网络物理系统中的网络安全：在嘈杂的LoRaWAN环境中检测无线干扰攻击

《ACM Transactions on Cyber-Physical Systems》：Cybersecurity in Cyber-Physical Systems: Wireless Jamming Attack Detection in Noisy LoRaWAN Environment

网络安全在关键基础设施的CPS中面临挑战，传统方法依赖物理层指标如RSSI，但存在检测精度不足和终端负载过高等问题。本文提出一种基于后台数据统计的检测框架，通过分析异常上传失败和通信故障的空间时间特征差异，实现移动干扰攻击的有效识别与轨迹重构。仿真结果显示，在密集网络环境下检测F1分数达1.00，轨迹误差MAE仅7.07米，且无需终端额外开销。

　　

摘要

在安全关键的数据通信基础设施中，网络安全对信息物理系统（CPS）构成了重大且亟待解决的挑战。尽管关于无线干扰的研究已经相当广泛，但在嘈杂的无线环境中有效检测攻击仍然十分困难。本文提出了一种新颖的框架，用于检测基于LoRaWAN的信息物理系统中的移动干扰攻击，该框架能够在通信故障存在的情况下保持稳健运行。与传统方法不同，传统方法依赖于终端设备的物理层指标（如RSSI），而我们的策略仅使用后端网络服务器可获取的数据上传统计信息。我们采用了一种多阶段过滤方法：首先识别异常的数据上传失败，然后通过分析干扰攻击与通信故障的独特时空特征来区分它们。此外，该框架还能够根据检测到的攻击事件重建攻击者的轨迹。我们通过在不同网络密度和攻击者速度条件下进行的大量离散时间仿真来评估这一策略的有效性。结果显示，在密集网络中，即使在存在故障的情况下，该策略也能实现高达1.00的F1分数（事件检测准确率）以及低至7.07米的轨迹重建平均绝对误差（MAE）。本研究的主要贡献是一种以后端为中心的、具有容错能力的检测方法，能够在不对资源有限的终端设备造成额外负担的情况下提升态势感知能力。