[发明专利]基于不精确数学模型的虚假数据注入攻击方法

说明书

本发明提供一种基于不精确数学模型的虚假数据注入攻击方法，能够成功破坏控制系统的性能，而不被检测器检测到。在网络信道中窃取传感器读数和控制指令，辨识出被控对象的不精确数学模型参数，根据辨识的不精确数学模型参数和所述的传感器读数和控制指令，设计虚假数据攻击序列，将所述虚假数据攻击序列注入到传感器读数中形成虚假传感器读数，将所述虚假传感器读数传输到控制器，控制器根据虚假传感器读数来检测系统是否有异常状况，并根据虚假传感器读数生成控制指令传送给被控对象。本发明适用于测试控制系统对于虚假数据注入攻击的防御效果，为防御方法的设计提供测试手段。

技术领域

本发明涉及一种基于不精确数学模型的虚假数据注入攻击方法，属于控制系统安全领域，适用于测试信息物理系统对于虚假数据注入攻击的防御效果，为防御方法的设计提供测试手段。

背景技术

信息物理系统是计算资源与物理资源的紧密集成与深度协作，具有广泛的应用领域，例如：智能电网、智能交通、化工过程控制、医疗卫生等。随着信息物理系统的广泛应用，特别是在关键基础设施的应用，使得安全问题成为制约信息物理系统发展的一个关键问题。信息物理系统中的控制器与被控对象之间通过网络传输信息，攻击者可以在网络信道中窃取传感器读数和控制指令，通过分析和计算得出被控对象的数学模型，然后设计隐秘攻击破坏控制系统的性能，而不被检测器检测到。常见的隐秘攻击主要有：虚假数据注入攻击、重放攻击、零动态攻击等。

近年来，虚假数据注入攻击的研究主要有：设计虚假数据注入攻击传感器读数；设计传感器读数的编码矩阵，主动检测虚假数据注入攻击；分析ε-隐秘攻击的性能和约束。重放攻击的研究主要有：在控制指令中加入高斯白噪声，提高重放攻击的检测率；设计最优控制策略来权衡控制系统的性能和重放攻击的检测率。零动态攻击的研究主要有：针对不确定信息物理系统，设计鲁棒零动态攻击；通过修改系统结构，主动检测零动态攻击。

目前，常见的虚假数据注入攻击主要是基于精确的数学模型，攻击者根据精确的数学模型设计攻击序列，成功破坏控制系统的性能，而不被检测器检测到。然而，在现代控制系统中通常具有高维、随机噪声等特点，攻击者很难建立精确的数学模型。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于不精确数学模型的虚假数据注入攻击方法，能够成功破坏控制系统的性能，而不被检测器检测到。

一种基于不精确数学模型的虚假数据注入攻击方法，包括以下步骤：

在网络信道中窃取传感器读数和控制指令，辨识出被控对象的不精确数学模型参数，根据辨识的不精确数学模型参数和所述的传感器读数和控制指令，设计虚假数据攻击序列，将所述虚假数据攻击序列注入到传感器读数中形成虚假传感器读数，将所述虚假传感器读数传输到控制器，控制器根据虚假传感器读数来检测系统是否有异常状况，并根据虚假传感器读数生成控制指令传送给被控对象。

进一步地，所述虚假数据攻击序列采用以下公式：

其中，A_a、B_a、C_a是辨识出的被控对象的不精确数学模型参数，y^c(k)是被控对象的实际传感器读数，是攻击者受攻击后的状态估计值，u^c(k-1)是控制系统受攻击后控制器传送给被控对象的控制指令，γ(k)是零均值协方差矩阵为P_za的高斯白噪声，其中P_za＝C_aP_a(k|k-1)C_a^T+R_a，P_a(k|k-1)表示k-1时刻估计误差协方差矩阵预测k时刻的估计误差协方差矩阵，R_a是辨识出的被控对象的测量噪声的协方差矩阵。

本发明的有益效果：