[论文解读] Towards Stabilization of Distributed Systems under Denial-of-Service

Shuai Feng, Pietro Tesi+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2017

Smart Grid Security and Resilience参考文献 24被引用 4

一句话总结

本文提出了一种混合通信策略，结合分布式事件触发控制与轮询调度，以在拒绝服务（DoS）攻击下稳定大规模分布式系统。在DoS期间切换至轮询调度，该方法在保持与纯轮询调度相同稳定性边界的同时，将通信负载降低了高达90%，有效防止了Zeno行为，并在攻击频率和持续时间有界的情况下确保了渐近稳定性。

ABSTRACT

In this paper, we consider networked distributed systems in the presence of Denial-of-Service (DoS) attacks, namely attacks that prevent transmissions over the communication network. First, we consider a simple and typical scenario where communication sequence is purely Round-robin and we explicitly calculate a bound of attack frequency and duration, under which the interconnected large-scale system is asymptotically stable. Second, trading-off system resilience and communication load, we design a hybrid transmission strategy consisting of Zeno-free distributed event-triggered control and Round-robin. We show that with lower communication loads, the hybrid communication strategy enables the systems to have the same resilience as in pure Round-robin.

研究动机与目标

• 分析在通信遵循轮询序列时，大规模分布式系统在DoS攻击下的稳定性。
• 表征在保持渐近稳定性前提下，DoS攻击频率和持续时间的显式边界。
• 设计一种混合通信策略，以降低通信负载而不牺牲对DoS攻击的鲁棒性。
• 确保混合策略在保持与纯轮询调度相同稳定性裕度的同时，防止Zeno行为。

提出的方法

• 采用小增益方法分析在轮询通信下互联大规模系统的渐近稳定性。
• 利用系统的增益特性与李雅普诺夫函数，推导出DoS攻击频率和持续时间的显式边界。
• 设计一种混合传输策略：在正常运行时采用事件触发控制，DoS攻击期间自动切换至轮询调度。
• 事件触发部分采用小增益论证，以确保实际稳定性并避免Zeno行为。
• 切换逻辑通过利用轮询调度的鲁棒性，确保在DoS期间快速恢复通信。
• 数值仿真通过两个案例研究（线性系统与倒立摆网络）验证了理论结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在轮询通信下，大规模分布式系统在DoS攻击下保持渐近稳定的最大攻击频率和持续时间是多少？
• RQ2 混合通信策略是否能在保持与纯轮询调度相同稳定性鲁棒性的同时降低通信负载？
• RQ3 在DoS条件下，混合策略如何防止事件触发控制中的Zeno行为？
• RQ4 系统动态特性和控制器设计对所推导稳定性边界保守性有何影响？
• RQ5 当理论边界被违反时，混合策略是否仍能在DoS攻击下维持系统稳定性？

主要发现

• 只要攻击持续时间与总周期时间之比低于所推导的边界，系统在DoS攻击下仍保持渐近稳定，该结论已通过数值验证。
• 在示例1中，混合策略将传输次数从1200（轮询调度）减少至112，通信负载降低了90.7%。
• 在示例2中，混合策略将传输次数从11,997减少至254，通信负载降低了97.9%。
• 尽管理论边界被违反，仿真中系统仍保持稳定，表明边界具有保守性。
• 混合策略在显著降低通信开销的同时，保持了与纯轮询调度相同的稳定性鲁棒性。
• 理论边界的保守性归因于控制器设计中的不稳定动态、高反馈增益和耦合参数。