Ασφάλεια και προστασία διαδικασιών πραγματικού χρόνου
Authors: Σιαδήμας Βασίλειος 
Published: November 2021

Η εξέλιξη της τεχνολογίας έχει επιφέρει μεγάλες αλλαγές στη ζωή των ανθρώπων. Κάθε μεγάλη αλλαγή όμως μαζί με τα πλεονεκτήματα θέτει ταυτόχρονα και νέα προβλήματα προς επίλυση. Η ραγδαία εξέλιξη της τεχνολογίας λοιπόν με τις εφαρμογές που αποτελούν αναπόσπαστο κομμάτι της ανθρώπινης ευημερίας δημιούργησε ταυτόχρονα νέους κινδύνους και νέες απειλές. Η εξέλιξη αυτή οδήγησε στη σημερινή κατάσταση όπου οι επιθέσεις γίνονται ολοένα και πιο συχνά στον κυβερνο- χώρο. Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την ασφάλεια και προστασια συστημάτων πραγ- ματικού χρόνου με έμφαση στις κρίσιμες υποδομές. Συγκεκριμένα, παρουσιαζονται μεθοδολογίες οι οποίες αναγνωρίζουν επιθέσεις έγχυσης δεδομένων (false data injection (FDI)) σε καθορισμένο- φραγμένο χρόνο στην περιοχή των κρίσιμων υποδομών. Παρουσιάζονται μεθοδολογίες για συστήματα και εφαρμογές στον τομέα της ηλεκτρικής ενέργειας και στο δίκτυο διανομής νερού. Εκτός της ανίχνευσης κυβερνο-επιθέσεων (FDI) οι αλγόριθμοι είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικοί και χρήσιμοι για την ανίχνευση πιθανών βλαβών αλλά και για περαιτέρω διερεύνηση όσον αφορά την απομόνωση τους σε πιθανό υποσύστημα της συνολικής εφαρμογής. Στα πλαίσια της διατριβής χωρίζουμε τα συστήματα μας σε δύο μεγάλες κατηγορίες. Η μία κατηγορία αφορά την περίπτωση το σύστημα περιγράφεται με πλήρες μαθηματικό μοντέλο, ενώ η άλλη όταν μας δίνονται δεδομένα εισόδου-εξόδου του συστήματος. Στην πρώτη κατηγορία η υλοποίηση των μεθοδολογιών επαληθεύεται μέσα από εφαρμογές τόσο στην περιοχή της ενέργειας όσο και στην περιοχή του δικτύου διανομής νερού. Παρουσιάζονται, λοιπόν, αποτελέσματα για τα συστήματα αεριοστρόβιλου με σύγχρονη μηχανή, για τους τριφασικούς μετατροπείς, για τη μονάδα της ανεμογεννήτριας, για το σύστημα του ατμοστρόβιλου με τη σύγχρονη γεννήτρια και για το σύστημα τετραπλής δεξαμενής νερού. Στη δεύτερη κατηγορία, αντίστοιχα, γίνεται επαλήθευση της υλοποίησης που εκτελείται με χρήση νευρωνικών δικτύων σε εφαρμογές στην περιοχή των κρίσιμών υποδομών και συγκεκριμένα στην περιοχή της ενέργειας. Παρουσιαζονται αποτελέσματα για το σύστημα μετατροπής ηλεκτρικής ε- νέργειας και για τις γραμμικές σύγχρονες μηχανές. Τέλος, παρουσιάζεται μια επιπλέον μια επιπλέον χρήσιμη μεθοδολογία που ανιχνεύει με μεγάλη αποτελεσματικότητα την «έξυπνη» επίθεση έγχυσης ψευδών δεδομένων με χρήση αλγορίθμων αραι- ής βελτιστοποίησης. Επαλήθευση και εφαρμογή της αποτελεσματικότητας υλοποιείται στο μοντέλο IEEE-118 buses (σύστημα 118 ζυγών). Πρόκειται μια επίθεση που δεν είναι διακριτή από τις προη- γούμενες μεθοδολογίες.Τα παραπάνω συστηματα και εφαρμογές είναι κρίσιμων υποδομών ενώ η υλοποίηση των μεθο- δολογιών που αναπτύξαμε οδηγεί αποτελεσματικα σε υλοποιήσεις που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση τόσο της επίθεσης έγχυσης ψευδών δεδομένων όσο και για τα σφάλματα-βλάβες εκτελούνται με μεγάλη ταχύτητα γεγονός που προσδίδει στο λογισμικό τη χρήσιμη ιδιότητα να ανιχνεύει τις συγκεκριμένες κυβερνο-επιθέσεις σε σχεδόν πραγματικό χρόνο. Με βάση τα παραπάνω η διατριβή οργανώνεται ως ακολούθως. Το Κεφάλαιο 1 παρέχει μια συνοπτική και περιεκτική εισαγωγή στα κυβερνο-φυσικά συστήματα, με έμφαση στις κρίσιμες υποδομές, αλλά και στα προβλήματα ασφάλειας και προστασίας. Στο Κεφάλαιο 2, γίνεται μια εκτενή αναφορά στις αστοχίες και βλάβες καθώς και στις κυβερνο-επιθέσεις που αντιμετωπίζονται στα πλαίσια της διατριβής, καθώς και η ανάγκη για μεθοδολογία ανίχνευσης αυτών. Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζονται οι μεθοδολογικές προσεγγίσεις που προτείνονται στα πλαίσια της διατριβής. Στο Κεφάλαιο 4, λύνεται το πρόβλημα της μη γραμμικής εκτίμησης κατάστασης και μη γραμμικής διαγνωστικής βλαβών και κυβερνο-επιθέσεων όταν υφίσταται μαθηματικό μοντέλο του συστήματος, καθώς και τα αντίστοιχα αποτελέσματα των σχετικών δημοσιεύσεων. Στο Κεφάλαιο 5 λύνεται το πρόβλημα της μη παραμετρικής εκτίμησης και μη γραμμικής διαγνωστικής βλαβών και κυβερνο-επιθέσεων όταν δεν υπάρχει το μαθηματικό μοντέλο, με χρήση νευρωνικών δικτύων, καθώς και τα αντίστοιχα αποτελέσματα των σχετικών δημοσιεύσεων. Στο Κεφάλαιο 6 παρουσιάζεται ανάλυση και σύγκριση αλγορίθμων που ανιχνεύουν μια «έξυπνη» επίθεση FDI (όταν η επίθεση ανήκει στο μηδενοχώρο) με μεθοδολογία βελτιστοποίησης αραιών (sparse) πινάκων, καθώς και τα αντίστοιχα αποτελέσματα των σχετικών δημοσιεύσεων. Το Κεφάλαιο 7 παρουσιάζει συμπεράσματα και μελλοντικές κατευθύνσεις.