拒绝服务攻击下的信息物理系统安全理论研究

Cyber-Physical Systems (CPS) deeply integrate physical space and cyber space by computing, communication and control technologies. They can bring great convenience for our modern production and daily life. However, the emerging system security issues and potential security threats have put CPS on a high risk, and have become a critical international concern of both governments and societies. The security of CPS is a new and challenging topic. Taking this challenge, this research proposal focuses on a typical network attack, Denial-of-Service (DoS) attack with energy constraint in CPS. Focusing on the system control performance, we deeply dig the system security capability, propose effective methods to optimize the system performances, and finally achieve a suite of theories for DoS attack mechanism analysis, intrusion detection and defending technologies. The main research contents include the following aspects: analyzing DoS attack strategies under energy constraint, and assessing the impact of attack policy on the system performance; designing DoS intrusion detection algorithms for CPS; studying system defending strategies, and proposing optimal sensor’s energy scheduling policy and optimal control strategies; building up CPS platform, and verifying the theoretical achievements on it. Through the proposed project, we expect to not only help to promote further integration of wireless networked control theories and network security technologies, but also effectively protect the security of CPS with the guarantee of system performance, then expand and strengthen research and application of security domain in CPS.

信息物理系统（CPS）通过计算、通信、控制技术实现物理空间和信息空间深度融合。CPS给现代生产和生活带来巨大便捷，但不断涌现的安全问题和潜在安全威胁引起国内外政府和社会高度关注，由此引发的安全问题已成为新兴挑战性课题。本项目围绕CPS安全问题，针对能量受限的拒绝服务(DoS)攻击下的系统控制性能，采用理论分析结合仿真实验的方法，深入挖掘系统防御能力，提出有效的系统性能优化方法，从而建立一套针对DoS攻击的机理分析、入侵检测与安全防御的理论。主要研究内容有：分析能量受限的DoS攻击策略，评估攻击策略对系统性能的影响；设计DoS入侵检测机制；研究系统防御机制，提出最优传感器能量调度策略和最优控制策略；搭建CPS安全实验平台，验证理论研究成果。本项目的研究有助于推动网络化系统控制理论与网络安全技术的进一步融合，并在保障系统性能下提高CPS安全性，拓展和强化CPS安全领域的科研和应用。

信息物理系统（CPS）深度融合计算、通信和控制技术，在工业生产和社会生活中有广泛应用。但是其开放性带来了巨大的潜在安全风险，亟需开展相关安全理论研究。拒绝服务（DoS）攻击是威胁CPS 安全的最典型网络攻攻击模式。本项目立足CPS 安全问题，针对能量受限DoS 攻击下的系统防御问题，紧扣国内外相关研究前沿，考虑现有研究中存在的不足之处，采用建模、分析、设计、验证的研究思路，最终建立了一套DoS 攻击下的CPS 安全问题分析与防御策略设计理论体系。获得的研究成果包括：建立了DoS攻击调度模型，分析攻击能量调度机制与远程状态估计和最优控制性能之间的对应关系；从攻击者角度研究了针对系统性能恶化的攻击策略，评估了能量受限攻击对系统性能的影响；依据假设检验思想构建了网络攻击入侵探测算法，提出了安全补偿算法用于确保状态估计的稳定性；研究了不同场景下的系统安全防御方法，对于雷达网络提出了新的融合算法抵御DECM攻击，对于网络化系统远程估计提出了最优传感器能量调度机制，对于离散化网络控制系统设计了使得滤波误差均方稳定的理想滤波。本项目研究成果有助于推动系统控制理论与网络安全技术的进一步融合，并在保障系统性能下提高CPS安全性，拓展和强化CPS安全领域的科研和应用。