DoS攻击下网络化切换系统的安全控制

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yaoshikyo
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近年来,由于各类工业系统模型的复杂程度不断上升,其对远程、低成本控制的需求也日益强烈,带有连续动态与离散信号的网络化切换系统受到了越来越多的关注。但由于工业网络的开放性,具有混杂特性的网络化切换系统在受到恶意网络攻击时的问题分析会相当棘手,目前其安全控制问题目前已成为控制领域的热点问题。现有网络安全控制的研究都是针对单一系统的,而对于网络化切换系统,不论是基于被动补偿思想的观测器、控制器设计及稳定性分析等安全控制问题,还是考虑主动抵抗的网络博弈建模与攻防策略设计等博弈论问题,都还未得到妥善解决。由此,本文针对上述问题进行研究,主要内容概括如下:针对包含不稳定子系统的切换系统通信网络中同时存在拒绝服务(Denial of Service,DoS)攻击和随机丢包的情况,根据DoS攻击和随机丢包引发通信故障的联合概率分布,利用成功接收到的系统输出构建状态观测器,并由其估计状态获得控制输入。进而在平均驻留时间方法下,利用稳定子系统激活的补偿作用,获得网络化切换系统几乎必然渐近稳定的结论。此外,针对所得结论中矩阵不等式变量耦合的情况,给出一种新的解耦方法得出观测器与控制器增益的可行解。针对切换系统通信网络中多个子系统通信信道遭到DoS攻击的情况,采用博弈论方法抵抗DoS攻击并降低其对系统的影响,将攻击者与入侵检测系统(Intrusion Detection System,IDS)之间的竞争过程建模为N联盟非合作博弈,由其纳什均衡解得出最优攻防策略。为了保证网络化切换系统的快速恢复能力,在根据动态规划原理给出各子系统的优化控制器增益后,采用遗传算法在无需给定切换信号顺序或时刻的情况下搜索优化的切换信号,并构成网络化切换系统弹性控制策略。而后,将该策略应用于网络式连续搅拌槽式反应釜(Networked Continuous Stirred Tank Reactor,NCSTR)系统,对比验证所得策略的有效性。针对切换系统状态与切换信号传输信道都面临DoS攻击的情况,为减低防御成本,进一步改进博弈论方法,直接将攻击者与控制器选取为博弈参与者。将网络数据递包率和控制器增益分别设置为攻击者和控制器的博弈策略,并根据参与者在控制系统中信息传输的先后顺序,将两者的切换非合作竞争过程建模为切换斯塔克伯格博弈。根据斯塔克伯格均衡解分别得出了最优领导策略与最优跟随策略。考虑到攻击者造成的系统开环和异步切换的情况,利用模型依赖平均驻留时间方法,得到网络化切换系统均方指数稳定的结论。
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