[논문 리뷰] Cross-Layer Coordinated Attacks on Cyber-Physical Systems: A LQG Game Framework with Controlled Observations

Yunhan Huang, Zehui Xiong외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 04.

Smart Grid Security and Resilience참고 문헌 23인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 사이버-물리 시스템(CPS)의 다층 협동 공격을 모델링하기 위해 제로섬 선형 평균제곱오차(LQG) 게임 프레임워크를 제안한다. 여기서 공격자는 물리적 과정을 동시에 방해하고 통신 채널을 방해하는 반면, 방어자는 추정 정확도와 자원 비용을 균형 잡기 위해 언제 관찰할지를 전략적으로 선택한다. 주요 기여는 동적 프로그래밍을 사용하여 부분 게임 완전 균형(SPE) 전략을 완전히 특성화한 것으로, 제어, 관찰 및 잼핑 결정이 상호 의존적이며, 시스템 열화와 비용 간의 트레이드오프를 공동으로 최적화함을 드러낸다.

ABSTRACT

This work establishes a game-theoretic framework to study cross-layer coordinated attacks on cyber-physical systems (CPSs). The attacker can interfere with the physical process and launch jamming attacks on the communication channels simultaneously. At the same time, the defender can dodge the jamming by dispensing with observations. The generic framework captures a wide variety of classic attack models on CPSs. Leveraging dynamic programming techniques, we fully characterize the Subgame Perfect Equilibrium (SPE) control strategies. We also derive the SPE observation and jamming strategies and provide efficient computational methods to compute them. The results demonstrate that the physical and cyber attacks are coordinated and depend on each other. On the one hand, the control strategies are linear in the state estimate, and the estimate error caused by jamming attacks will induce performance degradation. On the other hand, the interactions between the attacker and the defender in the physical layer significantly impact the observation and jamming strategies. Numerical examples illustrate the interactions between the defender and the attacker through their observation and jamming strategies.

연구 동기 및 목표

• CPS의 물리층 및 사이버층 공격을 동시에 간섭시키는 협동 공격을 모델링하기 위해.
• 자원 제약 하에서 공격자의 잼핑과 방어자의 관찰 결정 간의 전략적 상호작용을 포착하기 위해.
• 기존 CPS 보안 분야의 공격 모델을 일반화하는 통합된 게임 이론적 프레임워크를 개발하기 위해.
• 동적 프로그래밍을 사용하여 제어, 관찰 및 잼핑 전략의 부분 게임 완전 균형(SPE) 전략을 특성화하기 위해.
• 불확실성과 비용 제약 하에서 최적 전략을 유도하기 위한 계산 효율적인 방법을 제공하기 위해.

제안 방법

• 방어자가 관찰 비용에 따라 관찰 여부를 결정하는 제로섬 LQG 게임를 수립하며, 공격자는 잼핑 및 물리적 간섭 전략을 선택한다.
• SPE 전략을 위한 역행 방정식을 유도하기 위해 동적 프로그래밍을 사용하여, 각 단계에서 최적 행동을 재귀적으로 계산할 수 있도록 한다.
• 선형 동적 과정에 가우시안 노이즈가 추가된 시스템을 모델링하며, 상태 추정은 방어자의 관찰 결정과 공격자의 잼핑에 의존한다.
• 상태 추정치에 대한 선형 제어 전략을 도출하며, 이들의 이득은 관찰 및 잼핑 정책과 무관하게 사전에 계산된다.
• 관찰($o_d$) 및 잼핑($o_a$)에 대한 비용 매개변수를 도입하여 자원 제약과 전략적 트레이드오프를 모델링한다.
• 추정 오차 분산의 전파를 활용하여 불확실성의 진화를 모델링하고, 최적의 관찰 및 잼핑 결정을 안내한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전략적 방어자 관찰 결정 하에서, 다층 협동 물리 및 사이버층 공격이 CPS 성능을 어떻게 공동으로 열화시키는가?
• RQ2 관찰 비용과 잼핑 위협이 존재할 때, 방어자가 언제 관찰할지를 최적화하는 전략은 무엇인가?
• RQ3 공격자가 물리적 간섭을 수행할 수 있는 능력은 그의 잼핑 및 공격 조율 전략에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 예상되는 잼핑으로 인해, 관찰이 무료일지라도 방어자는 언제 관찰을 하지 않을까?
• RQ5 추정 오차와 잼핑 비용 간의 상호작용은 게임의 균형 전략에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제어 전략은 상태 추정치에 대해 선형이며, 시스템이 안정하더라도 잼핑으로 인한 추정 오차로 인해 성능이 열화된다.
• 관찰 비용이 추정 오차로 인한 시스템 열화를 초과할 경우, 특히 물리적 공격 비용이 낮을 경우 방어자는 관찰을 하지 않는다.
• 물리적 공격 비용이 낮을 경우, 관찰 비용이 0이어도 방어자는 관찰을 피한다. 이는 공격자가 관찰을 악용해 더 정확한 공격을 수행할 수 있기 때문이다.
• 예상되는 잼핑이 있음에도 불구하고, 방어자는 공격자가 더 높은 잼핑 비용을 지불하도록 유도하기 위해 여전히 관찰을 수행할 수 있다. 이는 제로섬 게임에서 유리한 전략이다.
• 관측 노이즈 분산($\sigma$)이 중간 정도로 증가할 경우, 방어자는 관측 빈도를 증가시켜 단일 관측의 정보 품질 저하를 상쇄한다. 이는 비단조화적인 반응을 보임을 시사한다.
• jamming 비용이 높을 경우($o_a = 6000$), $\sigma$ 증가에 따라 관측 수가 처음에는 증가하다가 감소함을 보이며, 이는 정보 가치와 비용 간의 상충 관계를 나타낸다.