Учебные вопросы:

1. Назначение математических моделей обеспечения безопасности информации в АСУ.

2. Сравнительный анализ и основные определения математических моделей обеспечения безопасности информации.

 

Вопрос 1. Назначение математических моделей обеспечения безопасности информации в АСУ

Функционирование АСУ, обеспечивающее реализацию технологии автоматизированного управления сложными процессами в распределенной системе, должно основываться на плановом начале с учетом возможности нарушения этих планов как внутренними, так и внешними дестабилизирующими факторами. Нарушение планов возможно при целенаправленном оздействии нарушителя на элементы АСУ с целью искажения или уничтожения циркулирующей информации, а также в случае изменения технологических циклов управления при раскрытии нарушителем конфиденциальной информации, что привело к необходимости принятия срочных мер по компенсации возможного ущерба. Следовательно, непосредственное выполнение целевых функций АСУ во времени сопряжено с объективной необходимостью оперативной оценки состояния АСУ в целом, распределения и перераспределения ресурсов системы обеспечения безопасности информации (СОБИ), которая решает задачу защиты информации в процессе функционирования АСУ. В общем случае? СОБИ включает в себя организационные, технические и программные средства защиты.

Организационные средства защиты представляют собой специальные организационно-технические и организационно-правовые мероприятия, акты и правила, осуществляемые в процессе создания и эксплуатации АСУ. Данный класс средств защиты хоть и направлен на некоторое упорядочивание процесса функционирования АСУ, однако практически не поддается формализации из-за непосредственного участия большего числа людей в их применении. Что же касается функционирования технических и программных средств защиты, то их работу можно представить в виде формальной модели, которая называется моделью обеспечения безопасности. Под моделью безопасности понимается математически точное описание механизмов процедур) реализации функций защиты информации во всех режимах работы АСУ.

Необходимо заметить, что целесообразность разработки математических моделей формализации процессов защиты информации не всегда очевидна. Однако существующие сложности и противоречия, которые возникают при обосновании, создании и применении СОБИ в составе АСУ, подтверждают актуальность проблемы разработки математических моделей данного класса и необходимость создания для решения этой проблемы соответствующего методического обеспечения.

Во-первых, вновь создаваемая АСУ требует технико-экономического обоснования всех сторон функционирования, в том числе и принципов обеспечения безопасности информации. При этом обоснование должно основываться на разработке и исследовании математических моделей обеспечения безопасности, а результаты этих исследований должны служить доказательством безопасности информации в реальной системе при точном соблюдении всех принципов защиты, заложенных в формальной модели. Однако противоречие заключается в том, что целенаправленное исследование модели может быть проведено только при полной информации о функционировании АСУ в целом, что возможно далеко не всегда, особенно для сложных распределенных систем. В некоторых случаях используется информация о функционировании отдельных элементов или подсистем АСУ, а на ее основе делаются выводы о всей системе в целом. Следовательно, необходимо создавать модели обеспечения безопасности для отдельных процессов в АСУ и методы их интеграции, обеспечивающие безусловное выполнение всех требований по защите информации.

Во-вторых, на разработку АСУ всегда выделяются конечные ресурсы, которые разработчик распределяет на все технологические этапы – от обоснования облика будущей АСУ до проведения испытаний ее компонентов и внедрения. Данный фактор порождает противоречие, связанное с желанием разработчика минимизировать затраты на предварительные модельные исследования при явной необходимости выявления на ранних этапах проектирования всех возможных каналов утечки. Происходит субъективное противопоставление необходимости проведения модельных исследований разработке объектов реальной системы. В этом случае система создается без предварительного изучения всего комплекса протекающих в ней процессов при их взаимосвязи с технологическими особенностями защиты информации. В предельном случае игнорирование предварительных исследований на моделях может привести к полной незащищенности системы даже при включении в состав программно-аппаратных средств АСУ большого числа дорогих и ресурсоемких средств защиты. Следовательно, формализация процессов обеспечения безопасности информации не должна быть для разработчика сложной и трудоемкой задачей, что возможно лишь при наличии научно обоснованных типовых моделей и хорошо отработанного методического обеспечения их применения.

В-третьих, технические и программные средства, образующие СОБИ и посредством которых в АСУ решаются задачи защиты информации, требуют резервирования некоторой части ресурсов АСУ. Например, управление процессами защиты требует наличия специальной службы, рассылка ключевой информации – дополнительной пропускной способности каналов связи, контроль доступа к ресурсам – затрат времени и т. д. В этом случае возникает противоречие между задачами АСУ как системы, максимально улучшающей характеристики процессов управления за счет более полного использования собственных ресурсов, и задачами СОБИ, использующей ресурсы АСУ для достижения целей, не всегда совпадающих с главными целями АСУ. Это противоречие усугубляется тем, что несмотря на техническую и технологическую возможность совмещения решения некоторых задач в рамках вычислительных средств одного объекта АСУ, с точки зрения защиты информации такое совмещение просто недопустимо вследствие различного назначения и различных грифов секретности обрабатываемой информации. Следовательно, возникает задача планирования загрузки ресурсов АСУ для их оптимального использования с учетом требований безопасности информации, что возможно лишь на основе формальной модели обеспечения безопасности.

В-четвертых, достижение требуемых значений показателей безопасности информации в распределенной АСУ с динамически изменяемыми информационно-логическими связями возможно лишь в случае организации единого управления всеми ресурсами системы защиты, причем в любой момент времени должна обеспечиваться возможность:

– проведения анализа состояния средств защиты и СОБИ в целом;

– прогнозирования поведения СОБИ, определения и контроля выполнения условий перехода в новое состояние;

– планирования процессов защиты с учетом возможных попыток несанкционированного доступа к информации, в том числе и успешно реализованных;

– формирования информации для требуемых управляющих воздействий в случае необходимости корректировки процессов защиты.

Противоречие состоит в том, что подобное функционирование СОБИ невозможно без "встроенной" в систему ее собственной модели, обладающей свойством изоморфизма. Однако простого изоморфизма недостаточно. Модель системы защиты должна объединяться с моделью внешней среды, т. е. АСУ в целом, а также с моделью нарушителя. Вполне очевидно, что модели этого типа для своей реализации потребуют ресурсы, сравнимые с ресурсами, необходимыми для реализации задач АСУ. Следовательно, необходима разработка не только самих моделей формализации процессов защиты, но и методических основ оптимизации моделей и их компонентов, синтеза моделей из имеющихся составляющих.

Анализ сформулированных положений позволяет сделать вывод о том, что разработка математических моделей формализации процессов обеспечения безопасности информации в АСУ действительно является сложной научной проблемой, актуальность которой лишь повышается по мере развития и внедрения в АСУ математических методов управления и повышения степени автоматизации решения целевых задач.

 

Вопрос 2. Сравнительный анализ и основные определения математических моделей обеспечения безопасности информации

Существующие технологии формального описания процессов обеспечения безопасности информации основываются на понятиях теории конечных автоматов, теории множеств, I теории графов, временной и математической логики, I алгебраических спецификаций. При этом применяемый для описания модели математический аппарат вносит некоторые ограничения на степень детализации процессов защиты, что обусловлено различием физической сущности описываемых с помощью используемых понятий процессов. Например, модели, основанные на теории множеств, с большей детальностью описывают процессы контроля доступа к ресурсам системы, так как имеют развитый аппарат определения взаимоотношений между множествами объектов-ресурсов и объектов-пользователей. В то же время модели, основанные на теории графов, позволяют более глубоко определить процессы защищенной передачи данных.

Основываясь на анализе принципов описания процессов защиты данных и используемого при этом математического аппарата, можно выделить следующие четыре класса формальных моделей безопасности:

– модели трансформации состояний конечного автомата;

– модели заимствования и передачи полномочий;

– семантические модели;

– модели информационных потоков.

Необходимо заметить, что в настоящее время число публикаций, в которых описываются модели безопасности, непрерывно растет. Поэтому в дальнейшем ссылки приводятся только на те работы, в которых описаны модели с явно выраженными отличительными признаками.

Модели трансформации состояния являются наиболее общими и основаны на описании системы в виде конечного автомата. Модели этого класса позволяют наиболее полно описать процессы защиты информации и их взаимосвязь с технологией обработки информации в АСУ. В качестве основы большинство моделей трансформации состояний используют модель Бэлла-Лападулы.

Модели заимствования и передачи полномочий в основном формулируются в понятиях теории множеств или теории графов. В основе всех моделей этого класса в явном или неявном виде лежит матрица контроля доступа, что является существенным ограничением при описании динамических операций присвоения или изменения классификации ресурсов системы.

Семантические модели используют понятия теории множеств и теории предикатов и определяют правила разграничения доступа к ресурсам системы в виде утверждений, которые могут изменяться в процессе выполнения операций модели с помощью специальной системы команд.

Модели информационного потока основываются на предположенной Фентоном решетке безопасности и определяют порядок взаимодействия объектов системы в терминах переноса информации. Появление моделей данного класса сопровождалось достаточно интересными и перспективными теоретическими исследованиями, однако в дальнейшем было показано, что модели информационного потока могут быть описаны в терминах трансформации состояний объектов, получающих или отдающих информацию с соответствующими фифами.

Кроме рассмотренных принципов классификации моделей, необходимо учитывать области их применимости, т. е. среду реализации описываемых механизмов защиты. Обычно рассматриваются следующие среды функционирования: отдельная ЭВМ, вычислительная система, сеть передачи данных, информационно-вычислительная сеть.

На каждую модель безопасности при ее формулировке накладывается ряд ограничений (или допущений), которые на начальном этапе носят неформальный характер, а затем формализуются. Такими допущениями могут быть наличие в системе администратора службы безопасности (АСБ), который выполняет ряд специфических операций, не свойственных другим пользователям системы, соглашения о многоуровненности ресурсов, наличие у передаваемых сообщений меток, отражающих степень конфиденциальности данных (меток чувствительности) и т. д.

Краткие результаты анализа существующих моделей обеспечения безопасности информации, отражающие основную идею, область применения, соотношения с другими моделями, математические основы, ограничения и допущения, использованные при формулировании модели, показаны в табл. 1.

Для однозначного понимания описываемых далее моделей необходимо ввести ряд определений, основанных на обобщении существующих предложений по терминологии в области защиты информации.

Таблица 1 Результаты анализа существующих моделей

Определение 1. Ресурсом системы называется любое устройство, программа, функция, база данных, файл, которые могут использоваться для выполнения какой-либо операции в АСУ.

Определение 2. Субъект доступа – активный ресурс, в качестве которого могут выступать процесс или устройство, реализующие какие-либо действия над другими ресурсами системы.

В некоторых случаях субъектом может быть оператор АСУ.

Определение 3. Объект доступа – пассивный ресурс, используемый субъектом доступа для выполнения операций в АСУ.

Определение 4. Доступ – процесс использования технических и программных средств, обеспечивающий логическую (или физическую) связь с каким-либо ресурсом АСУ для его функционального использования или получения (модификации) поддерживаемых этим ресурсом данных.

Определение 5. Класс защиты – характеристика степени защищенности объектов доступа, основанная на выделении определенной совокупности требований по защите информации в автоматизированных системах. В некоторых работах вместо данного термина используется термин «уровень безопасности».

Определение 6. Категория доступа – один из классов, к которым может быть отнесен оператор АСУ или субъект доступа при классификации их по предоставленным полномочиям.

Определение 7. Классификация объекта – отнесение ресурса АСУ к одному из классов защиты при определении его значимости в системе, грифа секретности поддерживаемых этим ресурсом данных и множества разрешенных операций.