[論文レビュー] Towards Stabilization of Distributed Systems under Denial-of-Service

Shuai Feng, Pietro Tesi+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2017

Smart Grid Security and Resilience参考文献 24被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、分散イベントトリガー制御とラウンドロビンスケジューリングを組み合わせたハイブリッド通信戦略を提案し、サービス拒否（DoS）攻撃下における大規模分散システムの安定化を実現する。DoS攻撃時におけるラウンドロビンへの切り替えにより、純粋なラウンドロビンと同等の安定性バインディングを維持しながら、通信負荷を最大90%まで低減でき、ゼノー行動を効果的に防止し、攻撃の周波数と継続時間に上限がある条件下で漸近的安定性を確保する。

ABSTRACT

In this paper, we consider networked distributed systems in the presence of Denial-of-Service (DoS) attacks, namely attacks that prevent transmissions over the communication network. First, we consider a simple and typical scenario where communication sequence is purely Round-robin and we explicitly calculate a bound of attack frequency and duration, under which the interconnected large-scale system is asymptotically stable. Second, trading-off system resilience and communication load, we design a hybrid transmission strategy consisting of Zeno-free distributed event-triggered control and Round-robin. We show that with lower communication loads, the hybrid communication strategy enables the systems to have the same resilience as in pure Round-robin.

研究の動機と目的

• 通信がラウンドロビン順序に従う場合に、大規模分散システムがDoS攻撃下でどのように安定性を保つかを分析すること。
• 漸近的安定性を維持するための、DoS攻撃の周波数と継続時間の明示的境界を特定すること。
• 通信負荷を低減しつつ、DoS攻撃に対する耐性を損なわないハイブリッド通信戦略を設計すること。
• 純粋なラウンドロビンと同等の安定性マージンを維持しながら、ゼノー行動を防止するハイブリッド戦略を保証すること。

提案手法

• ラウンドロビン通信下での大規模相互接続系の漸近的安定性を分析するために、小さなゲインアプローチが適用される。
• システムのゲイン特性とリャプノフ関数を用いて、DoS攻撃の周波数と継続時間の明示的境界が導出される。
• 通常運転時にはイベントトリガー制御を、DoS攻撃時には自動的にラウンドロビンに切り替えるハイブリッド送信戦略が設計される。
• イベントトリガー部では、小さなゲイン論法を用いて実用的安定性を保証し、ゼノー行動を回避する。
• スイッチング論理により、ラウンドロビンの強靱性を活かして、DoS時における通信の迅速な回復が保証される。
• 数値シミュレーションにより、2つの事例（線形系と倒立振子のネットワーク）を用いて理論的結果の妥当性が検証される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ラウンドロビン通信下で、大規模分散システムが漸近的安定性を保つための、DoS攻撃の最大周波数と継続時間は何か？
• RQ2 ハイブリッド通信戦略は、純粋なラウンドロビンと同等の安定性耐性を維持しながら、通信負荷を低減できるか？
• RQ3 DoS条件下におけるイベントトライガー制御で、ハイブリッド戦略はゼノー行動をどのように防止するか？
• RQ4 システムのダイナミクスとコントローラ設計は、導出された安定性境界の保守性にどのような影響を与えるか？
• RQ5 理論的境界が破られた場合でも、ハイブリッド戦略はDoS攻撃下で安定性を維持できるか？

主な発見

• 攻撃継続時間と全サイクル時間の比が導出された境界以下である限り、システムはDoS攻撃下でも漸近的安定性を保つ。数値的に検証された。
• 例1では、通信回数をラウンドロビンの1200回から112回に削減し、通信負荷を90.7%まで低減した。
• 例2では、通信回数を11,997回から254回に削減し、通信負荷を97.9%まで低減した。
• 理論的境界が破られた場合でも、シミュレーションではシステムが安定したままであったため、境界が保守的であることが示された。
• ハイブリッド戦略は、純粋なラウンドロビンと同等の安定性耐性を維持しながら、通信オーバーヘッドを顕著に低減した。
• 理論的境界の保守性は、不安定なダイナミクス、高いフィードバックゲイン、およびコントローラ設計における結合パrameterに起因する。