[論文レビュー] A Jamming-resilient Algorithm for Self-triggered Network Coordination

Danial Senejohnny, Pietro Tesi+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2016

Smart Grid Security and Resilience参考文献 18被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、通信リンクが独立して障害するDenial-of-Service (DoS)攻撃下における、ジャミング耐性の自己触発型協調アルゴリズムを提唱する。通信の持続性（Persistency-of-Communication, PoC）条件を導入することで、デジタル通信制約に適合する時間間隔における十分な接続性を保証し、合意が維持されるためのDoSの周波数および持続時間の明示的上限を確立した。また、合意収束時間への影響を定量的に評価した。

ABSTRACT

The issue of cyber-security has become ever more prevalent in the analysis and design of cyber-physical systems. In this paper, we investigate self-triggered consensus networks in the presence of communication failures caused by Denialof- Service (DoS) attacks. A general framework is considered in which the network links can fail independent of each other. By introducing a notion of Persistency-of-Communication (PoC), we provide an explicit characterization of DoS frequency and duration under which consensus can be preserved by suitably designing time-varying control and communication policies. An explicit characterization of the effects of DoS on the consensus time is also provided. The considered notion of PoC is compared with classic average connectivity conditions that are found in pure continuous-time consensus networks. Finally, examples are given to substantiate the analysis.

研究の動機と目的

• ピアツーピア（アドホック）ネットワークシステムにおける、DoS攻撃に対する分散型協調の耐性の欠如に対処すること。
• DoS攻撃をグローバルネットワーク障害ではなく、個々の通信リンクの障害としてモデル化することで、現実的なアドホックネットワーク状態を反映すること。
• DoS攻撃に対しても合意を維持できる、時間変動型の制御および通信ポリシーの開発。
• 合意の維持に耐える、明示的なDoSの周波数および持続時間の上限の特定。
• デジタルで自己触発型のネットワークにおけるDoS攻撃が合意収束時間に与える影響の定量的評価。

提案手法

• 古典的な接続性仮定をデジタルで時間制約のあるネットワークに拡張する、新規の通信持続性（Persistency-of-Communication, PoC）条件を導入する。
• DoS攻撃を、個々のネットワークリンクが利用不能となる時間間隔としてモデル化し、平均周波数および持続時間に制約を設ける。
• 各エージェントが局所情報と時間変動型のサンプリング間隔に基づいて、次の通信および制御更新のスケジューリングを行う自己触発型制御ポリシーを設計する。
• PoC条件を用いて、DoSのない時間間隔がサンプリング間隔に対して有界である場合に合意が維持される十分条件を導出する。
• DoSパラメータおよびシステム設計変数を関数として、合意収束時間を定式化・分析する。
• PoC条件のもとで、失敗した試行の直後のある有界時間内に行われるすべての送信試行が、最終的に成功することを証明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 独立したリンク障害を伴う自己触発型合意ネットワークにおいて、DoSの周波数および持続時間はどのような条件下で合意が維持可能か？
• RQ2 提案された通信持続性（Persistency-of-Communication, PoC）条件は、連続時間合意ネットワークにおける古典的な平均接続性仮定とどのように異なるか？
• RQ3 DoS攻撃が合意プロトコルの収束時間に与える明示的影響は何か？
• RQ4 提案された時間変動型の制御および通信ポリシーは、ネットワークトポロジーのグローバルな知識や時 clocks 同期を必要とせずに合意を保証できるか？
• RQ5 本モデルは、悪意のあるDoS攻撃と非悪意のある伝送障害の両方をどのように扱っているか？

主な発見

• 本稿では、リンク固有のパラメータに依存するDoS周波数および持続時間の明示的上限を確立し、提案された自己触発型ポリシーを用いることで合意が維持可能であることを示した。
• 通信持続性（Persistency-of-Communication, PoC）条件は、デジタルで自己触発型のネットワークにおける古典的接続性条件の自然な拡張であることが示され、成功した通信に必要な十分なDoSなし時間間隔を保証する。
• 合意収束時間は、DoSパラメータおよびシステム設計変数の関数として明示的に特徴付けられており、DoSの持続時間が長いほど収束が遅くなる。
• 解析により、障害の直後のある有界時間内に行われるすべての送信試行が最終的に成功することが証明され、DoSに対する耐性が保証される。
• 提案されたフレームワークは、高次元のエージェントダイナミクスへも拡張可能であり、悪意のあるDoS攻撃と非悪意のある伝送障害の両方を扱える。
• 数値例は理論的結果を検証し、導出された境界内でのDoS攻撃下でも合意が維持されることを示した。