[論文レビュー] Networked Constrained Cyber-Physical Systems subject to malicious attacks: a resilient set-theoretic control approach

Walter Lúcia, Bruno Sinopoli+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2016

Smart Grid Security and Resilience参考文献 12被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、悪意ある攻撃下におけるネットワーキング制御可能なサイバーフィジカルシステム（CPS）に対して、集合論的制御フレームワークを提案する。物理的ウォーターマーキングとロバスト制御を統合し、一様最終有界性（UUB）の状態軌道と制約の満足を保証する。1ステップの可制御集合と動的再暗号化を活用することで、リアルタイムでDoS攻撃および偽装データインジェクション攻撃を検出・緩和可能であり、任意の許容可能な攻撃シナリオにおいて形式的保証が得られる。

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.

研究の動機と目的

• サイバーベースの攻撃下における統合的検出と制御緩和戦略の欠如に対処すること。
• 通信チャネルにおける悪意ある干渉にもかかわらず、状態および入力の制約を維持すること。
• 部分的および完全なモデル知識攻撃の両方に対しても、システムの安定性を維持するレジリエンス制御アーキテクチャを構築すること。
• 任意の許容可能な攻撃シナリオにおいて、一様最終有界性（UUB）およびロバスト正不変性を形式的に証明すること。
• 集合論的およびウォーターマーキングの原則を用いて、異常検出と制御是正を統合した包括的フレームワークを構築すること。

提案手法

• 本フレームワークは、システムの予測動作からのずれをモニタリングすることで、ステルス的攻撃を検出する時変動物理的ウォーターマーキング機構を採用する。
• 異常検出は、測定出力がシステムダイナミクスと有界な摂動から導かれる予測集合 $ω^{+}$ 内にあるかどうかをチェックする検出器によって実施される。
• 制御戦略は、任意の攻撃下でも状態がロバスト正不変（RPI）集合内に留まるように保証する1ステップ可制御集合を用いる。
• 攻撃検出時に再暗号化プロトコルが起動され、一時的に通信を遮断し、システムを再初期化してセキュリティを回復する。
• 事前チェックおよび事後チェックモジュールは、制御入力および出力をリアルタイムで検証し、入力制約や期待される動作を違反するあらゆる行動を拒否する。
• コントローラは、モデルの予測可能性を悪用されるのを防ぐために、時変インデックスを動的に調整して制御則を変更する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モデルや入力の操作に依存せずに、ネットワーキングCPSにおけるステルス的サイバー攻撃をどのように検出できるか？
• RQ2 DoSおよびFDI攻撃下でも、制御行動が実行可能かつ安定化を保証できるか？
• RQ3 有界な摂動と悪意ある入力が存在する状況下で、統合的フレームワークが同時に異常検出と制御是正を保証できるか？
• RQ4 任意の攻撃シナリオ下で、状態の有界性および制約の満足に対する形式的保証はどのように提供できるか？
• RQ5 物理的ウォーターマーキングを集合論的制御フレームワークに統合することで、レジリエンスをどのように向上できるか？

主な発見

• 提案された手法は、DoSおよびFDI攻撃を含む、すべての許容可能な攻撃シナリオにおいて、閉ループ系のUUBを保証する。
• 攻撃中および攻撃回復後も、状態軌道はロバスト正不変集合 $\mathcal{T}^{i}(T_{\text{encry}})$ 内に閉じ込められている。図4に示す。
• 攻撃1（DoS）は、$t=0.16$ 秒に検出され、検出器によって通信遮断と再暗号化がトリガーされ、事前チェックおよび事後チェックモジュールからの誤検出は発生しなかった。
• 攻撃2（センサへのDoS）は、$t=0.34$ 秒に検出され、最後に有効な制御入力を用いてアクチュエータホールドが実行され、システムの実行可能性が維持された。
• 攻撃3（FDI）は、$t=0.52$ 秒に検出され、入力制約 $\mathcal{U}^{0}$ を違反する不正な入力 $\tilde{u}(0.52)=-2.91$ が原因で、システムがブロックされた。
• 攻撃4（ステルス的FDI）は、$t=4.24$ 秒に検出され、推定値と実際の制御入力の不一致により $\tilde{u}(4.24) \notin \mathcal{U}^{0}$ となった。これにより、従来検出できなかった攻撃の検出が可能になった。