网络攻击下的信息物理系统安全性研究综述

随着信息物理系统在现代工业和制造业中的广泛应用,其安全性逐渐成为关系社会健康发展的重要因素.由于信息物理系统内部物理设备和通信网络的深度融合,网络攻击对系统安全的威胁日益凸显.首先,从攻击者角度总结各类网络攻击的特点,揭示系统在不同攻击下的脆弱性;其次,针对不同网络攻击的特性,从防御者角度对信息物理系统的安全状态估计、攻击检测和安全控制进行介绍,并阐述各防御策略的主要应用场景和优势;最后,对信息物理系统安全性研究面临的主要挑战进行展望.     

工业信息物理系统数据注入攻击的事件触发弹性控制

工业信息物理系统(ICPS)恶劣的工业环境使得无线通信网络的通信资源有限, 且通信网络的脆弱性使得系统的稳定性容易受到数据注入攻击的破坏. 本文基于输入到状态理论, 采用H1观测器、预测器和事件触发器建立基于事件触发的ICPS模型来降低通信资源的利用率, 并构造基于改进卡尔曼滤波器的攻击补偿模块进行攻击补偿, 攻击补偿模块的参数随着攻击者攻击策略不同而进行改变, 实现对数据注入攻击的弹性控制. 用matlab软件进行仿真实验, 以倒立摆作为被控对象, 模拟基于事件触发的ICPS模型受到数据注入攻击时系统的稳定性能. 仿真结果表明, 事件触发控制策略和基于改进卡尔曼滤波器的攻击补偿模块的组合不仅能够保证系统期望的稳定性, 还能有效减少数据通过无线网络传输的次数.     

云环境下工业信息物理系统现场层安全策略决策方法

云环境下工业信息物理系统架构的转变使得工业现场设备更加暴露于网络攻击下,对工业现场层提出更高的安全需求.随着系统结构愈渐复杂,网络攻击更加智能,系统难以准确获取安全状态,传统的基于状态的安全决策方法将不能实现有效防护,对此提出一种工业信息物理系统现场层安全策略决策方法.首先,根据功能结构划分现场区域,分析潜在的攻击目标、攻击事件与系统防御策略间的关联性,构建攻击防御树;然后,从攻击和防护属性的视角,利用模糊层次分析法量化防御策略收益;接着,结合部分攻击状态构建部分可观的马尔可夫决策过程模型,通过求解模型得到最优安全策略;最后,以简化的田纳西-伊斯曼过程控制系统为对象验证所提出方法能够有效地决策出最优安全策略.     

基于贝叶斯序贯博弈模型的智能电网信息物理安全分析

智能电网是利用信息技术优化从供应者到消费者的电力传输和配电网络.作为一种信息物理系统（Cyber-physical system，CPS），智能电网由物理设备和负责数据计算与通信的网络组成.智能电网的诸多安全问题会出现在通信网络和物理设备这两个层面，例如注入坏数据和收集客户隐私信息的网络攻击，攻击电网物理设备的物理攻击等.本文主要研究了智能电网的系统管理员（防护者）如何确定攻击者类型，从而选择最优防护策略的问题.提出了一种贝叶斯序贯博弈模型以确定攻击者的类型，根据序贯博弈树得到博弈双方的均衡策略.首先，对类型不确定的攻击者和防护者构建静态贝叶斯博弈模型，通过海萨尼转换将不完全信息博弈转换成完全信息博弈，得到贝叶斯纳什均衡解，进而确定攻击者的类型.其次，考虑攻击者和防护者之间的序贯博弈模型，它能够有效地帮助防护者进行决策分析.通过逆向归纳法分别对两种类型的攻击者和防护者之间的博弈树进行分析，得到博弈树的均衡路径，进而得到攻击者的最优攻击策略和防护者的最优防护策略.分析表明，贝叶斯序贯博弈模型能够使防护者确定攻击者的类型，并且选择最优防护策略，从而为涉及智能电网信息安全的相关研究提供参考.     

DoS干扰攻击下的信息物理系统状态反馈稳定

基于网络的工业控制系统作为信息物理系统(CPSs)的一种重要应用正迅猛发展.然而,近年来针对工业控制系统的恶意网络攻击引起了人们对CPS安全问题的广泛关注.拒绝服务(DoS)干扰攻击作为CPS中最容易发生的攻击方式得到了深入研究.对此,提出一种能量受限的、周期的DoS干扰攻击模型,攻击的目的是增大无线信道发生数据包随机丢包的概率.基于一类CPS简化模型,考虑CPS中传感器与控制器(S-C)之间无线信道同时存在DoS干扰攻击和固有随机数据包丢失的情况,采用状态反馈,基于随机Lyapunov函数和线性矩阵不等式方法得到可以保证系统稳定的充分条件,并利用系统稳定的充分条件和锥补线性化算法设计控制器.最后,通过两个数值仿真例子验证所提出控制策略的有效性.     

离散事件系统框架下信息物理系统攻击问题综述

信息物理系统(cyber physical system, CPS)由受控对象、传感器、执行器、监控器和通信网络组成,通信网络的使用增加了信息物理系统面临外部攻击的风险.鉴于此,综述基于离散事件系统框架处理信息物理系统攻击问题的相关研究工作.首先对信息物理系统进行简要介绍;然后对信息物理系统中的攻击进行分类;最后重点阐述信息物理系统中攻击策略的设计、攻击的检测与防御以及攻击鲁棒性监控器设计的研究现状.     

网络攻击方案评估系统设计与仿真

从攻击者角度出发提出一个基于RBF神经网络的网络攻击方案评估系统用于网络安全态势分析.提出涵盖了攻击方案中所涉及的攻防双方特性的评估指标体系,利用模糊层次分析法对指标数据进行模糊综合处理,采用RBF神经网络对攻击方案的效能进行推理,使系统具备自学习的能力,实现对整体攻击方案对受攻击的网络的影响程度的预测.仿真实验结果表明,系统能较客观地反映网络攻击方案针对不同防护能力目标所产生的危害,为推理分析出攻击者可能采取的攻击思路和手段提供参考.     

网络攻击图生成算法研究

攻击模型能够对攻击过程进行结构化描述和有效分析,攻击图可以清楚地分析攻击者可能采取的攻击路径,两者对网络安全策略的制定具有重要的指导意义.设计了一种基于状态转移的网络攻击模型,并基于该模型设计了攻击图生成系统的架构和相应的攻击图生成算法,在攻击图生成算法中引入了代价分析机制和规模控制机制.仿真实验结果表明,利用所设计的模型和算法不仅能有效地预测攻击者可能采用的各种攻击路径和最佳攻击路径,而且能有效地控制攻击图的规模.     

基于多信道博弈的ICPS虚假注入攻击防御策略

工业信息物理系统(ICPS)与基础设施的连接越来越密切,同时通信网络也易受到环境干扰和虚假数据注入攻击的影响.鉴于此,研究基于多信道传输框架和minimax控制器,提高ICPS在攻击、环境和噪声干扰下的弹性.通过设计minimax控制器以增强ICPS在噪音和干扰下的弹性,基于多信道传输框架建立发射机与攻击者之间的攻防博...     

DoS攻击下多线性系统多信道传输调度问题

信息物理系统(cyber-physical systems,CPSs)的应用愈加广泛,但因其本身具备开放性,易遭受网络攻击,并且攻击者越来越智能,故有必要开展CPSs安全性的相关研究.鉴于此,考虑具有多个远程状态估计子系统的信息物理系统在DoS攻击下的交互过程.每个系统中各传感器监控各自的系统,并由调度器为各个传感器的数据包分配通道,将其本地估计发送给远程状态估计器,目标是最小化总估计误差协方差.为了更接近实际应用场景,考虑在多信道传输过程中通道信号会受到不同环境影响,因此在不同环境的信道传输数据需要消耗的能量有所不同.调度器和攻击者对于通道的选择,需要满足通道对最低能量的需求才能进行传输和攻击.对于攻击者而言,考虑其更加智能,如果对一条通道攻击后仍然有剩余能量并满足其余通道要求,则可同时选择攻击其他通道进行攻击,进而实现与调度器相反的目标.在此基础上,构造一个双人零和博弈,并采用纳什Q学习算法求解双方的最优策略,为研究信息物理系统安全状态估计提供研究思路.     

基于蠕虫传播和FDI的电力信息物理协同攻击策略EI北大核心CSCD

随着信息技术与现代电力系统的结合日趋紧密,通信系统异常和网络攻击均可能影响到电力系统的安全稳定运行.为了研究工控蠕虫病毒对电网带来的安全隐患,本文首次建立了基于马尔科夫决策过程(Markov decision process,MDP)的电力信息物理系统跨空间协同攻击模型,该模型同时考虑通信设备漏洞被利用的难易程度为代价以及对电力网络的破坏程度为收益两方面因素,能够更有效地识别系统潜在风险.其次,采用Q学习算法求解在该模型下的最优攻击策略,并依据电力系统状态估计的误差值来评定该攻击行为对电力系统造成的破坏程度.最后,本文在通信8节点-电力14节点的耦合系统上进行联合仿真,对比结果表明相较单一攻击方式,协同攻击对电网的破坏程度更大.与传统的不考虑通信网络的电力层攻击研究相比,本模型辨识出的薄弱节点也考虑了信息层的关键节点的影响,对防御资源的分配有指导作用.     

一种基于图模型的网络攻击溯源方法

随着信息技术的飞速发展,网络攻击事件频发,造成了日益严重的经济损失或社会影响.为了减少损失或预防未来潜在的攻击,需要对网络攻击事件进行溯源以实现对攻击者的挖掘追责.当前的溯源过程主要依赖于人工完成,效率低下.面对日益增加的海量溯源数据和日趋全面的溯源建模分析维度,亟需半自动化或自动化的网络攻击者挖掘方法.提出一种基于图...     

Coordinated cyber‐physical attacks considering DoS attacks in power systems

The smart grid faces a variety of physical and cyber attacks. Coordinated cyber‐physical attacks can cause severer consequences than the single cyber or physical attacks, which can be divided into two categories according to whether the physical attack is stealthy or not. Coordinated cyber‐physical attacks considering DoS attacks are investigated due to the lower cost of DoS attacks. In each category of coordinated cyber‐physical attacks, the mathematical models are derived and suitable methods are adopted to solve the corresponding issue. The experimental simulation demonstrates the potentially damaging effects and threats of this newly proposed attack. It is also presented that this newly proposed attack can use lower attack resources to introduce more catastrophic effects on the power system.     

基于攻击图的信息物理系统信息安全风险评估方法

震网病毒等事件实证了信息攻击能对信息物理系统(CPS)带来严重的物理影响。针对这类跨域攻击问题,提出了基于攻击图的风险评估方法。首先,对信息物理系统中的信息攻击行为进行了分析,指出可编程逻辑控制器(PLC)等物理设备中存在的漏洞是信息攻击实现跨域攻击的关键,并给出了信息物理系统中漏洞的利用模式及影响后果;其次,建立风险评估模型,提出攻击成功概率和攻击后果度量指标。综合考虑漏洞固有特性和攻击者能力计算攻击成功概率,根据主机重要程度和漏洞利用模式计算攻击后果。该方法能够将信息域与物理域作为一个整体进行建模,综合考虑多个跨域攻击对系统风险的影响。数值案例表明,多个跨域攻击组合下的风险值是单一攻击下的5倍,计算得到的风险值更为准确。     

Dependency-based security risk assessment for cyber-physical systems

A cyber-physical attack is a security breach in cyber space that impacts on the physical environment. The number and diversity of such attacks against Cyber-Physical Systems (CPSs) are increasing at impressive rates. In times of Industry 4.0 and Cyber-Physical Systems, providing security against cyber-physical attacks is a serious challenge which calls for cybersecurity risk assessment methods capable of investigating the tight interactions and interdependencies between the cyber and the physical components in such systems. However, existing risk assessment methods do not consider this specific characteristic of CPSs. In this paper, we propose a dependency-based, domain-agnostic cybersecurity risk assessment method that leverages a model of the CPS under study that captures dependencies among the system components. The proposed method identifies possible attack paths against critical components of a CPS by taking an attacker’s viewpoint and prioritizes these paths according to their risk to materialize, thus allowing the defenders to define efficient security controls. We illustrate the workings of the proposed method by applying it to a case study of a CPS in the energy domain, and we highlight the advantages that the proposed method offers when used to assess cybersecurity risks in CPSs.

     

MTD增强的网络欺骗防御系统

计算机网络正在飞速发展,但随之而来的系统破坏、信息泄露等网络安全问题也日益突出。攻击者在正式攻击前通常进行大量的网络侦查,以发现目标网络和系统上的可利用漏洞,而传统网络系统中的静态配置为攻击者发现网络目标和发起攻击提供了极大的优势。为了减轻攻击者持续性网络侦查攻击的有效性,基于软件定义网络开发了移动目标防御（moving target defense,MTD）增强的网络欺骗防御系统。该系统采用网络欺骗技术,混淆攻击者收集到的目标网络和系统信息,延长攻击者扫描到网络内真实脆弱性主机的时间,提高其时间成本;并在此基础上融合移动目标防御技术,动态随机地变换网络内节点的IP地址,增强网络欺骗系统的防御效能。实现了系统原型并对其进行评估,在虚拟网络拓扑规模为3个网段且地址变换周期为30 s的配置下,该系统将攻击者发现脆弱性主机的时间平均延迟7倍,将攻击者成功攻击脆弱性主机的概率降低83%,同时系统额外开销平均在8%以内。     

Detecting and preventing replay attacks in industrial automation networks operated with profinet IO

Modern industrial facilities consist of controllers, actuators and sensors that are connected via traditional IT equipment. The ongoing integration of these systems into the communication network yields to new threats and attack possibilities. In industrial networks, often distinct communication protocols like Profinet IO (PNIO) are used. These protocols are often not supported by typical network security tools. In this work, we present two attack techniques that allow to take over the control of a PNIO device, enabling an attacker to replay previously recorded traffic. We model attack detection rules and propose an intrusion detection system (IDS) for industrial networks which is capable of detecting those replay attacks by correlating alerts from traditional IT IDS with specific PNIO alarms. As an additional effort, we introduce defense in depth mechanisms in order to prevent those attacks from taking effect in the physical world. Thereafter, we evaluate our IDS in a physical demonstrator and compare it with another IDS dedicated to securing PNIO networks. In a conceptual design, we show how network segmentation with flow control allows for preventing some, but not all of the attacks.     

A Survey of Cyber Attacks on Cyber Physical Systems: Recent Advances and Challenges

A cyber physical system (CPS) is a complex system that integrates sensing, computation, control and networking into physical processes and objects over Internet. It plays a key role in modern industry since it connects physical and cyber worlds. In order to meet ever-changing industrial requirements, its structures and functions are constantly improved. Meanwhile, new security issues have arisen. A ubiquitous problem is the fact that cyber attacks can cause significant damage to industrial systems, and thus has gained increasing attention from researchers and practitioners. This paper presents a survey of state-of-the-art results of cyber attacks on cyber physical systems. First, as typical system models are employed to study these systems, time-driven and event-driven systems are reviewed. Then, recent advances on three types of attacks, i.e., those on availability, integrity, and confidentiality are discussed. In particular, the detailed studies on availability and integrity attacks are introduced from the perspective of attackers and defenders. Namely, both attack and defense strategies are discussed based on different system models. Some challenges and open issues are indicated to guide future research and inspire the further exploration of this increasingly important area.