网络控制系统中重放攻击的检测与对策

摘要

网络控制系统是系统组件通过共享通信网络连接形成的闭环反馈控制系统。随着网络技术的发展，网络的引入在给控制系统带来诸多便利的同时，也给系统带来了安全问题。网络控制系统的安全问题已经逐渐得到政府、科研机构的广泛关注。重放攻击作为网络控制系统常见的攻击方式之一，每次成功的攻击都会给网络控制系统带来很大的危害，因此本文针对网络控制系统面临的重放攻击问题进行了研究，主要工作如下:
　　首先，研究了网络控制系统中数据包丢失可能会干扰重放攻击检测器的问题。已有研究人员提出，攻击检测器通过向控制信号中加入人工随机噪声的方法可以判断系统是否受到重放攻击。然而，当传感器到卡尔曼滤波器之间的网络发生数据包丢失时，可能出现攻击检测器把数据包丢失误判为发生了重放攻击的情况。本文使用卡尔曼滤波器的状态预测值来补偿丢失的传感器数据，可以避免数据包丢失对检测重放攻击造成的干扰，并通过理论分析和近似网络环境的TrueTime工具箱仿真，验证了所提出的避免数据包丢失对重放攻击检测造成误判的方法的有效性。
　　其次，提出了一种使用状态递推器的重放攻击检测方法。通过向控制信号中加入人工随机噪声虽然可以检测出重放攻击，但同时也会降低网络控制系统的控制性能。为了克服这个缺点，利用状态递推器得到的状态值来计算检测函数，该方法在不改变控制信号的情况下，就可以检测出重放攻击，从而避免了系统控制性能的降低。此外，还得出了重放攻击导致网络控制系统不稳定的条件。
　　再次，设计了基于多步预测控制算法的补偿控制器来应对重放攻击。当攻击检测器判断系统受到重放攻击后，卡尔曼滤波器为了避免使用受到攻击影响的数据，不再进行状态估计更新步骤，而是使用状态预测值代替状态估计值。为了减小单一时刻状态预测值可能带来的估计误差，补偿控制器使用多个历史时刻的状态值加权来估计当前时刻的状态值，按照局部最优的预测控制算法得到的控制信号保持了系统的稳定运行。通过上述方法，网络控制系统不再使用受到攻击影响的控制信号，保证了控制系统的正常运行。
　　最后，对本文工作做了归纳总结，提出了有待改进的地方，并对进一步的研究做出了展望。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 研究背景及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 网络控制系统攻击检测的研究现状

1．2．2 应对网络控制系统攻击措施的研究现状

1．3 本文的主要工作

2 与本文相关的基础理论概述

2．1 卡尔曼滤波

2．2 残差检验法

2．3 线性二次型最优控制

2．4 控制与估计的分离

2．5 本章小结

3 带有数据包丢失的重放攻击检测

3．1 带有重放攻击检测器的网络控制系统建模

3．2 数据包丢失对重放攻击检测的影响及补偿方法

3．3 以直流电机系统为实例的仿真验证

3．4 本章小结

4 带有状态递推器的重放攻击检测

4．1 带有状态递推器的攻击检测器设计

4．2 遭受重放攻击的网络控制系统的稳定性分析

4．3 带有状态递推器的系统仿真验证

4．4 本章小结

5 应对重放攻击的补偿控制器设计

5．1 应对重放攻击的网络控制系统

5．2 基于预测控制算法的补偿控制器设计

5．3 以倒立摆系统为实例的仿真验证

5．4 本章小结

6．1 全文总结

6．2 研究展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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