[论文解读] Robust Stabilization of Resource Limited Networked Control Systems Under Denial-of-Service Attack

Niladri Sekhar Tripathy, Mohammadreza Chamanbaz+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2019

Smart Grid Security and Resilience参考文献 23被引用 2

一句话总结

本文提出了一种针对在拒绝服务（DoS）攻击下具有不确定性的离散时间网络化控制系统的事件触发鲁棒控制律。通过将鲁棒控制问题表述为具有改进代价函数的虚拟名义系统上的最优控制问题，该方法在DoS攻击频率和持续时间有界的情况下确保输入到状态稳定性（ISS），显著降低了通信开销，同时在存在不确定性及间歇性网络可用性的情况下保持系统稳定性。

ABSTRACT

In this paper, we consider a class of denial-of-service (DoS) attacks, which aims at overloading the communication channel. On top of the security issue, continuous or periodic transmission of information within feedback loop is necessary for the effective control and stabilization of the system. In addition, uncertainty---originating from variation of parameters or unmodeled system dynamics---plays a key role in the system's stability. To address these three critical factors, we solve the joint control and security problem for an uncertain discrete-time Networked Control System (NCS) subject to limited availability of the shared communication channel. An event-triggered-based control and communication strategy is adopted to reduce bandwidth consumption. To tackle the uncertainty in the system dynamics, a robust control law is derived using an optimal control approach based on a virtual nominal dynamics associated with a quadratic cost-functional. The conditions for closed-loop stability and aperiodic transmission rule of feedback information are derived using the discrete-time Input-to-State Stability theory. We show that the proposed control approach withstands a general class of DoS attacks, and the stability analysis rests upon the characteristics of the attack signal. The results are illustrated and validated numerically with a classical NCS batch reactor system.

研究动机与目标

• 解决网络化控制系统（NCSs）中系统不确定性、有限通信带宽与DoS攻击的联合挑战。
• 开发一种弹性控制策略，确保在具有有界频率和持续时间的重复DoS攻击下保持闭环稳定性。
• 通过非周期性、事件触发的反馈而非周期性传输，降低通信开销。
• 明确表征在何种DoS攻击频率和持续时间下可保持输入到状态稳定性（ISS）。

提出的方法

• 将不确定离散时间系统的鲁棒控制问题表述为具有改进二次代价泛函的虚拟名义系统的最优控制问题。
• 在虚拟系统框架下，利用Riccati方程解推导鲁棒控制律。
• 应用离散时间输入到状态稳定性（ISS）理论，推导在DoS攻击下的稳定性条件。
• 引入一种非周期性事件触发规则，仅在稳定性准则被违反时激活反馈传输。
• 基于对攻击信号特性（频率和持续时间界限）的假设，推导稳定性条件。
• 通过具有范数有界不确定性的间歇反应器系统离散时间线性化模型对方法进行数值验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种DoS攻击频率和持续时间下，不确定离散时间NCS中的输入到状态稳定性（ISS）得以保持？
• RQ2 事件触发控制如何在DoS攻击和模型不确定性下减少通信开销并维持稳定性？
• RQ3 最优控制框架能否被调整以在对抗性网络条件下为NCS中的不匹配不确定性提供鲁棒性？
• RQ4 DoS信号（频率和持续时间）需满足何种条件，才能在系统不确定性存在下保证闭环稳定性？
• RQ5 所提出的事件触发鲁棒控制策略与周期性反馈相比，在DoS攻击下通信效率和稳定性方面有何差异？

主要发现

• 所提出的控制律确保了在具有有界频率和持续时间的DoS攻击下，不确定离散时间系统具备输入到状态稳定性（ISS）。
• 可接受的最大DoS攻击频率表征为 Ta = 2(ln(η2) − ln(η1)) / ln(Ξ)，其中 η1 = 0.3，η2 = 0.95，Ξ 由系统参数导出。
• 系统实现了显著的通信节省：6秒内总传输次数从周期控制的120次减少至事件触发控制的37次。
• 最小事件间时间间隔为0.05秒，最大事件间时间间隔达0.93秒，表明带宽有效降低。
• 在间歇反应器模型上的数值验证确认了状态收敛性，并验证了对DoS攻击和参数不确定性（p = 0.5）的鲁棒性。
• 控制器增益 K 和 L 通过Riccati方程求解获得，确保在虚拟系统框架下的最优性能。