[논문 리뷰] Cyber Attack and Machine Induced Fault Detection and Isolation Methodologies for Cyber-Physical Systems

Mahdi Taheri, K. Khorasani외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 14.

Smart Grid Security and Resilience인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 사이버-물리 시스템(CPS)에서 사이버 공격(예: 은밀한 공격, 제로 동역학 공격, 재생 공격)과 기계 유도 고장을 동시에 감지하고 고립하기 위한 이중 필터 및 미지 입력 관측기(UIO) 기반의 방법론을 제안한다. 식별 가능한 시스템 파라미터를 갖는 공격자라도 모든 통신 채널에 접근하지 못하는 한, 통신 링크가 손상된 상황에서도 감지가 가능하도록, 식물 측과 명령 및 제어(C&C) 측에 비대칭 필터를 적용하고 UIO 기반 잔차를 활용한다.

ABSTRACT

In this paper, the problem of simultaneous cyber attack and fault detection and isolation (CAFDI) in cyber-physical systems (CPS) is studied. The proposed solution methodology consists of two filters on the plant and the command and control (C\&C) sides of the CPS and an unknown input observer (UIO) based detector on the plant side. Conditions under which the proposed methodology can detect deception attacks, such as covert attacks, zero dynamics attacks, and replay attacks are characterized. An advantage of the proposed methodology is that one does not require a fully secured communication link which implies that the communication link can be compromised by the adversary while it is used to transmit the C\&C side observer estimates. Also, it is assumed that adversaries have access to parameters of the system, filters, and the UIO-based detector, however, they do not have access to all the communication link channels. Conditions under which, using the communication link cyber attacks, the adversary cannot eliminate the impact of actuator and sensor cyber attacks are investigated. To illustrate the capabilities and effectiveness of the proposed CAFDI methodologies, simulation case studies are provided and comparisons with detection methods that are available in the literature are included to demonstrate the advantages and benefits of our proposed solutions.

연구 동기 및 목표

• CPS에서 사이버 공격과 기계 유도 고장을 동시에 감지할 수 있는 통합 솔루션의 부족을 해결한다.
• 기존 고장 감지 방법이 지능적인 사이버 공격과 물리적 고장을 구분하지 못하는 한계를 극복한다.
• 완전히 보안된 통신 링크가 없더라도 익명화된 공격 및 제로 동역학 공격과 같은 탐지 불가능한 공격을 감지할 수 있도록 한다.
• 모든 시스템 파rameter, 필터 및 감지기 정보를 알고 있는 공격자에 대해서도, 모든 통신 채널에 접근하지 못하는 한 내성성을 확보한다.
• 액추에이터 및 센서 고장을 포함한 다양한 사이버 공격 유형을 고립할 수 있는 프레임워크를 개발한다.

제안 방법

• 식물 측 필터의 동역학을 C&C 측 필터와 의도적으로 다르게 설계하여, 공격자가 식물 측 필터 파라미터를 특정하지 못하도록 한다.
• 식물 측에 미지 입력 관측기(UIO)를 구현하여 고장 및 사이버 공격에 민감한 잔차 신호를 생성한다.
• 시스템의 불확실성 범위에서 유도된 적응형 임계값을 활용한 잔차 기반 감지 메커니즘을 도입하여 이질성을 구분한다.
• Rosenbrock 시스템 행렬 분석을 활용해 액추에이터 및 센서 사이버 공격에 대해 별도의 잔차 생성기를 설계하여 비최소위상 영동역학이 발생하지 않도록 보장한다.
• 행렬의 질서 조건과 시스템 행렬의 좌측 역행렬 가능성을 적용하여 공격 및 고장 감지 가능성 확보.
• 비대칭 필터 설계를 활용해, 공격자가 전체 시스템 지식을 확보하고 있더라도 공격을 정상 동작 또는 고장으로 위장하는 것을 방지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 완전히 보안된 통신 링크가 없더라도, 익명화된 공격 및 제로 동역학 공격과 같은 탐지 불가능한 사이버 공격을 CAFDI 프레임워크가 감지할 수 있는가?
• RQ2 공격자가 시스템 파rameter 및 감지기 정보를 모두 알고 있을 경우, 시스템은 기계 유도 고장과 지능적인 사이버 공격을 어떻게 감지하고 고립할 수 있는가?
• RQ3 어떤 설계 조건이 사이버 공격가 정상 시스템 동작 또는 고장으로 위장당하지 않도록 보장하는가?
• RQ4 잔차 신호는 어떻게 생성되어 액추에이터 및 센서 고장과 다양한 사이버 공격 유형을 동시에 감지할 수 있는가?
• RQ5 비대칭 필터 설계는 공격자가 공격 영향을 제거하는 것을 방지하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 제안된 방법론은 손상된 통신 채널 상황에서도 액추에이터 및 센서 사이버 공격(은밀한 공격, 제로 동역학 공격, 재생 공격 포함)을 성공적으로 감지하고 고립한다.
• 시뮬레이션 사례 연구에서 액추에이터 고장에 대해 96%의 감지 정확도, 센서 고장에 대해도 96%의 감지 정확도를 달성한다.
• 공격자가 모든 시스템 파rameter, 필터 및 UIO 기반 감지기 정보를 알고 있더라도, 모든 통신 채널에 접근하지 못하는 한, 방법론은 여전히 효과성을 유지한다.
• 식물 측과 C&C 측에 비대칭 필터를 적용하여 공격자가 식물 측 동역학을 재현할 수 없게 되어, 공격의 위장이 차단된다.
• 추가적인 보안 통신 인fra 없이도 탐지 가능한 공격과 탐지 불가능한 공격을 모두 감지할 수 있다.
• 시뮬레이션 결과는 기존 방법에 비해 뛰어난 성능을 보이며, 특히 사이버 공격과 물리적 고장을 구분하는 데서 두각을 나타낸다.