[논문 리뷰] Optimal Data Attacks on Power Grids: Leveraging Detection & Measurement Jamming

Deepjyoti Deka, Ross Baldick외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 15.

Smart Grid Security and Resilience참고 문헌 9인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 상태 추정 탐지로부터 회피하기 위해 악성 데이터 주입과 측정 방해를 조합한 전력망을 대상으로 한 새로운 '탐지 가능한 방해' 공격 프레임워크를 제안한다. 공격 비용을 크게 감소시킬 수 있음을 보여주며, 특히 방해 비용이 데이터 주입 비용의 절반 이하일 경우에 특히 두드러진다. 또한 다양한 방해 비용을 고려한 최적의 공격를 최적화하기 위해 그래프 컷 기반 알고리즘을 도입한다.

ABSTRACT

Meter measurements in the power grid are susceptible to manipulation by adversaries, that can lead to errors in state estimation. This paper presents a general framework to study attacks on state estimation by adversaries capable of injecting bad-data into measurements and further, of jamming their reception. Through these two techniques, a novel `detectable jamming' attack is designed that changes the state estimation despite failing bad-data detection checks. Compared to commonly studied `hidden' data attacks, these attacks have lower costs and a wider feasible operating region. It is shown that the entire domain of jamming costs can be divided into two regions, with distinct graph-cut based formulations for the design of the optimal attack. The most significant insight arising from this result is that the adversarial capability to jam measurements changes the optimal 'detectable jamming' attack design only if the jamming cost is less than half the cost of bad-data injection. A polynomial time approximate algorithm for attack vector construction is developed and its efficacy in attack design is demonstrated through simulations on IEEE test systems.

연구 동기 및 목표

• 측정 방해가 전력망에서 최적의 탐지 가능한 데이터 공격에 미치는 영향을 분석하기.
• 탐지로부터 회피하기 위해 악성 데이터 주입과 방해를 조합한 비용 효율적인 공격 프레임워크를 개발하기.
• 방해가 기존의 은폐 공격과 비교해 최적의 공격 설계에 상당한 영향을 미치는 조건을 규명하기.
• 다양한 방해 비용에서 최적의 공격 벡터를 구성하기 위한 다항식 시간 근사 알고리즘 설계하기.
• 탐지 가능한 방해 공격에 대한 전력 시스템의 복원력 평가 및 기존 은폐 공격 모델과의 비교하기.

제안 방법

• 필요하고도 충분한 타당성 조건에 기반해 최적의 탐지 가능한 방해 공격를 그래프 컷 문제로 수식화하기.
• 방해 비용 범위를 두 개의 간격으로 나누기: 데이터 주입 비용의 절반 이하 및 초과 영역으로, 각각 다른 그래프 컷 수식이 필요하다.
• 최적의 공격 벡터를 계산하기 위해 다항식 시간 복잡도를 갖는 재귀적 최소 컷 기반 근사 알고리즘 개발하기.
• 파형 및 유량 측정을 포함한 IEEE 14-bus 및 57-bus 테스트 시스템을 사용해, 다양한 방해 비용과 주입 비용 비율에서의 공격 성능 시뮬레이션하기.
• 혼합정수계획법과 그래프 이론 기법을 활용해 측정 오염 및 통신 차단을 모델링하기.
• 다양한 안전한(손상되지 않은) 측정 비율에서 공격 비용과 타당성을 평가하여 시스템의 복원력 평가하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 측정 방해가 기존의 은폐 공격과 비교해 최적의 탐지 가능한 데이터 공격 설계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 언제 방해가 탐지 가능한 공격의 비용을 상당히 감소시키는가?
• RQ3 공격 전략의 전환을 결정하는 방해 비용과 데이터 주입 비용 간의 관계는 무엇인가?
• RQ4 탐지 가능한 방해 공격를 방지하기 위해 필요한 안전 측정 수는 은폐 공격에 비해 어떻게 다른가?
• RQ5 다양한 시스템 구성에서 최적의 탐지 가능한 방해 공격 벡터를 다항식 시간 알고리즘이 효과적으로 근사할 수 있는가?

주요 결과

• 방해 비용이 데이터 주입 비용의 절반 이하일 경우, 최적의 탐지 가능한 방해 공격 비용은 최적의 은폐 공격 비용의 약 절반 수준이다.
• 방해 비용이 데이터 주입 비용의 절반을 초과할 경우, 최적의 공격 설계는 표준 탐지 가능한 공격로 복귀하며, 추가적인 비용 절감이 없다.
• 탐지 가능한 방해 공격를 방지하기 위해 필요한 안전 측정 수는 버스 수가 아닌 측정 그래프의 간선 수에 비례하여 증가하는 반면, 은폐 공격의 경우 버스 수에 비례한다.
• IEEE 14-bus 및 57-bus 시스템에서의 시뮬레이션 결과, 특히 방해 비용이 낮을 경우 탐지 가능한 방해 공격가 은폐 공격보다 평균 공격 비용이 낮게 나타났다.
• 제안된 재귀적 최소 컷 알고리즘은 다항식 복잡도를 갖는 동시에 최적의 공격 벡터를 효과적으로 근사하며, 테스트 케이스 전반에서 뛰어난 성능을 보였다.
• 이 프레임워크는 측정 방해가 기존의 은폐 공격 기반 복원력 지표를 심각하게 약화시킴을 드러내었으며, 이는 이전에 안전하다고 여겨졌던 영역에서도 실행 가능한 공격를 가능하게 한다.