Обеспечение сетевого взаимодействия и информационной безопасности в системе генерации многоуровневых программных комплексов клиент-серверной архитектуры

Актуальность проблемы.

Повсеместное распространение компьютерных сетей различного масштаба, а также интеграция их во всемирную сеть Интернет открыли новые возможности для создания распределенных прикладных автоматизированных систем различных целевых назначений. Наиболее удачными с точки зрения эффективности, гибкости и многофункциональности являются прикладные системы, построенные по технологии многоуровневого клиент-сервера [1−3]. Однако одновременно с появлением подобных систем возникла и оборотная сторона медали — необходимость обеспечения информационной безопасности во враждебной среде публичных сетей.

Под информационной безопасностью некоторого информационного ресурса подразумевается максимальное затруднение доступа неуполномоченными пользователями к соответствующему информационному ресурсу и обеспечение защиты информационного ресурса от искажений или удаления [4−8]. Соответственно с точки зрения развертывания информационных систем в масштабах публичных сетей необходимо учитывать целый ряд свойств характерных для публичных сетей. К этим свойствам относятся: свободный доступ посторонних лиц к информации, проходящей по каналам публичных сетейболее низкая пропускная способность каналов связи по сравнению с локальными сетяминаличие оплаты за объем передаваемой информациименее надежная работоспособность каналов связи по сравнению с локальными сетями.

Тяжкое наследие систем, разработанных в операционной системе М8Э08, наложило отпечаток на архитектуру современных систем [9−12]. Первоначально системы строились по технологии двухуровневого клиент-сервера, в которой клиентские модули обращались непосредственно в базу данных [1319]. Подавляющее большинство подобных систем было рассчитано на функционирование в закрытых от внешнего мира локальных сетях компаний. Архитектура у систем была такова, что данные хранились в файлах формата с! ЬГ на выделенном сервере. На рабочих местах, подключенных к локальной сети, устанавливались клиентские модули, которые для доступа к данным использовали принцип файл-сервера. Т. е. клиентские модули обращались к файлам формата расположенным в разделяемых директориях, доступных для чтения и записи с рабочих мест, где расположены клиентские модули. Соответственно с точки зрения информационной безопасности осуществлялась очень слабая защита информационных ресурсов от несанкционированного доступа (НСД). В такой системе легко можно было получить, модифицировать или полностью уничтожить любую необходимую информацию. Разделение доступа было возможно только ограничением доступа на уровне файл-сервера, т. е. было возможно ограничить доступ с заданного рабочего места к заданному файлу. Причем только целиком ко всему файлу. Такое разделение прав доступа очень сильно снижало гибкость для объемной и многофункциональной информационной системы. При этом очень сильно повышались затраты на администрирование и сопровождение подобных систем.

Таким системам был присущ еще один существенный недостаток — очень высокие требования к пропускной способности сети, соединяющей клиентские приложения с сервером. Дело в том, что вся логика работы информационной системы реализовывалась в клиентском модуле и все запросы к серверу, как правило, представляли собой поиск и отбор необходимой информации из базы данных сервера. Соответственно для того, чтобы клиентский модуль получил для обработки некую информацию, требовалось получить весь файл, в котором осуществлялся поиск, и выбрать из него только небольшую часть, необходимую пользователю. Таким образом, для получения незначительной по объему информации — в большинстве случаев доли процента от общего объема поиска — приходилось передавать через сеть значительные объемы данных. Это создавало неоправданное возрастание трафика в сети. Увеличение количества пользователей приводило к фатальной перегрузке сети, при которой работа информационной системы становилась практически парализованной.

Потребности в высокой пропускной способности и возможности информационной безопасности такой архитектуры еще как-то укладывались в рамки локальных сетей с небольшим количеством пользователей. Однако в масштабах глобальных сетей низкие производительность и защищенность, а также высокая стоимость оплаты трафика провайдерам сетевых каналов, оказались совершенно неприемлемы.

Характерным примером таких систем являлись системы, построенные с применением различных программных продуктов для разработки на базе языка Clipper [20].

Дальнейшее развитие технологии разработки программных продуктов привело к применению новых поколений баз данных с многопользовательским режимом доступа [21−30]. Обработка информации в них осуществлялась при помощи программной компоненты, именуемой СУБД (Система Управления Базой Данных), функционирующей в непосредственном контакте с файлами Базы Данных (БД). Клиентские приложения в подобных системах взаимодействовали не с Базой Данных напрямую, а посредством СУБД. В функции СУБД входило обеспечение доступа к данным, их локальная структурная обработка с применением языка структурных запросов SQL (Structured Query Language) [3133] и отправка результирующих данных клиентскому приложению.

Для удаленного доступа к СУБД использовались различные сетевые протоколы. Универсальным и наиболее распространенным протоколом доступа являлась спецификация ODBC (Open Data Base Connectivity) [28]. Несомненным преимуществом этого стандарта было то, что он позволял в теории единым и унифицированным способом взаимодействовать с различными СУБД (разных производителей и под разные программно-аппаратные платформы). Однако на практике такая универсальность должным образом не обеспечивалась. Дело в том, что для взаимодействия с различными СУБД, даже с учетом универсальности протокола ODBC, приходилось учитывать особенности каждой СУБД. Как правило, каждая СУБД требовала дополнительного выполнения тех или иных функций ODBC со специфическими параметрами во время инициализации работы. Либо присутствовало то или иное ограничение на проведение одновременных запросов. Например, в СУБД Oracle при открытом курсоре не допускалось выполнение других запросов [22]. В результате не удавалось создать приложение, которое могло бы взаимодействовать с любой существующей СУБД и разработанной позже.

Особенности существующих СУБД еще как-то можно было учесть, но при этом, несомненно, возрастала стоимость разработки в связи с необходимостью исследований и тестирования работы с каждой СУБД, а также существенно усложнялся программный код информационной системы в части взаимодействия ее с СУБД. Что же касалось новых СУБД, не существовавших на момент создания информационной системы, то учесть их особенности не представлялось возможным.

К тому же универсальность стандарта ODBC оборачивалась достаточно низкой производительностью. Это хорошо подтверждалось на практике наличием специализированных интерфейсов у каждого производителя СУБД. Например, у Microsoft SQL Server — интерфейс DBLIB [28], у Oracle — интерфейс OCI [22−23,25]. Взаимодействие с СУБД через эти интерфейсы позволяло в несколько раз увеличить скорость работы с БД.

Вдобавок информационная безопасность в стандарте ODBC обеспечивалась на очень низком уровне, как по уровню защищенности данных от НСД, так и по уровню гибкости в разделении прав доступа к информационным ресурсам. В ODBC отсутствовали встроенные средства аутентификации и шифрования канала данных с привязкой ключей шифрования к пользователям, определяемых прикладной задачей информационной системы. Плюс к этому с точки зрения прикладной архитектуры возможности построения сложных бизнес-приложений ограничивались отсутствием надежных и развитых средств синхронизации параллельных запросов и выстраивания запросов в «очереди». Что нередко приводило к зависанию или так называемой «смертельной блокировке» (deadlock) одновременно выполняющихся запросов, требующих доступа к одним и тем же ресурсам.

Существует еще один недостаток систем, построенных с использованием языка SQL. Это только динамическая проверка SQL-выражений во время работы приложения. В таких системах может быть написано синтаксически неверное SQL-выражение, которое может находиться в редко выполняемой ветке программы и долгое время может не проявляться. Но при попытке выполнения этого SQL-выражения возникает ошибка обработки в СУБД. Обработка этой ошибки в зависимости от конкретной реакции приложения на такие ситуации может приводить к аварийному завершению приложения и соответственно к возможной потере данных.

Некоторым выходом из такой ситуации стало дальнейшее усовершенствование интерфейса и встроенных возможностей СУБД. Это вылилось в появлении различного рода встроенных средств обработки данных в самих СУБД до отправки результата клиентскому приложению. Характерным примером являлась технология представлений VIEW [18−19]. Эта технология позволяла создавать в СУБД специальные таблицы, реальным воплощением которых были SQL-запросы к другим таблицам. Преимуществом такой технологии было упрощение структуры запросов между клиентским модулем и СУБД, что соответственно приводило к сокращению объема пересылаемых данных и как следствие повышению производительности системы в целом.

Другим примером встроенных средств СУБД являлись хранимые процедуры (stored procedures), позволяющие на том или ином языке и на SQL в частности, в зависимости от производителя СУБД, выполнять достаточно сложные процедуры обработки данных [18−19].

Обе приведенные технологии встроенных средств обработки данных обладали существенным недостатком. Практически в каждой СУБД в реализации этих технологий существовали те или иные отличия, как правило, позволяющие повысить производительность обработки данных. Соответственно для того, чтобы реализовать переносимую, т. е. независящую от конкретной СУБД, систему необходимо было отказываться от использования этих особенностей и использовать только некоторое общее подмножество операций, доступное во всех СУБД. Разумеется, это сильно сужало количество возможных операций и сводило к нулю преимущество подобных технологий.

Также к перечисленным выше недостаткам технологий и средств разработки информационных систем следует добавить еще один значительный недостаток. Разработка достаточно сложных информационных систем с помощью этих технологий представляет собой написание очень объемных исходных кодов, что само по себе требует больших человеческих ресурсов на разработку. Плюс к этому сложность разработки увеличивается существенно нелинейно в зависимости от сложности постановки задачи. Также возрастают требования к сопровождению систем, разработанных подобным образом.

Некоторые попытки исправить сложившуюся ситуацию предпринимались в различных инструментальных системах [27,34−39]. Однако комплексного решения, учитывающего в полной мере все перечисленные выше недостатки, так и не появилось в широком распространении. Большинство систем не обладает достаточной гибкостью и универсальностью, а зачастую и необходимой функциональностью, с точки зрения прикладных задач построения информационных систем. Либо в предлагаемых инструментальных системах отсутствуют надежные и развитые средства обеспечения информационной безопасности многопользовательских многокомпонентных программных комплексов, функционирующих в публичных сетях, либо создаваемые ими информационные системы недостаточно эффективны на низкоскоростных каналах передачи данных.

С учетом всего вышесказанного отчетливо проявилась проблема необходимости разработки современных инструментальных систем, учитывающих обозначенные выше недостатки. В ВЦ РАН ведутся работы в этой области.

Коллективом авторов была создана инструментальная система «Генератор Проектов» [40−44], предназначенная для разработки прикладных информационных систем в рамках клиент-серверной архитектуры. Эта система была использована при разработке ряда автоматизированных систем [45−49] и показала свою эффективность. «Генератор Проектов» продолжает развиваться с целью расширения ее инструментальных возможностей.

Настоящая работа посвящена одному из наиболее актуальных вопросов инструментального обеспечения разработки информационных систем — вопросам обеспечения информационной безопасности [1−8,50]. Цель исследований.

Создание действующей программной реализации подсистемы безопасности информационных систем в рамках инструментальной системы «Генератор Проектов». Для достижения этой цели ставились следующие задачи:

• Разработка архитектуры информационных клиент — серверных систем с точки зрения обеспечения информационной безопасности в публичных сетях различного масштаба.

• Разработка программной модели подсистемы безопасности информационных систем. Программная модель должна обеспечивать масштабируемость информационных систем.

• Разработка спецификации программного интерфейса подсистемы безопасности с целью интеграции ее в инструментальную систему «Генератор Проектов».

• Создание программной реализации подсистемы безопасности с целью интеграции ее в инструментальную систему «Генератор Проектов».

• Разработка архитектуры и программной реализации подсистемы безопасности для двух основных типов ключевой информации — симметричной и асимметричной.

Содержание работы.

В данной работе разработана технология организации сетевого взаимодействия в прикладных информационно-поисковых системах, базирующихся на многоуровневой клиент-серверной архитектуре. Данная технология реализована в рамках универсальной инструментальной системы «Генератор Проектов».

В первой главе рассматривается проектный подход к созданию информационных систем. Приводятся аргументы в пользу использования инструментальных систем для создания современных информационных систем. Дается описание структурной модели проектируемых систем. Наиболее удачной является архитектура «клиент-сервер». Приводится описание инструментальной системы «Генератор Проектов», включая язык описания проектов.

Во второй главе излагается постановка задачи информационной безопасности, дается подробное описание алгоритмов аутентификации, шифрования и структуры ключевой информации в применении к информационным системам. Дано описание двух базовых алгоритмов проведения аутентификации, в зависимости от используемой ключевой информации. Первый способ — это использование симметричных ключей (паролей). Второй способ — это использование несимметричных ключей (цифровых сертификатов). На основе этих двух способов аутентификации приводится описание двух схем обеспечения информационной безопасности. Излагаются преимущества и недостатки каждой из схем. Приводится программная реализация подсистемы безопасности, в том числе перечислены основные программные компоненты системы, дано описание структуры данных ключевой информации и подробно изложены информационные потоки в системе.

В третьей главе приводится пример микро проекта информационной системы, позволяющий проследить основные идеи структурной модели информационных систем, положенные в основу описанного в первой главе проектного подхода, а также показать реализацию подсистемы безопасности информационных систем. К тому же приведенный пример позволяет оценить соотношение объема описания проекта и объема сгенерированной системы.

В четвертой главе приведено описание реального использования инструментальной системы «Генератор Проектов» для построения информационных систем. Излагается краткое описание трех промышленных систем, разработанных с применением инструментальной системы «Генератор Проектов», в разработке которых автор принимал непосредственное участие. Все три системы связаны с обеспечением выполнения банковских платежей с применением современных электронных устройств — пластиковых карт, мобильных телефонов, банкоматов. Обеспечение таких платежей — это в первую очередь обеспечение надежности и безопасности. Первая система — это Система Банковского Самообслуживания. Основное ее назначение прием платежей населения в пользу различных поставщиков услуг, в том числе и коммунальных, с использованием автоматических банковских терминалов (банкоматов и инфокиосков). Вторая система — это Система Мобильного Банковского Обслуживания. Назначение этой системы — осуществление безналичных платежей с использованием мобильных телефонов в качестве средства идентификации клиента. Третья система — это Система DUPLET. Назначение этой системы — организация и автоматизация взаимных межбанковских расчетов при выполнении операций выдачи наличных по микропроцессорным карточкам стандарта DUET, эмитированными «чужими» платежными системами.

Научная новизна.

Разработана концепция универсальной архитектуры информационных систем, которую можно описать как архитектура многоуровневого распределенного клиент-серверного программного комплекса.

Разработан универсальный механизм идентификации/аутентификации пользователей в подсистеме безопасности информационных систем для двух различных типов ключевой информации — симметричной и асимметричной. Применен протокол трехфазной аутентификации.

Разработана универсальная модель интерфейса библиотек криптографических алгоритмов, независящая от типов криптографических алгоритмов.

Разработана модель и программная реализация подсистемы безопасности информационных систем. Разработанная программная реализация интегрирована в инструментальную систему «Генератор Проектов».

Практическая ценность.

Практическая значимость полученных результатов состоит в том, что разработанные инструментальные средства позволяют существенно сократить трудоемкость разработки прикладных информационных систем, уменьшить количество ошибок в программном коде и повысить надежность программных комплексов. Это было подтверждено при создании и сопровождении ряда реальных систем, три из которых описаны в данной работе: Система Банковского Самообслуживания MassPay [46], Система Мобильного Банковского Обслуживания MobilPay [47] и Система обслуживания микропроцессорных карт DUPLET.

Система Банковского Самообслуживания была внедрена в промышленную эксплуатацию в Сбербанке России в 2003 году. Начало разработки системы по заказу Западно-Уральского Банка Сбербанка России — 2002 год.

Система Мобильного Банковского Обслуживания была реализована в пилотном варианте в коммерческом банке МБРР (Московский Банк Реконструкции и Развития) в 2003 году. Начало разработки системы по заказу коммерческого банка МБРР — 2002 год.

Система обслуживания микропроцессорных карт DUPLET внедрена в промышленную эксплуатацию в компании ООО «Про-Кард» и коммерческом банке «Мак-банк» в 2002 году. Начало разработки системы по заказу компании ООО «Про-Кард» и коммерческого банка «Мак-банк» — 2001 год.

Общая характеристика.

Объем работы — 156 страниц, 22 иллюстрации.

Заключение

.

В настоящей работе изложена концепция, архитектура и реализация подсистемы информационной безопасности, разработанной в рамках промышленной инструментальной системы Генератор Проектов. Необходимость разработки описанной подсистемы информационной безопасности вызвана современными требованиями к безопасности прикладных систем и отсутствием инструментальных систем подобного класса, отвечающих этим требованиям. Генератор Проектов основан на современном проектном подходе к разработке информационных систем, главным преимуществом которого является то, что он не перемешивает две области деятельности — содержательное моделирование прикладных задач и технологические проблемы программирования. Благодаря этому появляется возможность достаточно глубокой формализации на этапе постановки задачи, то есть в процессе проектирования системы. С другой стороны средства проектирования, то есть правила описания системы, их форма и содержание, однозначно соответствуют доступной в данный момент технологии создания программ, которая заложена в Генераторе Проектов и той структурной модели, на которую он опирается. Развитие структурной модели, расширение возможностей автоматической генерации программ будут совершенствовать и средства проектирования. В связи с этим представляется, что дальнейшее углубление проектного подхода, разработка более мощных языковых средств описания содержательных объектов, моделей и процедур, может быть даже их специализация и ориентация на конкретные предметные области, являются весьма актуальной задачей для разработчиков прикладных информационных систем.

Автор представляемой диссертации является одним из разработчиков инструментальной системы «Генератор Проектов». Ниже перечислены основные результаты, которые получены лично автором:

Разработана концепция и архитектура подсистемы информационной безопасности, отвечающая современным требованиям прикладных промышленных систем, обладающая очень высоким уровнем гибкости, функциональности и масштабируемости и при этом позволяющая обеспечить высокую степень защищенности конфиденциальной информации от несанкционированного доступа. Гибкость и функциональность выражается в возможности выбора различных схем защиты и контроля информационных потоков и ресурсов. А масштабируемость выражается в том, что подсистема информационной безопасности позволяет обеспечить высокую эффективность обработки прикладных задач благодаря возможности грамотного распределения нагрузки по различным компонентам проектируемых прикладных систем.

Разработанная подсистема информационной безопасности реализована и интегрирована в инструментальную систему Генератор Проектов. Представленная реализация, позволяет разрабатывать прикладные промышленные системы под широкий спектр программно-аппаратных платформ, что, несомненно, расширяет возможности практического применения инструментальной системы Генератор Проектов.

Разработана структурная модель подсистемы безопасности в архитектуре «многоуровневый клиент-сервер». Выделены основные логические компоненты системы. Некоторые логические компоненты могут быть выделены в разные программные модули, что позволяет территориально распределить компоненты системы. В том числе есть возможность выделить наиболее важные компоненты, такие как Сервер Безопасности, хранящий ключевую информацию пользователей, в отдельные сегменты сети, обеспечив, таким образом, дополнительный уровень безопасности. В реализации транспортной модели подсистемы безопасности применен пакетный метод передачи данных, позволяющий обеспечить независимые потоки данных в любых направлениях. Применение этого метода позволило в некоторых случаях обеспечить возможность инициации передачи данных от сервера к клиенту.

Разработаны две схемы трехфазной аутентификации сторон информационного обмена в архитектуре клиент-сервер. Аутентификация с применением симметричных и асимметричных алгоритмов шифрования. Схема на симметричных алгоритмах при достаточно высоком уровне крипто-стойкости позволяет обеспечить быстрое и несложное развертывание прикладной системы. В то время как схема на асимметричных алгоритмах, более сложная в развертывании и сопровождении, позволяет обеспечить очень высокий уровень защищенности и конфиденциальности. Применена сетевая база данных для хранения аутентификационной информации, включая криптографические ключи пользователей и списки привилегий на выполнение тех или иных операций.

Разработаны удобные средства администрирования подсистемы безопасности. В том числе реализован Модуль Администратора Безопасности, выполненный в виде графического программного приложения, позволяющего интуитивно понятном способом управлять системой. В промышленной Системе MassPay автор реализовал подсистему информационной безопасности, несколько десятков Интерфейсных Клиентских Модулей для связи с различными Биллингами по специфическим протоколам.

В пилотной Системе MobilPay автор реализовал подсистему информационной безопасности, взаимодействие с Центром приема коротких сообщений (SMS) по протоколу SMPP v3.4 через канал TCP/IP. В промышленной Системе Duplet автор разработал транспортную архитектуру, реализовал подсистему информационной безопасности, Центральный Сервер Системы, Карточные Модули, Модуль Регионального Клиента.