[논문 리뷰] Colonel Blotto Game for Secure State Estimation in Interdependent Critical Infrastructure

Aidin Ferdowsi, Walid Saad외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 27.

Smart Grid Security and ResilienceEngineering인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 상호의존적인 핵심 인프라(ICI)에서 공격자가 센서를 손상시키고 방어자가 제한된 보호 자원을 할당하는 전략적 상호작용을 모델링하기 위해 Colonel Blotto 게임 프레임워크를 제안한다. 혼합 전략 나시 균형을 유도함으로써 방어자는 상태 추정 오차를 비전략적 할당 대비 최소 50% 감소시키기 위해 센서 보호 수준을 랜덤화할 수 있다.

ABSTRACT

Securing the physical components of a city's interdependent critical infrastructure (ICI) such as power, natural gas, and water systems is a challenging task due to their interdependence and a large number of involved sensors. In this paper, using a novel integrated state-space model that captures the interdependence, a two-stage cyber attack on an ICI is studied in which the attacker first compromises the ICI's sensors by decoding their messages, and, subsequently, it alters the compromised sensors' data to cause state estimation errors. To thwart such attacks, the administrator of each critical infrastructure (CI) must assign protection levels to the sensors based on their importance in the state estimation process. To capture the interdependence between the attacker and the ICI administrator's actions and analyze their interactions, a Colonel Blotto game framework is proposed. The mixed-strategy Nash equilibrium of this game is derived analytically. At this equilibrium, it is shown that the administrator can strategically randomize between the protection levels of the sensors to deceive the attacker. Simulation results coupled with theoretical analysis show that, using the proposed game, the administrator can reduce the state estimation error by at least $ 50\\% $ compared to a non-strategic approach that assigns protection levels proportional to sensor values.

연구 동기 및 목표

• 제한된 보안 자원과 센서 수준의 사이버-물리적 공격을 고려한 상호의존적 핵심 인프라(ICIs)를 보호하는 데 도전 과제를 해결한다.
• 공격자가 센서를 표적으로 삼고 방어자가 보호 자원을 할당하는 전략적 상호작용을 Colonel Blotto 게임으로 모델링한다.
• 전력, 가스, 수도 시스템 간의 상호의존성을 고려한 상태 추정에서의 게임 이론적 프레임워크를 개발한다.
• 방어자가 공격자를 속이기 위해 랜덤화된 보호 자원 할당을 가능하게 하는 혼합 전략 나시 균형 해법을 제공한다.
• 전략적 자원 할당이 가치 비례, 비전략적 접근 방식에 비해 상태 추정 오차를 상당히 감소시킴을 입증한다.

제안 방법

• 상호의존성 행렬을 사용한 결합된 동역학을 활용해 상호의존적인 전력, 가스, 수도 인프라에 대한 통합 상태공간 모델을 수립한다.
• 두 단계 공격을 모델링한다: 메시지 복호화를 통한 센서 손상, 그 다음 추정 오차를 유도하기 위한 데이터 주입.
• 방어자의 전략을 상태 추정에서 중요도가 높은 센서에 제한된 보호 자원을 할당하는 것으로 정의한다.
• 공격자와 방어자가 센서 전투터널에 자원을 할당하는 Colonel Blotto 게임을 구성하며, 방어자의 목표는 추정 오차를 최소화하는 것이다.
• 혼합 전략 나시 균형을 해석적으로 유도함으로써 방어자가 보호 수준을 랜덤화하고 공격자를 속이는 것이 가능해진다.
• 게임 이론적 해법을 칼만 필터 기반 상태 추정 프레임워크에 통합하여 공격 상황 하에서의 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 방어자는 제한된 보호 자원을 상호의존적인 핵심 인프라의 센서들 사이에 어떻게 최적 할당하여 상태 추정 오차를 최소화할 수 있는가?
• RQ2 전력, 가스, 수도 시스템 간의 상호의존성은 보안 자원의 전략적 할당에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 혼합 전략 Colonel Blotto 게임 균형은 비전략적, 가치 비례 보호 할당에 비해 보안을 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 두 단계 센서 손상 공격에서 스마트한 공격자를 속이기 위해 보호 수준의 전략적 랜덤화가 얼마나 효과적인가?
• RQ5 제안된 게임 이론 기반 방어 전략을 사용할 경우 상태 추정 오차는 얼마나 정량적으로 감소하는가?

주요 결과

• 제안된 Colonel Blotto 게임 프레임워크는 방어자가 혼합 전략 나시 균형을 달성하여 센서 보호 수준을 전략적으로 랜덤화할 수 있도록 한다.
• 방어자의 균형 전략은 고가치 대상을 예측하기 어렵게 만들어 공격자의 성공률을 낮추며 효과적으로 공격자를 속인다.
• 시뮬레이션과 이론적 분석 결과, 제안된 방법은 비전략적, 가치 비례 보호 할당 대비 상태 추정 오차를 최소 50% 감소시킴을 보여준다.
• 상호의존성 모델은 교차 시스템 동역학을 포착하여, 한 인프라에서의 장애나 공격이 다른 시스템의 성능을 악화시킬 수 있음을 보여준다.
• 공격자의 의도와 자원 제약을 명시적으로 모델링함으로써 기존 비전략적 방어 메커니즘보다 게임 이론적 접근이 우수함을 입증한다.
• 유도된 균형은 방어 자원이 제한된 상황에서도 도청 가능한 두 단계 공격(센서 손상 및 데이터 주입 포함)에 대해 강건함을 보장한다.