基于MSPCA及其改进算法的工控系统正弦攻击建模与检测研究

摘要

工业控制系统在电力、石油、化工、交通等许多关键基础设施领域广泛使用，对保障工业生产稳定运行和国家经济安全具有重大意义。然而，随着工业化和信息化的深度融合，互联网技术越来越多的应用于工业控制系统中，导致广泛存在于IT系统的安全事件也出现在工业控制系统中。工控系统通过传感器、执行器等现场设备与物理过程交互，针对工控系统的攻击，最终将会对物理世界产生影响，如造成设备故障，生产过程中断，人员伤亡等严重后果，因此研究工控系统中的攻击及其检测算法是保护工控系统安全的一种必要而且有效的手段。为此，本文在工控系统安全研究方面做了以下工作
　　(1)首先分析了工控系统安全与传统信息安全的区别，其次给出了工控系统典型层次结构，结合工控系统安全特点，提出生产控制层。然后建立其线性数学模型，利用该模型对生产控制层进行威胁分析。最后以传感变量为研究对象，对控制层存在的攻击模式进行数学建模分析。
　　(2)详述了工控系统中常用的基于知识、数学模型和数据驱动的过程监测方法的各自特点，分析了将数据驱动方法用于欺骗攻击检测的可行性。在研究了故障和欺骗攻击的异同点后，提出将主元分析方法用于欺骗攻击的检测，并建立其在线检测算法。
　　(3)在TE平台上的仿真研究表明偏差攻击等一般性欺骗攻击的攻击伤害有限，同时PCA方法可以实时检测出三类一般性的欺骗攻击，基于以上不足之处，提出正弦欺骗攻击。首先以控制系统的典型回路为研究对象，建立正弦攻击数学模型，介绍了其工作原理，研究分析了正弦攻击的可行性和攻击作用点。然后利用傅里叶变换从时-频域证明其在攻击能力和隐蔽性方面与一般性欺骗攻击的不同特性，最后在TE平台上验证正弦欺骗攻击的攻击能力及其隐蔽性。
　　(4)考虑到正弦攻击的多尺度特性，而传统的主元分析属于单尺度建模方法，因此提出将多尺度主元分析方法用于正弦攻击检测，并建立其在线检测算法。由于工控系统对实时性要求非常高，分析了该算法的时间复杂度，以及如何平衡算法的检测实时性与窗口大小之间的关系。另外，考虑到化工过程的非线性、时变性、动态性等特性，为了提高检测精度，改进多尺度主元分析方法，提出基于多尺度动态核主元分析方法的正弦攻击检测算法，用以解决过程数据中存在的非线性和动态性。最后在TE平台上，通过仿真实验验证了两种算法的有效性。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 工控系统安全与信息系统安全的区别

1．3 工业控制系统网络攻击及检测研究现状

1．3．1 工控系统脆弱性及网络攻击分析

1．3．2 工控系统攻击检测研究现状

1．3．3 当前工作存在的不足

1．4 本文主要工作及创新点

第二章 工控系统生产控制层模型及攻击研究

2．1 工控系统生产控制层工作原理及模型

2．1．1 生产控制层结构及工作原理

2．1．2 生产控制层的线性数学模型

2．2 生产控制层威胁分析

2．2．1 针对数据完整性的攻击

2．2．2 针对控制网络可用性的攻击

2．3 生产控制层攻击建模

2．3．2 控制层五种攻击建模分析

2．4 本章小结

第三章 PCA方法在欺骗攻击检测中的应用研究

3．1 工控系统异常监测方法

3．2 PCA用于欺骗攻击检测可行性分析

3．2 基于主元分析(PCA)方法的欺骗攻击检测研究

3．2．1 主元分析理论基础

3．2．2 异常检测统计指标

3．2．3 基于PCA方法的欺骗攻击在线检测过程

3．3 TE仿真平台介绍

3．4 仿真结果分析

3．4．1 浪涌攻击仿真研究

3．4．2 偏差攻击仿真研究

3．4．3 几何攻击仿真研究

3．5 本章小结

第四章 正弦攻击建模及研究

4．1 正弦攻击研究基础

4．2 正弦攻击建模及分析

4．2．1 正弦攻击建模

4．2．2 正弦攻击傅里叶分析

4．3 正弦攻击仿真研究

4．3．1 正弦攻击频率变化对攻击效果的影响研究

4．3．2 正弦攻击幅值变化对攻击效果的影响研究

4．3．3 PCA方法对正弦攻击检测的有效性研究

4．4 本章小结

第五章 基于多尺度主元分析及其改进算法的正弦攻击检测研究

5．1．1 小波分析理论基础

5．1．2 多尺度主元分析

5．2 基于多尺度主元分析的正弦攻击检测研究

5．2．2 基于MSPCA的正弦攻击在线检测算法

5．2．3 MSPCA算法时间复杂度及检测实时性分析

5．3 基于多尺度动态核主元分析方法的正弦攻击检测研究

5．3．1 核主元分析原理

5．3．2 动态核主元分析

5．3．3 攻击检测统计量

5．3．4 基于多尺度动态核主元分析(MSDKPCA)的正弦攻击检测算法

5．4 仿真研究及结果分析

5．5 本章小结

6．1 工作总结

6．2 工作展望

参考文献

致谢

个人简介

攻读学位期间主要工作