[论文解读] Self-triggered Coordination over a Shared Network under Denial-of-Service

Danial Senejohnny, Pietro Tesi+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2015

Smart Grid Security and Resilience参考文献 18被引用 6

一句话总结

本文提出了一种在拒绝服务（DoS）攻击下具有自触发特性的网络化智能体共识协议，确保在间歇性通信条件下实现有限时间共识。通过引入一种考虑数字网络约束的通信持续性（PoC）条件，作者推导出在何种DoS攻击频率和持续时间下共识仍能保持，表明当通信与干扰时间间隔的比率满足与系统参数相关的临界阈值时，共识是可实现的。

ABSTRACT

The issue of security has become ever more prevalent in the analysis and design of cyber-physical systems. In this paper, we analyze a consensus network in the presence of Denial-of-Service (DoS) attacks, namely attacks that prevent communication among the network agents. By introducing a notion of Persistency-of-Communication (PoC), we provide a characterization of DoS frequency and duration such that consensus is not destroyed. An example is given to substantiate the analysis.

研究动机与目标

• 解决网络化信息物理系统中在DoS攻击下分布式共识缺乏定量鲁棒性保证的问题。
• 表征在DoS攻击导致间歇性通信故障的情况下，共识仍能保持的条件。
• 通过引入新的通信持续性（PoC）条件，将激励持续性（PoE）条件扩展至数字自触发网络化系统。
• 提供关于DoS攻击频率和持续时间的显式边界，确保共识不被破坏，且无需依赖全局网络同步或拓扑知识。

提出的方法

• 提出一种自触发控制协议，其中智能体基于本地相对测量计算下一次更新时间，避免全局时钟同步。
• 将DoS攻击建模为通信中断的时间受限区间，并对攻击频率和持续时间施加约束。
• 定义通信持续性（PoC）条件，要求在存在数字传输约束的情况下，仍具备足够通信区间以维持共识。
• 采用李雅普诺夫函数方法，证明共识误差可有限时间收敛至零的邻域。
• 通过在时间区间内对总干扰时间进行界定，推导出DoS参数（频率、持续时间、占空比）的充分条件。
• 结合PoC与有限时间收敛分析，表明若DoS攻击未超过通信/干扰周期的临界比值，则共识不会被破坏。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种DoS攻击频率和持续时间条件下，可保证自触发网络化系统中的共识？
• RQ2 在数字分布式环境中，通信持续性（PoC）条件与激励持续性（PoE）条件有何不同？其改进之处为何？
• RQ3 在不依赖网络拓扑或时钟同步全局知识的前提下，能否保证DoS攻击下有限时间共识？
• RQ4 DoS攻击的平均占空比与最终共识收敛时间之间存在何种关系？

主要发现

• 只要满足通信持续性（PoC）条件，即使在DoS攻击下，共识也能在有限时间内实现。
• DoS攻击的临界阈值由通信与干扰时间间隔的比率决定，充分条件为 (1−φ(τf,τd,Δ*)) (t−τ) > κ + (1+η)Δ*。
• 在DoS攻击平均占空比约为55%时，数值示例表明共识时间几乎为无DoS情况下的两倍。
• 该协议确保收敛至平均共识值的邻域，具体为 1/2(min x_i(0) + max x_i(0)) 以内，即使在持续DoS攻击下亦成立。
• 有限时间收敛至共识集 E 是可保证的，因为控制输入仅在智能体进入共识 ε-邻域时才收敛至零。
• 分析表明，在数字网络中，PoE 类条件因采样和传输速率约束而不足，因此需要引入 PoC 条件。