Математическое моделирование защищенных информационных систем органов внутренних дел на основе использования методов теории автоматов

Актуальность темы

.

В настоящее время наблюдается постоянный рост объемов информационных ресурсов, используемых в повседневной деятельности органоввнутренних дел (ОВД), возникает необходимость их быстрой и эффективной компьютерной обработки и оперативного обмена данными как внутри одного подразделения, так и между различными подразделениями ОВД. Поэтому деятельность ОВД в современных условиях практически невозможна без использования информационных систем (ИС) на базе инновационных компьютерных технологий. Однако, несмотря на неоспоримые достоинства их использования, существенно увеличивается количество угроз информационной безопасности (ИБ). В целях противодействия этим угрозам создаются системы защиты информации (СЗИ). Информационная система вместе с СЗИ образует защищенную информационную систему (ЗИС).

В настоящее время разработан целый ряд методов защиты информации в ИС, для реализации которых существует множество постоянно обновляющихся средств защиты. Технические характеристики и ценовые категории указанных средств варьируются в широких пределах. Каждая конкретная ЗИС имеет свои особенности (значимость обрабатываемой и хранимой информации, условия функционирования и т. п.), которые определяют требования к СЗИ. В этих условиях практически важным является получение оценок эффективности различных вариантов реализации СЗИ, что впоследствии может быть использовано для выбора оптимального с точки зрения предъявляемых требований комплекса защитных методов и средств, необходимых для её создания.

Ущерб, наносимый ЗИС угрозами ИБ, часто реализуется достаточно быстро, поэтому для корректной оценки эффективности СЗИ необходимо учитывать динамику функционированияфассматриваемой системы. Получение оценок эффективности СЗИ с учётом динамики возможно на основе математического моделирования процесса функционирования ЗИС в условиях воздействия угроз ИБ. Указанные обстоятельства определяют актуальность темы диссертации.

Диссертация выполнена на кафедре высшей математики Воронежского' института МВД в соответствии с научным направлением Воронежского института МВД России — «Математическое и компьютерное моделирование» (регистрационный номер № 01.02.00 2 951) в рамках НИР «Разработка методов математического моделирования и численного анализа распределенных информационных систем» № 805 от 24.01.2008 г.

Объектом исследования является защищенная информационная система органов внутренних дел.

Предметом исследования являются математические модели и алгоритмы функционирования ЗИС ОВД и оценки эффективности её СЗИ в условиях воздействия угроз информационной безопасности.

Цели и задачи исследования.

Целью диссертации является разработка математической модели, комплекса алгоритмов и программ её реализации, позволяющих осуществлять имитацию функционирования защищённой информационной системы ОВД в условиях воздействия угроз информационной безопасности в интересах оценки эффективности системы защиты информации.

Для достижения поставленной цели осуществлена оценка современного состояния задачи, анализ научных публикаций по рассматриваемой теме и решены следующие научные задачи.

1. Анализ процесса функционирования защищённой информационной системы в условиях воздействия угроз информационной безопасности.

2. Построение структурной модели функционирования защищённой информационной системы в условиях воздействия угроз.

3. Построение комплексной структурно-параметрической модели функционирования защищённой информационной" системы и оценки эффективности её системы защиты информации.

4. Разработка комплекса алгоритмов и программ имитации функционирования защищенной информационной системы и оценки эффективности системы защиты информации.

Методы исследования.

Для решения поставленных задач используются методы теории автоматов, теории вероятностей, имитационного моделирования. Общей методологической основой исследований является системный подход.

Научная новизна.

В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

1. Теоретически обоснована возможность и целесообразность представления ЗИС в процессе её функционирования как стационарной динамической системы с дискретным временем, что позволило использовать для моделирования методы теории автоматов.

2. На основе использования системного подхода построена структурная модель функционирования ЗИС в условиях воздействия угроз информационной безопасности, отличающаяся от существующих представлением процесса функционированияс различной степенью детализации на микро-, мезои макроуровнях.

3. На основе структурной модели функционирования ЗИС построена комплексная структурно-параметрическая модель, отличающаяся от существующих представлением в виде сети конечных автоматов и позволяющая получать оценки эффективности СЗИ с учётом динамики функционирования рассматриваемой системы.

4. Разработан комплекс алгоритмов и программ, реализующий построенную структурно-параметрическую модель и позволяющий осуществлять имитацию процесса функционирования ЗИС в интересах получения оценок эффективности СЗИ.

Практическая ценность и реализация-результатов работы заключается в разработке программного комплекса имитации функционирования ЗИС в уеловиях воздействия угроз ИБ и оценки эффективности используемого варианта реализации СЗИ «PROTECTEDIS Model». Разработанное математическое, алгоритмическое и программное обеспечение внедрено в деятельность УВО при ГУВД по Воронежской области, УВО при МВД по Республике Коми и в учебный процесс Воронежского института МВД России.

Достоверность результатов подтверждается использованием при разработке моделей известных математических методов и результатами вычислительных экспериментов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. ЗИС в процессе своего функционирования в условиях воздействия угроз ИБ может быть представлена как стационарная динамическая система с дискретным временем, и для её моделирования целесообразно использовать методы теории автоматов.

2., Для формализации и исследования процесса функционирования ЗИС в условиях воздействия угроз ИБ целесообразно на основе системного подхода построить структурную модель с представлением процесса функционирования с различной степенью детализации.

3. Для оценки эффективности СЗИ с учётом динамики функционирования ЗИС в условиях воздействия угроз ИБ целесообразно построить комплексную структурно-параметрическую модель функционирования рассматриваемой системы на основе использования сети конечных автоматов Мура.

4. Оценку эффективности функционирования СЗИ по величине предотвращённого относительного ущерба от угроз ИБ и по величине временных потерь, обусловленных ложными обнаружениями угроз, можно осуществлять на основе разработанного в диссертации комплекса алгоритмов и программ.

Апробация работы. Наиболее значимые результаты предлагаемой работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

Всероссийских научно-практических конференциях «Охрана, безопасность и связь» (Воронеж, 2007 г., 2009 г.);

Региональной научно-практической конференции «Информационные технологии в науке, технике и образовании» (Воронеж, 2008 г.);

Международной научно-практической конференции «Преступность, в России: состояние, проблемы предупреждения и раскрытия преступлений» (Воронеж, 2008 г.);

Всероссийских научно-практических конференциях «Актуальные вопросы эксплуатации систем охраны и защищенных телекоммуникационных систем» (Воронеж, 2008 г., 2009 г., 2010 г.);

XIX Международной конференции «Информатизация и информационная безопасность правоохранительных органов» (Москва, 2010 г.);

VI Всероссийской научно-практической конференции «Математические методы и информационно-технические средства» (Краснодар, 2010 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 печатных работ (7 статей, 9 материалов научных конференций), из них 3 статьи опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФв том числе 9 работ опубликовано без соавторов.

Структура работы. Диссертация состоит из введения четырех глав, заключения, списка литературы из 101 наименования и приложения. Работа изложена на 135 страницах машинописного текста (основной текст занимает 123 страницы, содержит 35 рисунков и 6 таблиц).

Выводы по главе 4.

1) На основе комплексной структурно-параметрической модели функционирования ЗИС в условиях воздействия угроз информационной безопасности и оценки эффективности СЗИ разработан комплекс алгоритмов.

2) Осуществлена программная реализация разработанного комплекса алгоритмов в виде программного комплекса имитации функционирования защищенной информационной системы в условиях воздействия угроз ИБ и оценки эффективности СЗИ PROTECTED IS Model.

3) На базе программного комплекса PROTECTEDIS Model проведён ряд вычислительных экспериментов функционирования ЗИС при различных вариантах реализации СЗИ в различных условиях.

Вычислительные эксперименты показали, что разработанный программный комплекс может быть использован в качестве вспомогательного инструмента при оценке эффективности СЗИ по величине предотвращенного относительного ущерба от угроз информационной безопасности и по величине относительных временных потерь, обусловленных ложными обнаружениями угроз, а также при сравнении нескольких вариантов реализации системы защиты и выборе наиболее приемлемого в заданных условиях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В ходе проведения исследования разработана и реализована в виде комплекса алгоритмов и программ комплексная структурно-параметрическая' модель функционирования защищенной информационной системы ОВД в условиях воздействия угроз информационной безопасности и оценки эффективности системы защиты информации. Получены следующие основные научные и практические результаты.

1. Проведён анализ процесса функционирования защищённой информационной системы в условиях воздействия угроз информационной безопасности с позиций системного подхода.

2. На основе проведённого анализа формализованы процессы, протекающие в ЗИС при обеспечении её информационной безопасности, и построена структурная модель с представлением процесса функционирования рассматриваемой системы на уровнях с различной степенью детализации:

3. Теоретически обоснована возможность и целесообразность использования методов теории автоматов как основы построения комплексной структурно-параметрической, модели^ функционирования! защищённой: информационной системыв условиях воздействия угроз и оценки эффективности системы защиты.

4. Построена комплексная структурно-параметрическая модель функционирования защищённой информационной системы в условиях воздействия угроз информационнойбезопасности на базе сети конечных автоматов Мура, позволяющая осуществлять оценку эффективности системы защиты информации с учётом динамики функционирования рассматриваемой системы.

5. Осуществлена оценка эффективности системы защиты информации* на базе построенной модели по величине предотвращённого относительного ущерба от угрозинформационной безопасности и по величине: относительных временных потерь, обусловленных ложными обнаружениями угроз.

6. Разработан комплекс алгоритмов и программ имитации функционирования ЗИС в условиях воздействия угроз информационной безопасности и оценки эффективности различных вариантов реализации системы защиты информации.

7. Представленные результаты диссертации внедрены в практическую деятельность Управления вневедомственной охраны при МВД по Республике Коми, Управления вневедомственной охраны при ГУВД по Воронежской области и использованы в учебном процессе на кафедрах высшей математики и информационной безопасности Воронежского института МВД России.