| Título : |
Cross-Layer Design for Secure and Resilient Cyber-Physical Systems : A Decision and Game Theoretic Approach |
| Tipo de documento: |
documento electrónico |
| Autores: |
Zhu, Quanyan, Autor ; Xu, Zhiheng, Autor |
| Mención de edición: |
1 ed. |
| Editorial: |
[s.l.] : Springer |
| Fecha de publicación: |
2020 |
| Número de páginas: |
XVII, 212 p. |
| ISBN/ISSN/DL: |
978-3-030-60251-2 |
| Nota general: |
Libro disponible en la plataforma SpringerLink. Descarga y lectura en formatos PDF, HTML y ePub. Descarga completa o por capítulos. |
| Palabras clave: |
Red informática La seguridad informática Objetos cooperantes (Sistemas informáticos) teoría del sistema Teoría del control Teoría de juego Seguridad móvil y de red Principios y Modelos de Seguridad Sistemas ciberfísicos Teoría de Sistemas Control |
| Índice Dewey: |
005.8 Ciencia de los computadores (Programación, programas de sistemas) |
| Resumen: |
Este libro presenta un diseño entre capas para lograr seguridad y resiliencia para los CPS (sistemas ciberfísicos). Los autores interconectan varias herramientas y métodos técnicos para capturar las diferentes propiedades entre las capas física y cibernética. La Parte II de este libro cierra la brecha entre la criptografía y las herramientas de la teoría del control. Desarrolla un marco de criptocontrol personalizado para abordar la seguridad y la resiliencia en los problemas de control y estimación donde es posible la subcontratación de los cálculos. La Parte III de este libro cierra la brecha entre la teoría de juegos y la teoría del control y desarrolla estrategias de defensa de seguridad interdependientes conscientes del impacto y estrategias de control resilientes cibernéticas. Con el rápido desarrollo de las ciudades inteligentes, existe una creciente necesidad de integrar los sistemas físicos, desde infraestructuras a gran escala hasta pequeños sistemas integrados, con comunicaciones en red. La integración de los sistemas físicos y cibernéticos forma los Sistemas Ciberfísicos (CPS), que permiten el uso de tecnologías de información y control digitales para mejorar el monitoreo, operación y planificación de los sistemas. A pesar de estas ventajas, son vulnerables a ataques ciberfísicos, cuyo objetivo es dañar la capa física a través de la ciberred. Este libro también utiliza estudios de casos de sistemas autónomos, sistemas de control de trenes basados en comunicaciones, ciberfabricación y sistemas robóticos para ilustrar las metodologías propuestas. Estos estudios de caso tienen como objetivo motivar a los lectores a adoptar una perspectiva de sistema entre capas hacia los problemas de seguridad y resiliencia de sistemas grandes y complejos y desarrollar soluciones de dominio específico para abordar los desafíos de CPS. En este libro se describe un conjunto integral de soluciones para una amplia gama de desafíos técnicos en sistemas de control seguros y resilientes (muchos de los hallazgos de este libro son útiles para cualquiera que trabaje en ciberseguridad). Los investigadores, profesores y estudiantes de nivel avanzado que trabajan en informática e ingeniería encontrarán este libro útil como referencia o texto secundario. Los profesionales de la industria y los trabajadores militares interesados en la ciberseguridad también querrán comprar este libro. |
| Nota de contenido: |
Part I Motivation and Framework -- 1 Introduction -- 1.1 Cyber-Physical Systems and Smart Cities -- 1.2 New Challenges in CPS -- 1.3 Overview and Related Works -- 1.4 Outline of the book -- 2 Cross-Layer Framework for CPSs -- 2.1 Introduction to Cross-Layer Design -- 2.2 Cross-Layer Design: Connecting Cryptography and Control Theory -- 2.3 Cross-Layer Design: Connecting Game Theory with Control Theory -- 2.4 Cross-Layer Design under Incomplete Information -- 2.5 Conclusions -- Part II Secure Outsourcing Computations of CPS -- 3 New Architecture: Cloud-Enabled CPS -- 3.1 Promising Applications of CE-CPSs -- 3.1.1 Cloud-Enabled Robotics -- 3.1.2 Cloud-Enabled Smart Grids -- 3.1.3 Cloud-Enabled Transport Systems -- 3.1.4 Cloud-Enabled Manufacturing -- 3.2 New Security Requirements of CE-CPSs -- 3.3 Conclusion -- 4 Secure and Resilient Design of Could-Enabled CPS -- 4.1 New Challenges and Proposed Solutions of CE-CPS -- 4.2 Problem Statements -- 4.3 System Dynamics and MPC Algorithm -- 4.4 The Standard form of Quadratic Problem -- 4.4.1 Cloud Attack Models -- 4.4.2 The Framework of the proposed mechanism -- 4.5 Confidentiality and Integrity -- 4.5.1 Encryption Methods -- 4.5.2 Verification Methods -- 4.6 Availability Issues -- 4.6.1 Switching Mode Mechanism -- 4.6.2 Buffer Mode and Switching Condition -- 4.6.3 The Local Controller for the Safe Mode -- 4 4.7 Analysis and Experiments -- 4.8 Conclusions and Notes -- 5 Secure Data Assimilation of Cloud Sensor Networks -- 5.1 Introduction to CE-LSNs -- 5.2 Problem Formulation -- 5.2.1 System Model and the Outsourcing Kalman Filter -- 5.2.2 Challenges and Design Objectives -- 5.3 The Secure Outsourcing Data Assimilation -- 5.3.1 The Additive Homomorphic Encryption -- 5.3.2 The Homomorphic Observer -- 5.3.3 Customized Encryption for Outsourcing Computation -- 5.4 Analysis of the Efficiency and Security -- 5.4.1 Efficiency Analysis -- 5.4.2 Security Analysis -- 5.5 Analysis of Quantization Errors -- 5.6 Experimental Results -- 5.6.1 The Output of the Encrypted Information -- 5.6.2 The Impact of the Quantization Errors -- 5.7 Conclusions and Notes -- Part III Game-Theoretic Approach for CPS -- 6 Review of Game Theory -- 6.1 Introduction to Game Theory -- 6.2 Two-Person Zero-Sum Game Model -- 6.2.1 Formulation of the Zero-sum Game -- 6.3 Stackelberg Game Model -- 6.3.1 Formulation of the Stackelberg Game -- 6.3.2 Security Design based on Stackelberg Game -- 6.4 FlipIt Game Model -- 6.4.1 Formulation of FlipIt Game -- 6.4.2 Analysis of the FlipIt Game -- 6.5 Signaling Game with Evidence -- 6.6 Conclusion and Notes70 -- 7 A Game-Theoretic Approach to Secure Control of 3D Printers -- 7.1 New Challenges in Networked 3D Printers -- 7.2 Problem Formulation -- 7.2.1 The Dynamic Model of 3D Printing Systems -- 7.2.2 Physical Zero-Sum Game Framework -- 7.2.3 A Cyber-Physical Attack Model for 3D-printing Systems -- 7.2.4 The Cyber FlipIt Game Model -- 7.2.5 A Cyber-physical Stackelberg Game Model -- 7.3 Analysis of the Cyber-Physical Games -- 7.3.1 Analysis of the Physical Zero-SumGame Equilibrium -- 7.3.2 Analysis of the Cyber FlipIt Game Equilibrium -- 7.3.3 Analysis of the Cyber-Physical Stackelberg Game Equilibrium -- 7.4 Numerical Results -- 7.5 Conclusion and Notes -- 8 A Game Framework to Secure Control of CBTC Systems -- 8.1 Introduction to CBTC systems -- 8.2 Problem Formulation -- 8.2.1 The Physical Model of a Train System -- 8.2.2 Communication Model and Attack Model -- 8.3 Estimation Approach and Security Criterion -- 8.3.1 Physical Estimation Problem -- 8.3.2 Security Criterion for CBTC System -- 8.4 The Stochastic Game-Theoretic Framework -- 8.4.1 Cyber Zero-Sum Game -- 8.4.2 Analyzing the Equilibrium of the Game -- 8.4.3 Special Case Study: Two-Channel Game -- 8.4.4 Inter-dependency Between Physical and Cyber Layers -- 8.5 Experimental Results -- 8.5.1 The Results of Cyber Layer -- 8.5.2 The Results of Physical Layer -- 8.6 Conclusions and Notes -- 9 Secure Estimation of CPS with a Digital Twin -- 9.1 Using Digital Twin to Enhance Security Level in CPS -- 9.2 System Modelling and Characterization -- 9.2.1 System Model and Control Problem of a CPS -- 9.2.2 Kalman Filter Problem -- 9.2.3 Stealthy Estimation Attack -- 9.2.4 Digital Twin for the CPS -- 9.2.5 General Setup of Signaling Game with Evidence -- 9.3 Equilibrium Results of the Cyber SGE -- 9.3.1 SGE Setup for the CPSs -- 9.3.2 Best Response of the Players and a PBNE of the SGE -- 9.3.3 Estimated Loss Under the Stealthy Attack -- 9.4 Simulation Results -- 9.4.1 Experimental Setup -- 9.5 Conclusions and Notes -- 10 Introduction to Partially Observed MDPs -- 10.1 Preliminaries of POMDPs -- 10.1.1 Definition of a POMDP -- 10.1.2 Belief State Formulation of a POMDP -- 10.1.3 Stochastic Dynamic Programming -- 10.2 Algorithms for Infinite Horizon POMDPs -- 10.2.1 Piecewise Linear Property of POMDPs -- 10.2.2 Algorithms based on Markov Partition -- 10.3 Conclusions and Notes -- 11 Secure and Resilient Control of ROSs -- 11.1 New Challenges in Networked ROSs -- 11.2 Problem Formulation -- 11.2.1 The Outline of the Proposed Mechanism -- 11.2.2 The Physical Dynamics of a ROS agent -- 11.2.3 Attack Model: Data-Integrity Attack -- 11.2.4 The Lightweight MAC and the Estimated Delay -- 11.2.5 Physical-Aware Design of the Key Length -- 11.2.6 Cyber States and Cyber Actions -- 11.2.7 Stochastic Cyber Markov Decision Process -- 11.3 Cyber POMDP Formulation for ROSs -- 11.3.1 Basic Setups of the Cyber POMDP -- 11.3.2 Main Results of Cyber POMDP -- 11.3.3 Special Case of the Cyber POMDP -- 11.4 Experimental Results -- 11.4.1 Part I: Physical Performance -- 11.4.2 Part II: Cyber Performance -- 11.5 Conclusions and Notes -- Part IV Discussion of the Future Work -- 12 Future Work in Security Design of CPSs -- 12.1 Research Directions: Advanced Attack Models -- 12.1.1 Man-in-the-Middle Attack -- 12.1.2 Compromised-Key Attack -- 12.2 Research Directions: Data-Availability Issues in CPSs -- 12.2.1 Safe-Mode Mechanism -- 12.2.2 Availability of a Partially Compromised System -- 12.3 Conclusions -- Part V Appendix -- A Basics of Optimization -- A.1 Optimality conditions for unconstrained problems -- A.2 Optimality conditions for constrained problems -- B Basics of Linear-Quadratic Optimal Control -- B.1 Finite-Time Optimal Control Problem Formulation -- B.2 Infinite Horizon Optimal Control Problem Formulation -- B.3 Principle of Optimality -- B.4 Finite-Time Linear-Quadratic Optimal Control -- B.5 Infinite-Time Linear-Quadratic Optimal Control -- References -- Index. |
| En línea: |
https://link-springer-com.biblioproxy.umanizales.edu.co/referencework/10.1007/97 [...] |
| Link: |
https://biblioteca.umanizales.edu.co/ils/opac_css/index.php?lvl=notice_display&i |
Cross-Layer Design for Secure and Resilient Cyber-Physical Systems : A Decision and Game Theoretic Approach [documento electrónico] / Zhu, Quanyan, Autor ; Xu, Zhiheng, Autor . - 1 ed. . - [s.l.] : Springer, 2020 . - XVII, 212 p. ISBN : 978-3-030-60251-2 Libro disponible en la plataforma SpringerLink. Descarga y lectura en formatos PDF, HTML y ePub. Descarga completa o por capítulos.
| Palabras clave: |
Red informática La seguridad informática Objetos cooperantes (Sistemas informáticos) teoría del sistema Teoría del control Teoría de juego Seguridad móvil y de red Principios y Modelos de Seguridad Sistemas ciberfísicos Teoría de Sistemas Control |
| Índice Dewey: |
005.8 Ciencia de los computadores (Programación, programas de sistemas) |
| Resumen: |
Este libro presenta un diseño entre capas para lograr seguridad y resiliencia para los CPS (sistemas ciberfísicos). Los autores interconectan varias herramientas y métodos técnicos para capturar las diferentes propiedades entre las capas física y cibernética. La Parte II de este libro cierra la brecha entre la criptografía y las herramientas de la teoría del control. Desarrolla un marco de criptocontrol personalizado para abordar la seguridad y la resiliencia en los problemas de control y estimación donde es posible la subcontratación de los cálculos. La Parte III de este libro cierra la brecha entre la teoría de juegos y la teoría del control y desarrolla estrategias de defensa de seguridad interdependientes conscientes del impacto y estrategias de control resilientes cibernéticas. Con el rápido desarrollo de las ciudades inteligentes, existe una creciente necesidad de integrar los sistemas físicos, desde infraestructuras a gran escala hasta pequeños sistemas integrados, con comunicaciones en red. La integración de los sistemas físicos y cibernéticos forma los Sistemas Ciberfísicos (CPS), que permiten el uso de tecnologías de información y control digitales para mejorar el monitoreo, operación y planificación de los sistemas. A pesar de estas ventajas, son vulnerables a ataques ciberfísicos, cuyo objetivo es dañar la capa física a través de la ciberred. Este libro también utiliza estudios de casos de sistemas autónomos, sistemas de control de trenes basados en comunicaciones, ciberfabricación y sistemas robóticos para ilustrar las metodologías propuestas. Estos estudios de caso tienen como objetivo motivar a los lectores a adoptar una perspectiva de sistema entre capas hacia los problemas de seguridad y resiliencia de sistemas grandes y complejos y desarrollar soluciones de dominio específico para abordar los desafíos de CPS. En este libro se describe un conjunto integral de soluciones para una amplia gama de desafíos técnicos en sistemas de control seguros y resilientes (muchos de los hallazgos de este libro son útiles para cualquiera que trabaje en ciberseguridad). Los investigadores, profesores y estudiantes de nivel avanzado que trabajan en informática e ingeniería encontrarán este libro útil como referencia o texto secundario. Los profesionales de la industria y los trabajadores militares interesados en la ciberseguridad también querrán comprar este libro. |
| Nota de contenido: |
Part I Motivation and Framework -- 1 Introduction -- 1.1 Cyber-Physical Systems and Smart Cities -- 1.2 New Challenges in CPS -- 1.3 Overview and Related Works -- 1.4 Outline of the book -- 2 Cross-Layer Framework for CPSs -- 2.1 Introduction to Cross-Layer Design -- 2.2 Cross-Layer Design: Connecting Cryptography and Control Theory -- 2.3 Cross-Layer Design: Connecting Game Theory with Control Theory -- 2.4 Cross-Layer Design under Incomplete Information -- 2.5 Conclusions -- Part II Secure Outsourcing Computations of CPS -- 3 New Architecture: Cloud-Enabled CPS -- 3.1 Promising Applications of CE-CPSs -- 3.1.1 Cloud-Enabled Robotics -- 3.1.2 Cloud-Enabled Smart Grids -- 3.1.3 Cloud-Enabled Transport Systems -- 3.1.4 Cloud-Enabled Manufacturing -- 3.2 New Security Requirements of CE-CPSs -- 3.3 Conclusion -- 4 Secure and Resilient Design of Could-Enabled CPS -- 4.1 New Challenges and Proposed Solutions of CE-CPS -- 4.2 Problem Statements -- 4.3 System Dynamics and MPC Algorithm -- 4.4 The Standard form of Quadratic Problem -- 4.4.1 Cloud Attack Models -- 4.4.2 The Framework of the proposed mechanism -- 4.5 Confidentiality and Integrity -- 4.5.1 Encryption Methods -- 4.5.2 Verification Methods -- 4.6 Availability Issues -- 4.6.1 Switching Mode Mechanism -- 4.6.2 Buffer Mode and Switching Condition -- 4.6.3 The Local Controller for the Safe Mode -- 4 4.7 Analysis and Experiments -- 4.8 Conclusions and Notes -- 5 Secure Data Assimilation of Cloud Sensor Networks -- 5.1 Introduction to CE-LSNs -- 5.2 Problem Formulation -- 5.2.1 System Model and the Outsourcing Kalman Filter -- 5.2.2 Challenges and Design Objectives -- 5.3 The Secure Outsourcing Data Assimilation -- 5.3.1 The Additive Homomorphic Encryption -- 5.3.2 The Homomorphic Observer -- 5.3.3 Customized Encryption for Outsourcing Computation -- 5.4 Analysis of the Efficiency and Security -- 5.4.1 Efficiency Analysis -- 5.4.2 Security Analysis -- 5.5 Analysis of Quantization Errors -- 5.6 Experimental Results -- 5.6.1 The Output of the Encrypted Information -- 5.6.2 The Impact of the Quantization Errors -- 5.7 Conclusions and Notes -- Part III Game-Theoretic Approach for CPS -- 6 Review of Game Theory -- 6.1 Introduction to Game Theory -- 6.2 Two-Person Zero-Sum Game Model -- 6.2.1 Formulation of the Zero-sum Game -- 6.3 Stackelberg Game Model -- 6.3.1 Formulation of the Stackelberg Game -- 6.3.2 Security Design based on Stackelberg Game -- 6.4 FlipIt Game Model -- 6.4.1 Formulation of FlipIt Game -- 6.4.2 Analysis of the FlipIt Game -- 6.5 Signaling Game with Evidence -- 6.6 Conclusion and Notes70 -- 7 A Game-Theoretic Approach to Secure Control of 3D Printers -- 7.1 New Challenges in Networked 3D Printers -- 7.2 Problem Formulation -- 7.2.1 The Dynamic Model of 3D Printing Systems -- 7.2.2 Physical Zero-Sum Game Framework -- 7.2.3 A Cyber-Physical Attack Model for 3D-printing Systems -- 7.2.4 The Cyber FlipIt Game Model -- 7.2.5 A Cyber-physical Stackelberg Game Model -- 7.3 Analysis of the Cyber-Physical Games -- 7.3.1 Analysis of the Physical Zero-SumGame Equilibrium -- 7.3.2 Analysis of the Cyber FlipIt Game Equilibrium -- 7.3.3 Analysis of the Cyber-Physical Stackelberg Game Equilibrium -- 7.4 Numerical Results -- 7.5 Conclusion and Notes -- 8 A Game Framework to Secure Control of CBTC Systems -- 8.1 Introduction to CBTC systems -- 8.2 Problem Formulation -- 8.2.1 The Physical Model of a Train System -- 8.2.2 Communication Model and Attack Model -- 8.3 Estimation Approach and Security Criterion -- 8.3.1 Physical Estimation Problem -- 8.3.2 Security Criterion for CBTC System -- 8.4 The Stochastic Game-Theoretic Framework -- 8.4.1 Cyber Zero-Sum Game -- 8.4.2 Analyzing the Equilibrium of the Game -- 8.4.3 Special Case Study: Two-Channel Game -- 8.4.4 Inter-dependency Between Physical and Cyber Layers -- 8.5 Experimental Results -- 8.5.1 The Results of Cyber Layer -- 8.5.2 The Results of Physical Layer -- 8.6 Conclusions and Notes -- 9 Secure Estimation of CPS with a Digital Twin -- 9.1 Using Digital Twin to Enhance Security Level in CPS -- 9.2 System Modelling and Characterization -- 9.2.1 System Model and Control Problem of a CPS -- 9.2.2 Kalman Filter Problem -- 9.2.3 Stealthy Estimation Attack -- 9.2.4 Digital Twin for the CPS -- 9.2.5 General Setup of Signaling Game with Evidence -- 9.3 Equilibrium Results of the Cyber SGE -- 9.3.1 SGE Setup for the CPSs -- 9.3.2 Best Response of the Players and a PBNE of the SGE -- 9.3.3 Estimated Loss Under the Stealthy Attack -- 9.4 Simulation Results -- 9.4.1 Experimental Setup -- 9.5 Conclusions and Notes -- 10 Introduction to Partially Observed MDPs -- 10.1 Preliminaries of POMDPs -- 10.1.1 Definition of a POMDP -- 10.1.2 Belief State Formulation of a POMDP -- 10.1.3 Stochastic Dynamic Programming -- 10.2 Algorithms for Infinite Horizon POMDPs -- 10.2.1 Piecewise Linear Property of POMDPs -- 10.2.2 Algorithms based on Markov Partition -- 10.3 Conclusions and Notes -- 11 Secure and Resilient Control of ROSs -- 11.1 New Challenges in Networked ROSs -- 11.2 Problem Formulation -- 11.2.1 The Outline of the Proposed Mechanism -- 11.2.2 The Physical Dynamics of a ROS agent -- 11.2.3 Attack Model: Data-Integrity Attack -- 11.2.4 The Lightweight MAC and the Estimated Delay -- 11.2.5 Physical-Aware Design of the Key Length -- 11.2.6 Cyber States and Cyber Actions -- 11.2.7 Stochastic Cyber Markov Decision Process -- 11.3 Cyber POMDP Formulation for ROSs -- 11.3.1 Basic Setups of the Cyber POMDP -- 11.3.2 Main Results of Cyber POMDP -- 11.3.3 Special Case of the Cyber POMDP -- 11.4 Experimental Results -- 11.4.1 Part I: Physical Performance -- 11.4.2 Part II: Cyber Performance -- 11.5 Conclusions and Notes -- Part IV Discussion of the Future Work -- 12 Future Work in Security Design of CPSs -- 12.1 Research Directions: Advanced Attack Models -- 12.1.1 Man-in-the-Middle Attack -- 12.1.2 Compromised-Key Attack -- 12.2 Research Directions: Data-Availability Issues in CPSs -- 12.2.1 Safe-Mode Mechanism -- 12.2.2 Availability of a Partially Compromised System -- 12.3 Conclusions -- Part V Appendix -- A Basics of Optimization -- A.1 Optimality conditions for unconstrained problems -- A.2 Optimality conditions for constrained problems -- B Basics of Linear-Quadratic Optimal Control -- B.1 Finite-Time Optimal Control Problem Formulation -- B.2 Infinite Horizon Optimal Control Problem Formulation -- B.3 Principle of Optimality -- B.4 Finite-Time Linear-Quadratic Optimal Control -- B.5 Infinite-Time Linear-Quadratic Optimal Control -- References -- Index. |
| En línea: |
https://link-springer-com.biblioproxy.umanizales.edu.co/referencework/10.1007/97 [...] |
| Link: |
https://biblioteca.umanizales.edu.co/ils/opac_css/index.php?lvl=notice_display&i |
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