[论文解读] Secure State Estimation Under Sensor Attacks: A Satisfiability Modulo Theory Approach.

Yasser Shoukry, Pierluigi Nuzzo+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2014

Formal Methods in Verification被引用 7

一句话总结

本文提出了一种基于可满足性模理论（SMT）的新算法，用于在遭受网络攻击的线性动态系统中检测并隔离被破坏的传感器，确保状态估计的可靠性和完备性。该方法能高效识别恶意传感器，并提供精确的状态估计，通过仿真和在无人地面车辆控制系统中的应用得到验证。

ABSTRACT

We address the problem of detecting and mitigating the effect of malicious attacks to the sensors of a linear dynamical system. We develop a novel, efficient algorithm that uses a Satisfiability-Modulo-Theory approach to isolate the compromised sensors and estimate the system state despite the presence of the attack, thus harnessing the intrinsic combinatorial complexity of the problem. By leveraging results from formal methods over real numbers, we provide guarantees on the soundness and completeness of our algorithm. We then report simulation results to compare its runtime performance with alternative techniques. Finally, we demonstrate its application to the problem of controlling an unmanned ground vehicle.

研究动机与目标

• 解决线性动态系统中传感器攻击的检测与缓解问题。
• 开发一种高效算法，能够在保持精确状态估计的同时隔离受损传感器。
• 为检测与估计过程提供可靠性和完备性的形式化保证。
• 通过仿真评估该方法与替代技术的性能对比。
• 在实际控制系统（如无人地面车辆）中展示其有效应用。

提出的方法

• 该方法将传感器攻击检测与状态估计问题形式化为实数上的可满足性模理论（SMT）问题。
• 利用实数上的形式化方法，确保在识别受损传感器时具备可靠性和完备性。
• 通过系统性地探索传感器配置的组合，基于与系统动态的一致性来隔离恶意传感器。
• 将系统动态约束和传感器测量模型整合到可由SMT求解器求解的逻辑公式中。
• 通过利用线性系统的结构和SMT求解器的优化技术，实现高效的运行时性能。
• 该方法输出受损传感器的集合以及在攻击下的一致状态估计。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在具有形式化保证的前提下检测并缓解线性动态系统中的传感器攻击？
• RQ2 SMT方法能否高效地隔离多个受损传感器，同时确保完备性？
• RQ3 所提出的SMT方法与替代技术相比，其运行时性能如何？
• RQ4 该方法在传感器数量和攻击复杂性方面具有怎样的可扩展性？
• RQ5 该方法能否有效应用于无人地面车辆等实时控制系统？

主要发现

• 所提出的SMT算法实现了受损传感器的可靠且完备的检测，确保无漏报或误报。
• 在仿真基准测试中，该方法相比替代方法展现出更优的运行时效率。
• 即使在涉及多个同时受损的复杂攻击场景下，该算法仍能成功隔离恶意传感器。
• 该方法在传感器攻击下仍能实现精确的状态估计，维持控制应用中的系统稳定性。
• 该方法在涉及无人地面车辆的实际控制场景中成功得到验证。
• 将实数上的形式化方法集成，实现了严格的正确性保证，同时未牺牲计算可行性。