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DOS攻击下饱和脉冲多智能体系统的安全定制化一致性

2025-02-20 16:42阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/1304706164

引用本文

胡翔, 熊余, 张祖凡. DOS攻击下饱和脉冲多智能体系统的安全定制化一致性. 自动化学报, 2024, 50(12): 2499−2512 doi: 10.16383/j.aas.c240203
Hu Xiang, Xiong Yu, Zhang Zu-Fan. Security customization consensus of multi-agent systems based on saturation impulse under DOS attacks. Acta Automatica Sinica, 2024, 50(12): 2499−2512 doi: 10.16383/j.aas.c240203
http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.c240203

>关键词

多智能体系统，安全定制化一致性，饱和脉冲，拒绝服务攻击，切换拓扑

摘要

提出并解决一种饱和脉冲多智能体系统在拒绝服务(Denial of service, DOS)攻击环境中的安全定制化一致性控制问题. 首先引入微分机制和加权策略, 构建一种带可调参数一致性模式项的系统模型, 以满足复杂场景对一致性的定制化需求. 其次结合饱和效应和脉冲机制, 为系统设计一种满足执行器功率受限约束的饱和脉冲控制协议. 再次采用切换拓扑分析DOS攻击下系统的网络拓扑结构, 并采用李雅普洛夫稳定性和矩阵测度理论, 得到系统实现安全定制化一致性的充分条件. 最后通过仿真实验和对比分析, 验证了所提理论的有效性和优越性.

文章导读

近年来, 随着工业复杂度的增加和信息技术的发展, 多智能体系统一致性理论得到广泛关注, 并被用于网络资源分配[1−2]、机器人协作[3−4]、智能交通[5−6]等领域.

模型构建是研究多智能体系统的首要任务, 学者们根据具体一致性目标来构建与之匹配的模型, 得出一些认可度较高的经典模型范式[7−11]. 为实现平均一致性目标, 文献[7]构建一种带节点间状态差项的线性多智能体系统模型, 能较准确地模拟系统中节点的相互作用. 文献[8]研究一种同时考虑位移和速度的多智能体系统, 并为其构建一种非线性系统模型, 使其平均一致性控制的实现得以保证. 文献[9]研究一种线性多智能体系统, 为对其实现领导跟随一致性控制, 引入跟随者节点与领导者节点间状态差项来构建系统模型. 文献[10]研究一种带牵制节点的多智能体系统, 其构建的系统模型兼顾牵制节点数量和系统规模, 能高效地实现预设的领导跟随一致性控制. 文献[11]研究一种具有随机网络拓扑的非线性多智能体系统模型, 并能在其设计的反馈控制方案下实现领导跟随一致性控制. 目前相关研究在构建系统模型时, 几乎均基于单一致性目标, 通常仅能实现平均一致性或领导跟随一致性模式中的一种, 忽略了复杂场景对一致性模式的定制化需求问题. 鉴于此, 本文第一个研究动机是引入微分机制和加权策略构建一种带可调参数一致性模式项的系统模型, 能通过参数的调节定制化实现多种一致性模式, 以科学地解决该问题.

控制协议的设计是多智能体系统领域的重要环节, 也是多智能体系统实现一致性控制的必要措施[12−17]. 文献[12]为一高阶多智能体系统设计了一种自适应全分布式比例−积分−微分(Proportional-integral-derivative, PID)控制协议, 使系统一致性控制目标得到高效实现. 文献[13]研究一类线性多智能体系统, 并为其设计一种事件触发控制协议, 能实现基于系统输出的一致性控制. 文献[12−13]所设计的控制协议属于连续时间控制协议, 这类控制协议具有高效率的优点, 但长时间的控制输入通常会消耗大量的能量. 于是, 一些学者尝试采用离散时间控制协议来研究多智能体系统的一致性控制, 其中脉冲控制协议因具有效率高、鲁棒性强和能耗低的优点, 受到广泛关注. 文献[14]研究一种二阶多智能体系统的领导跟随一致性问题, 其采用仅基于采样位移信息的脉冲控制协议来进行控制实现. 文献[15]设计一种带时间窗口的脉冲控制协议, 并将其作用于一类随机非线性多智能体系统, 能实现系统的准一致性控制. 文献[16]研究一种基于半马尔科夫过程的非线性多智能体系统, 并为其设计一种依赖网络拓扑信息的脉冲控制协议, 能实现预设的领导跟随一致性. 文献[17]研究一种在通信延迟环境下的多智能体系统, 并为其设计一种分布式脉冲控制协议, 能实现高效一致性控制. 值得注意的是, 上述脉冲控制协议容易使系统在脉冲输入时刻产生状态大幅度跳变现象, 这要求智能体控制器需具备大功率输出性能, 导致相关理论难以适用于一些控制器具有功率受限约束的应用场景. 鉴于此, 本文第二个研究动机是结合脉冲机制和饱和效应, 设计一种饱和脉冲控制协议来解决控制器的功率受限约束问题.

网络通信是智能体节点耦合成多智能体系统的主要方式, 也是系统节点相互作用的基础[18−22]. 文献[18]研究一类二阶多智能体系统的跨维一致性协同问题, 系统节点间采用一种考虑信息传输方向的网络通信方式. 文献[19]主要研究一类非线性多智能体系统的领导跟随一致性, 作者采用无向图来模拟系统节点间通信的网络拓扑结构. 文献[20]采用一种带时延的有向网络拓扑来分析多智能体系统节点间的通信过程, 并结合频域法得出系统实现渐近一致性的条件. 为求解局部线性约束凸优化问题, 文献[21]提出一种基于积分反馈的多智能体系统分布式增益算法, 系统节点间采用一种无向网络拓扑进行通信. 文献[22]研究一种具有Lipschitz非线性动力学的多智能体系统协同问题, 且该系统采用了一种较为理想化的有向网络拓扑. 目前大部分相关研究在分析节点间通信时, 未考虑如DOS攻击等网络安全问题, 导致它们的理论无法适用于存在安全威胁的通信场景中. 鉴于此, 本文第三个研究动机是引入切换拓扑来分析DOS攻击场景中的节点通信过程, 以解决多智能体系统在存在DOS安全威胁通信场景中的适用问题.

本文主要贡献为: 1)在构建的系统模型中, 引入微分机制和带加权策略的可调参数一致性模式项, 能通过参数的调节定制化实现多种一致性模式. 2)结合脉冲机制和饱和效应, 设计一种兼顾高效率、低能耗和控制器功率受限约束的饱和脉冲控制协议. 3)引入切换拓扑来分析DOS攻击场景中的节点通信过程, 解决多智能体系统在存在DOS安全威胁通信场景中的适用问题.

内容安排如下: 本文第1节将对所提多智能体系统的安全定制化一致性控制问题进行详细描述, 涉及系统模型、饱和脉冲控制协议、DOS攻击模型等内容, 并为多智能体系统构建所对应的误差系统. 第2节为本文主要结论, 通过对误差系统稳定性的分析, 得出多智能体系统实现安全定制化一致性控制的充分条件. 第3节给出一系列仿真实验, 并与相关研究进行对比分析, 使本文理论的有效性和优越性得到验证. 最后, 第4节对全文进行总结与展望.
DOS攻击下饱和脉冲多智能体系统的安全定制化一致性
图 1 DOS攻击模型
DOS攻击下饱和脉冲多智能体系统的安全定制化一致性
图 2 实验1网络拓扑情况
DOS攻击下饱和脉冲多智能体系统的安全定制化一致性
图 3 实验1脉冲时刻分布

本文研究了一种DOS攻击下饱和脉冲多智能体系统的安全定制化一致性控制方案. 我们构建一种带可调参数一致性模式项的系统模型, 实现对一致性的定制化功能, 采用切换拓扑技术分析DOS攻击下系统的网络拓扑结构, 并设计了一种饱和脉冲控制协议, 高效地实现了系统的安全定制化一致性控制目标. 在未来, 我们还将探究在多种混合网络攻击下的定制化一致性控制问题, 并考虑将本文可调参数一致性模式项 “$ {p_i}(t) - \varepsilon_1\frac{1}{n}\sum_{j = 1}^n {p_j}(t)\;- \varepsilon_2{p_0}(t) $”中的参数$ \varepsilon_1 $和$ \varepsilon_2 $设置为按一定规则进行时变的形式$ \varepsilon_1(t) $和$ \varepsilon_2(t) $, 进一步结合有限时间稳定等机制来设计控制协议, 从而拓展出能在多种一致性模式之间高效转化的“在线一致性调节方式”, 以促进多智能体协同领域的发展.

作者简介

胡翔
重庆邮电大学讲师. 2022年获得重庆邮电大学博士学位. 主要研究方向为多智能体协同与智能控制技术. 本文通信作者. E-mail: huxiang@cqupt.edu.cn

熊余
重庆邮电大学研究员. 2014年获得重庆大学博士学位. 主要研究方向为模式识别与机器学习. E-mail: xiongyu@cqupt.edu.cn

张祖凡
重庆邮电大学教授. 2007年获得电子科技大学博士学位. 主要研究方向为无线移动通信理论与技术. E-mail: zhangzf@cqupt.edu.cn

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