[论文解读] Strategic Topology Switching for Security-Part II: Detection & Switching Topologies

Yanbing Mao, Emrah Akyol+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2017

Distributed Control Multi-Agent Systems参考文献 32被引用 7

一句话总结

该论文提出了一种战略性的拓扑切换框架，用于在无需知晓攻击开始时间或被攻陷的代理数量的情况下，检测二阶多智能体系统中的零动态攻击（ZDA）。通过利用基于Luenberger观测器的检测方法并动态切换网络拓扑，该方法在一般条件下确保了可检测性，从而在对攻击者知识假设极少的情况下，实现了去中心化系统中的鲁棒安全性。

ABSTRACT

This two-part paper considers strategic topology switching for security in the second-order multi-agent system. In Part II, we propose a strategy on switching topologies to detect zero-dynamics attack (ZDA), whose attack-starting time is allowed to be not the initial time. We first characterize the sufficient and necessary condition for detectability of ZDA, in terms of the network topologies to be switched to and the set of agents to be monitored. We then propose an attack detection algorithm based on the Luenberger observer, using the characterized detectability condition. Employing the strategy on switching times proposed in Part I and the strategy on switching topologies proposed here, a strategic topology-switching algorithm is derived. Its primary advantages are threefold: (i) in achieving consensus in the absence of attacks, the control protocol does not need velocity measurements and the algorithm has no constraint on the magnitudes of coupling weights; (ii) in tracking system in the absence of attacks, the Luenberger observer has no constraint on the magnitudes of observer gains and the number of monitored agents, i.e., only one monitored agent's output is sufficient; (iii) in detecting ZDA, the algorithm allows the defender to have no knowledge of the attack-starting time and the number of misbehaving agents (i.e., agents under attack). Simulations are provided to verify the effectiveness of the strategic topology-switching algorithm.

研究动机与目标

• 解决在攻击开始时间未知且不处于系统初始化阶段时，检测隐蔽的零动态攻击（ZDA）的关键空白问题。
• 开发一种去中心化的检测机制，该机制无需速度测量，且在正常运行时对耦合权重无约束。
• 即使防御者对错误行为代理的数量或确切的攻击起始时间缺乏了解，也能实现ZDA的检测。
• 在正常条件下确保系统稳定性和一致性，同时通过战略性拓扑切换在攻击下保持可检测性。
• 消除先前工作中存在的限制性假设，例如已知的攻击开始时间以及固定的网络连通性要求。

提出的方法

• 基于将要切换到的网络拓扑以及被监控的代理集合，提出ZDA可检测性的条件。
• 采用基于Luenberger观测器的检测算法，利用推导出的可检测性条件实现实时识别ZDA。
• 将第一部分的拓扑切换策略与新的检测机制相结合，形成完整的战略性拓扑切换算法。
• 通过拉普拉斯矩阵的谱分析和系统动力学，刻画攻击和正常运行状态下特征值的行为。
• 推导出涉及拉普拉斯矩阵特征值和观测器参数的基于行列式的条件，以验证可检测性。
• 设计切换拓扑策略，使得系统动力学的动态变化能够在不攻击时保持系统稳定的同时实现攻击检测。

实验结果

研究问题

• RQ1 当攻击开始时间未知时，二阶多智能体系统中零动态攻击在何种条件下可以被检测？
• RQ2 如何设计一种去中心化检测机制，使其无需速度测量且耦合权重无约束？
• RQ3 何种拓扑切换策略可确保ZDA的可检测性，同时在正常运行时保持一致性与稳定性？
• RQ4 当防御者对错误行为代理的数量未知时，检测算法是否仍能有效运行？
• RQ5 何种数学条件可保证由于拓扑切换引起系统动力学的动态变化，在正常条件下不会导致系统失稳？

主要发现

• 所提方法即使在攻击开始时间未知的情况下，也能实现ZDA的可检测性，克服了先前工作中的一项关键局限。
• 由于观测器设计和拓扑切换策略，仅需一个被监控代理即可实现有效的ZDA检测，与错误行为代理的数量无关。
• 控制协议无需速度测量，且耦合权重无大小约束，显著提升了实用性和鲁棒性。
• 在无攻击情况下，系统能维持二阶一致性，确保正常运行状态得以保持。
• 可检测性条件是必要且充分的，其推导基于拉普拉斯矩阵的谱性质和观测器参数。
• 仿真结果证实，战略性拓扑切换算法在攻击起始时间未知的真实攻击场景下，能成功检测ZDA。