[論文レビュー] Cyber Attack and Machine Induced Fault Detection and Isolation Methodologies for Cyber-Physical Systems

Mahdi Taheri, K. Khorasani+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2020

Smart Grid Security and Resilience被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、サイバー物理システム（CPS）におけるサイバー攻撃（例：クローク、ゼロダイナミクス、リプレイ攻撃）および機械由来の故障を同時に検出・分離するための二重フィルタおよび未知入力観測器（UIO）ベースの手法を提案する。プラント側とコマンドアンドコントロール（C&C）側に非対称なフィルタを適用し、UIOベースの残差を活用することで、通信リンクが侵害されている状況でも、攻撃者がすべての通信チャネルにアクセスできない限り、完全なシステム知識を有していても検出が可能となる。

ABSTRACT

In this paper, the problem of simultaneous cyber attack and fault detection and isolation (CAFDI) in cyber-physical systems (CPS) is studied. The proposed solution methodology consists of two filters on the plant and the command and control (C\&C) sides of the CPS and an unknown input observer (UIO) based detector on the plant side. Conditions under which the proposed methodology can detect deception attacks, such as covert attacks, zero dynamics attacks, and replay attacks are characterized. An advantage of the proposed methodology is that one does not require a fully secured communication link which implies that the communication link can be compromised by the adversary while it is used to transmit the C\&C side observer estimates. Also, it is assumed that adversaries have access to parameters of the system, filters, and the UIO-based detector, however, they do not have access to all the communication link channels. Conditions under which, using the communication link cyber attacks, the adversary cannot eliminate the impact of actuator and sensor cyber attacks are investigated. To illustrate the capabilities and effectiveness of the proposed CAFDI methodologies, simulation case studies are provided and comparisons with detection methods that are available in the literature are included to demonstrate the advantages and benefits of our proposed solutions.

研究の動機と目的

• CPSにおけるサイバー攻撃と機械由来故障の同時検出を統合的に行うソリューションの不足に対処する。
• 従来の故障検出手法が、知的サイバー攻撃と物理的故障を区別できないという限界を克服する。
• 完全にセキュアな通信リンクを必要とせず、クローク攻撃やゼロダイナミクス攻撃といった検出不能な攻撃を検出可能にする。
• すべてのシステムパラメータ、フィルタ、検出器を把握している攻撃者に対しても、すべての通信チャネルにアクセスできない限り耐性を確保する。
• アクチュエータおよびセンサーの故障を分離可能なフレームワークを構築する

提案手法

• 攻撃者がプラント側フィルタのパラメータを特定できないように、プラント側フィルタのダイナミクスをC&C側フィルタとは意図的に異なるものに設定する。
• プラント側に未知入力観測器（UIO）を実装し、故障およびサイバー攻撃に敏感な残差信号を生成する。
• システムの不確実性バウンズから導出された適応的しきい値を用いた残差ベースの検出メカニズムを採用し、異常を区別する。
• ローゼンブロックシステム行列解析を用いて、アクチュエータおよびセンサーのサイバー攻撃用に別々の残差生成器を設計し、非最小位相ゼロダイナミクスを回避する。
• 行列のランクおよびシステム行列の左逆行列可能性に条件を課すことにより、攻撃および故障の検出可能性を保証する。
• 非対称フィルタ設計を活用し、攻撃者が完全なシステム知識を有していても、攻撃を正常な動作としてすり替えられないようにする

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全にセキュアな通信リンクを必要とせず、クローク攻撃やゼロダイナミクス攻撃といった検出不能なサイバー攻撃をCAFIDフレームワークが検出可能か。
• RQ2 攻撃者がシステムパラメータおよび検出器を完全に把握している状況でも、システムが機械由来の故障と知的サイバー攻撃を検出し分離可能か。
• RQ3 攻撃が正常なシステム動作や故障としてすり替えられないように保証するための設計条件は何か。
• RQ4 アクチュエータおよびセンサーの故障とさまざまなサイバー攻撃タイプを同時に検出可能な残差信号はどのように生成できるか。
• RQ5 非対称フィルタ設計が、攻撃者が攻撃の影響を排除できないようにする役割は何か。

主な発見

• 提案手法は、通信チャネルが侵害されている状況下でも、アクチュエータおよびセンサーのサイバー攻撃（クローク、ゼロダイナミクス、リプレイ攻撃を含む）を正常に検出・分離できる。
• シミュレーションの事例研究において、アクチュエータ故障の検出精度が96%、センサー故障の検出精度も96%を達成した。
• 攻撃者がシステムパラメータ、フィルタ、UIOベースの検出器を完全に把握していても、すべての通信チャネルにアクセスできない限り、手法は有効に機能する。
• プラント側とC&C側に非対称なフィルタを適用することで、攻撃者がプラント側のダイナミクスを再現できず、攻撃のすり替えを阻止できる。
• 追加のセキュアな通信インfraストラクチャを必要とせず、検出可能かつ検出不能な攻撃の両方を検出可能である。
• シミュレーション結果は、既存手法と比較して優れた性能を示しており、特にサイバー攻撃と物理的故障の区別において顕著な優位性を示した。