[논문 리뷰] A Jamming-resilient Algorithm for Self-triggered Network Coordination

Danial Senejohnny, Pietro Tesi외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 08.

Smart Grid Security and Resilience참고 문헌 18인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 통신 링크가 독립적으로 장애가 발생하는 Denial-of-Service (DoS) 공격 하에서, 간섭에 강건한 자기주도적 조율 알고리즘을 공통망 네트워크에 제안한다. 디지털 통신 제약 조건과 호환되는 시간 간격 동안 충분한 연결성을 보장하는 Persistency-of-Communication (PoC) 조건을 도입함으로써, 공통망 유지가 보장되는 DoS 공격의 주파수 및 지속 시간에 대한 명시적 한계를 설정하였으며, 이는 공통망 수렴 시간에 미치는 영향을 정량화한 것이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 피어 투 피어(애드혹) 네트워크 시스템에서 DoS 공격에 대한 분산 조율의 내성을 부족하게 다루기 위해.
• DoS 공격을 전역 네트워크 장애가 아니라 개별 링크 장애로 모델링하여 실제 애드혹 네트워크 조건을 반영하기 위해.
• DoS 공격에도 불구하고 공통망을 유지할 수 있도록 시간에 따라 변하는 제어 및 통신 정책을 개발하기 위해.
• 공통망 유지에 대해 허용 가능한 최대 DoS 주파수 및 지속 시간을 명시적으로 특성화하기 위해.
• 디지털, 자기주도적 네트워크에서 DoS가 공통망 수렴 시간에 미치는 영향을 정량화하기 위해.

제안 방법

• 기존의 연결성 가정을 디지털, 시간 제약이 있는 네트워크로 확장하는 새로운 Persistency-of-Communication (PoC) 조건을 도입한다.
• DoS 공격을 개별 네트워크 링크가 이용 불가능한 시간 간격으로 모델링하며, 평균 주파수 및 지속 시간에 대한 제약 조건을 설정한다.
• 각 에이전트가 로컬 정보와 시간에 따라 변하는 샘플링 간격에 기반하여 다음 통신 및 제어 업데이트 시점을 스케줄링하는 자기주도적 제어 정책을 설계한다.
• PoC 조건을 활용하여, 샘플링 간격 대비 DoS 없는 간격에 대한 경계를 이용해, DoS가 존재하더라도 공통망 유지에 필요한 충분한 조건을 유도한다.
• DoS 매개변수 및 시스템 설계 변수에 따라 수렴 시간을 함수로 기술하고 분석한다.
• PoC 조건 하에서 실패한 시도 이후 고정된 간격 내의 모든 전송 시도가 결국 성공함을 증명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기주도적 공통망 네트워크에서 개별 링크 장애가 발생할 경우, DoS 주파수 및 지속 시간이 어떤 조건에서 공통망 유지가 가능할 수 있는가?
• RQ2 연속 시간 공통망 네트워크에서 고전적 평균 연결성 가정과 비교해, 제안된 Persistency-of-Communication (PoC) 조건은 어떻게 다를 수 있는가?
• RQ3 DoS 공격이 공통망 프로토콜의 수렴 시간에 명시적으로 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 제안된 시간에 따라 변하는 제어 및 통신 정책은 네트워크 토폴로지의 전역 지식이나 시계 동기화 없이도 공통망을 보장할 수 있는가?
• RQ5 이 모델은 악성 DoS 공격과 비악성 전송 장애를 동시에 어떻게 반영하는가?

주요 결과

• 논문은 제안된 자기주도적 정책을 사용할 경우, 공통망 유지가 가능한 DoS 주파수 및 지속 시간에 대한 명시적 상한선을 링크별 매개변수에 따라 설정하였다.
• Persistency-of-Communication (PoC) 조건은 고전적 연결성 조건을 디지털, 자기주도적 네트워크로 자연스럽게 확장한 것으로, 성공적인 통신을 위한 충분한 DoS 없는 간격을 보장함을 입증하였다.
• 공통망 수렴 시간은 DoS 매개변수 및 시스템 설계 변수에 따라 명시적으로 기술되었으며, DoS 지속 시간이 길수록 수렴 속도가 느려지는 경향을 보였다.
• 분석을 통해, 고장 이후 고정된 간격 내의 모든 전송 시도가 결국 성공함을 증명하여 DoS에 대한 강건성을 확보하였다.
• 제안된 프레임워크는 고차원 에이전트 동역학으로도 확장 가능하며, 악성 DoS와 비악성 전송 장애를 모두 고려할 수 있다.
• 수치 예제를 통해 이론적 결과를 검증하였으며, 유도된 한계 내에서 DoS 공격 하에서도 공통망 유지가 성공적으로 이루어지는 것을 보여주었다.