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[学位]

基于协调变参防御的信息物理融合系统数据完整性攻击检测研究

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Author:

田决 (田决.)

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Abstract:

信息物理融合系统(Cyber-Physical System, CPS)通过感知、计算、通信、控制等信息技术和自动控制技术的深度融合,使得人与物理系统、信息网络等要素高效交互、协同工作,是21世纪的革命性技术之一。然而,开放的网络环境以及信息与物理组件的频繁交互在改善系统性能的同时,增加了系统面临的安全风险。近年来,CPS安全事件层出不穷,CPS安全问题已经制约了CPS的建设与发展。特别的,许多CPS安全事件中攻击者通过入侵信息空间以破坏数据的完整性,通过精心伪造数据在破坏物理系统的同时逃避系统的异常检测,使得系统操作者无法及时发现异常直至产生灾难性的物理破坏。因此,本文的研究重心放在隐蔽数据完整性攻击的检测上。

基于上述研究背景,本文将信息系统网络安全中的移动目标防御(Moving Target Defense, MTD)思想与物理系统参数调节相结合,提出了CPS下的协调变参防御(Coordinate Parameter Variation Defense, CPVD)思想。移动目标防御起源于网络空间防御领域,通过持续不断地变换网络环境以增加攻击者的攻击难度,国内学者进一步提出了拟态安全防御。然而,由于信息系统与物理系统高度耦合的特点,直接采用网络空间防御中的 MTD 方法无法有效提升 CPS 安全等级。结合 CPS 的特点,本文将 MTD 思想在 CPS 中的应用描述为系统的物理环节参数将以可管理的方式调节或变换,将其命名为协调变参防御,并提出了CPS协调变参防御综合安全防护方法,可检测CPS各类隐蔽攻击。具体内容包括:

第一,本文建立了信息物理融合系统反馈控制回路下数据完整性攻击的威胁模型,通过国内外文献中20余种攻击的统一建模与分类描述验证了该威胁模型的有效性。此外,本文根据空间相关性与时间相关性对攻击进行了分类,并对 CPS 两类异常检测器与攻击进行了关联分析。具体来说,现有异常检测器可分为空间相关型异常检测器与时间相关型异常检测器。以离散时间线性时不变系统为例,我们建立了数据完整性攻击对于 CPS 反馈控制回路中异常检测器(包括通用模型与实例模型)的威胁模型。在此基础上,我们对国内外文献中各类攻击进行了统一建模与描述,并将其分为空间相关型与时间相关型攻击。对于空间相关型攻击,我们描述了现有文献中攻击者拥有全部系统信息以及信息受限时攻击构造模型。对于时间相关型 FDI 攻击,我们描述了拒绝服务攻击以及各类数据欺骗攻击的攻击模型、攻击者的先验知识、读写权限以及攻击的隐蔽性。最后在关联分析中,我们分析了空间(时间)相关型攻击在时间(空间)相关型异常检测器下的隐蔽性。

第二,对于空间相关型攻击,本文从攻击者的角度探究了 CPVD 可被感知的现象以及 CPVD 的完备防御能力,据此分析了 CPVD 的隐蔽性与完备性,并为防御者制定了增强型隐蔽协调变参防御策略,可为智能电网提供增强的防护。最近的研究成果提出了通过主动改变电力传输线电抗的 CPVD 方法以揭露针对电力系统错误数据检验的隐蔽错误数据注入(False Data Injection, FDI)攻击。然而现有工作通常建立在攻防弱对抗的场景中,忽略了攻击者可能对 CPVD 采取的针对性措施,即攻击者会在 FDI 攻击发起以前检测 CPVD 是否被激活,我们将这类新威胁称为参数确定优先(Parameter Confirming-First,PCF)的FDI攻击。为了改善CPVD的隐蔽性,本文提出了隐蔽型协调变参防御策略以针对 PCF-FDI 攻击,并证明了隐蔽型 CPVD 策略与可保证全电网潮流不变的 CPVD 策略的等价性。然后,我们分析了 CPVD 的完备性,并证明了任何隐蔽型CPVD策略必然是不完备的,这意味着攻击者可能随机地绕过隐蔽型CPVD策略。这个结果暗示我们 CPVD 的隐蔽性与完备性在 CPVD 设计时是两个相互矛盾的目标。接着,我们分析了针对 CPVD 的一类高度结构化的 FDI 攻击,并提出了相应方法以增强隐蔽型CPVD对此类攻击的检测能力。最后,在直流与交流模型下,我们对CPVD的运行成本进行了定性分析。在仿真实验中,我们验证了隐蔽型CPVD策略对于PCF-FDI攻击的有效性。

第三,对于时间相关型攻击,本文分析了现实CPS安全事件中Stuxnet震网与Irongate 铁门等攻击,挖掘了其共性特点,提出了在量测信号不可信、控制信号不确定情况下 CPVD 驱动的类 Stuxnet 攻击快速检测策略。诸如 Stuxnet 震网与 Irongate 铁门病毒,一方面伪造系统的控制指令以诱导系统状态进入不安全区域,另一方面篡改系统的量测数据以逃避系统检测,本文将此类控制与量测信号协同篡改的隐蔽攻击称为类Stuxnet攻击。本文首先分析了CPS控制回路中类Stuxnet攻击的分类、构造以及含义。接着,由于系统的配置信息是此类攻击构造的基础条件之一,我们应用协调变参防御的思想,通过主动改变系统配置以检测该攻击。我们分析了 CPVD 下攻击可成功检测的条件,并阐述了 CPVD 部署实施的考虑因素,包括系统的先决条件、CPVD 下可调节参数选择方法、CPVD的运行成本、漏报率与误报率。最后,我们将CPVD应用于电力系统真实案例,即二级电压控制,基于IEEE 39节点测试系统的仿真结果,我们验证了CPVD 策略的有效性。

综上所述,本文将信息系统网络安全中的移动目标防御与物理系统参数调节相结合,描述了 CPS 协调变参防御思想,并提出了 CPS 协调变参防御综合安全防护方法,以检测CPS 各类隐蔽的数据完整性攻击,该方法可为CPS 安全防御提供新的思路。

Keyword:

数据完整性攻击 信息物理融合系统 移动目标防御 异常检测 震网

Author Community:

  • [ 1 ] 西安交通大学电子与信息工程学院

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Basic Info :

Degree: 博士

Mentor: 管晓宏

Year: 2018

Language: Other

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30 Days PV: 8

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