Kontrolle in cyber-physischen Systemen sichern

In der heutigen Welt ist es super wichtig, Informationen zu schützen, besonders in Systemen, die physische Geräte und Computer kombinieren. Diese Systeme können Ziel von Angriffen werden, die ernsthaften Schaden verursachen können. Verschlüsselungssteuerung ist eine Methode, die es Controllern ermöglicht, diese Systeme zu verwalten, während die Daten sicher bleiben. Durch die Verwendung spezieller Arten von Verschlüsselung können Controller direkt mit verschlüsselten Daten arbeiten, ohne sie entschlüsseln zu müssen, was hilft, die Privatsphäre während des gesamten Prozesses zu wahren.

In diesem Papier wird eine Methode vorgestellt, um Controller für lineare dynamische Systeme zu verschlüsseln. Diese Methode erlaubt mehrere Operationen auf verschlüsselten Daten, ohne die Verschlüsselung zurückzusetzen. Einfach gesagt, ermöglicht es Controllern, viele Berechnungen mit Daten durchzuführen, während diese Daten vor Aussenstehenden geschützt bleiben.

#Herausforderungen bei der Verschlüsselungssteuerung

Bei der Verwendung von verschlüsselter Steuerung treten mehrere Herausforderungen auf, insbesondere in Bezug darauf, wie Daten gehandhabt werden. Viele Steuerparameter sind reelle Zahlen, die für die Verschlüsselung in ganze Zahlen umgewandelt werden müssen. Dieser Umwandlungsprozess kann zu Problemen führen, da die Datengrösse schnell wachsen und die Grenzen des Verschlüsselungssystems überschreiten kann.

Ein weiteres Problem betrifft die Akkumulation von Fehlern in den Daten. Wenn Operationen mehrfach durchgeführt werden, können Fehler sich anhäufen und die Leistung des Steuersystems beeinträchtigen. Frühere Methoden verwendeten zusätzliche Techniken, um mit diesen Fehlern umzugehen, aber solche Techniken können in Echtzeitanwendungen unpraktisch sein.

#Unser Ansatz

Wir schlagen eine neue Methode vor, um lineare dynamische Controller zu verschlüsseln. Unsere Methode erlaubt mehrere Berechnungen auf den verschlüsselten Daten, ohne die Verschlüsselung zurückzusetzen. Das ist möglich, weil wir eine spezielle Art von Verschlüsselung verwenden, die auf polynomiellen Ringen basiert und Fehler auf eine kontrollierbare Weise einführt.

Die Grundidee ist, dass nur bestimmte Teile der Fehler, speziell die konstanten Terme, für die Leistung des Controllers wichtig sind. Diese Teile können durch Stabilität im Regelkreis verwaltet werden, was bedeutet, dass selbst wenn andere Teile der Fehler gross werden, sie die Leistung des Systems nicht unbedingt beeinträchtigen.

#Schlüsselkomponenten

#Verschlüsselungsmethode

Die Verschlüsselungsmethode, die wir verwenden, beinhaltet das Erstellen von Polynomen, die die Daten darstellen. Dadurch kann der Controller Operationen auf verschlüsselten Daten durchführen, ohne sie vorher entschlüsseln zu müssen. Unsere Methode umfasst auch einen Packalgorithmus, der mehrere Datenstücke in ein einzelnes Polynom kombiniert. Dadurch wird die Anzahl der benötigten Operationen reduziert und die Effizienz der Speichernutzung verbessert.

#Packalgorithmus

Der Packalgorithmus ist ein grundlegender Bestandteil unseres Ansatzes. Indem wir mehrere Nachrichten in einem Polynom speichern, können wir Operationen auf vielen Datenstücken gleichzeitig durchführen. Das beschleunigt nicht nur die Berechnungen, sondern nutzt auch die Speicherressourcen besser.

Wenn Daten durch diesen Algorithmus verarbeitet werden, bleiben sie während des gesamten Prozesses verschlüsselt. Das bedeutet, dass die Daten auch während der Manipulation für Steuerungszwecke vor potenziellen Bedrohungen geschützt bleiben.

#Auswirkungen von Fehlern

Fehler sind ein grosses Anliegen in jedem Steuersystem, besonders wenn Verschlüsselung im Spiel ist. In unserem Ansatz zeigen wir, dass das Wachstum dieser Fehler durch die Stabilität des Steuersystems innerhalb sicherer Grenzen gehalten werden kann.

Wir haben festgestellt, dass, solange die Parameter richtig gewählt sind, die Leistung des verschlüsselten Controllers konstant bleiben kann, unabhängig davon, wie viele Berechnungen durchgeführt werden. Das bedeutet, dass es möglich ist, die Steuerungsprozesse effizient zu verwalten, ohne die Notwendigkeit für eine erneute Verschlüsselung.

#Simulationsresultate

Um die Wirksamkeit unserer Methode zu demonstrieren, haben wir Simulationen mit einem Modell eines Flugzeugs durchgeführt. Das Modell wurde an spezifische Flugbedingungen angepasst und verschiedene Einstellungen für den verschlüsselten Controller getestet.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Leistung unserer Methode der verschlüsselten Steuerung während der Tests innerhalb akzeptabler Grenzen blieb. Die Kombination unseres Packalgorithmus mit der auf Ring-LWE basierenden Verschlüsselung ermöglichte eine effiziente Leistung, ohne die Sicherheit zu gefährden.

#Fazit

Wir haben eine neue Methode vorgestellt, um lineare dynamische Controller mit einer spezifischen Art von Verschlüsselung zu verschlüsseln, die mehrere Berechnungen unterstützt, ohne die Verschlüsselung zurücksetzen zu müssen. Das ermöglicht es Controllern, Privatsphäre und Sicherheit zu wahren, während sie ihre notwendigen Funktionen in cyber-physischen Systemen ausführen.

Durch den Fokus auf die Stabilität des Steuersystems und die Nutzung innovativer Techniken wie eines Packalgorithmus haben wir zentrale Herausforderungen in der verschlüsselten Steuerung effektiv angegangen. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass diese Methode praktisch für Echtzeitanwendungen ist und die Sicherheit kritischer Systeme erheblich verbessern kann.