[논문 리뷰] Robust Stabilization of Resource Limited Networked Control Systems Under Denial-of-Service Attack

Niladri Sekhar Tripathy, Mohammadreza Chamanbaz외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 12.

Smart Grid Security and Resilience참고 문헌 23인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 통신 장애 공격(DoS 공격) 하에서 불확실한 네트워크 제어 시스템(NCS)에 대해 이벤트 트리거드로 보다 강건한 제어 법칙을 제안한다. 강건 제어 문제를 수정된 비용 함수를 가진 가상의 명칭 시스템에 대한 최적 제어 문제로 재구성함으로써, 유한한 DoS 공격 주파수와 지속 시간 하에서 입력-상태 안정성(ISS)을 보장하며, 통신 오버헤드를 크게 줄이고도 시스템 안정성을 유지한다. 이는 불확실성과 간헐적인 네트워크 가용성에도 불구하고 성립한다.

ABSTRACT

In this paper, we consider a class of denial-of-service (DoS) attacks, which aims at overloading the communication channel. On top of the security issue, continuous or periodic transmission of information within feedback loop is necessary for the effective control and stabilization of the system. In addition, uncertainty---originating from variation of parameters or unmodeled system dynamics---plays a key role in the system's stability. To address these three critical factors, we solve the joint control and security problem for an uncertain discrete-time Networked Control System (NCS) subject to limited availability of the shared communication channel. An event-triggered-based control and communication strategy is adopted to reduce bandwidth consumption. To tackle the uncertainty in the system dynamics, a robust control law is derived using an optimal control approach based on a virtual nominal dynamics associated with a quadratic cost-functional. The conditions for closed-loop stability and aperiodic transmission rule of feedback information are derived using the discrete-time Input-to-State Stability theory. We show that the proposed control approach withstands a general class of DoS attacks, and the stability analysis rests upon the characteristics of the attack signal. The results are illustrated and validated numerically with a classical NCS batch reactor system.

연구 동기 및 목표

• 네트워크 제어 시스템(NCS)에서 시스템의 불확실성, 제한된 통신 대역폭, DoS 공격이라는 복합적 과제를 해결하기 위해.
• 유한한 주파수와 지속 시간을 갖는 반복적인 DoS 공격 하에서도 닫힌 루프 안정성을 유지할 수 있는 내성적인 제어 전략을 개발하기 위해.
• 정기적인 전송 대신 비정기적이고 이벤트 트리거드 피드백을 통해 통신 오버헤드를 줄이기 위해.
• 입력-상태 안정성(ISS)이 유지되는 최대 허용 DoS 공격 주파수와 지속 시간을 명시적으로 규명하기 위해.

제안 방법

• 불확실한 이산시간 시스템에 대한 강건 제어 문제를 수정된 이차 비용 함수를 가진 가상의 명칭 시스템에 대한 최적 제어 문제로 재구성한다.
• 가상 시스템 프레임워크 하에서 리카티 방정식 해를 이용해 강건 제어 법칙을 유도한다.
• 이산시간 입력-상태 안정성(ISS) 이론을 적용하여 DoS 공격 하에서의 안정성 조건을 도출한다.
• 안정성 기준 위반 시에만 피드백 전송을 활성화하는 비정기적 이벤트 트리거링 규칙을 도입한다.
• 공격 신호의 특성(주파수 및 지속 시간의 상한선)에 대한 가정을 통해 안정성 조건을 유도한다.
• 노름 유계 불확실성을 갖는 배치 반응기 시스템의 이산시간 선형화 모델을 사용해 수치적으로 접근을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 불확실한 이산시간 NCS에서 입력-상태 안정성(ISS)이 유지되는 DoS 공격의 최대 주파수와 지속 시간은 무엇인가?
• RQ2 이벤트 트리거드 제어는 DoS 공격과 모델 불확실성 하에서도 안정성을 유지하면서 통신 오버헤드를 어떻게 줄일 수 있는가?
• RQ3 최적 제어 프레임워크는 적대적 네트워크 조건 하에서 불일치하는 불확실성에 대해 강건성을 제공할 수 있는가?
• RQ4 DoS 신호의 조건(주파수 및 지속 시간)은 시스템의 불확실성이 존재하는 상황에서 닫힌 루프 안정성을 보장하기 위해 어떤가?
• RQ5 제안된 이벤트 트리거드 강건 제어 전략은 DoS 공격 하에서 통신 효율성과 안정성 측면에서 정기적 피드백에 비해 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 제안된 제어 법칙은 주파수와 지속 시간이 유한한 DoS 공격 하에서도 불확실한 이산시간 시스템에 대해 입력-상태 안정성(ISS)을 보장한다.
• 허용 가능한 최대 DoS 공격 주파수는 Ta = 2(ln(η2) − ln(η1)) / ln(Ξ)로 특성화되며, 여기서 η1 = 0.3, η2 = 0.95이며, Ξ는 시스템 파라미터에서 유도된다.
• 시스템은 통신 절감 효과를 크게 확보한다: 6초 동안 총 전송 횟수는 정기적 제어 시 120회에서 이벤트 트리거드 제어 시 37회로 감소한다.
• 최소 이벤트 간격은 0.05초이며, 최대 이벤트 간격은 0.93초에 이르며, 이는 효율적인 대역폭 감소를 나타낸다.
• 배치 반응기 모델에 대한 수치적 검증을 통해 상태 수렴과 DoS 공격 및 파라미터 불확실성에 대한 강건성이 확인되었다(p = 0.5).
• 제어 이득 K와 L는 리카티 방정식의 해를 통해 계산되며, 이는 가상 시스템 프레임워크 하에서 최적 성능을 보장한다.