[论文解读] A Jamming-resilient Algorithm for Self-triggered Network Coordination

Danial Senejohnny, Pietro Tesi+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2016

Smart Grid Security and Resilience参考文献 18被引用 5

一句话总结

本文提出了一种在拒绝服务（DoS）攻击下具有抗干扰能力的自触发协调算法，适用于通信链路独立失效的共识网络。通过引入一种持久通信（Persistency-of-Communication, PoC）条件，确保在与数字通信约束兼容的时间区间内保持足够的连通性，作者建立了在DoS攻击频率和持续时间受限时共识得以保持的显式边界，并量化了其对共识收敛时间的影响。

ABSTRACT

The issue of cyber-security has become ever more prevalent in the analysis and design of cyber-physical systems. In this paper, we investigate self-triggered consensus networks in the presence of communication failures caused by Denialof- Service (DoS) attacks. A general framework is considered in which the network links can fail independent of each other. By introducing a notion of Persistency-of-Communication (PoC), we provide an explicit characterization of DoS frequency and duration under which consensus can be preserved by suitably designing time-varying control and communication policies. An explicit characterization of the effects of DoS on the consensus time is also provided. The considered notion of PoC is compared with classic average connectivity conditions that are found in pure continuous-time consensus networks. Finally, examples are given to substantiate the analysis.

研究动机与目标

• 解决对等（自组织）网络系统中分布式协调在DoS攻击下缺乏鲁棒性的问题。
• 将DoS攻击建模为独立链路失效而非全局网络中断，以反映真实自组织网络条件。
• 设计时变控制与通信策略，以在DoS攻击下仍能保持共识。
• 显式表征共识得以保持的DoS最大允许频率与持续时间。
• 量化DoS对数字自触发网络中共识收敛时间的影响。

提出的方法

• 提出一种新颖的持久通信（Persistency-of-Communication, PoC）条件，将经典连通性假设扩展至数字时变网络。
• 将DoS攻击建模为个别网络链路不可用的时间区间，对平均频率和持续时间施加约束。
• 设计自触发控制策略，其中每个代理基于本地信息和时变采样间隔，调度其下一次通信与控制更新。
• 利用PoC条件推导出在DoS攻击下共识得以保持的充分条件，借助DoS空闲区间与采样间隔之间的关系进行分析。
• 将共识收敛时间建模并分析为DoS参数与系统设计变量的函数。
• 证明在PoC条件下，失败后有限时间区间内的每一次传输尝试最终都会成功。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种DoS频率与持续时间条件下，能够保证具有独立链路失效的自触发共识网络中达成共识？
• RQ2 所提出的持久通信（PoC）条件与连续时间共识网络中经典的平均连通性假设有何不同？
• RQ3 DoS攻击对共识协议收敛时间的显式影响是什么？
• RQ4 所提出的时变控制与通信策略是否能在无需全局网络拓扑信息或时钟同步的情况下确保共识？
• RQ5 该模型如何同时处理恶意DoS攻击与非恶意传输故障？

主要发现

• 本文建立了DoS频率与持续时间的显式上界——依赖于链路特定参数——在该范围内，可通过所提出的自触发策略保持共识。
• 结果表明，持久通信（PoC）条件是经典连通性条件向数字自触发网络的自然延伸，可确保足够长的DoS空闲时间以实现成功通信。
• 共识收敛时间被显式表征为DoS参数与系统设计变量的函数，DoS持续时间越长，收敛越慢。
• 分析证明，在失败后有限时间区间内的每一次传输尝试最终都会成功，从而确保对DoS攻击的鲁棒性。
• 所提出的框架可扩展至高阶代理动力学，并能同时处理恶意DoS攻击与非恶意传输故障。
• 数值示例验证了理论结果，表明在推导出的边界内，DoS攻击下仍能保持共识。