Confidentiality Analysis of Linear Networked Control Systems

QC 20260715

Abstract

Digitaliseringens framfart har inte bara påverkat samhället, utan har också ökat integrationen mellan fysiska processer, beräkning och nätverkskommunikation, och därmed automatiseringsgraden. Den täta integrationen mellan den fysiska och den digitala världen, i så kallade cyberfysiska system (CPS), möjliggör fjärrstyrning och sammankoppling av distribuerade processer. I sådana system kommunicerar den fysiska processen och styrenheten via ett nätverk, vilket medför sårbarhet mot cyberattacker. En angripare kan avbryta kommunikationen, avlyssna utbytt information eller manipulera överförda data, och därigenom skada det fysiska systemet på distans. Som ett resultat har säkerheten i cyberfysiska system blivit ett viktigt forskningsämne inom reglertekniken.

I den här uppsatsen undersöker vi attacker mot kommunikationsnätverksanslutna styrsystem (som i CPS) där en angripare har fått obehörig tillgång till kommunikationen mellan styrenheten och den styrda processen. Vi fokuserar på konfidentialitetsattacker, där angriparen förblir passiv, utan att injicera data i den slutna processen, och istället bara observerar avlyssnade signaler för att härleda privat information från styrenheten eller anläggningen. I synnerhet beaktar vi linjära tidsinvarianta (LTI) modeller för processen och styrenheten, där anläggningen utsätts för stokastiska störningar. Uppsatsen är uppdelad i två delar. I den första delen utvecklar vi metoder för tillstånds- och okänd styrsignalskattning i stokastiska system, utan specifik koppling till attacker. I den andra delen tillämpar vi ovan nämnda metoder i konfidentialitetsattacker, där en angripare ämnar rekonstruera interna tillstånd eller referenssignaler från avlyssnade data.

Uppsatsen har tre huvudsakliga bidrag. För det första utvecklar vi ett modellbaserat ramverk för fördröjd skattning av stokastiska LTI-system med väntevärdesriktiga skattningar med minimal varians av tillstånd och okända styrsignaler under explicita systemteoretiska villkor. För det andra utformar vi en datadriven algoritm för rekonstruktion av okända styrsignaler för MIMO-system (Multiple-Input Multiple-Output), vilken beräknar skattningar direkt från mätdata utan att kräva en explicit systemmodell. För det tredje analyserar vi konfidentialitetsattacker mot slutna system och härleder systemteoretiska villkor för när sådana attacker är genomförbara. Ett centralt resultat är att genomförbarheten av skattning och av konfidentialitetsattacker i grunden beror av systemteoretiska egenskaper såsom invarianta nollställen och stark detekterbarhet. Resultaten gör det möjligt för systemdesigners att bedöma konfidentialitetsrisker och identifiera strukturella sårbarheter i kommunikationsnätverksanslutna reglersystem.

Link to DiVA