[論文レビュー] Cross-Layer Coordinated Attacks on Cyber-Physical Systems: A LQG Game Framework with Controlled Observations

Yunhan Huang, Zehui Xiong+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2020

Smart Grid Security and Resilience参考文献 23被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、サイバーフィジカルシステム（CPS）におけるクロスレイヤー協調的攻撃をモデル化するため、ゼロサム線形二次ガウス（LQG）ゲームフレームワークを提案する。攻撃者は物理的プロセスを同時に破壊し、通信チャネルをジャミングする一方、防御者は推定精度とリソースコストのバランスを取るために、いつ観測するかを戦略的に選択する。主な貢献は、動的プログラミングを用いたサブゲーム完全均衡（SPE）戦略の完全な特徴付けであり、制御、観測、ジャミング意思決定が相互に依存し合い、システム劣化とコストのトレードオフを共同で最適化することを明らかにする。

ABSTRACT

This work establishes a game-theoretic framework to study cross-layer coordinated attacks on cyber-physical systems (CPSs). The attacker can interfere with the physical process and launch jamming attacks on the communication channels simultaneously. At the same time, the defender can dodge the jamming by dispensing with observations. The generic framework captures a wide variety of classic attack models on CPSs. Leveraging dynamic programming techniques, we fully characterize the Subgame Perfect Equilibrium (SPE) control strategies. We also derive the SPE observation and jamming strategies and provide efficient computational methods to compute them. The results demonstrate that the physical and cyber attacks are coordinated and depend on each other. On the one hand, the control strategies are linear in the state estimate, and the estimate error caused by jamming attacks will induce performance degradation. On the other hand, the interactions between the attacker and the defender in the physical layer significantly impact the observation and jamming strategies. Numerical examples illustrate the interactions between the defender and the attacker through their observation and jamming strategies.

研究の動機と目的

• CPSにおける物理層およびサイバー層の協調的攻撃をモデル化し、システムのダイナミクスと通信チャネルを同時に干渉する。
• リソース制約下での攻撃者によるジャミングと防御者の観測意思決定の戦略的相互作用を捉える。
• CPSセキュリティにおける古典的攻撃モデルを一般化する統一的なゲーム理論フレームワークを構築する。
• 動的プログラミングを用いて、制御、観測、ジャミングのSPE戦略を特徴付ける。
• 不確実性とコスト制約下での最適戦略を導出する計算的に効率的な手法を提供する。

提案手法

• 観測コストに基づいて防御者が観測するかどうかを決定する制御可能な観測を有するゼロサムLQGゲームを定式化し、攻撃者はジャミングおよび物理的干渉戦略を選択する。
• SPE戦略の後退方程式を導出するために動的プログラミングを用い、各段階における最適行動の再帰的計算を可能にする。
• 線形力学的プロセスに加法的ガウスノイズをモデル化し、状態推定が防御者の観測意思決定と攻撃者のジャミングに依存することをモデル化する。
• 状態推定の関数として線形制御戦略を導出し、ゲインは観測およびジャミング方針とは独立に事前計算する。
• 観測（$o_d$）およびジャミング（$o_a$）のコストパラメータを導入し、リソース制限と戦略的トレードオフをモデル化する。
• 推定誤差分散の伝播を用いて不確実性の進化をモデル化し、最適な観測およびジャミング意思決定を導く。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 戦略的な防御者の観測意思決定のもとで、物理的およびサイバー層の協調的攻撃がCPSのパフォーマンスをどのように共同で劣化させるか？
• RQ2 観測コストとジャミングの脅威を考慮した場合、防御者がいつ観測するかの最適戦略は何か？
• RQ3 物理的干渉が可能な攻撃者の能力は、そのジャミングおよび攻撃協調戦略にどのように影響するか？
• RQ4 予想されるジャミングがあるにもかかわらず、観測が無料であっても、なぜ防御者が観測をしない場合があるのか？
• RQ5 推定誤差とジャミングコストの相互作用は、ゲームにおける均衡戦略にどのように影響するか？

主な発見

• 制御戦略は状態推定値の線形関数であり、安定なシステムであってもジャミングによる推定誤差のためパフォーマンスが劣化する。
• 観測コストが推定誤差によるシステム劣化を上回る場合、特に物理的攻撃が安価な場合には防御者は観測を行わない。
• 物理的攻撃コストが低い場合、観測が無料であっても防御者は観測を控える。これは攻撃者が観測を悪用してより正確な攻撃を実行できるためである。
• ジャミングを予測しても、防御者は依然として観測を行うことがある。これは攻撃者が高いジャミングコストを負担させることを強制するためであり、ゼロサムゲームにおいては有利である。
• 観測ノイズ分散（$\sigma$）が中程度に増加すると、防御者は情報品質の低下を補うために観測頻度を増加させる。これは非単調な応答を示す。
• ジャミングコストが高くなる（$o_a = 6000$）と、$\sigma$の増加に伴い観測回数は一時的に増加してから減少する。これは情報価値とコストのトレードオフを示している。