[論文レビュー] Secure State Estimation Under Sensor Attacks: A Satisfiability Modulo Theory Approach.

Yasser Shoukry, Pierluigi Nuzzo+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2014

Formal Methods in Verification被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、サイバー攻撃下における線形力学系における損傷を受けるセンサーの検出および隔離を可能にする、新しいSatisfiability Modulo Theory（SMT）ベースのアルゴリズムを提案する。この手法により、健全かつ完全な状態推定が保証される。本手法は悪意のあるセンサーを効率的に同定し、正確な状態推定を提供する。シミュレーションおよび無人地上車両制御システムへの応用を通じて検証された。

ABSTRACT

We address the problem of detecting and mitigating the effect of malicious attacks to the sensors of a linear dynamical system. We develop a novel, efficient algorithm that uses a Satisfiability-Modulo-Theory approach to isolate the compromised sensors and estimate the system state despite the presence of the attack, thus harnessing the intrinsic combinatorial complexity of the problem. By leveraging results from formal methods over real numbers, we provide guarantees on the soundness and completeness of our algorithm. We then report simulation results to compare its runtime performance with alternative techniques. Finally, we demonstrate its application to the problem of controlling an unmanned ground vehicle.

研究の動機と目的

• 線形力学系におけるセンサーサイバー攻撃の検出と緩和の課題に対処すること。
• 正確な状態推定を維持しつつ、損傷を受けるセンサーを隔離できる効率的なアルゴリズムの開発。
• 検出および推定プロセスの健全性と完全性に関する形式的保証の提供。
• シミュレーションを通じて、代替手法との性能比較。
• 実世界の制御システム、例えば無人地上車両における実用的応用の実証。

提案手法

• 本手法は、実数上でのSatisfiability-Modulo-Theory（SMT）問題として、センサーサイバー攻撃の検出と状態推定問題を定式化する。
• 実数上の形式的手法を活用し、損傷を受けるセンサーの同定において健全性と完全性を保証する。
• システムの動的挙動との整合性に基づいて、悪意のあるセンサーを同定するため、組み合わせ的センサー構成を体系的に探索する。
• SMTソルバーで解ける論理式に、システムの動的制約およびセンサー測定モデルを統合する。
• 線形系の構造とSMTソルバーの最適化を活用することで、実行時性能を効率的に向上させる。
• 攻撃下での損傷を受けるセンサーの集合と、整合性のある状態推定値を出力する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 線形力学系におけるセンサーサイバー攻撃は、形式的保証を伴ってどのように検出・緩和可能か？
• RQ2 SMTベースのアプローチは、複数の同時に損傷を受けるセンサーを効率的に隔離しつつ完全性を保証できるか？
• RQ3 提案手法の実行時間性能は、代替手法と比較してどうか？
• RQ4 センサー数および攻撃の複雑さの観点から、本手法のスケーラビリティはいかがなっているか？
• RQ5 本手法は、無人地上車両のようなリアルタイム制御システムに効果的に適用可能か？

主な発見

• 提案されたSMTベースのアルゴリズムは、健全かつ完全な損傷を受けるセンサーの検出を達成し、誤検出や見逃しのないことを保証する。
• シミュレーションベンチマークにおいて、代替手法と比較して優れた実行時間効率を示す。
• 複数のセンサーが同時に損傷を受ける複雑な攻撃シナリオにおいても、悪意のあるセンサーを正常に隔離する。
• センサー攻撃があっても正確な状態推定が可能であり、制御応用においてシステムの安定性を維持する。
• 本手法は、無人地上車両を含む実世界の制御シナリオで正常に実証された。
• 実数上での形式的手法の統合により、計算の実行可能性を損なわず、厳密な正しさの保証が可能になった。