Математические модели новых архитектурных и схемных решений отказоустойчивых нейросетевых вычислительных средств для обработки биометрической информации

Широкое использование информационных систем в государственных учреждениях, финансовых структурах и военно-промышленном комплексе, а также быстрое развитие информационных систем общего пользования вызвало необходимость разработки средств защиты от несанкционированного доступа к информации и аутентификации пользователей [14,61]. Одним из критериев жизнеспособности современного государства является наличие защищенного, динамически развивающегося информационного пространства, пронизывающего все среды деятельности государства. На практике такое пространство складывается из информационных и автоматизированных систем управления, объединенных коммуникациями, и их создание становится задачей первостепенной важности.

Защита информации представляет собой комплекс мероприятий, направленных на предотвращение несанкционированной утечки, модификации и удаления информации, осуществляемых с применением технических, в том числе программных, средств [91]. Основной задачей обеспечения безопасности информационных компьютерных систем является ограничение круга лиц, имеющих доступ к критичной информации.

В информационной безопасности выделяют три основных способа аутентификации [105]:

• аутентификация по фактору собственности:

• аутентификация по фактору индивидуального знания;

• аутентификация по биометрическому фактору.

Аутентификация, базирующаяся на методе собственности, наиболее уязвима для взлома со стороны злоумышленников: кредитные карточки и иные предметы аутентификации могут быть утеряны или похищены. Обычно такой тип аутентификации стараются комбинировать с каким-то вторичным способом, например подписью.

При аутентификации по методу индивидуального знания можно выделить угрозы, которые сразу приходят на ум: пароль можно по ошибке кому-нибудь назвать, записать на бумаге и утерять и т. д. Также можно прослушивать телефон или иные средства коммуникации и там узнать интересующую информацию и использовать для взлома пароля программные и аппаратные средства.

В связи с усилением борьбы с преступностью и терроризмом все более актуальным становится комплексное решение проблемы идентификации личности. Одним из основных направлений ее решения сегодня является создание принципиально новых методов защиты на основе биометрических технологий [26]. Реализация биометрических технологий на основе классических методов не позволяет достичь желаемого результата. Поэтому особый интерес возникает к созданию систем биометрической аутентификации и идентификации с использованием нейросетевых алгоритмов, методов и технологий, которые ориентированы на решение плохоформализуемых задач.

Эффективность функционирования систем биометрической идентификации и аутентификации пользователя определяется качеством первичной обработки сигналов, к которой предъявляются высокие требования по точности и производительности. С помощью специализированных процессоров (СП) цифровой обработки сигналов возможно улучшение данных показателей. В качестве математических моделей цифровой обработки сигналов (ЦОС), эффективно использовать модели, обладающие структурой кольца или поля. Но, при этом, СП первичной обработки сигналов, относятся к числу наименее надежных устройств. Значит, необходима разработка устройств, поддерживающих параллельную обработку данных в алгебраических системах, поддерживающих целочисленную арифметику, при этом обладающих низкой долей отказов.

В связи с этим, целью работы является синтез минимально избыточных отказоустойчивых вычислительных структур полиномиальной системы классов вычетов (ПСКВ) для реализации цифровой обработки сигнала в нейросетевом базисе, а так же разработка методов и алгоритмов, позволяющих сохранить работоспособное состояние СП ЦОС при возникновении отказов на основе корректирующих кодов ПСКВ.

Предметы исследования:

1. Метод и аппаратная реализация в нейросетевом базисе структурного нагруженного резервирования, позволяющего обеспечить СП ПСКВ устойчивость к отказам в процессе функционирования.

2. Алгоритмы использования временной избыточности, базирующиеся на многократном пересчете спектральных составляющих сигнала с последующим применением расширенных наборов решающих правил, которые ориентированны на исправление многократных ошибок.

3. Корректирующие способности кодов ПСКВ.

Анализ различных подходов к построению отказоустойчивых вычислительных средств ЦОС показал, что среди множества алгебраических числовых систем наиболее приспособленной к реализации алгоритмов ЦОС в реальном масштабе времени с высокой информационной надежностью являются вычислительные системы классов вычетов, к которым относятся и СП ПСКВ. Независимость обработки информации в вычислительных каналах, базирующаяся на параллелизме и модульности полиномиальной системы классов вычетов, служит идеальной основой для разработки методов устойчивости к отказам СП ПСКВ при обработке информации.

Отсюда, согласно поставленной цели, научной задачей диссертационной работы является теоретическое обоснование построения отказоустойчивых нейро сетевых СП ЦОС на основе применения структурной и временной избыточности, а также корректирующих способностей кодов ПСКВ.

В интересах решения общая научная задача разбита на пять частных научных задач:

1. Разработка метода структурного нагруженного резервирования нейросетевого СП ПСКВ.

2. Разработка алгоритмов, позволяющих парировать многократные ошибки, вызванные отказами вычислительных трактов непозиционного спецпроцессора ЦОС, и базирующихся на временной избыточности алгебраической системы ПСКВ.

3. Доказательство целесообразности применения корректирующих кодов ПСКВ для построения отказоустойчивых непозиционных СП.

4. Разработка алгоритмов контроля и коррекции ошибок и их реализация в нейросетевом базисе.

5. Разработка методики построения отказоустойчивых СП цифровой обработки сигналов, функционирующих в ПСКВ.

Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения.

Выводы по разделу.

1. На основе приведенной последовательности решения частных задач сформирована методика построения непозиционных специализированных процессоров цифровой обработки сигналов устойчивых к отказам. Данная методика состоит из 5 этапов. Применение данной методики предполагает использование модели ЦОС в полиномиальной системе классов вычетов и ее ней-росетевой реализации (см. разделы 1, 2), математических основ построения корректирующих кодов ПСКВ (см. раздел 3), методов поиска и локализации ошибок в процессе функционирования СП ПСКВ, реализованных в нейросетевом базисе (см. раздел 3).

2. Разработанная методика обеспечивает повышение устойчивости к отказам высокоскоростных спецпроцессоров ПСКВ, которые могут использо.

153 ваться как для обработки речевых сигналов, так и изображения в реальном масштабе времени. Так применение непозиционной алгебраической системы позволяет сократить аппаратурные затраты на последовательную реализацию операций ЦОС почти в 2 раза меньше по сравнению с аналогичным модульным СП ТЧП и в 59,2 раза — по сравнению с позиционным СП ДПФ. При этом СП ПСКВ, реализованный на основе разработанной методики, обладает почти в 1,3 раза большей устойчивостью к отказам чем СП ТЧП, эмулирующий метод «2 из 3», при этом схемные затраты составляют менее 36 процентов от объема последнего.

3. Использование разработанной методики построения устойчивых к отказам параллельных СП ЦОС классов вычетов, способных сохранять работоспособное состояние при возникновении отказов позволяет более чем 1,9 раза повысить надежность функционирования по сравнению с параллельным СП ТЧП, использующим метод маскирования отказов «2 из 3», а схемные затраты составляют менее 42 процентов от объема последнего.

4. Проверка разработанной методики построения специализированных процессоров ЦОС устойчивых к отказам, проведенная при конкретных исходных данных, показала ее пригодность для использования в инженерной практике.

Заключение

.

Меньше чем за одно поколение информационная революция и внедрение компьютерных технологий фактически в каждую область жизни общества привели к принципиально новым достижениям в сфере управления экономикой и обеспечение национальной безопасности РФ. Поэтому актуальным и важным является решение проблемы информационной безопасности в таких системах.

Одним из критериев жизнеспособности современного государства на современном этапе является наличие защищенного, динамически развивающегося информационного пространства, пронизывающего все среды деятельности государства. На практике такое пространство складывается из информационных и автоматизированных систем управления, объединенных коммуникациями, и их создание становится задачей первостепенной важности.

Анализ нынешнего состояния существующих и создаваемых распределенных автоматизированных систем управления позволяет отметить их следующие характерные черты: вся совокупность информационных систем и сетей представляет собой множество разнообразных видов и типов, созданных в разные годы. Все это дополнительно усложняет специализированные распределенные автоматизированные системы управления и делает их еще более уязвимыми перед угрозами информационной безопасности.

Вместе с тем, следует иметь ввиду, что ряд стран, а также террористические и экстремистские организации не прекращают попыток осуществить воздействие на автоматизированные системы силовых ведомств РФ. Результаты целенаправленного воздействия на информационные ресурсы автоматизированных систем и других информационно-управленческих систем, используемых высшими эшелонами государственной власти, могут иметь катастрофические последствия и быть сопоставимыми по нанесенному ущербу экономике и военному потенциалу страны с последствиями применения оружия массового поражения.

Успешное решение задачи по созданию АСУ в защищенном исполнении возможно лишь на основе комплексного подхода, при котором информационная безопасность обеспечивается эффективными мерами. Центральное место при разработке и применению таких АСУ занимают проблемы защиты информации от НСД.

Одним из наиболее перспективных методов обеспечения защиты информации от НСД является широкое применение систем контроля и управления доступом с использованием биометрических методов. Биометрические системы идентификации личности становятся важным элементом обеспечения безопасности государственных организаций и предприятий, а проверка персональной идентичности — важной государственной проблемой в различных областях.

Эффективность работы таких систем во многом определяется эффективностью работы подсистемы первичной обработки сигналов, на долю которой приходится от 90 и более процентов всей нагрузки. Отсутствие высокоточных и надежных вычислительных систем цифровой обработки данных, функционирующих в реальном масштабе времени, не позволяют в полной мере реализовать потенциальные возможности биометрических систем идентификации и аутентификации пользователя. Решить данную проблему возможно за счет применения полиномиальной системы классов вычетов. Поэтому целью данной диссертационной работы является синтез минимально избыточных высокоточных параллельных вычислительных структур цифровой обработки сигналов, функционирующих в полиномиальной системе классов вычетов и реализованных в нейросетевом базисе, а так же разработка методов и алгоритмов, позволяющих сохранять работоспособное состояние СП ЦОС при возникновении отказов за счет корректирующих способностей кодов ПСКВ и реконфигурации структуры непозиционного СП.

В ходе проведения исследований были получены следующие научные и практические результаты.

1. Проведенное обоснование целесообразности разработки и применения математической модели цифровой обработки сигналов, базирующейся на полиномиальной системе классов вычетов, позволило повысить точность и скорость реализации ортогональных преобразований сигналов по сравнению с ранее применяемыми моделями ЦОС за счет перехода к многомерной обработке данных и реализации целочисленной арифметики.

2. Для повышения надежности функционирования непозиционного СП ЦОС предложен метод постоянного резервирования. Решение задачи оптимального резервирования непозиционного спецпроцессора ЦОС, функционирующего в ПСКВ, позволяет повысить надежность работы данного устройства по сравнению с СП ТЧП, реализующим маскирование отказов методом «2 из 3» более чем 1,5 раза.

3. Показано, что параллелизм обработки малоразрядных операндов в ПСКВ, является идеальной основой для обеспечения временной избыточности при функционировании СП ЦОС. Рассмотрен метод построения отказоустойчивого СП ЦОС, использующий временную избыточность. Представлено устройство коррекции ошибок, позволяющее исправлять трехкратные ошибки за счет расширения набора решающих правил. Данное устройство позволяет сохранять работоспособное состояние за счет снижения в допустимых пределах такого показателя качества как производительность. Применение временной избыточности позволяет в 6 раз уменьшить эквивалентную вероятность искажения единичного символа в итоговой комбинации по сравнению с простым мажоритаром.

4. Независимость и параллельность обработки данных в вычислительных трактах ПСКВ служат идеальной основой для построения корректирующих модулярных кодов. Теоретические основы построения корректирующих кодов ПСКВ, доказанные теоремы и следствия позволяют разрабатывать высоконадежные вычислительные структуры, использующие потенциальные возможности кодов классов вычетов по обеспечению информационной надежности обрабатываемых данных.

5. Представленные в диссертационной работе и доказанные теоремы позволяют определять минимальную избыточность вводимую в непозиционные коды классов вычетов для обеспечения требуемой надежности обработки информации. В этом случае, применение нижней границы избыточности позволяет обеспечить более высокую точность обработки сигналов и обеспечить более эффективное функционирование непозиционного СП ЦОС.

6. Разработка и совершенствование методов и алгоритмов контроля и коррекции ошибок, которые базируются на вычисление позиционных характеристик кодов ПСКВ во временной области, позволяют придать непозиционным спецпроцессорам ЦОС свойство отказоустойчивости. Применение нейросете-вого базиса позволяет осуществлять процедуры поиска и локализации ошибки с использованием НС прямого распространения при минимальных временных затратах.

7. Разработана методика построения устойчивых к отказам непозиционных спецпроцессоров цифровой обработки сигналов, функционирующих в полиномиальной системе классов вычетов. На примере проектирования специализированного процессора первичной обработки речевого сигнала была проведена проверка ее пригодности для использования в практика. Показано, что применение непозиционной алгебраической системы ПСКВ позволяет сократить аппаратурные затраты на последовательную реализацию операций ЦОС почти в 2 раза меньше по сравнению с аналогичным модульным СП ТЧП и в 59,2 раза — по сравнению с позиционным СП ДПФ. При этом СП ПСКВ, реализованный на основе разработанной методики, обладает почти в 1,3 раза большей устойчивостью к отказам чем СП ТЧП, эмулирующий метод «2 из 3», при этом схемные затраты составляют менее 36% от объема последнего.

8. Предложены патентоспособные функциональные узлы и блоки нейросетевых спецпроцессоров полиномиальной системы классов вычетов.