[论文解读] Security of Transportation Networks: Modeling Attacker-Defender Interaction.

Manxi Wu, Saurabh Amin|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2018

Infrastructure Resilience and Vulnerability Analysis参考文献 10被引用 1

一句话总结

本文使用博弈论建模交通网络防御者与理性攻击者之间的战略互动，比较了同时行动与顺序行动博弈。研究发现，当防御成本足够低时，防御者可获得先行者优势，且必须主动保护所有脆弱设施才能完全威慑攻击，对基础设施韧性及攻击后用户行为具有启示意义。

ABSTRACT

Infrastructure systems are increasingly facing new security threats due to the vulnerabilities of cyber-physical components that support their operation. In this article, we investigate how the infrastructure operator (defender) should prioritize the investment in securing a set of in order to reduce the impact of a strategic adversary (attacker) who can target a facility to increase the overall usage cost of the system. We adopt a game-theoretic approach to model the defender-attacker interaction and study two models: normal-form game -- where both players move simultaneously; and sequential game -- where attacker moves after observing the defender's strategy. For each model, we provide a complete characterization of how the set of that are secured by the defender in equilibrium vary with the costs of attack and defense. Importantly, our analysis provides a sharp condition relating the cost parameters for which the defender has the first mover advantage. Specifically, we show that to fully deter the attacker from targeting any facility, the defender needs to proactively secure all vulnerable facilities at an appropriate level of effort. We illustrate the outcome of the attacker-defender interaction on a simple transportation network. We also suggest a dynamic learning setup to understand how this outcome can affect the ability of imperfectly informed users to make their decisions about using the system in the post-attack stage.

研究动机与目标

• 建立防御者保护交通基础设施与攻击者针对设施以增加系统成本之间的战略互动模型。
• 分析防御与攻击成本如何影响同时与顺序博弈设定下受保护设施的均衡选择。
• 识别防御者在何种精确成本条件下可获得威慑攻击的先行者优势。
• 评估攻击后用户行为对系统使用率的影响，当用户对设施状况信息不完全时。
• 为应对战略威胁的网络物理交通系统提供最优安全投资框架。

提出的方法

• 构建一个标准形式博弈，防御者与攻击者同时选择策略，捕捉相互的战略不确定性。
• 构建一个顺序博弈模型，攻击者在行动前可观察到防御者的安全选择。
• 使用博弈论分析刻画均衡结果，重点关注防御与攻击成本如何影响设施保护。
• 推导出关于成本参数的严格条件，以确定防御者是否可通过保护所有脆弱设施来完全威慑攻击。
• 将模型应用于简单交通网络，以说明均衡结果与安全投资的权衡。
• 提出一种动态学习机制，用于建模用户在攻击后如何在信息不完全条件下更新信念并做出路径选择。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种成本条件下，防御者可实现威慑攻击的先行者优势？
• RQ2 同时博弈与顺序博弈的均衡中，受保护设施集合有何不同？
• RQ3 需要多高的防御努力才能完全威慑攻击者不攻击任何设施？
• RQ4 信息不完全的用户在系统攻击后如何调整其行为？
• RQ5 攻击与防御成本的变化如何影响整体系统使用成本与基础设施韧性？

主要发现

• 当防御成本足够低，使保护所有脆弱设施可完全威慑攻击者时，防御者将获得先行者优势。
• 只有当防御者以足够高的努力水平主动保护所有脆弱设施时，才能实现完全威慑。
• 在顺序博弈中，攻击者的最优反应取决于其观察到的防御者策略，导致其均衡结果与同时博弈不同。
• 模型表明，增加防御努力可改变均衡结果，使攻击转为非攻击，具体取决于攻击与防御成本的比值。
• 攻击后用户行为显著受信息水平影响，信息不完全的用户会做出次优路径选择。
• 均衡结构表明，成本参数的微小变化可能导致受保护或受攻击设施的显著改变。