Методы интерпретации информационных потоков с целью обеспечения безопасности информационного взаимодействия

Актуальность темы

.

Сегодня интенсивное развитие телекоммуникационных систем предоставляет широкий круг новых возможностей. Все большее распространение получает всемирная глобальная сеть (Интернет), позволяя использовать множество новых решений и сервисов.

К примеру, с появлением электронной почты значительно сократились сроки доставки сообщений. Впоследствии было разработано множество других средств общения: системы мгновенного обмена сообщениями, мультимедиа-средства (например, возможность организации видеоконференций) и другие. Теперь эти средства используются не только в личных нуждах человека, но и в бизнесе, производстве.

Большое распространение получили и средства передачи различных данных: финансовых документов, производственных отчетов и т. п.

Также стали использоваться системы удаленного управления оборудованием во множестве областей: мониторинг, системы безопасности, научное оборудование (например, телескопы) и другие.

Одновременно с задачей развития конечных элементов телекоммуникационных систем (например, компьютеров), важной задачей остается обеспечение эффективного и безопасного информационного обмена между такими элементами. В настоящее время устоялась семиуровневая модель OSI, которая регламентирует использование тех или иных протоколов и схему их взаимодействия между собой. На сегодняшний день наиболее бурное развитие наблюдается на самом высоком уровне модели OSIприкладном. К числу высокоуровневых протоколов относится множество XML-протоколов. Однако платой за их достоинства является и низкая защищенность передаваемых данных. Проблема обеспечения информационной безопасности в сетях и устройствах телекоммуникаций в сегодняшнее время очень актуальна. Попытки неправомерного доступа к информации становятся все более интенсивными во всех областях, начиная от небольших конкурирующих фирм и заканчивая государственным уровнем («информационные войны», терроризм). Поэтому задача обеспечения защищенности передаваемых с помощью высокоуровневых протоколов данных сейчас очень актуальна.

Диссертация направлена на комплексное решение научно-технической задачи организации сетей телекоммуникаций путем создания новых принципов и методов информационного обмена, обеспечивающих требуемый уровень защищенности информации и безопасности в сетях.

Объектом исследования данной диссертации являются высокоуровневые протоколы (XML-протоколы) и телекоммуникационные системы, их использующие.

Целью работы является разработка новых методов защиты информации, передаваемой с помощью XML-протоколов, а также критериев оценки эффективности разработанных методов.

Для достижения поставленной в работе цели использовались следующие методы исследования: анализ существующих телекоммуникационных систем, использующих высокоуровневые протоколы, моделирование предложенных алгоритмов обеспечения защищенности передаваемых данных и анализ результатов после проведения расчетов на модели.

Научная новизна исследования состоит в том, что предложены новые методы обеспечения защиты информации, передаваемой с помощью открытых протоколовразработана модель сети, использующей такие протоколы и позволяющая описать оптимальные алгоритмы атаки и защитыпроведена практическая апробация на реальных системах и выработаны рекомендации по использованию предложенных методов.

Практическая значимость исследования. В ходе работы разработан программный модуль, позволяющий проводить испытания предлагаемых методов на любых реальных XML-документах и получать оценку эффективности различных методов на различных документах. Архитектура модуля позволяет легко добавить новые алгоритмы (допустим, разработанные другими организациями) и также оценивать их эффективность, вырабатывать рекомендации по использованию в системах различного класса.

В результате проведения апробации некоторых методов было отмечено, что они имеют более высокую производительность (в некоторых случаях наблюдался четырехкратный прирост), чем существующие методы (например, шифрование), а также позволяют уменьшить объем передаваемой информации.

Положения, выносимые на защиту.

1. Разработанные методы запутывания XML-протоколов позволяют обеспечить безопасность информационного обмена, достигая до восьмикратного сокращения вычислительных и временных затрат по сравнению с существующими средствами.

2. Предлагаемый показатель эффективности запутывающих преобразований (вероятность обнаружения факта запутывания) позволяет разработать запутыватель, гарантирующий наилучшую защищенность телекоммуникационной системы в наихудшем случае.

3. Предложенная классификация протоколов областей применения XML позволила совместно с дисперсионным анализом обосновать требования к объему статистической выборки протоколов данного класса.

4. Разработанная имитационная модель XML-телекоммуникационной системы, реализующая запутывание, позволяет сравнивать различные методы запутывания и вырабатывать рекомендации по их применению.

Область применения результатов. Проведенный анализ показал, что полученные результаты могут быть применены в системах следующего класса: конфигурирование приложений, телекоммуникационные системы мгновенного обмена сообщениями, системы удаленного управления. Возможно применение и в других системах (например, системы обмена финансовыми документами), однако проведение соответствующего эксперимента в работе было затруднительно из-за закрытости таких систем.

Достоверность.

Достоверность полученных результатов обоснована использованием аппарата дисперсионного анализа, позволяющего обеспечить устойчивость практических результатов, а также практической реализацией и апробацией результатов работы.

Структура диссертационной работы.

В разделе 1 проведен анализ существующих методов повышения безопасности XML-информационного взаимодействия (XML-ИВ), выявлены их недостатки, сформулирована задача разработки альтернативных методов, предложены предварительные варианты альтернативных методов.

В разделе 2 выполнен анализ предлагаемых методов с точки зрения их принадлежности к смежным областям (кодирование, шифрование, стеганография и др.), произведен анализ смежных областей на предмет возможности заимствования их моделей и показателей эффективности, более подробно описаны предлагаемые методы запутывания XML-документов.

В разделе 3 предложена формальная модель защищающейся стороны и атакующего, произведен анализ факторов, влияющих на эффективность атаки, описаны и обоснованы оптимальные условия для атаки, разработаны показатели эффективности методов запутывания, показана схема оптимального запутывателя.

В разделе 4 разработана имитационная модель, произведено планирование эксперимента, выполнена классификация существующих информационных систем, использующих XML-ИВ, выполнена апробация некоторых из предложенных алгоритмов запутывания на реальных документах и выработаны рекомендации по использованию алгоритмов запутывания в системах различного класса.

1. Постановка задачи.

4.4. Выводы и рекомендации по применению результатов в различных областях.

Проведенная апробация показала адекватность формальной модели запутывания — различные методы показали разную эффективность, что позволяет выбрать среди них оптимальные в разных областях и вынести некоторые рекомендации по их использованию.

К общей рекомендации можно отнести использование методов переименования между собой — во всех областях они показывают большую эффективность, чем переименование тегов по словарю.

Конфигурирование приложений.

В таких областях более эффективными, как правило, оказываются методы переименования с применением перегрузки. Однако учитывая то, что применение перегрузки замедляет производительность, для систем такого класса можно рекомендовать к применению именно те методы, преимущества которых более востребованы в конкретной ситуации — в каких-то случаях необходимо обеспечить максимальную защищенность передаваемой информации, а в других — высокую производительность телекоммуникационной системы и низкие затраты на аппаратное обеспечение.

Системы мгновенного обмена сообщениями.

Для таких систем характерен небольшой объем у передаваемых документов. В этом случае с точки зрения производительности запутывание оказывается гораздо выигрышнее, чем Xml Security. Если говорить об эффективности запутывания, то методы переименования с применением перегрузки уступают таковым без перегрузки. Кроме того, переименования без перегрузки также выигрывают и с точки зрения производительности. Поэтому для систем такого класса можно рекомендовать к использованию методы переименования тегов между собой без применения перегрузки.

Системы удаленного управления.

Как упоминалось ранее, системы такого класса сводятся к первым двум категориям систем. Поэтому выводы и рекомендации остаются такими же, в зависимости от конкретной реализации системы. В случае, если она заранее неизвестна, то можно пользоваться общими рекомендациями (например, использовать методы переименования тегов между собой) — в любом случае будет гарантироваться приемлемая эффективность.

Разумеется, в данной работе были опробованы не все возможные методы запутывания. Но программные модули позволяют с легкость реализовать любые другие алгоритмы и провести их апробацию и сравнение с другими алгоритмами.

Кроме того, можно выполнить проверку и для других предметных областей, лишь изменив набор входных XML-документов, и вынести рекомендации, например, для систем электронного документооборота или систем передачи научных данных.

Заключение

.

В диссертации получены следующие результаты:

1. Предложены альтернативные методы обеспечения безопасности XML-информационного взаимодействия, имеющие более высокую эффективность по сравнению с существующими.

Предлагается выполнение запутывающих преобразований над XML-документом: таких преобразований, которые не разрушают семантику данных, но приводят к неправильной интерпретации документа злоумышленником. При использовании предложенных методов достигается значительно большая производительность, чем при использовании шифрования по стандарту Xml Security.

2. Разработаны формальная модель информационной системы и показатели эффективности запутывающих преобразований, позволяющие описывать оптимальные алгоритмы атаки и защиты и сопоставлять различные алгоритмы запутывания меяеду собой.

В формальной модели описаны статистические свойства XML-протоколов.

Мерой эффективности алгоритма запутывания является значение статистики Хи-квадрат между распределениями исходного документа и запутанного, характеризующее меру статистических отличий между этими двумя документами. Чем оно ниже, тем ниже злоумышленнику придется выбирать порог для правильного обнаружения, увеличивая при этом вероятность ложной тревоги, или наоборот — увеличивая вероятность пропуска цели при неизменном пороге.

3. Разработана оптимальная (с точки зрения вероятностей ложной тревоги и пропуска цели) система моделей атаки и защиты, позволяющая спроектировать оптимальный запутыватель.

В системе представлены алгоритм работы защищающейся стороны и алгоритм атаки на эту сторону.

Введена и обоснована оптимальная модель атаки, определяющая наилучшие моменты смены алгоритма запутывания.

Оптимальная модель атаки (является наилучшей для атакующего и наихудшей для защищающегося) является исходной для выбора защищающимся наилучшего по эффективности алгоритма запутывания. Такой запутыватель называется оптимальным. Разработанная система позволяет абстрагироваться от конкретных действий атакующего и обеспечить наилучшую защиту данных даже в наихудших для защищающейся стороны условиях.

4. Разработана имитационная модель, позволяющая создать программный модуль для сопоставления (с точки зрения эффективности) различных алгоритмов запутывания на реальных документах.

Имитационная модель работает следующим образом: имеется несколько алгоритмов запутывания, которые к тому же могут быть применены с разными параметрами. На вход этих алгоритмов подаются различные реальные XML-документы, после запутывания происходит вычисление статистики Хи-квадрат, результаты затем анализируются. Эта модель была реализована в виде программных модулей. Архитектура их такова, что добавление нового алгоритма запутывания может быть легко выполнено, таким образом, обеспечена возможность тестирования других алгоритмов запутывания. В качестве входных данных может быть любой XML-документ, таким образом, модули позволяют сделать апробацию для любой области, использующей XML-протоколы.

5. Проведена классификация систем, использующих XML-ИВ, позволяющая, на основании результатов эксперимента, выработать рекомендации по использованию тех или иных алгоритмов запутывания в различных ситуациях.

На основании анализа всех используемых сегодня XML-форматов была выполнена следующая их классификация: форматы описания внешнего.