Báo cáo technical writing and presentation Đề tài communication attack analysis of multi agent system over widearea network

LỜI NÓI ĐẦU Trong thời đại phát triển mạnh mẽ của các hệ thống phân tán và công nghệ điều khiển thông minh, các hệ thống đa tác tử Multi-Agent Systems – MASs ngày càng đóng vai trò quan

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Trường Điện – Điện tử

Báo cáo: Technical writing and presentation

Đề tài:

Communication attack analysis of multi-agent system over

wide-area network

Giảng viên hướng dẫn: Lưu Quang Trung

Sinh viên thực hiện: 1 Cù Văn Khương 20224027

2 Nguyễn Tiến Minh 20224068

3 Hoàng Minh Quang 20214048

4 Nguyễn Bá Minh 20224063

5 Lê Duy Tuấn 20213736

Hà Nội, 5-2025

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời đại phát triển mạnh mẽ của các hệ thống phân tán và công nghệ điều khiển thông minh, các hệ thống đa tác tử (Multi-Agent Systems – MASs) ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý, điều phối và tối ưu hóa hoạt động của các mạng lưới quy mô lớn, đặc biệt là trong các lĩnh vực như lưới điện thông minh, giao thông thông minh và hệ thống cảm biến phân tán Tuy nhiên, sự phụ thuộc vào các kênh truyền thông không dây cũng làm gia tăng nguy cơ bị tấn công mạng, điển hình là các hình thức tấn công từ chối dịch vụ (DoS) hay giả mạo trung gian (MITM)

Trong khuôn khổ môn học Technical Writing and Presentation, em chọn đề tài:

" Analysis of Communication Attack Impact in Clustered Multi-Agent Systems over Wide-Area Networks" Báo cáo này tập trung làm rõ cách mà các cuộc tấn công

vào liên kết truyền thông giữa các tác tử có thể làm gián đoạn quá trình đồng thuận toàn cục của hệ thống, từ đó ảnh hưởng đến sự ổn định và hiệu suất hoạt động chung

Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Lưu Quang Trung đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ chúng em trong thời gian qua để hoàn thiện đề tài này

i

MỤC LỤC

Contents

1.1 Bối cảnh ii

1.2 Hệ thống đa tác vụ (Multi-Agent System - MAS) ii

1.3 Vấn đề bảo mật iii

1.4 Định hướng nghiên cứu iii

1.5 Mục tiêu iii

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH THUẬT TOÁN 1 2.1 Tổng quan vấn đề 1

2.2 Cấu trúc mạng lưới 1

2.3 Đồ thị tổng hợp 1

2.4 Mô hình động lực học các tác tử 2

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH CUỘC TẤN CÔNG 3 3.1 Biểu diễn kết nối có trọng số giữa các leader 3

3.2 Ma trận Laplacian của mạng được chia thành các mạng con 4

3.3 Ma trận ngẫu nhiên 𝑷𝒆 4

3.4 Mô hình động lực học của mạng diện rộng 5

3.5 Định lý ( Theorem ) và Phân tích Chi Tiết 5

3.5.1 Trường hợp 1: Không có tấn công f(t) = 0 6

3.5.2 Trường hợp 2: Tấn công liên tục f(t) ≠ 0 6

3.5.3 Trường hợp 3: Tấn công tạm thời 7

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG 8 4.1 Mạng nhỏ 8

4.2 Mạng lớn 10

4.3 Kết luận 12

ii

I Phân chia công việc

Nguyễn Tiến Minh Tìm nội dung, làm báo cáo

Hoàng Minh Quang Làm Slide, thuyết trình

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

1.1 Bối cảnh

• Mạng diện rộng (Wide-Area Network - WAN) là hệ thống kết nối nhiều cụm mạng nhỏ (clusters), giúp các thiết bị/tác tử (agents) ở xa có thể giao tiếp

• So với mạng cục bộ (LAN), WAN có phạm vi rộng hơn, phức tạp hơn, và được ứng dụng trong các hệ thống lớn như:

o Lưới điện thông minh (Smart grids)

o Phương tiện giao thông thông minh

o Hệ thống năng lượng phân tán (Microgrids)

1.2 Hệ thống đa tác vụ (Multi-Agent System - MAS)

• MAS là một tập hợp các "tác tử thông minh" (agents) có khả năng giao tiếp và phối hợp để hoàn thành một nhiệm vụ chung

• Trong MAS, đồng thuận (consensus) là cơ chế mà tại đó các tác tử dần đạt được cùng một trạng thái hoặc quyết định, ví dụ:

iii

o Xe tự lái chạy cùng tốc độ

o Các nhà máy điện phân chia công suất đều

• Việc đồng thuận cần giao tiếp giữa các tác tử, chủ yếu qua mạng không dây

1.3 Vấn đề bảo mật

• Giao tiếp không dây dễ bị tấn công mạng như:

o MITM (Man-in-the-Middle): kẻ tấn công đứng giữa 2 tác tử, giả mạo

và chỉnh sửa thông tin

o DoS (Denial-of-Service): ngắt kết nối, làm gián đoạn luồng thông tin giữa các tác tử

1.4 Định hướng nghiên cứu

• Chia hệ thống MAS thành nhiều cụm (clusters) — mỗi cụm có các tác tử giao tiếp nội bộ liên tục và một leader đại diện để giao tiếp với cụm khác

• Xây dựng mô hình tấn công vào liên kết truyền thông, sau đó:

o Phân tích bằng lý thuyết ma trận và đồ thị

o Chứng minh định lý: một tấn công duy nhất cũng có thể phá vỡ toàn bộ sự đồng thuận

• Mô phỏng (simulation) để minh họa kết quả và xác nhận phân tích lý thuyết

1.5 Mục tiêu

• Phân tích ảnh hưởng của tấn công truyền thông lên hệ thống MAS trong mạng WAN

• Tìm hiểu xem một tấn công duy nhất có thể gây ra điều gì cho toàn hệ thống

• Xây dựng nền tảng toán học cho các giải pháp phát hiện/phòng chống tấn công sau này

1

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH THUẬT TOÁN

2.1 Tổng quan vấn đề

Trong bài báo, tác giả nghiên cứu một mạng lưới quy mô lớn

(wide-area network) được chia thành nhiều cụm nhỏ gọi là clusters Mỗi cụm gồm

nhiều tác tử (agents) tương tác với nhau liên tục, và mỗi cụm có một tác tử

đóng vai trò “leader” (tác tử trưởng nhóm) Các leader này sẽ giao tiếp với

nhau tại những thời điểm xác định để phối hợp hoạt động toàn hệ thống

Tuy nhiên, các kênh truyền thông giữa các tác tử (đặc biệt là giữa các leader) có thể bị tấn công (ví dụ: chèn tín hiệu sai lệch hoặc chặn tín hiệu) Phần này xây dựng mô hình để mô phỏng và phân tích xem nếu một đường truyền

bị tấn công, hệ thống còn hoạt động đúng không, có đạt được sự “đồng thuận”

(consensus) giữa các tác tử hay không

2.2 Cấu trúc mạng lưới

• Toàn hệ thống có N tác tử Các tác tử này được chia thành r cụm

(clusters), ký hiệu là 𝐶1, 𝐶2, … , 𝐶𝑟.

• Trong mỗi cụm, các tác tử tương tác với nhau theo một đồ thị có hướng

và liên thông mạnh (strongly connected directed graph)

• Mỗi cụm có một leader Leader của cụm này chỉ giao tiếp với leader của các cụm khác, và chỉ tại một số thời điểm rời rạc 𝑡𝑘 nào đó

• Các tác tử còn lại gọi là followers, và được giả định là luôn có liên kết

với leader trong cụm của mình

2.3 Đồ thị tổng hợp

• Đồ thị tổng hợp của mạng phân cụm được mô tả bởi 𝐺𝑘 = (𝑣, 𝜀(𝑘)) trong đó:

o 𝑉 = 𝑈𝑎=1𝑟 𝑉𝑎 là tập hợp tất cả các nút

o 𝜀(𝑘) = 𝑈𝑎=1𝑟 𝜀𝑎 ∪ 𝜀𝑐(𝑘) là tập hợp tất cả các cạnh (trong cụm và giữa các cụm)

• Thứ tự của các nút

2

𝑉𝑘 = {𝑙𝑘, 𝑓𝑟𝑘−1𝑓𝑟𝑘−1+ 2, … , 𝑓𝑟𝑘} ∀𝑘 ∈ (1, … , 𝑟) với 𝑟0 = 0, 𝑟𝑟 = 𝑁, |𝑉𝑘| = 𝑟𝑘 −

𝑟𝑘−1, ∀𝑘 ≥ 1

Hình minh họa một mạng phân cụm gồm 3 cụm dưới tấn công Trong ví dụ này, chỉ cần tấn công một nút trong Cụm 1 là đủ để phá vỡ thuật toán đồng thuận

2.4 Mô hình động lực học các tác tử

• Xét hệ thống gồm N tác tử phân tán trong r cụm Động lực học của tác tử thứ i được mô tả bằng phương trình: 𝑝̇𝑖(𝑡) = 𝑈𝑖(𝑡) (1) trong đó :

o 𝑝̇𝑖 là các trạng thái của tác tử i

o 𝑈𝑖: là đầu vào điều khiển

• Luật điều khiển phân tán dưới tác động tấn công

𝑈𝑖(𝑡) = ∑ 𝑤𝑖𝑗

𝑁 𝑗=1

[𝑝𝑗(𝑡) − 𝑝𝑖(𝑡)]+𝐸𝑖𝑗(ⅈ,1)𝑓(𝑡), 𝑡𝜖[𝑡𝑘

𝑙1,𝑡𝑘

𝑙𝑖+1) (2) trong đó:

o 𝑤𝑖𝑗 là trọng số liên kết ⅈ, 𝑗

o 𝑓(𝑡) : là tín hiệu tấn công Khi không có tấn công 𝑓(𝑡) = 0, khi có tấn công 𝑓(𝑡) ≠ 0

3

o 𝐸𝑖𝑗 ma trận 𝑁 × 1 với tất cả phần tử =0 trừ 1 phân tử 𝐸𝑖𝑗(ⅈ,1)=𝑤𝑖𝑗 (chỉ xảy ra 1 tấn công tại 1 thời điểm)

• Cập nhập trạng thái của các Leader sau tương tác

𝑝𝑙𝑖(𝑡𝑘

𝑙𝑖

+ ) = 𝑝𝑙𝑖 (𝑡𝑘

𝑙𝑖)- ∑𝑟 𝑤𝑙𝑖,𝑙𝑗(𝑘)

𝑗=1

[𝑝𝑙𝑖(𝑡𝑘

𝑙𝑖) - 𝑝𝑙𝑗(𝑡𝑘

𝑙𝑗)] , 𝑡 = 𝑡𝑘𝑙𝑖 (3)

o 𝑤𝑙𝑖,𝑙𝑗(𝑘) là phần tử của ma trận trọng số kề 𝐴𝑙(𝑘) = [𝑊𝑙(𝑖,𝑗)(𝑘)]

Từ (1), (2) và (3) động lực học tổng thể của hệ thống dưới tấn công được mô tả

{

𝑝̇𝑖(𝑡) = ∑ 𝑤𝑖𝑗̇

𝑁

𝑗=1

[𝑝𝑗(𝑡) − 𝑝𝑖(𝑡)] + 𝐸𝑖𝑗(ⅈ,1)𝑓(𝑡), 𝑡 ∈ [𝑡𝑘𝑙𝑖, 𝑡𝑘𝑙𝑖 + 1)

𝑝𝑙𝑖 (𝑡𝑘

𝑙𝑖

+ ) = 𝑝𝑙𝑖(𝑡𝑘𝑙𝑖) − ∑ 𝐿𝑙𝑖,𝑙𝑗(𝑘)𝑝𝑙𝑖 (𝑡𝑘

𝑙𝑖) 𝑟

𝑗=1

, 𝑡 = 𝑡𝑘

𝑙𝑖

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH CUỘC TẤN CÔNG

3.1 Biểu diễn kết nối có trọng số giữa các leader

Mỗi leader tương tác với các leader khác theo trọng số Các trọng số này được xây dựng

từ ma trận Laplacian 𝐿ℓ :

Biểu thức:

4

Giải thích:

• 𝑃ℓ𝑖,ℓ𝑖 là phần tử trong ma trận ngẫu nhiên 𝑃ℓ, đại diện cho xác suất chuyển từ leader

𝑙j đến leader 𝑙i

• 𝐿ℓ𝑖,ℓ𝑗 là phần tử trong ma trận ngẫu nhiên ℒℓ, thường có giá trị âm đối với các phần

tử ngoài đường chép, do đó −𝐿ℓ𝑖,ℓ𝑗 > 0

• 𝑃ℓ𝑖,ℓ𝑖 là phần tử đường chéo của ma trận 𝑃ℓ bằng 1, nên 𝑃ℓ là ma trận stochastic hàng

𝑃ℓ = 𝐼ℓ − 𝐿ℓ Ma trận này mô tả cách các leader ảnh hưởng lẫn nhau

3.2 Ma trận Laplacian của mạng được chia thành các mạng con

Biểu thức:

Giải thích:

• Mạng được chia thành r mạng con, mỗi mạng con có ma trận Laplacian riêng ℒi

• Ma trận tổng ℒ là ma trận khối chéo với các ma trận ℒi trên đường chéo chính

• Các phần tử ngoài đường chéo là ma trận không, phản ánh cấu trúc phân cụm của mạng

3.3 Ma trận ngẫu nhiên 𝑷𝒆

Biểu thức:

Giải thích:

• 𝓤𝓣 là ma trận hoán vị sắp xếp lại thứ tự các nút để gom nhóm các leader

• Ma trận 𝑷𝒆 được xây dựng bằng cách kết hợp ma trận chuyển tiếp giữa các leader 𝑃ℓ

và ma trận đơn vị 𝐼𝑁−𝑟

• Việc sử dụng 𝒰 đảm bảo cấu trúc phản ánh đúng kết nối sau khi sắp xếp lại

5

3.4 Mô hình động lực học của mạng diện rộng

Biểu thức:

Giải thích:

• 𝑝 là vector trạng thái của tất cả các agent trong mạng

• ℒ là ma Laplacian mô tả kết nối mạng

• 𝘌𝘪𝘫 là ma trận chéo, chỉ định tác động của tấn công trên liên kết từ agent 𝑗 đến agent

ⅈ

• 𝑓 là tín hiệu tấn công

• Tại các thời điểm 𝑡𝑘l , trạng thái cập nhật theo 𝑷𝒆

⇒ Mô hình kết hợp cả tác động liên tục bên trong các cụm và sự tương tác rời rạc giữa các leader cụm

3.5 Định lý ( Theorem ) và Phân tích Chi Tiết

Định lý: Xét hệ thống mạng diện rộng dưới ảnh hưởng của tấn công trên liên kết truyền

thông 𝑓(𝑡) Khi đó:

1 Hệ thống đạt được đồng thuận nếu 𝑓(𝑡) = 0

2 Hệ thống không đạt được đồng thuận nếu 𝑓(𝑡) ≠ 0 khi 𝑡 → ∞

Hệ phương trình động học:

Biểu thức nghiệm tổng quát:

Tại thời điểm nhảy 𝑡𝑘l :

6

Tính chất hỗ trợ:

• 𝑷𝒆 là ma trận stochastic hàng, với đường chéo dương

• 𝑒−ℒ𝑡 là ma trận stochastic từ tính chất của ma trận Laplacian

Từ Lemma trong [9]:

𝑃ₑ 𝑒{−ℒ𝑡} ≥ 𝛾(𝑃ₑ + 𝑒{−ℒ𝑡}) với γ > 0, 𝑃ₑ 𝑒{−ℒ𝑡} là ma trận SIA

⇒ SUY RA:

𝑙ⅈ𝑚ₖ → ∞ ∏ₗ₌₁ᵏ 𝑃ₑ 𝑒^{−ℒ(𝑡ₗ − 𝑡ₗ₋₁)} = 1ₙ 𝑐ᵗ

3.5.1 Trường hợp 1: Không có tấn công f(t) = 0

Nếu không có tấn công, tức là f(t) = 0 với mọi t ≥ 0, thì thành phần tích phân triệt tiêu:

Khi đó nghiệm hệ còn lại:

p(t) = 𝑃ₑ 𝑒{−ℒ𝑡} p₀

Vì Pₑ 𝑒{−ℒ𝑡} là ma trận stochastic có tính hội tụ mạnh (SIA matrix), ta có:

Suy ra:

⇒ Hệ đạt đồng thuận

3.5.2 Trường hợp 2: Tấn công liên tục f(t) ≠ 0

Xét lại nghiệm tổng quát:

7

Do f ≠ 0 ⇒ tồn tại một thành phần sai lệch a ≠ 0, dẫn đến:

⇒ Hệ không đạt đồng thuận

3.5.3 Trường hợp 3: Tấn công tạm thời

Giả sử tấn công chỉ diễn ra trong khoảng thời gian hữu hạn (t₁ᶠ, t₂ᶠ), sau đó f(t) = 0: Sau khi tấn công dừng, hệ vẫn đồng thuận

Nhưng:

⇒ Đồng thuận bị thao túng theo giá trị mong muốn của kẻ tấn công

KẾT LUẬN

• Nếu f(t) = 0: hệ đạt đồng thuận, trạng thái hội tụ về một giá trị chung

• Nếu f(t) ≠ 0: tồn tại lệch phá vỡ đồng thuận, hệ không hội tụ về một giá trị duy nhất

8

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG

4.1 Mạng nhỏ

• Cấu trúc mạng:

Cụm 1:

o 𝐿𝑒𝑎𝑑𝑒𝑟 : tác tử 1

o 𝑓𝑜𝑙𝑙𝑜𝑤𝑒𝑟 : tác tử 2,3,4

o 𝐿ⅈê𝑛 𝑘ế𝑡 𝑛ộⅈ 𝑏ộ ∶ tác tử 1→ 2, 4→ 1, 3⇔ 4

Cụm 2:

o 𝐿𝑒𝑎𝑑𝑒𝑟 : tác tử 5

o 𝑓𝑜𝑙𝑙𝑜𝑤𝑒𝑟 : tác tử 6,7

o 𝐿ⅈê𝑛 𝑘ế𝑡 𝑛ộⅈ 𝑏ộ ∶ tác tử 5→ 6, 6→ 7, 7→ 5

• Liên kết cụm: Leader 1 ⇔ Leader 5 (đồ thị có hướng liên thông mạnh)

• Thông số mô phỏng:

o Ma trận Laplacian:

9

o Hàng 1: Leader 1 nhận phản hồi từ follower 4 (𝑤14= −1)

o Hàng 2: Leader 2 nhận thông tin từ Leader 1 (𝑤21= −2)

• Ma trận tương tác Leader (𝑃𝑙):

𝑃𝑙 = [0.45 0.55 0.55 0.45] Leader 1 và 5 trao đổi thông tin với trọng số 0.55/0.45, đảm bảo liên thông

• Điều kiện ban đầu:

𝑥(0) = [0 − 1 − 2 − 4234]𝑇

• Kịch bản tấn công:

o Thời điểm tấn công: t=30s

o Liên kết bị tấn công: 𝑓34 (từ follower 3 đến follower 4)

• Kết quả:

10

o Follower 3,4 nhận thông tin sai lệch → nhiễu lan sang leader 1

o Ma trận Laplacian bị thay đổi → đồng thuận phâ kỳ hoàn toàn

4.2 Mạng lớn

a Cấu trúc mạng:

• 3 cụm:

o Cụm 1: Leader 2, 19 follower

o Cụm 2: Leader 25, 19 follower

o Cụm 3: Leader 47, 19 follower

b Thông số mô phỏng:

• Trọng số liên kết:

11

Để đảm bảo Tổng hàng = 1

c Kịch bản tấn công:

• Thời điểm tấn công: t= 60s

• Liên kết bị tấn công: 𝑓58 →59

d Kết quả

Nếu không bị tấn công:

Bị tấn công tại t = 60

12

- Giai đoạn 1( t < 60s ) : Hệ thống hoạt động bình thường

- Giai đoạn 2 (t > 60s ) : Đồng thuận bị phá vỡ, toàn mạng mất ổn định

4.3 Kết luận

• Tấn công đơn lẻ vào liên kết truyền thông có thể làm sụp đổ cơ chế đồng

thuận của toàn mạng

• Ngay cả khi tấn công chỉ xảy ra trong thời gian ngắn, giá trị đồng thuận

cuối cùng cũng bị thay đổi theo ý đồ của kẻ tấn công