[论文解读] Resilient Control under Denial-of-Service:Robust Design

Shuai Feng, Pietro Tesi|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2016

Distributed Control Multi-Agent Systems被引用 6

一句话总结

本文提出基于模拟与数字预测器的控制器，并结合状态重置机制，以增强网络化控制系统在拒绝服务（DoS）攻击下的鲁棒性。通过利用类脉冲式预测器在通信中断期间重构状态，控制器在一般DoS信号下仍能保持闭环稳定，实现最大可容忍的DooS频率与持续时间——即使在80%的传输故障率下，其性能仍优于静态反馈。

ABSTRACT

In this paper, we study networked control systems in the presence of Denial-of-Service (DoS) attacks, namely attacks that prevent transmissions over the communication network. The control objective is to maximize frequency and duration of the DoS attacks under which closed-loop stability is not destroyed. Analog and digital predictor-based controllers with state resetting are proposed, which achieve the considered control objective for a general class of DoS signals. An example is given to illustrate the proposed solution approach.

研究动机与目标

• 解决在任意拒绝服务（DoS）攻击下维持网络化控制系统闭环稳定性的挑战，此类攻击会干扰通信。
• 克服静态反馈的局限性，后者无法容忍高频或长时间的DoS攻击。
• 设计鲁棒的控制架构，即使DoS信号不局限于特定概率分布，也能保持稳定。
• 表征在使用基于预测器的控制时，可保证稳定性的最大可容忍DoS频率与持续时间。
• 对比模拟与数字实现的基于预测器的控制器，识别数字系统的设计约束。

提出的方法

• 设计基于模拟预测器的控制器，采用类脉冲式动态观测器，在新测量值到达时重置状态估计。
• 通过周期采样实现数字控制器，通过基于系统参数推导出的控制器采样率约束确保稳定性。
• 采用基于李雅普诺夫的分析方法证明在DoS下的稳定性，所用李雅普诺夫函数考虑了状态估计误差与DoS引起的扰动。
• 引入状态重置机制，仅在接收到新测量值时更新预测器状态，从而在DoS期间提高估计精度。
• 应用先前工作中提出的通用DoS模型，该模型约束攻击频率与持续时间，但不假设特定攻击模式。
• 以DoS参数（平均攻击持续时间τ_D与攻击间隔T）及系统采样间隔Δ表示稳定性充分条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种DoS攻击频率与持续时间下，网络化控制系统的闭环稳定性可被保持？
• RQ2 在任意DoS信号下，基于预测器并结合状态重置的控制器是否能优于静态反馈？
• RQ3 在稳定性与设计约束方面，基于预测器的控制器的模拟与数字实现有何差异？
• RQ4 数字控制器需要多高的采样率才能确保对DoS攻击的鲁棒性？
• RQ5 测量噪声如何影响基于预测器的控制器在DoS间隔内的性能？

主要发现

• 所提出的基于预测器的控制器在平均攻击持续时间τ_D ≈ 0.96 s、攻击间隔T ≈ 1.29 s的DoS信号下仍能实现闭环稳定，对应约80%的传输故障率。
• 当Δ/τ_D + 1/T ≈ 0.8793时，基于预测器的控制器的稳定性条件得以满足，表明其对高DoS水平具有较强容忍能力。
• 相比之下，静态反馈律要求Δ/τ_D + 1/T < 0.0321才能保持稳定，表明其约束条件要严格得多。
• 只要采样率满足σ < 0.4744且δ < 0.1508，数字控制器即可实现与模拟版本相同的鲁棒性。
• 在噪声条件下性能下降，仿真结果表明，当噪声幅值减小至[-0.01,0.01]时，DoS期间的状态估计精度有所提升。
• 理论边界较为保守；仿真显示静态反馈在约40%传输故障率下仍保持稳定，而基于预测器的控制器在80%故障率下仍能维持稳定。