[논문 리뷰] Attack Detection and Isolation for Discrete-Time Nonlinear Systems.

Tianci Yang, Carlos Murguia외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 18.

Fault Detection and Control Systems인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 이산시간 비선형 시스템에서 거짓 데이터 주입 공격을 탐지하고 격리하기 위한 두 가지 알고리즘을 제안한다. 입력-상태 안정성(Input-to-State Stability, ISS)을 갖는 관측기의 집합을 활용함으로써, 공격이 없는 시스템 행동과의 일관성을 평가함으로써, 유한하지 않은 공격과 측정 노이즈 조건에서도 손상된 센서를 효과적으로 식별한다. 시뮬레이션 결과는 이 방법의 강건성을 입증한다.

ABSTRACT

We address the problem of attack detection and isolation for a class of discrete-time nonlinear systems under (potentially unbounded) sensor attacks and measurement noise. We consider the case when a subset of sensors is subject to additive false data injection attacks. Using a bank of observers, each observer leading to an Input-to-State Stable (ISS) estimation error, we propose two algorithms for detecting and isolating sensor attacks. These algorithms make use of the ISS property of the observers to check whether the trajectories of observers are `consistent' with the attack-free trajectories of the system. Simulations results are presented to illustrate the performance of the proposed algorithms.

연구 동기 및 목표

• 거짓 데이터 주입 공격으로 인해 센서가 손상될 수 있는 이산시간 비선형 시스템에서 센서 공격을 탐지하고 격리하는 문제를 해결한다.
• 시스템 운영 중에 무한대의 센서 공격과 측정 노이즈에 대해 강건성을 확보한다.
• 관측기 일관성 검사를 통해 시스템의 무결성을 유지하는 탐지 및 격리 프레임워크를 개발한다.
• 관측기의 입력-상태 안정성(Input-to-State Stability, ISS)을 활용하여 정상 작동과 공격을 받은 시스템 행동을 구분한다.
• 비선형 제어 시스템에서 실시간 공격 탐지를 위한 실용적이고 시뮬레이션 검증된 솔루션을 제공한다.

제안 방법

• 각 관측기가 외란과 공격에 대해 추정 오차의 입력-상태 안정성(Input-to-State Stability, ISS)을 보장하도록 관측기의 집합을 설계한다.
• ISS 성질을 이용해 관측기 출력과 공격이 없는 시스템의 예상 궤적 사이의 일관성 조건을 정의한다.
• ISS 기반 오차 한계에서의 편차를 기반으로 탐지 논리를 구성함으로써 잠재적인 센서 공격를 식별한다.
• 관측기 출력이 예상 행동에서 가장 크게 벗어나는 관측기들을 식별함으로써 공격을 받은 센서를 국소화함으로써 격리를 구현한다.
• 측정 노이즈에 대한 강건성을 확보하기 위해 노이즈 조건 하에서도 ISS 한계가 유효하도록 보장한다.
• 다양한 공격 시나리오와 노이즈 수준에서 성능을 평가하기 위해 알고리즘을 시뮬레이션에 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유한하지 않은 거짓 데이터 주입 공격 조건 하에서 이산시간 비선형 시스템의 센서 공격을 어떻게 신뢰성 있게 탐지할 수 있는가?
• RQ2 측정 노이즈가 존재하는 상황에서도 입력-상태 안정성(Input-to-State Stability, ISS)이 강건한 공격 탐지에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 거짓 데이터 주입 공격를 받은 특정 센서를 식별하기 위해 관측기의 집합을 사용할 수 있는가?
• RQ4 공격이 무한대이거나 지속적인 경우, 제안된 방법은 어떻게 성능을 유지하는가?
• RQ5 관측기 일관성 검사를 통해 정상 시스템 행동과 공격 유도된 편차를 효과적으로 구분할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 알고리즘은 공격이 무한대일 경우에도 센서 공격을 성공적으로 탐지하여 극단적인 공격 시나리오에 대한 강건성을 입증한다.
• ISS 관측기를 활용함으로써 외란과 노이즈 조건 하에서도 유한한 추정 오차를 유지함으로써 신뢰성 있는 탐지가 가능하다.
• 공격을 받은 센서를 정밀하게 국소화하기 위해, 예상 행동에서 가장 크게 벗어나는 관측기의 출력을 식별함으로써 공격 격리가 달성된다.
• 시뮬레이션 결과는 노이즈 수준과 공격 강도가 다양할 경우에도 탐지 정확도가 유지됨을 확인한다.
• 관측기 일관성 검사를 통해 정상 시스템 행동과 손상된 시스템 상태를 효과적으로 구분할 수 있다.
• 이 방법은 계산적으로 실현 가능하며 비선형 시스템에서 센서 무결성 문제가 있는 실시간 구현에 적합하다.