[發明專利]針對多類惡意攻擊的工業信息物理系統安全檢測方法

有效

• 申請號: 202010553520.0
• 申請日: 2020-06-17
• 公開（公告）號: CN111698257B
• 公開（公告）日: 2022-05-20
• 發明（設計）人: 劉斌;陳景召;蔣崢;黃衛華
• 申請（專利權）人: 武漢科技大學
• 主分類號: H04L9/40
• 分類號: H04L9/40
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 胡琳萍

1.一種針對多類惡意攻擊的工業信息物理系統安全檢測方法，其特征在于包括以下五個步驟：

S1：針對待檢測ICPS遭受的多類惡意攻擊，建立一個統一的攻擊模型，然后結合被控物理對象的線性時不變狀態空間模型，將所述被控物理對象和遭受所述多類惡意攻擊的通信網絡，視為一個由網絡層和物理層構成的組合對象，建立組合對象的數學模型；

S2：在ICPS受到所述多類惡意攻擊時，根據所述組合對象的數學模型發生變化，定義ICPS的安全模態和非安全模態，將ICPS的安全檢測問題轉換為對所述安全模態和非安全模態的在線劃分問題；

S3：選定一個在ICPS運行過程中能夠表征所述組合對象動力學特性的參量，將該參量作為劃分ICPS處于所述安全模態的指示變量或非安全模態的指示變量；

S4：利用ICPS在所述安全模態下的運行數據，計算安全模態的指示變量的基準值；

S5：以固定檢測周期在線計算當前檢測時刻的指示變量，量化當前檢測時刻的指示變量與所述基準值的差異得到二者差值，當二者差值大于預設閾值時，檢測結果為ICPS處于所述非安全模態，即受到攻擊，并發出報警信號；反之，發出安全信號。

2.根據權利要求1所述的針對多類惡意攻擊的工業信息物理系統安全檢測方法，其特征在于所述步驟S1中，遭受的所述多類惡意攻擊是指ICPS的傳感器通道和/或執行器通道分別遭受三種典型的攻擊形式；所述三種典型的攻擊形式是指虛假數據注入攻擊、拒絕服務攻擊和重放攻擊，具體的數學表達形式分別為：

z^a(k)＝z(k)+b^a(k)a(k) (1)

z^a(k)＝b^a(k)z(k-T^a(k)) (3)

其中，k表示采樣時刻，z(k)表示傳感器原始測量值或控制器原始控制量，z^a(k)表示控制器接收到的受攻擊的傳感器測量值或執行器接收到的受攻擊的控制量；b^a(k)為布爾對角矩陣，表示攻擊者選擇任意的傳感器或執行器子集作為攻擊目標，a(k)表示攻擊者注入的攻擊數據；η(k)表示k時刻數據包丟失的概率，“z(k)，w.p.(1-η(k))”表示z^a(k)＝z(k)的概率是1-η(k)；T^a(k)表示重放時間間隔。

3.根據權利要求1所述的針對多類惡意攻擊的工業信息物理系統安全檢測方法，其特征在于所述步驟S1中，所述統一的攻擊模型如下：

其中，和分別表示所述被控物理對象接收到的控制量和發送出的傳感器原始測量值，u(k)和y(k)分別表示控制器發送出的原始控制量和接收到的傳感器測量值；和為攻擊矩陣，用于表征攻擊者的攻擊行為；將傳感器和執行器通道中傳輸的數字量量程下限設置為正數，使得u(k)≠0和成立。

4.根據權利要求1所述的針對多類惡意攻擊的工業信息物理系統安全檢測方法，其特征在于所述步驟S1中，所述被控物理對象的數學模型表示為：

其中，為狀態變量，A、B和C分別表示狀態矩陣、控制矩陣和測量矩陣，w(k)和v(k)分別表示過程噪聲和測量噪聲，并滿足w(k)～N(0，Q)和v(k)～N(0，R)。

5.根據權利要求1或4所述的針對多類惡意攻擊的工業信息物理系統安全檢測方法，其特征在于所述步驟S1中，所述組合對象的數學模型為：

其中，

和為攻擊矩陣，用于表征攻擊者的攻擊行為，當ICPS未受到攻擊時，B^a(k)和C^a(k)為維度分別是n_u×n_u和n_y×n_y的單位矩陣，

并有(7)式成立：

和分別表示控制器發送出的原始控制量和接收到的傳感器測量值；和分別為k時刻和k+1時刻的狀態變量，A、B和C分別表示狀態矩陣、控制矩陣和測量矩陣；w(k)和v(k)分別表示過程噪聲和測量噪聲，并滿足w(k)～N(0，Q)和v(k)～N(0，R)。