Введение к работе
Актуальность проблемы. Современный подход к комплексному обеспечению надежности информационных процессов (ИП) в целях безопасного использования информационных технологий поддерживается на международном уровне стандартом ISO/IEC 15408, кратко называемым ОК - «Общие критерии», и на отечественном уровне группой стандартов ГОСТ Р ИСО/МЭК 15408-2002 «Информационная технология. Методы и средства обеспечения безопасности. Критерии оценки безопасности информационных технологий». Согласно этому подходу, надежный ИП успешно противодействует заданным угрозам защищенности при заданных условиях его функционирования. Это приводит к постоянному совершенствованию как способов и средств защиты ИП, так и способов и средств реализации угроз их защищенности, в результате чего появление новых средств защиты приводит к появлению обходящих их угроз.
Это, в свою очередь, приводит к необходимости новой трактовки понятия «надежность ИП», под которой следует понимать отсутствие уязвимостей ИП, по причине наличия которых возможна реализация различных угроз защищенности. Это позволяет устранить ряд противоречий в определении противостояния средств защиты и угроз защищенности. При этом надежность ИП должна характеризоваться его соответствием некоторым подлежащим стандартизации эталонным моделям безопасной (неуязвимой) обработки и передачи (циркуляции) информации. В связи с этим существует практическая проблема, состоящая в том, что подобное положение вещей лишь частично реализуется на практике и не находит прямого отражения в соответствующих стандартах на унифицированные архитектурные решения, удовлетворяющие общепринятым эталонным моделям циркуляции информации.
Причина лежит в принципиальных теоретических трудностях моделирования технологий комплексного обеспечения надежности ИП в системах обработки информации критического применения, возникающих при попытке соединить перспективный подход к комплексному обеспечению надежности ИП с гибкостью защитных механизмов. Природа этих трудностей в самом общем виде сводится к проблемной ситуации при моделировании процессов высоконадежной обработки информации, влияющих на защиту информации, которая может быть определена как противоречие между динамическим, локальным и дискретным рассмотрением при моделировании неуязвимости и статическим, глобальным и непрерывным - при моделировании гибкости защитных механизмов. Разрешение проблемной ситуации означает обеспечение на уровне моделей как недопущения уязвимостей информации в процессе ее обработки, так и применение гибких защитных механизмов.
Это невозможно в рамках традиционной «аналитической» общенаучной парадигмы. Предлагаемый подход предусматривает для этого решение научной проблемы, заключающейся в системной интеграции математических моделей обработки и защиты информации, соединяющей неуязвимость и гибкость по каждому из трех аспектов комплексного обеспечения надежности (конфиденциальность, доступность и целостность) информации на основе конструктивной унификации указанных противоречий.
В плане конфиденциальности и доступности информации гибкость защитных механизмов означает гибкость разграничения доступа к информации, а уязвимости кроются в модели используемой политики безопасности (ПБ) и в ее практической реализации. Единственной подлинно гибкой является дискреционная модель ПБ, которая неизбежно порождает уязвимости. С другой стороны, единственным неуязвимым является класс моделей конечных состояний, берущий свое начало от мандатного метода контроля доступа. Однако возможности применения существующих моделей конечных состояний весьма ограничены ввиду их принципиальной негибкости. Этот недостаток данного класса моделей можно устранить, сблизив данный класс моделей с дискреционной моделью. Но этому мешает естественное для «аналитической» общенаучной парадигмы традиционно независимое рассмотрение процессов защиты информации от процессов обработки информации, а отход от этого принципа требует масштабных и глубоких научных исследований, начало которым закладывает настоящая диссертационная работа.
Любая модель ПБ для обеспечения высоконадежной обработки информации обязательно поддерживает глобальную ПБ, характеризующую желаемые свойства ИП (синтаксис доступа), и может поддерживать локальную ПБ, характеризующую правила перехода ИП между соседними состояниями (семантика доступа). Наличие поддержки локальной ПБ означает динамичность соответствующей модели, а отсутствие - статичность. Динамическая модель ПБ, в отличие от статической, накладывает ограничения на состояния ИП. Если множество возможных состояний удается представить как вполне определенное конечное множество, то модель ПБ относится к классу моделей конечных состояний. Теоретическим основанием принципиальной безопасности таких моделей ПБ служит так называемая основная теорема безопасности, которая формулируется и доказывается отдельно для каждой модели. В соответствии с ней, если в начальный момент времени глобальная ПБ выполняется, и все переходы ИП из состояния в состояние удовлетворяют соответствующей локальной ПБ, то в любой последующий момент времени глобальная ПБ также будет выполняться. Таким образом, уязвимости в ИП данного типа не заложены непосредственно в модель ПБ, а могут появиться только при практической реализации.
Дискреционная модель, устанавливающая полномочия доступа пользователей, в общем случае выступающих в определенных ролях, к объектам, вообще не оперируя переходами между состояниями ИП, наиболее совершенным образом поддерживает глобальную ПБ. Однако, не относясь к моделям конечных состояний, она порождает уязвимости ИП. В этой связи актуальна разработка моделей комплексов ПБ, являющихся моделями конечных состояний по существу и дискреционными по форме. Формализм таких моделей должен интегрировать на теоретико-графовой основе дискреционный формализм, имеющий статический характер, и удобный для описания процессов обработки информации сетевой формализм, имеющий динамический характер. В результате он должен единым образом описывать динамический и статический доступ к информации, структурируемой с целью обеспечения единства рассмотрения глобальной и локальной ПБ.
В плане целостности информации гибкость защитных механизмов сводится к ограниченности негативного влияния сервиса контроля целостности (КЦ) на эффективность обработки информации по причине отвлечения вычислительных ресурсов, прежде всего, временных, а обеспечение неуязвимости достигается ступенчатым КЦ при порождении одних субъектов другими в ходе реализации любых процессов обработки информации. Соединение обеспечения неуязвимости информации с гибкостью защитных механизмов означает, в плане целостности информации, реализацию организационно- технологического управления сервисом КЦ, обеспечивающего наилучший КЦ при сохранении эффективности высоконадежной обработки информации за счет автоматизации запуска сервиса КЦ на основе комплексной оценки его качества функционирования как объекта управления. Однако разработка теоретических основ организации такого управления сервисом КЦ сохраняет свою актуальность даже при использовании известных ПБ и комплексов сервисов безопасности ввиду традиционного использования не организационно- технологического, а организационного управления процессами защиты ИП, вообще, и КЦ, в частности. Моделирование подходящих критериев качества функционирования сервиса КЦ как объекта управления должно основываться на формализме, интегрирующем матричный формализм конечных цепей Маркова, имеющий дискретный характер и удобный для описания обеспечения целостности, с операторным формализмом случайных процессов, имеющим непрерывный характер и удобным для описания использования временного ресурса. При этом модели КЦ должны комплексироваться с моделями ПБ.
Таким образом, актуальность исследуемой проблемы заключается в необходимости разработки методов, моделей и программных средств исследования процессов высоконадежной обработки информации, влияющих на защиту информации, на основе интеграции математических моделей обработки и защиты информации, что обеспечивает как недопущение ее уязвимо- стей от воздействия угроз защищенности, так и гибкость защитных механизмов высоконадежной обработки информации.
Диссертационная работа выполнена на кафедре информационных технологий моделирования и управления Воронежской государственной технологической академии (ВГТА) в соответствии с Концепцией государственной информационной политики РФ, Доктриной информационной безопасности РФ и тематическими планами выполнения НИР «Метатехнология-2001» в 5 Центральном научно-исследовательском испытательном институте (5 ЦНИИИ) МО России и КНИР «Волоба» в Федеральном государственном научно- исследовательском испытательном центре радиоэлектронной борьбы и оценки эффективности снижения заметности (ФГНИИЦ РЭБ ОЭСЗ) МО России.
Объектом исследования являются процессы высоконадежной обработки информации с гибкими защитными механизмами.
Предметом исследования являются методы и модели процессов высоконадежной обработки информации, обеспечивающие недопущение ее уязви- мостей от воздействия угроз защищенности и гибкость защитных механизмов.
Целью исследования является разработка теоретических основ моделирования процессов высоконадежной обработки информации, обеспечивающих как недопущение ее уязвимостей от воздействия угроз защищенности, так и гибкость защитных механизмов за счет интеграции математических моделей обработки и защиты информации.
Данная цель потребовала решения следующих задач:
анализа существующих методов моделирования процессов высоконадежной обработки информации, влияющих на защиту информации;
разработки проблемно-ориентированного теоретико-графового аппарата моделирования неуязвимых информационных процессов с гибкими защитными механизмами;
разработки метода моделирования ПБ информационных процессов, использующего проблемно-ориентированный теоретико-графовый аппарат;
разработки математических моделей синтеза политики безопасного взаимодействия информационных процессов;
разработки математических моделей гибкого обеспечения надежности обрабатываемой информации;
разработки математических моделей и алгоритмов оптимального управления сервисом КЦ информации при сохранении эффективности высоконадежной обработки информации;
разработки комплекса проблемно-ориентированных программ комплексной оценки качества функционирования сервиса КЦ информации.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использовались принципы системного подхода, теоретические основы информатики, методы теории надежности и безопасности использования информационных технологий, теория исследования операций, теория принятия решений, математическая логика, математическое программирование, теория вероятности, математическая статистика, теория E-сетей, теория конечных полумарковских процессов.
Научная новизна работы состоит в следующем.
-
-
Разработан проблемно-ориентированный теоретико-графовый аппарат, отличающийся единообразием моделирования динамического и статического доступа к информации с детализацией не только процессов передачи, но и обработки информации в рамках пятнадцатиуровневой структуризации информационных ресурсов, обеспечивающий неуязвимость информационных процессов с гибкими защитными механизмами, называемый в работе ЭМЗАС-сети.
-
Разработан метод моделирования ПБ информационных процессов, отличающийся использованием построенного в работе аппарата ЭМЗАС- сетей, обеспечивающий неуязвимость информационных процессов в комплексе с гибкостью их защитных механизмов.
-
Разработаны математические модели синтеза политики безопасного взаимодействия информационных процессов высоконадежной обработки и передачи информации, отличающиеся использованием нового метода моделирования ПБ на ЭМЗАС-сети, обеспечивающие возможность интеграции ПБ отдельных информационных процессов.
-
Предложены математические модели гибкого обеспечения надежности обрабатываемой информации, отличающиеся использованием нового аппарата ЭМЗАС-сетей, позволяющие математически описать механизмы обеспечения доступности и конфиденциальности информации и количественно учесть требования к целостности информации при управлении сервисом КЦ.
-
Разработаны математические модели и алгоритмы оптимального управления сервисом КЦ информации по критериям качества функционирования, отличающиеся использованием аппарата полумарковских матриц, позволяющие обеспечить максимальную информационную целостность при сохранении требуемой эффективности обработки информации.
На защиту выносятся следующие основные положения:
методологический аппарат моделирования неуязвимых информационных процессов с гибкими защитными механизмами;
метод моделирования ПБ информационных процессов на основе проблемно-ориентированного теоретико-графового аппарата ЭМЗАС-сетей;
математические модели синтеза политики безопасного взаимодействия информационных процессов высоконадежной обработки и передачи информации путем интеграции ПБ отдельных процессов;
математические модели гибкого обеспечения надежности обрабатываемой информации;
математические модели и алгоритмы оптимального управления сервисом КЦ информации при сохранении эффективности ее высоконадежной обработки.
Достоверность и обоснованность научных результатов и выводов основана на анализе научной литературы, посвященной вопросам моделирования процессов высоконадежной обработки информации, влияющих на защиту информации, корректности используемого математического аппарата, адекватности математических моделей, соответствии результатов вычислительных экспериментов реальным данным и существующим в науке закономерностям и представлениям, а также широкой апробацией результатов исследования в публикациях и выступлениях на семинарах и конференциях.
Практическая значимость исследования связана с построением в виде эталонной модели защищенной автоматизированной системы (ЭМЗАС) единой теоретической базы стандартизации унифицированного архитектурного облика различных классов систем обработки информации критического применения в форме стандартизации уровневых интерфейсов различных классов эталонных систем, что обеспечивает соединение неуязвимости ИП с гибкостью защитных механизмов. Сформулированы и обоснованы требования к субъектному наполнению эталонной системы обработки информации и эталонной СУБД при организации изолированной программной среды. Разработаны алгоритмы и программные средства, реализованные в комплексе проблемно-ориентированных программ комплексной оценки качества функционирования сервиса КЦ информации как объекта организационно- технологического управления в реальных и идеализированных системах.
Результаты диссертационной работы внедрены:
в Воронежской государственной технологической академии (ВГТА);
в Воронежском институте правительственной связи (филиале) Академии Федеральной Службы Охраны России (ВИПС (филиале) Академии ФСО России);
в Воронежском институте (ВИ) МВД России;
в Воронежском государственном педагогическом университете (ВГПУ);
в 5 ЦНИИИ МО России;
в ФГНИИЦ РЭБ ОЭСЗ МО России;
в фирме ООО «РЕТ».
Область исследования. Содержание диссертации соответствует паспорту специальности 05.13.17 «Теоретические основы информатики» (технические науки) по следующим областям исследований: п. 10 «Разработка основ математической теории языков и грамматик, теории конечных автоматов и теории графов»; п. 11 «Разработка методов обеспечения высоконадежной обработки информации и обеспечения помехоустойчивости информационных коммуникаций для целей передачи, хранения и защиты информации; разработка основ теории надежности и безопасности использования информационных технологий»; п.12. «Разработка математических, логических, семиотических и лингвистических моделей и методов взаимодействия информационных процессов, в том числе на базе специализированных вычислительных систем».
Публикация результатов. По теме диссертации опубликовано 100 печатных научных работ (5 монографий, 53 статьи, 42 материала научных конференций), в том числе 16 работ - без соавторов. Основные результаты диссертации опубликованы в 42 публикациях, из них 3 монографии и 31 публикация в изданиях из Перечня ВАК Министерства образования и науки РФ для публикации научных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук.
В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, соискателем обоснован системный подход к комплексному обеспечению надежности ИП в системах критического применения [1-3, 5-7, 11, 15, 18, 28, 29, 39, 42], разработана пятнадцатиуровневая структуризация информационных ресурсов ЭМЗАС [16, 42], разработана концептуальная модель организационно-технологического управления сервисом КЦ информации [1-3, 10, 12, 22, 24-26, 35], предложен регламентируемый ЭМЗАС комплекс ПБ ИП [18], обоснован принципиальный облик эталонной системы обработки информации [17, 18, 42], разработана Е-сетевая модель динамики функционирования типовой системы защиты ИП [3, 14, 27, 32], разработан теоретико- графовый аппарат ЭМЗАС-сетей с ЭМЗАС-сетевыми моделями ПБ отдельных и взаимодействующих ИП [19, 20], предложен комплекс критериев качества функционирования сервиса КЦ информации как объекта управления [1-3, 23, 26], предложены способы полумарковского и графового моделирования ИП высоконадежной обработки и передачи информации [33, 38], разработаны полумарковские модели оценки качества функционирования сервиса КЦ информации как объекта управления [1-3, 8, 9, 13, 30, 31, 34, 40], разработаны математические модели и алгоритмы оптимального управления сервисом КЦ информации [1-4, 8, 9, 21, 22, 24, 30, 41], разработан комплекс проблемно- ориентированных программ комплексной оценки качества функционирования сервиса КЦ информации в системах критического применения [1, 3].
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационного исследования докладывались и обсуждались на 31 конференции, в том числе следующих Международных: Х Международной научной конференции «Информатизация правоохранительных систем» (Москва, 2001); Международной научно-технической конференции и Российской научной школе молодых ученых и специалистов «Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных, электронных и лазерных технологий» (Москва-Воронеж-Сочи, 2001); Международной научно-технической конференции «Современные информационные технологии» (Пенза, 2003); Международной конференции и Российской школе «Системные проблемы качества, математического моделирования и электронных технологий» (Москва, 2003); Международной научно-практической конференции «Современные проблемы борьбы с преступностью» (Воронеж, 2006); Международной научно- практической конференции «Информационно-аналитическое обеспечение раскрытия и расследования преступлений правоохранительными органами» (Белгород, 2007); Международной научно-практической конференции «Обеспечение общественной безопасности в Центральном федеральном округе Российской Федерации» (Воронеж, 2007); I и II Международных научных конференциях «Современные проблемы прикладной математики и математического моделирования» (Воронеж, 2005, 2007).
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 320 наименований, приложений. Основная часть работы изложена на 315 страницах, содержит 25 рисунков, 11 таблиц.
Похожие диссертации на Модели и методы комплексного обеспечения надежности информационных процессов в системах критического применения
-
