Cyber-physical systems, such as self-driving cars or autonomous aircraft, must defend against attacks that target sensor hardware. Analyzing system design can help engineers understand how a compromised sensor could impact the system's behavior; however, designing security analyses for cyber-physical systems is difficult due to their combination of discrete dynamics, continuous dynamics, and nondeterminism. This paper contributes a framework for modeling and analyzing sensor attacks on cyber-physical systems, using the formalism of hybrid programs. We formalize and analyze two relational properties of a system's robustness. These relational properties respectively express (1) whether a system's safety property can be influenced by sensor attacks, and (2) whether a system's high-integrity state can be affected by sensor attacks. We characterize these relational properties by defining an equivalence relation between a system under attack and the original unattacked system. That is, the system satisfies the robustness properties if executions of the attacked system are appropriately related to executions of the unattacked system. We present two techniques for reasoning about the equivalence relation and thus proving the relational properties for a system. One proof technique decomposes large proof obligations to smaller proof obligations. The other proof technique adapts the self-composition technique from the literature on secure information-flow, allowing us to reduce reasoning about the equivalence of two systems to reasoning about properties of a single system. This technique allows us to reuse existing tools for reasoning about properties of hybrid programs, but is challenging due to the combination of discrete dynamics, continuous dynamics, and nondeterminism. To evaluate, we present three case studies motivated by real design flaws in existing cyber-physical systems.


翻译:自动驾驶汽车或自主飞机等网络物理系统必须防范针对传感器硬件的攻击。分析系统设计可以帮助工程师理解一个被破坏的传感器会如何影响系统的行为;然而,由于网络物理系统由离散动态、连续动态和非确定性组合构成,因此设计这些系统的安全分析是困难的。本文提供一个框架,用于模拟和分析对网络物理系统的传感器攻击,使用混合程序的形式主义。我们正式确定和分析一个系统稳健性的两个关联性。这些关系性能分别表明:(1)系统的安全性能是否会受到传感器攻击的影响,以及(2)系统高度完整性状态是否会受到传感器攻击的影响。我们通过界定攻击系统与原未受攻击系统之间的等同关系,来描述这些关系性能。这个系统满足了强性性,如果被攻击系统的处决与我们未受攻击的系统的执行有适当关系。我们提出了两种解释等同性关系的技术,从而证明一个系统的关联性能属性是否受到感应受到感应感应感应的影响,以及(2)一个系统的高度完整性状态状态状态是否受到感应受到感应受到传感器攻击的影响;以及(2)一个系统的高度完整性的特性状态状态状态状态,让我们从大规模证明技术标准的自我推论度到推理判断到推论论论论论论论论论论论论论,使现有系统的自我推论理,使现有系统与现有系统,使本身法系的自我推论理,使现有系统可以使自身推论理法理法系的情理法系,使本身法系,使系统可以使现有的法系的系统变成为推论理法理法理法系,使其推论理,使现有法系的精确法理,使现有法理法理,使现有法系变为推论理法理,使现有法系的法系的法系的法系的理,使现有法系变为推论理法系的法系的法系的推论理,使系统可以使,使系统能,使系统可以使,使,使,使其推论论理,使使使其理,使本身法系的法系的推论理,使本身法系的法系的法系的法系的法系的法系的法系的法系的法系的法系的法系的法系的法系的法系的法系的法系的法系可以使现有法

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