互联网,带来了诸如网络诱导时延、数据包丢失、乱序、通信带宽受限以及网络安全等众多问题,尤其网络安全问题非常突出。针对互联网协议的攻击逐渐成熟,但是网络防御只能采取逐步跟进的方式更新策略,对遭受网络攻击威胁下的NCSs分析作为一个新兴的交叉研究领域,相关研究还在起步阶段,许多关键问题需要深入讨论研究。本文主要对拒绝服务攻击(Denial of Service,DoS)下的NCSs进行分析建模,并在控制层面设计应对策略,论文的主要内容包括:首先,对最优调度下的DoS攻击进行描述建模,研究了带有执行器饱和NCSs在该攻击下的稳定性问题。如果长时间没有得到控制信号,受饱和约束的非自稳定系统其状态就会发散至吸引域外,则原控制器就无法对此NCSs镇定。攻击者正是依靠此弊端进行连续DoS攻击,考虑自身的攻击成本,最优调度下的DoS攻击能够以最小代价使NCSs失控。通过NCSs的吸引域方式,估计出了能使系统失控的连续攻击最小步数。通过设计预测控制器,用以应对此攻击,并得到了预测控制系统的稳定性条件。通过网络化倒立摆系统仿真验证了理论有效性。其次,入侵检测系统(Intrusion Detection Systems,IDSs)通常配置在控制器端用以防范来自于网络的各种攻击。考虑IDSs与DoS攻击者在实际中均对对方存在未知策略信息,并结合已有相关建模方式,将DoS攻击用攻击频率和单次攻击时长描述。通过混合策略纳什均衡博弈对攻防双方相互行为建模,得出不完全策略信息下的混合纳什均衡策略。继而,通过切换系统的证明方法,给出了带有预测补偿NCSs遭受统一调度DoS攻击下的稳定性条件。比较了存在未知策略与完全策略下的博弈双方均衡解。通过网络化球杆系统仿真验证了所方法的有效性。再次,对于攻击者而言,单一形式的DoS攻击往往难以达到理想的攻击目标。实际情况中,NCSs往往遭受多重网络攻击。本文所研究一种多重攻击为,以DoS攻击为主要手段,攻击控制系统的前向通道,并辅之以欺骗攻击反馈通道,从而达到使系统性能变差乃至失控。为了应对这种攻击,本文在控制器端配置?~2检测器来检测欺骗攻击,并设计预测控制器应对DoS攻击,通过切换系统的证明方法给出了受多重攻击网络化预测控制系统的稳定性条件。比较了多重攻击较单一攻击的优势,仿真结果验证了本文所提方法的有效性。最后,在无线网络化控制系统中(Wireless Networked Control Systems,WNCSs),由于通信信道暴露于空气中,很容易受到恶意干扰攻击,引发数据包丢失。对于扰者与发送者之间之间行为通过主从博弈建模描述,设计了H_?控制器作为容侵防御策略。考虑实际博弈中存在的未知信息,干扰者无法准确获得发送者的发送功率,使得自身无法得到最优攻击策略。本文站在干扰者角度,设计了动态更新算法,通过实时观测控制系统状态消除观测误差,从而调整自身干扰策略达到最优。通过网络化不间断系统仿真验证了设计方法的有效性。


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