本文關(guān)鍵詞：信息物理系統(tǒng)安全理論研究

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【摘要】：隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展,人類(lèi)社會(huì)逐漸進(jìn)入了以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化為特征的信息化時(shí)代。智能交通、智慧工廠、智能電網(wǎng)、電子金融、社交網(wǎng)絡(luò)等各種信息化系統(tǒng)如雨后春筍般地涌現(xiàn)出來(lái),極大地改變了人類(lèi)社會(huì)的生活、生產(chǎn)和管理方式。這些信息化系統(tǒng)利用計(jì)算、通信和控制技術(shù),通過(guò)信息感知、泛在計(jì)算和管理調(diào)控,實(shí)現(xiàn)物理空間、信息空間和人類(lèi)社會(huì)三元空間互聯(lián)互通,逐步走向深度融合,并且最終孕育出信息物理系統(tǒng)(Cyber-Physical System, CPS)。未來(lái)世界萬(wàn)物互聯(lián)互通,必然需要CPS具有更高的開(kāi)放性,而開(kāi)放性更高則必然導(dǎo)致更高的潛在安全威脅。系統(tǒng)安全事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示安全威脅正以指數(shù)形式遞增并且造成的后果越來(lái)越嚴(yán)重,也驗(yàn)證了這一論斷。因此,CPS安全問(wèn)題引起了世界各國(guó)政府部門(mén)和社會(huì)各界的高度關(guān)注,并且已經(jīng)開(kāi)始大力支持開(kāi)展CPS安全方面的相關(guān)研究。CPS本質(zhì)上是具有反饋機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng),所以從控制視角研究CPS安全問(wèn)題具有重要理論和現(xiàn)實(shí)意義。目前從控制角度出發(fā)研究CPS安全問(wèn)題,包括了攻擊行為建模、狀態(tài)估計(jì)安全問(wèn)題、控制性能安全問(wèn)題、隱私保護(hù)安全問(wèn)題等方面。雖然這些研究已取得很大進(jìn)展,但是仍然存在許多不足之處。例如,目前的估計(jì)/控制性能安全問(wèn)題研究,大多集中于針對(duì)某些類(lèi)型攻擊設(shè)計(jì)具有魯棒性或者彈性的估計(jì)器/控制器,而對(duì)攻擊者存在資源約束時(shí)的最優(yōu)攻擊策略研究不足。針對(duì)隱私安全問(wèn)題,大多集中于針對(duì)具體應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)隱私保護(hù)機(jī)制,而關(guān)于隱私保護(hù)和控制性能之間的權(quán)衡問(wèn)題研究缺乏。本文正是針對(duì)這些不足之處展開(kāi)研究,包括了針對(duì)狀態(tài)估計(jì)的DoS攻擊策略優(yōu)化問(wèn)題研究、針對(duì)狀態(tài)估計(jì)的在線欺騙攻擊問(wèn)題研究、針對(duì)最優(yōu)控制的DoS攻擊策略優(yōu)化問(wèn)題、隱私保護(hù)與控制性能權(quán)衡問(wèn)題研究。具體研究?jī)?nèi)容包含以下幾個(gè)方面：1.概述了CPS安全問(wèn)題及其研究現(xiàn)狀,分析了研究中存在的不足之處。2.針對(duì)遠(yuǎn)程狀態(tài)估計(jì)的能量受限D(zhuǎn)oS攻擊問(wèn)題,提出了最優(yōu)DoS攻擊策略。針對(duì)兩個(gè)典型的狀態(tài)估計(jì)性能指標(biāo),即平均估計(jì)誤差和終點(diǎn)時(shí)刻誤差,分別構(gòu)建了最優(yōu)攻擊策略。當(dāng)估計(jì)器內(nèi)置一個(gè)特殊的攻擊探測(cè)機(jī)制時(shí),提供了相應(yīng)的“反檢測(cè)”的最優(yōu)攻擊策略。另外,還討論了當(dāng)傳感器也具有能量約束時(shí)的最優(yōu)攻擊策略。3.針對(duì)遠(yuǎn)程狀態(tài)估計(jì)的欺騙攻擊問(wèn)題,提出了在線欺騙攻擊策略。站在欺騙攻擊者角度,研究了如何設(shè)計(jì)合理的欺騙攻擊策略來(lái)降低通信率約束下的狀態(tài)估計(jì)性能。經(jīng)過(guò)理論推導(dǎo),獲得了可以降低狀態(tài)估計(jì)性能的在線欺騙攻擊策略。為了研究在線策略的有效性,定義了有攻擊和無(wú)攻擊下的狀態(tài)估計(jì)性能偏差,并且分析了在線欺騙攻擊策略對(duì)估計(jì)偏差的影響。4.針對(duì)最優(yōu)控制的能量受限D(zhuǎn)oS攻擊問(wèn)題,設(shè)計(jì)了最優(yōu)DoS攻擊策略。研究了攻擊者能量約束條件下最大化LQG控制代價(jià)函數(shù)的DoS攻擊策略問(wèn)題。在分析了任意攻擊策略下的代價(jià)函數(shù)的性質(zhì)后,推導(dǎo)出最優(yōu)攻擊策略和相應(yīng)的代價(jià)函數(shù),并考察了最優(yōu)攻擊下的系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題。研究了多個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)中的最優(yōu)DoS攻擊策略。5.考慮了隱私安全與最優(yōu)控制權(quán)衡問(wèn)題。在給定的差分隱私保護(hù)水平下構(gòu)建系統(tǒng)性能優(yōu)化問(wèn)題�；诰�性系統(tǒng)和個(gè)人期望的差分隱私保護(hù)水平推導(dǎo)出系統(tǒng)性能的顯式表達(dá)。此外,還提出了CPS中的隱私保護(hù)與系統(tǒng)性能權(quán)衡問(wèn)題將來(lái)需要進(jìn)一步考慮的研究點(diǎn)。最后對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié),并展望了進(jìn)一步的研究工作。
【關(guān)鍵詞】：信息物理系統(tǒng) 安全問(wèn)題 拒絕服務(wù)攻擊 欺騙攻擊 攻擊策略 狀態(tài)估計(jì) 最優(yōu)控制 差分隱私
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TP309
【目錄】：

• 致謝5-7
• 摘要7-9
• Abstract9-15
• 第一章 緒論15-39
• 本章摘要15
• 1.1 研究背景15-20
• 1.1.1 信息物理系統(tǒng)產(chǎn)生背景15-16
• 1.1.2 信息物理系統(tǒng)的應(yīng)用16-18
• 1.1.3 信息物理系統(tǒng)的安全問(wèn)題18-20
• 1.2 信息物理系統(tǒng)安全需求特性與研究挑戰(zhàn)20-24
• 1.2.1 信息物理系統(tǒng)安全需求特性20-22
• 1.2.2 信息物理系統(tǒng)安全問(wèn)題研究挑戰(zhàn)22-24
• 1.3 信息物理系統(tǒng)安全問(wèn)題研究現(xiàn)狀24-34
• 1.3.1 攻擊行為建模25-27
• 1.3.2 針對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)的安全問(wèn)題研究27-30
• 1.3.3 針對(duì)系統(tǒng)控制性能的安全問(wèn)題研究30-33
• 1.3.4 隱私問(wèn)題研究33-34
• 1.3.5 現(xiàn)有工作存在的不足34
• 1.4 本文研究?jī)?nèi)容34-39
• 1.4.1 研究思路35-36
• 1.4.2 研究?jī)?nèi)容36-39
• 第二章 針對(duì)狀態(tài)估計(jì)的DoS攻擊策略研究39-61
• 本章摘要39
• 2.1 引言39-40
• 2.2 問(wèn)題構(gòu)建40-42
• 2.3 最優(yōu)攻擊策略設(shè)計(jì)42-49
• 2.3.1 DoS攻擊下的狀態(tài)估計(jì)42-47
• 2.3.2 最優(yōu)攻擊策略47-49
• 2.4 給定探測(cè)機(jī)制下的最優(yōu)攻擊策略49-52
• 2.5 傳感器能量約束下的最優(yōu)攻擊策略52-56
• 2.6 仿真驗(yàn)證56-60
• 2.7 本章小結(jié)60-61
• 第三章 針對(duì)狀態(tài)估計(jì)的欺騙攻擊策略研究61-77
• 本章摘要61
• 3.1 引言61-62
• 3.2 問(wèn)題建模62-66
• 3.2.1 遠(yuǎn)程狀態(tài)估計(jì)63-65
• 3.2.2 攻擊者的目標(biāo)65-66
• 3.3 攻擊策略設(shè)計(jì)與分析66-74
• 3.3.1 預(yù)備知識(shí)66-68
• 3.3.2 攻擊策略設(shè)計(jì)68-70
• 3.3.3 攻擊效果分析70-74
• 3.4 仿真評(píng)估74
• 3.5 本章小結(jié)74-77
• 第四章 針對(duì)最優(yōu)控制的DoS攻擊策略研究77-99
• 本章摘要77
• 4.1 引言77-78
• 4.2 問(wèn)題描述78-81
• 4.2.1 系統(tǒng)模型78-80
• 4.2.2 攻擊模型80-81
• 4.3 預(yù)備知識(shí)81-85
• 4.4 最優(yōu)攻擊策略分析85-86
• 4.4.1 最優(yōu)攻擊策略85-86
• 4.4.2 最優(yōu)攻擊策略下的系統(tǒng)穩(wěn)定性分析86
• 4.5 多個(gè)閉環(huán)子系統(tǒng)情形86-91
• 4.5.1 多個(gè)閉環(huán)子系統(tǒng)模型87-88
• 4.5.2 最優(yōu)攻擊策略88-91
• 4.6 仿真驗(yàn)證91-96
• 4.6.1 例Ⅰ：?jiǎn)蝹�(gè)系統(tǒng)情形91-94
• 4.6.2 例Ⅱ：多個(gè)子系統(tǒng)情形94-96
• 4.7 本章小結(jié)96-99
• 第五章 隱私安全與最優(yōu)控制權(quán)衡問(wèn)題研究99-111
• 本章摘要99
• 5.1 引言99-101
• 5.2 問(wèn)題構(gòu)建101-104
• 5.2.1 CPS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)101
• 5.2.2 CPS系統(tǒng)中的差分隱私101-103
• 5.2.3 系統(tǒng)性能優(yōu)化問(wèn)題103-104
• 5.3 實(shí)例分析：LQG控制104-107
• 5.3.1 高斯機(jī)制的參數(shù)設(shè)計(jì)105
• 5.3.2 差分隱私保護(hù)之下的最優(yōu)LQG控制器設(shè)計(jì)105-107
• 5.4 仿真驗(yàn)證與系統(tǒng)性能分析107-109
• 5.5 本章小結(jié)109-111
• 第六章 總結(jié)與展望111-117
• 本章摘要111
• 6.1 全文總結(jié)111-113
• 6.2 研究展望113-117
• 參考文獻(xiàn)117-129
• 攻讀博士學(xué)位期間主要研究成果及參與的科研項(xiàng)目129-13

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本文編號(hào)：712884