Privacy-preserving resilience control for cyber-physical systems based on the dynamic heterogeneous redundancy architecture

本文旨在解决信息物理系统 (Cyber-Physical Systems,CPS) 在遭受虚假数据注入与窃听协同攻击时的安全控制挑战. 针对现有研究在面对复杂多样的协同攻击时需叠加多重防御技术导致的系统复杂度增加、防御机制间相互干扰和资源效率低下等问题, 本文提出了一种信息物理融合的主被动协同防御架构. 该架构以动态异构冗余 (Dynamic Heterogeneous Redundancy,DHR) 为基座，融合机密交互协议在信息域抵御虚假数据注入与窃听协同攻击. 设计的基于椭圆曲线加密的机密交互协议在保障数据传输安全的同时满足 CPS 实时性需求; 提出的基于历史可信度与异构度的 DHR 调度算法平衡了检测可靠性、异构度最大化和系统稳定性. 为应对 DHR 架构在实际应用中面临的异构资源受限、底层同源风险和切换频率约束等挑战, 在物理域设计了攻击检测滤波器作为补充. 构建了主动与被动相结合的防御控制算法, 主动防御通过控制器动态切换提高系统不可预测性, 被动防御则依靠攻击检测滤波器及时识别受攻击控制器. 理论分析表明, 即使面临未知攻击, 闭环系统仍能保持稳定性. 多种 CPS 场景的仿真实验证明, 所提弹性控制方法增强了系统抵御虚假数据注入与窃听协同攻击的能力, 验证了该方法的有效性.