不同攻击模式下耦合CPS系统的级联故障与恢复策略研究

With the rapid development of Internet technology, the Cyber-Physical Systems (CPS) has been widely applied and multi-dimensional development, and has been characterized by continuous expansion and mutual coupling. However, the characteristics of coupling and heterogeneity between sub-networks in the system will bring serious cascading failures. To this end, the project intends to study the cascading failures and recovery strategy of the coupled CPS system. Firstly, we will analyze the characteristics of the coupled CPS system and propose the theoretical analysis model of the cascading failures. Besides, based on the influence of different attack modes, we will establish the cascading failures equation of the coupled CPS system, find the critical threshold of the cascading failures propagation and study the cascading failures mechanism. Finally, aiming at the cascading failures in the system, we will study the recovery strategy for selective attack and multi-node step-by-step attack and propose a reasonable recovery strategy evaluation scheme. The expected research results of the project can provide theoretical and method support for the construction of the optimal topology of the coupled CPS system, the analysis of the cascade failures and the design of the recovery strategy, so as to provide corresponding security for eliminating the hidden troubles of the cascading failures in the CPS system.

随着互联网技术的飞速发展，信息物理融合系统（Cyber-Physical Systems，简称CPS）得到广泛应用和多维度发展，并呈现规模不断扩张、相互耦合等特点。然而，系统中子网络间存在的耦合性、异构性等特性，给其带来严重的级联故障隐患。为此，本项目拟对耦合CPS系统的级联故障与恢复策略进行研究，具体包括：分析耦合CPS系统的特性，提出该系统级联故障的理论分析模型；基于不同攻击模式的影响，建立耦合CPS系统的级联故障方程，找出级联故障蔓延的临界阈值，研究其中的级联故障机理；针对系统中的级联失效，研究面向节点选择性攻击和面向多节点分步式攻击的恢复策略，并提出合理的恢复策略评估方案。项目的预期研究成果，能够为耦合CPS系统最优拓扑结构的构建、级联故障的分析与恢复策略的设计等提供理论与方法支持，从而为消除CPS系统中级联故障的隐患提供相应的安全保障。

本项目对不同攻击模式下耦合CPS系统的级联故障与恢复策略研究进行了深入研究，具体包括：分析耦合CPS系统的特性，提出该系统级联故障的理论分析模型；基于不同攻击模式的影响，建立耦合CPS系统的级联故障方程，找出级联故障蔓延的临界阈值，研究其中的级联故障机理；针对系统中的级联失效，研究面向节点选择性攻击和面向多节点分步式攻击的恢复策略，并提出合理的恢复策略评估方案。.项目的研究成果，能够为耦合CPS系统最优拓扑结构的构建、级联故障的分析与恢复策略的设计等提供理论与方法支持，从而为消除CPS系统中级联故障的隐患提供相应的安全保障，具有重要的理论意义和实际的应用价值。主要成果包括：.（1）项目研究了耦合CPS系统的特性，从系统的耦合方式与拓扑结构等方面出发，分析了耦合CPS系统的网络参数；其次，针对耦合CPS系统中存在的四种耦合情形（如系统子网络间只存在连接边、子网络间存在连接边和耦合依赖边、子网络间只存在耦合依赖边、子网络间存在支持-耦合依赖的有向边等），分别研究了耦合CPS系统的理论分析模型和节点故障的动力学方程；在上述基础上，提出了耦合CPS系统级联故障的理论分析模型。.（2）项目结合耦合CPS系统中攻击模式的新特点，重新描述了耦合CPS系统中存在的攻击模式。根据分析，耦合CPS系统中DDoS等攻击对系统呈现蓄意性攻击特点，APT等攻击对系统呈现分步式攻击的特点。据此，本项目分别针对蓄意性攻击和分步式攻击等新特点，通过重新定义耦合CPS系统中节点初始负载、故障后负载系数分配和临界值特征等，从理论分析和实验仿真分析两方面，对比研究了不同攻击模式下耦合CPS系统的级联故障作用机理，从而找出抑制故障蔓延的关键值或范围。.（3）项目在上述不同攻击模式下耦合CPS系统级联故障机理的研究基础上，结合耦合CPS系统的自身特性，从如何保护重要Hub节点的视角来提高耦合CPS系统的功能性，加强对关键核心节点的功能恢复。本项目分别从三个方面着手以加强对级联故障节点的功能恢复，具体包括：设计识别耦合CPS系统重要节点的评估方案；研究了面向节点蓄意性攻击和面向多节点分步式攻击等引起系统级联故障的恢复策略；设计不同恢复策略的评价及优化方案。.本项目的究，针对耦合CPS系统级联故障与恢复策略问题，我们提出了相应解决方案和算法，发表了相关学术论文21篇，在国内外产生了一定影响，较好完成了项目预期。