[论文解读] Cross-Layer Coordinated Attacks on Cyber-Physical Systems: A LQG Game Framework with Controlled Observations

Yunhan Huang, Zehui Xiong+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2020

Smart Grid Security and Resilience参考文献 23被引用 5

一句话总结

本文提出了一种零和线性二次高斯（LQG）博弈框架，用于建模网络物理系统（CPS）中的跨层协同攻击，其中攻击者同时干扰物理过程并阻塞通信信道，而防御者则战略性地选择何时观测，以平衡估计精度与资源成本。主要贡献在于通过动态规划全面刻画了子博弈完美均衡（SPE）策略，揭示了控制、观测与干扰决策之间的相互依赖性，并共同优化系统退化与成本之间的权衡。

ABSTRACT

This work establishes a game-theoretic framework to study cross-layer coordinated attacks on cyber-physical systems (CPSs). The attacker can interfere with the physical process and launch jamming attacks on the communication channels simultaneously. At the same time, the defender can dodge the jamming by dispensing with observations. The generic framework captures a wide variety of classic attack models on CPSs. Leveraging dynamic programming techniques, we fully characterize the Subgame Perfect Equilibrium (SPE) control strategies. We also derive the SPE observation and jamming strategies and provide efficient computational methods to compute them. The results demonstrate that the physical and cyber attacks are coordinated and depend on each other. On the one hand, the control strategies are linear in the state estimate, and the estimate error caused by jamming attacks will induce performance degradation. On the other hand, the interactions between the attacker and the defender in the physical layer significantly impact the observation and jamming strategies. Numerical examples illustrate the interactions between the defender and the attacker through their observation and jamming strategies.

研究动机与目标

• 建立CPS中物理层与网络层协同攻击的模型，同时干扰系统动态与通信信道。
• 在资源受限条件下，捕捉攻击者干扰与防御者观测决策之间的战略互动。
• 开发一个统一的博弈论框架，以推广经典CPS安全中的攻击模型。
• 利用动态规划刻画控制、观测与干扰的子博弈完美均衡（SPE）策略。
• 提供在不确定性与成本约束下推导最优策略的计算高效方法。

提出的方法

• 构建一个具有可控观测的零和LQG博弈，其中防御者根据成本决定是否观测，攻击者则选择干扰与物理干扰策略。
• 使用动态规划推导SPE策略的逆向方程，实现每阶段最优动作的递归计算。
• 将系统建模为带有加性高斯噪声的线性动态过程，其中状态估计依赖于防御者的观测决策与攻击者的干扰行为。
• 推导出以状态估计为变量的线性控制策略，增益参数在离线阶段计算，与观测和干扰策略无关。
• 引入观测成本（$o_d$）与干扰成本（$o_a$）参数，以建模资源限制与战略权衡。
• 采用估计误差方差传播模型来描述不确定性演化，指导最优观测与干扰决策。

实验结果

研究问题

• RQ1 在防御者战略性选择观测时机的条件下，协同的物理与网络层攻击如何共同降低CPS性能？
• RQ2 在观测成本与干扰威胁的约束下，防御者选择何时观测的最优策略是什么？
• RQ3 攻击者执行物理干扰的能力如何影响其干扰与攻击协调策略？
• RQ4 在何种条件下，即使观测免费，防御者仍选择不观测，以应对预期的干扰？
• RQ5 估计误差与干扰成本之间的相互作用如何影响博弈中的均衡策略？

主要发现

• 控制策略是状态估计的线性函数，即使系统稳定，性能仍会因干扰引起的估计误差而下降。
• 当观测成本超过估计误差导致的系统退化时，防御者将不进行观测，尤其是在物理攻击成本较低时。
• 当物理攻击成本较低时，即使观测成本为零，防御者也会避免观测，因为攻击者可利用观测信息实施更精确的攻击。
• 尽管预期存在干扰，防御者仍可能选择观测，以迫使攻击者承担更高的干扰成本，这在零和博弈中具有优势。
• 当观测噪声方差（$\sigma$）适度增加时，防御者会提高观测频率，以补偿单次观测信息质量的下降，表现出非单调的响应特性。
• 当干扰成本较高（$o_a = 6000$）时，观测次数先随$\sigma$增加后减少，表明信息价值与成本之间存在权衡。