Обеспечение устойчивости функционирования многоагентных систем защиты в условиях воздействия распределенных угроз безопасности

Одним из основных средств организации атак в настоящий момент являются бот-сети, объединяющие системы в сети Интернет, находящиеся под управлением вредоносных программ и согласованно осуществляющие деструктивные действия. Современные бот-сети имеют сложную организацию, гибридную или децентрализованную архитектуру, образуют нетривиальные топологии такие как случайные и безмасштабные графы, графы малых миров, а также взаимодействуют друг с другом с целью обмена информацией о применяемых системами защиты методах противодействия. Перечисленные свойства позволяют бот-сетям успешно противостоять системам защиты, использующим традиционный набор средств противодействия таким сетям, что приводит к успешной реализации угроз безопасности компьютерных систем. С усложнением механизмов реализации распределенных угроз, средства защиты также были вынуждены изменить архитектуру на распределенную (антивирусы Kaspersky Antivirus, ESET NOD32, Panda Antivirus и др.), но при этом все они используют тривиальную топологию (звезда и звезда из звезд), причем перечисленные средства никак не взаимодействуют между собой и функционируют абсолютно независимо.

Таким образом, и бот-сети, и распределенные системы защиты представляют собой совокупность скоординировано действующих интеллектуальных агентов, т. е. принадлежат к одному классу системмногоагентным системам (MAC), причем бот-сети превосходят средства защиты по степени согласованности управляющих воздействий, что позволяет им успешно отключать защиту. Следовательно, актуальной проблемой является формирование такой архитектуры и модели управления MAC, которые позволят даже в условиях целенаправленных агрессивных воздействий обеспечить устойчивость функционирования (т. е. сохранить работоспособность) защиты и, как результат, безопасность защищаемых систем.

Степень разработанности темы исследования. Исследованию свойств MAC общего назначения, без учета необходимости выполнения задач защиты, а также исследованию особенностей бот-сетей посвящено множество работ российских и иностранных ученых, таких как И. В. Котенко, А. М. Райгородский, Н. Алон, М. Кришнамурти, И. By, Д. Шильяк, П. Эрдёш, А. Реньи, Д. Дейгон. В данных работах предложены модели оценки устойчивости функционирования MAC и степени ее деградации в результате действия естественных, нецеленаправленных факторов. Эти модели не могут непосредственно применяться для оценки устойчивости функционирования MAC защиты (МАСЗ) не только потому, что не учитывают специфику противоборства в сети Интернет, но также не предполагают минимизацию накладных расходов и не учитывают широкий диапазон изменения числа агентов MAC. Также следует отметить, что существующие подходы обеспечивают устойчивость через избыточность, что ведет к значительному увеличению накладных расходов. Таким образом, имеющиеся подходы должны быть адаптированы для оценки устойчивости функционирования MAC как противостоящих распределенным угрозам безопасности в сети Интернет, так и реализующих такие угрозы (МАСУ), с учетом факторов, специфических для противоборства MAC в сети Интернет.

Целью работы является обеспечение устойчивости функционирования МАСЗ в условиях воздействия распределенных угроз безопасности в сети Интернет с помощью поддержания связности сети агентов. Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Исследование современных систем защиты, противостоящих распределенным угрозам безопасности в сети Интернет и систем, реализующих такие угрозы.

2. Разработка критериев оценки устойчивости функционирования MAC, позволяющих оценить связность графа агентов относительно управляющих центров (управляемость), влияние агрессивных. воздействий (отказоустойчивость), а также затраты ресурсов на обеспечение связности константность функционирования) при увеличении и уменьшении числа агентов (масштабируемость).

3. Построение конечно-автоматной модели агента, обеспечивающей устойчивость функционирования МАСЗ за счет изменения ее структуры.

4. Разработка имитационной модели, позволяющей оценивать значения критериев управляемости, отказоустойчивости, масштабируемости и константности функционирования для MAC с различными топологиями и для различных агрессивных воздействий.

5. Проведение имитационного моделирования с целью оценки устойчивости функционирования МАСЗ, построенной на основе разработанной конечно-автоматной модели.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

— формализована задача обеспечения устойчивости функционирования.

MAC;

— сформулированы критерии оценки устойчивости функционирования MAC в виде показателей управляемости, отказоустойчивости, константности функционирования и масштабируемости;

— предложены аналитические оценки управляемости и отказоустойчивости для d-регулярных графов, основанные на доказанной в работе теореме о свойствах регулярных графов и графов с разреженной асимптотической последовательностью степеней;

— разработана конечно-автоматная модель агента МАСЗ, позволяющая поддерживать регулярность графа агентов в агрессивной среде;

— создана имитационная модель, позволяющая оценивать устойчивость функционирования МАСЗ мощностью до 10 000 узлов в условиях воздействия распределенных угроз безопасности;

— проведено имитационное моделирование, позволившее определить пределы устойчивости функционирования системы, построенной на основе разработанной конечно-автоматной модели агента, и сравнить полученные значения с результатами для систем с топологиями звезды и случайного графа Эрдеша-Реньи.

Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные теоретические и экспериментальные результаты, а также разработанное ПО, реализующее имитационную модель MAC, могут быть использованы при построении и оценке МАСЗ, устойчивых к целенаправленному воздействию распределенных угроз в сети Интернет. Теоретические и экспериментальные результаты работы используются для подготовки специалистов в области защиты вычислительных систем по дисциплине «Теоретические основы компьютерной безопасности» в ФГБОУ ВПО «СПбГПУ», а также использованы в НИР «Разработка технологии эффективного управления программно-конфигурируемыми сетями» (шифр 2012;1.4−07−514−0021−025) по государственному контракту от 14 июня 2012 г. № 07.514.11.4151, при проведении работ по оценке эффективности и последующей оптимизации распределенной системы защиты в ФГБОУ ВПО «ГУАП», внедрены в практику деятельности ФГАУ ГНИИ ИТТ «Информика» в виде методики оценки эффективности функционирования используемых средств защиты и практических рекомендаций по защите от распределенных угроз, что подтверждается соответствующими актами об использовании.

Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач использовались системный анализ, теория алгоритмов, теория графов, теория перколяций, теория сложных сетей, теория вычислений, методы математического моделирования, математической статистики, математической логики и теории конечных автоматов.

Положения, выносимые на защиту:

1. Формальная постановка задачи обеспечения устойчивости функционирования MAC.

2. Критерии оценки устойчивости функционирования MAC.

3. Конечно-автоматная модель агента, обеспечивающая устойчивость функционирования МАСЗ за счет изменения ее структуры.

4. Имитационная модель, позволяющая оценивать устойчивость функционирования МАСЗ.

5. Полученные в результате имитационных испытаний оценки устойчивости функционирования МАСЗ, построенной на основе разработанной конечно-автоматной модели.

Степень достоверности научных положений диссертации определяется строгим теоретическим обоснованием предлагаемого аналитического аппарата и эффективностью его использования при практическом воплощении.

Апробация результатов работы. Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы доложены и обсуждены: на Санкт-Петербургской межрегиональной конференции «Информационная безопасность регионов России (ИБРР)» (Институт информатики и автоматизации РАН, 2011 г.), на XII Международной научно-практической конференции «Информационная безопасность-2012» (Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 2012 г.), 21-ой научно-техническая конференции «Методы и технические средства обеспечения безопасности информации» (СПбГПУ, 2012 г.), всероссийской научно-практической интернет-конференции с международным участием «Современные экономические информационные системы: актуальные вопросы организации, методы и технологии защиты информации» (МОСИ, 2012 г.), 6-ой международной конференции «Математические методы, модели и архитектуры для защиты компьютерных сетей» (СПИИРАН, 2012 г.). Работа представлена к присуждению премии правительства Санкт-Петербурга победителям конкурса грантов для студентов вузов, расположенных на территории Санкт-Петербурга, аспирантов вузов, отраслевых и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ.

Объем и структура. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 70 наименований.

4.5 Выводы.

Построенная имитационная модель МАСЗ по своим временным и функциональным параметрам (с точностью до масштабов времени 1:1000) является аналогом исследуемого процесса функционирования MAC. Проведенные имитационные испытания позволили получить оптимальные значения параметров для МАСЗ, построенной на основе предложенной конечно-автоматной модели агента: были получены оптимальные значения d = 4 и ReqPath = 3 для MAC мощностью 1000.

По результатам 10 000 проведенных испытаний были получены статистически устойчивые оценки управляемости, отказоустойчивости, константности функционирования и масштабируемости для системы, построенной на основе разработанной конечно-автоматной модели, а также для систем с топологиями звезды (характерна для существующих систем защиты) и классического случайного графа Эрдеша-Реньи (характерна для существующих бот-сетей).

Таким образом, имитационное моделирование позволило показать, что построение MAC на основе разработанной конечно-автоматной модели агента обеспечит повышение показателей управляемости и отказоустойчивости по сравнению с MAC на основе топологий звезды и классического случайного графа, сохраняя константность функционирования на приемлемом уровне. Причем, этот результат сохраняется при увеличении количества агентов MAC до 10 000.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проведенный в работе анализ современных распределенных средств защиты и бот-сетей позволил формализовать требования к устойчивой MAC и определить характеристики, необходимые для поддержания устойчивости функционирования в условиях агрессивных воздействий.

Разработанные критерии оценки устойчивости функционирования MAC описывают их функционирование в условиях агрессивных воздействий и позволяют сопоставить устойчивость функционирования противодействующих МАСЗ и МАСУ. При этом считается, что системы имеют высокие показатели имитостойкости и криптостойкости, и агрессивные воздействия, связанные с нарушением этих свойств, не рассматриваются. Современные МАСЗ уступают бот-сетям по устойчивости функционирования, вследствие чего необходима разработка модели агента MAC, применение которой в существующих системах защиты позволит увеличить устойчивость их функционирования.

Построенная конечно-автоматная модель агента МАСЗ позволяет, в соответствии с теоремой 2, противодействовать влиянию агрессивной среды и поддерживать управляемость системы в заданных пределах в соответствии с теоремой 1, если агрессивное воздействие не превышает Rmax и длительность интервала агрессивного воздействия Tq превышает длительность интервала восстановления Тг. Применение предлагаемой модели в существующих системах защиты позволит повысить актуальность используемой ими информации об угрозах и уязвимостях, и устойчивость функционирования за счет сохранения связности графа агентов и последующего восстановления путей до УЦ.

Полученные теоретические результаты были подтверждены экспериментами, проведенными на базе имитационной модели МАСЗ, созданной на основе конечно-автоматной модели агента. Имитационное моделирование позволило показать, что построение MAC на основе разработанной конечно-автоматной модели агента обеспечит повышение показателей управляемости и отказоустойчивости по сравнению с MAC на основе топологий звезды и классического случайного графа, сохраняя константность функционирования на приемлемом уровне. Причем, этот результат сохраняется при увеличении количества агентов MAC до 10 000.

В работе получены следующие основные результаты:

1. Формализована задача обеспечения устойчивости функционирования MAC.

2. Разработаны критерии оценки устойчивости функционирования MAC, позволяющие оценить связность графа агентов относительно управляющих центров (управляемость), влияние агрессивных воздействий (отказоустойчивость), а также затраты ресурсов на обеспечение связности (константность функционирования) при увеличении и уменьшении числа агентов (масштабируемость).

3. Построена конечно-автоматная модель агента, обеспечивающая устойчивость функционирования МАСЗ за счет изменения ее структуры.

4. Разработана имитационная модель, позволяющая оценить значения критериев управляемости, отказоустойчивости, масштабируемости и константности функционирования для MAC с различными топологиями и для различных агрессивных воздействий.

5. Получена оценка устойчивости функционирования МАСЗ, построенной на основе разработанной конечно-автоматной модели, а также выбраны оптимальные параметры этой модели.

Перспективы дальнейшей разработки темы диссертации заключаются в применении разработанной конечно-автоматной модели агента MAC для построения единой системы защиты на базе различных существующих средств защиты, а также в разработке критериев оценки методов нейтрализации вредоносных MAC, что, в совокупности с разработанными критериями устойчивости функционирования, позволит предсказать исход противостояния систем защиты и бот-сетей.