网络攻击环境下网络控制系统的算法设计

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随着计算机技术、控制技术和通信技术的快速发展,网络控制系统(Networked Control System,NCS)逐渐成为控制领域的研究热点。NCS具有系统布线成本低,系统可扩展性较强,信息共享方便,以及拥有便于远程控制、维护及诊断等优点。但通信网络的引入为NCS带来便利的同时,也将自身的问题带入到网络控制系统中,如丢包、时延、数据包乱序等不利的网络诱导因素,同时也将面临着网络攻击对于网络控制系统的破坏。针对NCS中的网络攻击,本文的工作如下:(1)对于NCS中的重放攻击的检测问题,设计了一种利用主动丢包实现对重放攻击的实时检测的方法。本文讨论的重放攻击发生在反馈回路的网络中,而检测利用的主动丢包发生在前向通路。首先在理论层面上证明了该检测方法的有效性;再以一辆四轮汽车为被控对象,仿真验证了该方法的有效性。综合考虑了车辆对于重放攻击的检测结果与速度跟踪结果,最终确定了车辆的最优主动丢包率的范围区间为12%至16%。此时既能够准确地检测出重放攻击,又保证车辆能够平稳行驶。(2)在第三章提出的重放攻击的检测方法的基础之上,设计了双信道和双LQG(Linear Quadratic Gaussian)冗余控制的方法来防御重放攻击。当其中一个信道受到重放攻击后,选择单元会将另外一个信道发送来的控制信号发送给执行器,以此来缓解其中一个信道受到重放攻击时,给网络控制系统带来的不利影响。并以四轮汽车为被控对象,仿真验证了重放攻击的危害和该防御方法的有效性。(3)针对NCS中的拒绝服务攻击(Denial of Service,DoS)问题,从原理上对拒绝服务攻击和网络丢包进行了区分,并根据两者之间的不同,提出了基于信道功率侦听的拒绝服务攻击的检测方法。在检测的基础之上,利用多步预测控制算法来缓解拒绝服务攻击给网络控制系统带来的影响,为人为排除攻击源争取足够的时间,确保系统在这段时间内能够稳定地运行。最后,仿真验证了该检测方法与防御方法的有效性。最后对全文的工作进行了总结,并对将来的工作进行了展望。
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