[發明專利]一種信息物理系統中欺騙攻擊的低成本檢測與隔離方法

在審

• 申請號: 202210406040.0
• 申請日: 2022-04-18
• 公開（公告）號: CN115048625A
• 公開（公告）日: 2022-09-13
• 發明（設計）人: 索毓涵;柴森春;王昭洋;崔靈果;張百海;柴潤祺;姚分喜
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G06F21/16
• 分類號: G06F21/16;G06F21/55;G06F21/56;H04L9/40
• 代理公司: 北京盛詢知識產權代理有限公司 11901
• 代理人: 方亞兵

1.一種信息物理系統中欺騙攻擊的低成本檢測與隔離方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一：將欺騙攻擊建模為一個隨機過程，對控制器發出的控制信號進行欺騙攻擊，假設系統正常工作時控制器發出的控制信號為u_k，遭受欺騙攻擊后系統的控制信號輸出為則的表達式為：

式中，a_k為攻擊者發出的攻擊信號，其表達式為：a_k＝δ_kγ_k，其中δ_k為一個隨機變量，滿足伯努利分布，具有如下所示的概率分布：

式中，代表欺騙攻擊的成功率，注入系統的欺騙攻擊信號表達式為γ_k＝-u_k+υ_k，其中-u_k起到取消原始信號作用，υ_k為任意有界能量信號；

步驟二：先對欺騙攻擊的持續時間進行建模，公式如下：

T_s＝T₀+X

式中，T₀表示攻擊者對系統造成惡意影響所需的最短時間，X表示攻擊者停止攻擊后，系統受到惡意影響的持續時間，再利用改進的水印機制為控制信號不連續地添加水印，使系統的控制輸入變為表達式為：其中為添加的水印信號序列，然后基于K-L散度設計一個檢測器，通過檢測器對欺騙攻擊進行檢測；

步驟三：對每一個執行器均采用改進的水印機制進行攻擊檢測，當檢測器檢測到攻擊并發出警報后，則控制器發出的控制信號被判定受到篡改攻擊，基于冗余設計的原則，在滿足正常工作需求的基礎上增加控制器和執行器的數量，并采用隨機切換策略進行自主切換，通過防御機制的不斷變化來隨機切換序列，實現在無攻擊情況下隨機切換控制器和執行器，在多點協同攻擊情況下，實現實時地對受到攻擊的部分進行隔離，并進行及時維修。

2.根據權利要求1所述的一種信息物理系統中欺騙攻擊的低成本檢測與隔離方法，其特征在于：所述步驟一中，若δ_k＝1，則真正的控制信號被篡改為υ_k，即攻擊成功，反之，即攻擊失敗。

3.根據權利要求1所述的一種信息物理系統中欺騙攻擊的低成本檢測與隔離方法，其特征在于：所述步驟二中，用一個p維行向量來描述改進的水印機制如下：

式中，p表示周期數，q為添加水印的次數，向量d＝(d₁，d₂，...，d_q)為相鄰兩次水印添加的時間間隔情況，且滿足若后續周期維數超過p，則用mod(k，p)來計算k除以p的余數，其中k為總的時刻數，余數對應到θ(d)中的位置為當前時刻的水印，通過周期性拓展得到一條無限長的向量φ，φ＝{...，Φ₀，...，Φ_p-1，...}。

4.根據權利要求1所述的一種信息物理系統中欺騙攻擊的低成本檢測與隔離方法，其特征在于：所述步驟二中，通過檢測器對時間序列和進行比較，表示攻擊不存在時的控制信號序列，表示攻擊存在時的控制信號序列，則：

式中，D_KL(·)表示K-L散度，值越小表示兩個序列差異越小，反之差異越大，和分別代表和的聯合概率密度函數。

5.根據權利要求4所述的一種信息物理系統中欺騙攻擊的低成本檢測與隔離方法，其特征在于：將檢測器的攻擊檢測問題作為一個二元假設檢驗問題，兩個假設的表述如下所示：

此時最優檢測器形式如下所示：

式中，η為檢測器的臨界值，根據與η的關系來判斷系統是否受到攻擊，若即K-L散度的估計誤差異常，判定系統受到攻擊，反之，K-L散度的估計誤差正常，則判定系統未受到攻擊。