信息物理系統(tǒng)安全理論研究.pdf

1、隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，人類社會逐漸進入了以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化為特征的信息化時代。智能交通、智慧工廠、智能電網(wǎng)、電子金融、社交網(wǎng)絡(luò)等各種信息化系統(tǒng)如雨后春筍般地涌現(xiàn)出來，極大地改變了人類社會的生活、生產(chǎn)和管理方式。這些信息化系統(tǒng)利用計算、通信和控制技術(shù)，通過信息感知、泛在計算和管理調(diào)控，實現(xiàn)物理空間、信息空間和人類社會三元空間互聯(lián)互通，逐步走向深度融合，并且最終孕育出信息物理系統(tǒng)(Cyber-Physical System,CPS)

2、。
　　未來世界萬物互聯(lián)互通，必然需要CPS具有更高的開放性，而開放性更高則必然導(dǎo)致更高的潛在安全威脅。系統(tǒng)安全事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示安全威脅正以指數(shù)形式遞增并且造成的后果越來越嚴重，也驗證了這一論斷。因此，CPS安全問題引起了世界各國政府部門和社會各界的高度關(guān)注，并且已經(jīng)開始大力支持開展CPS安全方面的相關(guān)研究。
　　CPS本質(zhì)上是具有反饋機制的網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)，所以從控制視角研究CPS安全問題具有重要理論和現(xiàn)實意義。目前從控制角度出

3、發(fā)研究CPS安全問題，包括了攻擊行為建模、狀態(tài)估計安全問題、控制性能安全問題、隱私保護安全問題等方面。雖然這些研究已取得很大進展，但是仍然存在許多不足之處。例如，目前的估計/控制性能安全問題研究，大多集中于針對某些類型攻擊設(shè)計具有魯棒性或者彈性的估計器/控制器，而對攻擊者存在資源約束時的最優(yōu)攻擊策略研究不足。針對隱私安全問題，大多集中于針對具體應(yīng)用場景設(shè)計隱私保護機制，而關(guān)于隱私保護和控制性能之間的權(quán)衡問題研究缺乏。
　　本文正是

4、針對這些不足之處展開研究，包括了針對狀態(tài)估計的DoS攻擊策略優(yōu)化問題研究、針對狀態(tài)估計的在線欺騙攻擊問題研究、針對最優(yōu)控制的DoS攻擊策略優(yōu)化問題、隱私保護與控制性能權(quán)衡問題研究。具體研究內(nèi)容包含以下幾個方面:
　　1.概述了CPS安全問題及其研究現(xiàn)狀，分析了研究中存在的不足之處。
　　2.針對遠程狀態(tài)估計的能量受限D(zhuǎn)oS攻擊問題，提出了最優(yōu)DoS攻擊策略。針對兩個典型的狀態(tài)估計性能指標，即平均估計誤差和終點時刻誤差，分別構(gòu)

5、建了最優(yōu)攻擊策略。當估計器內(nèi)置一個特殊的攻擊探測機制時，提供了相應(yīng)的“反檢測”的最優(yōu)攻擊策略。另外，還討論了當傳感器也具有能量約束時的最優(yōu)攻擊策略。
　　3.針對遠程狀態(tài)估計的欺騙攻擊問題，提出了在線欺騙攻擊策略。站在欺騙攻擊者角度，研究了如何設(shè)計合理的欺騙攻擊策略來降低通信率約束下的狀態(tài)估計性能。經(jīng)過理論推導(dǎo)，獲得了可以降低狀態(tài)估計性能的在線欺騙攻擊策略。為了研究在線策略的有效性，定義了有攻擊和無攻擊下的狀態(tài)估計性能偏差，并且分

6、析了在線欺騙攻擊策略對估計偏差的影響。
　　4.針對最優(yōu)控制的能量受限D(zhuǎn)oS攻擊問題，設(shè)計了最優(yōu)DoS攻擊策略。研究了攻擊者能量約束條件下最大化LQG控制代價函數(shù)的DoS攻擊策略問題。在分析了任意攻擊策略下的代價函數(shù)的性質(zhì)后，推導(dǎo)出最優(yōu)攻擊策略和相應(yīng)的代價函數(shù)，并考察了最優(yōu)攻擊下的系統(tǒng)穩(wěn)定性問題。研究了多個子系統(tǒng)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)中的最優(yōu)DoS攻擊策略。
　　5.考慮了隱私安全與最優(yōu)控制權(quán)衡問題。在給定的差分隱私保護水平下構(gòu)建