2022信息物理系統(tǒng)（CPS）安全技術(shù)研究

信息物理系統(tǒng)（CPS）安全技術(shù)研究大綱一、信息物理系統(tǒng)簡介大綱二、信息物理系統(tǒng)信息安全三、信息物理系統(tǒng)信息安全測評一、信息物理系統(tǒng)簡介一、信息物理系統(tǒng)簡介CPS產(chǎn)生的背景當(dāng)前，網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的飛速發(fā)展以及和工業(yè)領(lǐng)域的深度融合，科技與經(jīng)濟發(fā)展的雙重推動下，促進了CPS的誕生。CPS產(chǎn)生的背景月，美國國家自然科學(xué)基金會（NationScienceFoundationNSF）將CPS列為美國未來八大關(guān)鍵信息技術(shù)的首位.技術(shù)之一。業(yè)4.0，其中核心之一是通過CPS開創(chuàng)新的制造方式，實現(xiàn)“智能工廠”。中國在2012，加快傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級”。號文印發(fā)《信息化和工業(yè)化深度融合專項行動計劃（2013-2018年）》。2014年10月，中德雙方舉行的第三輪中德政府協(xié)商后發(fā)表的《中德合作4.0建CPS。CPS的核心概念

數(shù)據(jù)存儲、分析、處理傳感器網(wǎng)絡(luò)泛在通信網(wǎng)絡(luò) 控制執(zhí)行器協(xié)調(diào)控制CPS的組成CPS的通信網(wǎng)絡(luò)可以邏輯地視為由傳感器網(wǎng)絡(luò)、執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)、計算機網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的組合通信網(wǎng)絡(luò)。

CPS由傳感器節(jié)點、執(zhí)行器節(jié)點、傳感器與執(zhí)行器組合節(jié)點、計算系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。CPS的典型邏輯框架CPS基本邏輯功能可靠傳輸全面感知CPS相關(guān)子系統(tǒng)軟件密集系統(tǒng)一個或多個方面占主導(dǎo)地位的系統(tǒng)。特點：面向信息、面向知識。發(fā)展難點：隨著軟件密集系統(tǒng)規(guī)模的增長，其可靠性問題逐漸凸顯，成為限制其發(fā)展的難點。軟硬件綜合系統(tǒng)智能化控制的系統(tǒng)。性。耦合的結(jié)果。過程控制系統(tǒng)在給定范圍內(nèi)的自動控制系統(tǒng)。特點：一般過程控制系統(tǒng)通常采用反饋控制的形式。系統(tǒng)組成如下圖所示：物聯(lián)網(wǎng)按約定協(xié)議，將物品與互聯(lián)網(wǎng)相連，進行信息交換和通信。特點：物與物相連、人與物相連、人與人相連，關(guān)鍵在于互聯(lián)互通。物聯(lián)網(wǎng)的層次架構(gòu)如下圖所示：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)線通信方式組成的一個多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。覆蓋地理區(qū)域內(nèi)被感知對象的信息，并最終把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)的所有者。發(fā)展基礎(chǔ)：MEMS、片上系統(tǒng)、無線通信和低功耗嵌入式技術(shù)。CPS主要特點信息物理高度融合系統(tǒng)功能交互涌現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動態(tài)演化內(nèi)外狀態(tài)深度感知網(wǎng)絡(luò)實時適應(yīng)控制信息物理高度融合系統(tǒng)功能交互涌現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動態(tài)演化內(nèi)外狀態(tài)深度感知網(wǎng)絡(luò)實時適應(yīng)控制大綱大綱一、信息物理系統(tǒng)簡介二、信息物理系統(tǒng)信息安全三、信息物理系統(tǒng)信息安全測評二、信息物理系統(tǒng)信息安全二、信息物理系統(tǒng)信息安全CPS系統(tǒng)安全問題信息物理系統(tǒng)所面臨的安全性問題主要包括兩種：CPS系統(tǒng)中的安全要素包括：威脅模型（不同類別的攻擊)；檢測方法（基于模型的、基于軟件的或者數(shù)據(jù)驅(qū)動的）；魯棒性（攻擊容忍性）；恢復(fù)能力CPS系統(tǒng)安全威脅

CPS系統(tǒng)所面臨的安全威脅主要來自以下3個方面。CPS的感知層是由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的，大部分傳感設(shè)備的通信、計算以及存儲等能力十分有限，因此無法直接使用跳頻通信以及公鑰密碼等傳統(tǒng)安全機制。因為CPS系統(tǒng)利用未來網(wǎng)絡(luò)作為核心承載網(wǎng)絡(luò)，因此CPS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增長和分布式的信息處理環(huán)境使得CPS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)更容易受到DoS攻擊以及DDoS攻擊。因為CPS系統(tǒng)在控制系統(tǒng)中引入了網(wǎng)絡(luò)特性，因此非法入侵者能夠通過哄騙、阻塞、DoS攻擊等方式使控制命令延遲或失真，從而導(dǎo)致CPS系統(tǒng)無法及時執(zhí)行任務(wù)，甚至無法進入穩(wěn)定狀態(tài)。CPS系統(tǒng)安全機制當(dāng)前對于CPS系統(tǒng)的安全研究和評估可分為信息安全和控制安全兩個方面。信息安全方面的研究主要是解決在高混雜、大規(guī)模、協(xié)同自治的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下信息的安全收集、處理和共享等問題。而控制安全方面主要集中解決在松散耦合、開放互連的網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下的安全控制等問題。CPS系統(tǒng)安全架構(gòu)底向上（從物理世界到信息世界），分別為數(shù)據(jù)接收層、網(wǎng)絡(luò)訪問層、數(shù)據(jù)管理層、智慧服務(wù)層。信息物理系統(tǒng)安全架構(gòu)大綱大綱一、信息物理系統(tǒng)簡介二、信息物理系統(tǒng)安全綜述三、信息物理系統(tǒng)信息安全測評三、信息物理系統(tǒng)信息安全測評三、信息物理系統(tǒng)信息安全測評CPS信息安全實時性測評CPS異常威脅實時監(jiān)測CPSCPS異常威脅實時監(jiān)測CPS信息安全風(fēng)險評估CPS信息安全風(fēng)險預(yù)測方法CPS異常威脅實時監(jiān)測基于特征庫匹配的實時監(jiān)測方法基于特征庫匹配的實時監(jiān)測方法依賴于預(yù)先定義的異常模式數(shù)據(jù)庫通過比對，發(fā)現(xiàn)異常時報警基于統(tǒng)計分析的實時監(jiān)測方法基于統(tǒng)計分析的實時監(jiān)測方法確定測量基線（確定基線、時間相關(guān)基線）異常監(jiān)測CPS信息安全風(fēng)險評估風(fēng)險評估框架CPS風(fēng)險評估流程CPS風(fēng)險評估模型（基于隱性馬爾科夫模型的風(fēng)險評估）網(wǎng)絡(luò)中每臺主機具有N個狀態(tài)：

Ss2,...,sN}某主機在某一時刻的狀態(tài)序列：

X{x1,

x2,...,

xt},xtS主機可收到M種攻擊：

V,...,vM}攻擊序列：

Y{y1

y2,...,

yt},ytV

NN

P(xt1

s

|

),1

jn觀察矩陣：Q

ij

MN

P(

|

sj),1

m,1

jnN Nt時刻主機的總風(fēng)險

(i)i1

tiCi)i1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測法CPS信息安全風(fēng)險