拒绝服务攻击下信息物理系统动态带宽分配策略的研究

摘要

信息物理系统（Cyber-Physical System，简称CPS）是高度融合信息资源与物理资源的网络化物理设备系统，已成为许多大型复杂控制系统的首选架构。共享开放有限带宽的分布网络给控制系统带来便利的同时，也使得CPS面临着更多安全问题。拒绝服务（Denial-of-Service，简称DoS）攻击是最常见的网络攻击类型，通过占用控制或传感通道的有限网络资源从而影响数据传输的实时性，给CPS的安全问题带来了很大挑战。本文针对DoS攻击下CPS网络资源的动态分配问题进行研究，具体内容如下： 首先，考虑了DoS攻击下CPS的模型建立，分别对CPS的网络模型以及时间约束型DoS攻击的攻击模式进行描述与说明，并从攻击频率以及攻击的持续时间两方面给出了DoS攻击的约束条件。通过分析DoS攻击对CPS所造成的影响，给出了满足上述DoS攻击约束条件下保证系统输入状态稳定的充分条件。针对事件触发通信策略的定义与特点以及网络带宽限制对CPS造成的影响进行详细介绍，并说明其所存在的问题以及后续的发展。 其次，基于各子系统的固有特性选择其特有的基准采样周期，并综合考虑各子系统带宽需求的独特性以及离散事件触发策略减少网络通信的优势，提出了基于动态带宽分配的综合变采样周期以及离散事件触发的混合通信策略。在此基础上，综合考虑CPS的全局网络带宽，并结合DoS攻击下CPS对网络带宽需求的急剧增加，通过采用所提出的混合通信策略主动适应各子系统带宽需求的特性来应对局部子系统的DoS攻击问题。为了验证该混合通信策略对抗DoS攻击的有效性，通过仿真实例验证了控制系统的稳定性以及相对于固定采样周期策略的优势。 最后，根据各子系统在DoS攻击下带宽需求的独特性，对CPS的各子系统进行分类，并在此基础上提出了一种动态带宽分配策略来应对DoS攻击对系统所造成的影响。基于上述所提出的带宽动态调度机制，对系统性能进行分析，证明了CPS的稳定性，并通过仿真实例来验证所提出设计的可行性以及有效性。

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插图索引

第1章 绪 论

1.1课题研究背景及意义

1.2 CPS的组成及体系结构

1.3 CPS的安全性概述

1.4 DoS攻击对CPS造成的影响

1.5 DoS攻击下CPS安全问题研究现状

1.5.1周期DoS攻击下CPS安全问题

1.5.2随机DoS攻击下CPS安全问题

1.5.3时间约束型DoS攻击下CPS安全问题

1.5.4交互对抗型DoS攻击下CPS安全问题

1.5.5 DoS攻击的检测与防御

1.6本文主要研究内容及章节安排

第2章 DoS攻击下CPS模型建立

2.1引言

2.2 CPS模型建立

2.3时间约束型DoS攻击

2.4 DoS攻击对CPS的影响

2.5通信带宽限制对CPS的影响

2.6事件触发通信策略

2.6.1连续事件触发通信策略

2.6.2离散事件触发通信策略

2.6.3事件触发通信策略的研究现状

2.7本章小结

第3章 DoS攻击下CPS的混合通信策略

3.1引言

3.2问题描述

3.3带宽分配策略

3.3.1带宽的可调度性分析

3.3.2动态带宽分配机制

3.4 DoS攻击下CPS混合通讯策略

3.4.1离散事件触发策略

3.4.2 DoS攻击下基于动态带宽的离散事件触发策略

3.5仿真实验

3.6本章小结

第4章 DoS攻击下CPS的动态带宽分配策略

4.1引言

4.2问题描述

4.3多系统下带宽分配

4.3.1带宽预分配

4.3.2带宽再分配

4.4系统稳定性分析

4.5仿真实例

4.6本章小结

第5章 结论与展望

5.1全文工作总结

5.2未来工作展望

参考文献

致谢

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