[논문 리뷰] Prospect Theory for Enhanced Cyber-Physical Security of Drone Delivery Systems: A Network Interdiction Game

Anibal Sanjab, Walid Saad외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 11.

Infrastructure Resilience and Vulnerability Analysis참고 문헌 10인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 드론 배송 업체와 공격자 간의 제로섬 네트워크 방해 게임을 제안하며, 목표로 하는 배송 시간과의 상대적 위험 및 배송 시간에 대한 주관적 인식을 반영하기 위해 전망 이론을 활용하여 사이버-물리 보안을 모델링한다. 주관적인 의사결정이 위험을 더 크게 느끼게 하여 예상 배송 시간이 목표를 초과하고, 고전적 게임 이론의 내쉬 균형을 초월하는 결과를 초래함을 보여준다.

ABSTRACT

The use of unmanned aerial vehicles (UAVs) as delivery systems of online goods is rapidly becoming a global norm, as corroborated by Amazon's "Prime Air" and Google's "Project Wing" projects. However, the real-world deployment of such drone delivery systems faces many cyber-physical security challenges. In this paper, a novel mathematical framework for analyzing and enhancing the security of drone delivery systems is introduced. In this regard, a zero-sum network interdiction game is formulated between a vendor, operating a drone delivery system, and a malicious attacker. In this game, the vendor seeks to find the optimal path that its UAV should follow, to deliver a purchase from the vendor's warehouse to a customer location, to minimize the delivery time. Meanwhile, an attacker seeks to choose an optimal location to interdict the potential paths of the UAVs, so as to inflict cyber or physical damage to it, thus, maximizing its delivery time. First, the Nash equilibrium point of this game is characterized. Then, to capture the subjective behavior of both the vendor and attacker, new notions from prospect theory are incorporated into the game. These notions allow capturing the vendor's and attacker's i) subjective perception of attack success probabilities, and ii) their disparate subjective valuations of the achieved delivery times relative to a certain target delivery time. Simulation results have shown that the subjective decision making of the vendor and attacker leads to adopting risky path selection strategies which inflict delays to the delivery, thus, yielding unexpected delivery times which surpass the target delivery time set by the vendor.

연구 동기 및 목표

• 드론 배송 시스템에서의 종합적인 사이버-물리 보안 분석 부족을 해결하기 위해, 특히 방해 공격에 대비한 분석을 수행한다.
• 드론 업체(피하는 자)와 공격자(방해하는 자) 간의 전략적 상호작용을 제로섬 네트워크 방해 게임으로 모델링한다.
• 전망 이론을 게임에 통합하여 공격 확률과 목표에 대한 배송 시간에 대한 주관적 인식을 반영한다.
• 제한된 합리성과 손실 회피가 경로 선택과 예상 배송 시간에 미치는 영향을 분석한다.
• 주관적인 행동이 고전적 게임 이론에 의해 예측된 것보다 더 긴 배송 시간을 초래함을 입증한다.

제안 방법

• 드론 업체가 예상 배송 시간을 최소화하도록 경로를 선택하고, 공격자가 노드를 방해하여 지연을 최대화하는 제로섬 네트워크 방해 게임을 수립한다.
• 게임의 내쉬 균형이 두 개의 선형 프로그래밍 문제를 통해 계산될 수 있음을 증명하며, 목적 함수는 균형 전략 하에서의 예상 배송 시간을 제공한다.
• 전망 이론을 통합하기 위해 기준점(예: 목표 배송 시간)을 기준으로 객관적 확률과 배송 시간 결과를 왜곡하는 확률 가중 함수와 가치 함수를 도입한다.
• 위험 감수성과 손실 회피에 대한 매개수를 가진 손실 회피 유용도 함수를 사용하여 업체와 공격자의 주관적 평가를 모델링한다.
• 확률 가중의 정도를 제어하기 위해 합리성 매개수 γ를 사용하며, 낮은 γ는 확률의 더 큰 왜곡을 의미한다.
• γ와 손실 회피 매개수 λU의 다양한 값에서 게임을 시뮬레이션하여 경로 선택과 예상 배송 시간에 미치는 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 네트워크 방해 게임에 전망 이론을 통합할 경우 드론 배송 시스템에서 경로 선택과 예상 배송 시간에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 고전적 게임 이론과 비교할 때, 공격 성공 확률에 대한 주관적 인식이 최적의 경로 전략을 얼마나 왜곡하는가?
• RQ3 업체의 의사결정에서의 손실 회피는 경로 선택과 결과적인 배송 시간에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 합리성(γ)을 변화시킬 경우 예상 배송 시간과 공격자의 방해 전략에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 주관적인 의사결정이 목표 배송 시간이 알려져 있음에도 불구하고 그 시간을 초과하는 배송 시간을 초래하는가?

주요 결과

• 낮은 합리성(γ = 0.1)은 확률 가중의 왜곡으로 인해 예상 배송 시간이 높은 합리성(γ = 0.9) 대비 11% 증가한다.
• γ = 0.1일 경우, 업체는 모든 노드를 동일하게 위험하게 인식하며, 핵심 노드에서 높은 공격 확률이 있음에도 불구하고 가장 짧은 경로를 94%의 확률로 선택한다.
• 전망 이론 하에서 공격자는 가장 공격 확률이 높은 노드가 아닌, 가장 짧은 경로에 중요한 노드 5번과 8번에 집중함으로써 방해 전략을 크게 변화시킨다.
• 손실 회피도(λU)가 증가할수록 업체는 더 강하게 가장 짧은 경로를 선호하게 되며, λU가 1에서 10으로 증가함에 따라 그 선택 확률은 51%에서 81%로 증가한다.
• 전망 이론 하에서의 예상 배송 시간은 고전적 게임 이론 균형과 목표 배송 시간(T⁰ = 30)을 모두 초월하며, 이는 주관적인 행동이 시스템 성능을 악화시킬 수 있음을 시사한다.
• 결과는 제한된 합리성과 주관적인 위험 인식이 의료 배송과 같은 시간이 중요한 응용 분야에서 업체의 목표를 초월한 지연을 초래할 수 있음을 입증한다.