[논문 리뷰] Networked Constrained Cyber-Physical Systems subject to malicious attacks: a resilient set-theoretic control approach

Walter Lúcia, Bruno Sinopoli외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 25.

Smart Grid Security and Resilience참고 문헌 12인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 악성 공격 하에서 네트워크화된 제약 조건이 있는 사이버-물리 시스템(CPS)에 대해 집합 이론 기반 제어 프레임워크를 제안한다. 물리적 워터마킹과 강건한 제어를 통합하여 균일하게 궁극적으로 유계(UUB)인 상태 궤적과 제약 조건 이행을 보장한다. 한 단계 가용 제어 집합과 동적 재암호화를 활용하여 실시간으로 서비스 거부(DoS) 및 위조 데이터 주입(FDI) 공격을 탐지하고 완화하며, 모든 허용 가능한 공격 시나리오 하에서도 형식적 보장을 제공한다.

ABSTRACT

In this paper a novel set-theoretic control framework for Networked Constrained Cyber-Physical Systems is presented. By resorting to set-theoretic ideas and the physical watermarking concept, an anomaly detector module and a control remediation strategy are formally derived with the aim to contrast severe cyber attacks affecting the communication channels. The resulting scheme ensures Uniformly Ultimate Boundedness and constraints fulfillment regardless of any admissible attack scenario. Simulation results show the effectiveness of the proposed strategy both against Denial of Service and False Data Injection attacks.

연구 동기 및 목표

• 사이버 공격 하에서 CPS의 통합된 탐지 및 제어 완화 전략의 부족을 해결하기 위해.
• 통신 채널에서 악성 간섭이 발생하더라도 상태 및 입력 제약 조건이 유지됨을 보장하기 위해.
• 부분적 및 완전한 모델 지식 공격 모두에 대해 시스템 안정성을 유지하는 내성적인 제어 아키텍처를 개발하기 위해.
• 모든 허용 가능한 공격 시나리오 하에서 균일하게 궁극적으로 유계성(UUB)과 강건한 양의 불변성(robust positive invariance)을 형식적으로 증명하기 위해.
• 집합 이론 및 워터마킹 원리를 활용해 이상 탐지와 제어 복구를 통합된 프레임워크로 통합하기 위해.

제안 방법

• 스텔스 공격를 탐지하기 위해 시스템의 예측 동작에서의 편차를 모니터링하는 시간에 따라 변하는 물리적 워터마킹 메커니즘을 활용한다.
• 이상 탐지는 시스템 역학과 유계 외란으로부터 유도된 예측 집합 $ω^{+}$ 내에 측정된 출력이 포함되는지 확인하는 검출기로 수행된다.
• 제어 전략은 한 단계 가용 제어 집합을 사용하여, 어떤 공격 상황에서도 상태가 강건하게 양의 불변(RPI) 집합 내에 머무르도록 보장한다.
• 공격 탐지 시 재암호화 프로토콜이 활성화되어 일시적으로 통신을 차단하고 시스템을 재초기화하여 보안을 복구한다.
• 사전 검증 및 사후 검증 모듈은 실시간으로 제어 입력과 출력을 검증하여 입력 제약 조건이나 예상 동작을 위반하는 모든 조치를 거부한다.
• 공격자가 모델 예측 가능성에 악용하는 것을 방지하기 위해 제어 법칙을 시간에 따라 변하는 인덱스를 사용해 동적으로 조정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모델이나 입력 조작에 의존하지 않고 네트워크화된 CPS에서 스텔스 사이버 공격를 어떻게 탐지할 수 있는가?
• RQ2 DoS 및 FDI 공격 하에서도 제어 조치가 실현 가능하고 안정적인지 어떻게 보장할 수 있는가?
• RQ3 유계 외란과 적대적 입력 하에서 이상 탐지와 제어 복구를 동시에 보장할 수 있는 통합 프레임워크를 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ4 임의의 공격 시나리오 하에서 상태 유계성과 제약 이행을 위해 어떤 형식적 보장을 제공할 수 있는가?
• RQ5 물리적 워터마킹을 어떻게 집합 이론 기반 제어 프레임워크에 통합하여 내성성을 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 방법은 DoS 및 FDI 공격를 포함한 모든 허용 가능한 공격 시나리오에 대해 폐루프 시스템의 균일하게 궁극적으로 유계성(UUB)을 보장한다.
• 공격 복구 중 및 이후 동안 상태 궤적이 강건하게 양의 불변(RPI) 집합 $\mathcal{T}^{i}(T_{\text{encry}})$ 내에 고정되어 있음을 그림 4에서 확인할 수 있다.
• 공격 1(DoS)은 $t=0.16$ 초에 검출기로 탐지되어 통신 차단 및 재암호화가 발생했으며, 사전 검증 및 사후 검증 모듈에서 오류 신고 없이 정상적으로 처리되었다.
• 공격 2(센서에 대한 DoS)는 $t=0.34$ 초에 탐지되어 마지막 유효 제어 입력을 사용해 액추에이터를 유지 상태로 유지하여 시스템의 실현 가능성을 유지했다.
• 공격 3(FDI)는 $t=0.52$ 초에 입력 제약 조건 $\mathcal{U}^{0}$ 위반으로 인해 손상된 입력 $\tilde{u}(0.52)=-2.91$ 로 인해 탐지되어 시스템 차단이 발생했다.
• 공격 4(스텔스 FDI)는 $t=4.24$ 초에 추정된 제어 입력과 실제 제어 입력 간의 불일치로 인해 탐지되었으며, $\tilde{u}(4.24) \notin \mathcal{U}^{0}$ 가 되어 이전에 탐지되지 않았던 공격을 탐지할 수 있었다.