[发明专利]一种基于改进的自适应卡尔曼滤波的偏差攻击的估计方法

说明书

一种基于改进的自适应卡尔曼滤波的偏差攻击的估计方法，包括以下步骤：第一步，查看网络化控制系统正常运行时的数据，同时确定服务器端与客户端的IP地址，编写Lua脚本，监听目标信道；第二步，通过系统辨识方法获取增益矩阵；第三步，编写篡改数据脚本，在上述的监听Lua脚本中继续添加数据处理内容，针对目标数据，实施偏差攻击；第四步，在基于递归最小二乘的自适应Kalman滤波方法上加入了滑动窗口，即采用改进的自适应卡尔曼滤波估计攻击注入的偏差值。本发明的通过网络入侵，篡改倒立摆系统的通讯数据，改变倒立摆的稳定位置；利用改进的自适应卡尔曼滤波，准确估计出注入的偏差攻击值。

技术领域

本发明属于网络安全领域，涉及到一种偏差攻击方法、改进的自适应卡尔曼滤波方法和基于以太网的网络化倒立摆实验平台。

背景技术

网络化控制系统(Networked Control System，NCS)是控制技术、计算机网络与通讯技术的结合，通过网络形成闭环反馈的控制系统。随着科技的进步，NCS的应用越来越广泛，影响着人们的生活。例如：复杂的工业控制系统、军工系统、远程医疗、机器人遥感技术、智能车系统、移动传感器网络等。但是，随着NCS与外部网络的联系越来越密切，安全隐患也随之而来。由于传统的工业系统基于物理隔离，采用的是专用的工业通信协议、操作系统等，工业网络实现的功能较为单一，只关注功能的安全以及物理安全，没有着重关注信息传输的漏洞，部分设备甚至处于“裸奔”状态，攻击者容易侵入网络内部，监听工控系统中的通信数据，设计恶意攻击，破坏系统。

近些年，国际上出现了很多NCS攻击的大事件。2018年，思科Talos研究小组发现Moxa EDR-810有17个漏洞，其中包括了许多严重的命令注入和拒绝服务(Denial ofServer，DoS)漏洞；同年8月，台湾机体电路公司遭到“Wanna Cry”勒索病毒侵袭，3个厂区受到感染，造成重大的经济损失；

由上述的NCS攻击事件可知，如今的网络安全并不只是个人的信息安全，而是影响到社会，甚至是国家的安全。因此，网络安全受到研究人员的高度重视，攻防博弈拉开序幕，通过模拟攻击对网络安全进行自检，相应的，通过防御对安全态势进行评估。

就攻击方而言，在工控系统中，系统的稳定依赖于精确的数据，一旦数据遭受到篡改，会导致系统的稳态发生变化，甚至损坏系统。由于工控网络不提供安全机制，攻击者利用这些漏洞入侵网络内部，监听工控系统中的通信数据，发起不同类型的攻击，如：偏差攻击、几何攻击、浪涌攻击等。

就防御方而言，检测方法一般有控制学或统计学两个方向。从控制学的角度，通常有量测量残差、量测量突变法等；从统计学的角度，检测的原理就转换为区分虚假数据与正常数据的分类问题，通常有神经网络、KNN、支持向量机等。进一步地，基于递归最小二乘的自适应卡尔曼滤波方法能够较好的实现对攻击值的估计。

网络化倒立摆系统具有NCS的基本特点，对网络化倒立摆系统的攻击和防御估计是NCS攻防验证。在NCS安全问题的背景下，针对NCS攻击问题，本发明引入了Ettercap网络嗅探工具，以网络化倒立摆系统为平台，实施了偏差攻击，改变了系统的稳定状态，在仿真中，使用改进的自适应卡尔曼滤波方法估计出注入的偏差攻击值。

发明内容

为了更加深入了解NCS的攻击及估计方式，本发明提供了一种基于改进的自适应卡尔曼滤波的偏差攻击的估计方法，通过网络入侵，篡改倒立摆系统的通讯数据，改变倒立摆的稳定位置；通过仿真实验，利用改进的自适应卡尔曼滤波，估计出注入的偏差攻击值。

为达到上述效果，本发明采用的技术方案如下：

一种基于改进的自适应卡尔曼滤波的偏差攻击的估计方法，包括以下步骤：