Математические модели надежности и технического обслуживания систем защиты информации

Современные информационные системы имеют сложную структуру. Они содержат пользовательские приложения, работающие во взаимодействии с различными операционными системами, установленными на компьютерах, объединенных в локальную сеть, часто связанную тем или иным образом с сегментом глобальной сети. Обеспечение безопасности такой системы требует проведения целого комплекса мероприятий в соответствии с разработанной на предприятии политикой информационной безопасности.

Существует два возможных направления политики информационной безопасности. В первом случае (ограничительная политика), пользователь имеет право использовать любые ресурсы, кроме тех, доступ к которым ограничен или закрыт. Во втором случае (нормативная политика), пользователь имеет право использовать только те ресурсы, которые ему явным образом выделены.

Первая схема политики безопасности применяется, как правило, на предприятиях с большим набором функционально различных групп достаточно квалифицированных пользователей. Вторая схема применима там, где производится много действий с одним и тем же набором приложений, причем круг этих приложений может быть очерчен заранее, а любое нестандартное действие рассматривается как попытка нарушения режима информационной безопасности.

Говоря о безопасности информационной системы, необходимо учитывать следующие соображения.

Во-первых, никакая информационная система не будет удовлетворительно защищена без продуманного плана технического обслуживания такой защиты и продуманной политики безопасности предприятия. При этом программно-технические средства защиты должны рассматриваться как одна из компонент, наряду с правовыми, административными, физическими мерами. Одной какой-либо из перечисленных компонент надежно защитить систему невозможно.

Во-вторых, в процессе эксплуатации защиты информационной системы необходим анализ рисков, существенных для данного предприятия.

В-третьих, система информационной безопасности должна строиться по принципу разумной достаточности. Необходимо помнить, что техническое обслуживание защиты требует затрат как материальных, так и информационных ресурсов, причем их объем быстро растет при усилении защищенности.

В-четвертых, хотя встроенные средства обеспечения безопасности операционной системы могут и должны применяться для защиты информационной системы в целом, в силу своей специфики их необходимо дополнить в соответствии с требованиями к конкретной конфигурации.

Наконец, необходимо учитывать, что в хорошей системе риск информационных потерь минимизирован, но не исключен. Поэтому действия, требующиеся для восстановления ресурсов информационной системы в случае нарушения каких-либо аспектов безопасности, должны составлять неотъемлемую часть защитных мероприятий.

В соответствии с принятой терминологией, информационная безопасность обеспечена в случае, если для любых информационных ресурсов в системе поддерживается определенный уровень конфиденциальности (невозможности несанкционированного получения какой-либо информации), целостности (невозможности несанкционированной либо случайной ее модификации) и доступности (возможности за разумное время получить требуемую информацию). При этом должна учитываться не только вероятность нарушения какого-либо из аспектов безопасности в результате умышленных либо неумышленных действий пользователей, но и вероятность выхода из строя каких-либо узлов информационной системы. В этом смысле средства повышения надежности также входят в комплекс информационной безопасности предприятия.

Важнейший этап жизненного цикла информационной системы, в том числе и системы защиты — эксплуатация и техническое обслуживание. Под техническим обслуживанием понимают комплекс мер, осуществляемых на этапе производственной эксплуатации и направленных на обеспечение требуемой надежности и эффективности и функционирования системы защиты.

Исследованию проблем надежности, технического обслуживания и моделирования систем защиты информации посвящены работы следующих ученых: Щеглова А. Ю., Герасименко В. А., Малюк А. А., Иванова В. П., Минаева В. А., Мельникова В. В., Гловы В. И., Аникина И. В., Домарева В. В., Папина М, Яроч-кина В. И, Хорева А. А., Альянах И. Н., Гайковича В., Мафтика С, Панина П., Хмелева Л. С., Яковлева С. А. и других.

Тем не менее, многие вопросы надежности и технического обслуживания в указанных предметных областях не рассматривались. Таким образом, разработка математических моделей надежности и стратегий технического обслуживания, построение алгоритмов для эффективного функционирования систем информационной безопасности с учетом их вероятностных характеристик является чрезвычайно важной и актуальной задачей. Решению этих вопросов посвящена настоящая диссертация.

Объект исследования: надежность и техническое обслуживание систем защиты информации.

Предмет исследования: методы, модели, алгоритмы надежности, диагностики и стратегий технического обслуживания систем защиты информации.

Цель работы: повышение надежности и эффективности функционирования систем защиты информации на основе моделей и алгоритмов технического обслуживания и диагностики с позиций минимального риска.

Научная задача: построение научно-обоснованных моделей надежности, разработка алгоритмов диагностики и оптимальных стратегий технического обслуживания систем защиты информации.

Достижение поставленной цели и задачи потребовало решения следующих вопросов:

У построения математических моделей потока отказов и восстановлений системы защиты информации, определения параметров функций распределения и вероятности реализации угрозы информационной безопасности при наличии потока угроз;

У разработки математических моделей технического обслуживания, контроля и диагностики систем информационной безопасностиисследования и построения моделей оптимальных стратегий технического обслуживания и управления рисками информационной безопасностиразработки методик определения показателей качества технического обслуживания и вопросов приложений математических моделей и алгоритмов к проблеме защиты банковской информации.

Методы исследования. Для решения обозначенных вопросов использованы методы теории надежности, математического моделирования, диагностики и технического обслуживания сложных систем.

Достоверность полученных результатов. Предложенные в диссертационной работе модели и алгоритмы обоснованы теоретическими решениями и не противоречат известным положениям других авторов. Практическая апробация и внедрение в эксплуатацию результатов работы подтвердили эффективность методов диагностики и технического обслуживания систем защиты информации.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) предложены новые математические модели надежности невосстанавли-ваемых и восстанавливаемых систем в контексте технического обслуживания, контроля и диагностики информационных систем, определены основные вероятностные показатели надежности, позволяющие анализировать эксплуатационные характеристики систем защиты информации;

2) впервые проанализирована модель и алгоритм оптимального управления системой защиты информации, подверженной атакам и обеспечивающей минимальный риск информационной безопасности;

3) разработаны новые математические модели оптимальных стратегий технического обслуживания и контроля систем защиты информации, в которых предусматривается проведение плановых предупредительных профилактик и внеплановых восстановительных работ при появлении каналов несанкционированного доступа к информации;

4) впервые проанализирована стратегия оптимального управления рисками информационной безопасности на основе данных о состоянии системы защиты информации в моменты контроля;

5) разработаны методики определения показателей качества технического обслуживания систем защиты информации, эксплуатируемых в соответствии с оптимальными стратегиями для практических информационных комплексов.

Теоретическая значимость работы заключается в разработке: моделей, расширяющих возможности получения знаний о характеристиках надежности и технического обслуживания систем защиты информацииалгоритмов, реализующих оптимальные стратегии технического обслуживания систем защиты информации.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в разработке методик анализа надежности, выборе эксплуатационных показателей качества, в разработке инженерных методик реализации оптимальных стратегий технического обслуживания, диагностики и управления рисками систем информационной безопасности.

По проблеме диссертационной работы опубликовано 16 работ, в том числе 2 статьи в журнале из списка, рекомендованного ВАК РФ, 5 статей и 9 тезисов докладов.

С целью апробации основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: всероссийской (с международным участием) молодежной научной конференции «XI Туполевские чтения» (Казань, 2003) — международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения», посвященной 1000-летию города Казани (Казань, 2005) — четвертой ежегодной международной научно-практической конференции «Инфокоммуникационные технологии глобального информационного общества» (Казань, 2006) — международной молодежной научной конференции «XIV Туполевские чтения» (Казань, 2006) — десятом юбилейном молодежном международном форуме «Радиоэлектроника и молодежь в XXI ст.» (Харьков, 2006) — пятой ежегодной международной научно-практической конференции «Инфокоммуникационные технологии глобального информационного общества» (Казань, 2007) — международной молодежной научной конференции «XV Туполевские чтения» (Казань, 2007) — всероссийской научной конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве» (Казань, 2007).

Реализация результатов работы. Результаты исследования: внедрены для мониторинга и расследования инцидентов информационной безопасности локальной вычислительной сети банка с использованием системы CS MARSиспользованы для определения показателей, качества технического обслуживания и управления рисками системы защиты информации локальной вычислительной сети банка, эксплуатируемой в соответствии с предложенными стратегиямивнедрены в учебный процесс Казанского государственного технического университета им. А. Н. Туполева и используются при изучении материалов цикла дисциплин «Комплексные системы защиты информации на предприятии», «Корпоративные информационные системы и их защита», «Организационное обеспечение информационной безопасности» для специальностей 90 103 «Организация и технология защиты информации», 90 104 «Комплексная защита объектов информации» и 90 106 «Информационная безопасность телекоммуникационных систем».

Пути дальнейшей реализации. Разработанные модели надежности систем защиты информации, модели управления рисками информационной безопасности и оптимальных стратегий технического обслуживания планируется использовать в системах защиты информации вычислительных сетей предприятий для повышения их эффективности.

На защиту выносятся следующие результаты: математические модели надежности, используемые в процессе эксплуатации технического обслуживания и контроля восстанавливаемых и не-восстанавливаемых систем защиты информациимодели и алгоритм оптимального управления системой защиты информации, обеспечивающие минимальный риск информационной безопасностиматематические модели оптимальных стратегий технического обслуживания и контроля систем защиты информации, стратегий оптимального управления рисками информационной безопасности на основе данных о состоянии системы защиты информации в моменты контроляинженерные методики определения показателей качества технического обслуживания систем защиты информации, эксплуатируемых в соответствии с оптимальными стратегиями.

Структура и объем диссертации

Диссертация изложена на 162 страницах машинописного текста, содержит 21 рисунок, 3 таблицы, состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы из 101 наименований на 10 страницах.

4.4. Выводы.

Разработаны практические вопросы технического обслуживания системы защиты информации локальной вычислительной сети банка на основе сетевых технологий CISCO SYSTEMS. Анализируются требования стандарта Банка России по обеспечению информационной безопасности и методы их реализации. Рассматривается мониторинг и расследование инцидентов информационной безопасности локальной вычислительной сети банка на основе системы CS MARS. Проанализированы перечень и схема распределения инцидентов, зарегистрированных сенсорами IDS CS MARS по результатам выполнения экспертного запроса в течение года, месяца и дня. Показано, что основными зарегистрированными инцидентами (атаками) были: парольные атаки, тип — попытканаправленное сканированиеатаки, направленные на RPCпарольные атаки, тип — подозрение на успешную реализациюатаки категории «Отказ в обслуживании" — атаки на почтовые сервисыраспространение червей через сервисы SMTP, TFTP. Предложены методики определения показателей качества для реализации оптимальных стратегий технического обслуживания информационной системы, как по заданному ресурсу, так и по состоянию.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В ходе диссертационного исследования решены следующие задачи.

1. Предложены новые математические модели процессов функционирования систем защиты информации с позиций надежности и проанализированы структура и вероятностные характеристики многозвенных и многоуровневых защит. В качестве характеристики как способности СЗИ отражать атаки на информационную систему введено понятие порога, определяющего прочность преграды и длительность ее преодоления. С использованием метода ансамблей определены параметры функций распределения длительностей наработки на отказ и восстановление. Определены и проанализированы вероятности реализации угрозы информационной безопасности при наличии потока угроз. Определены характеристики надежности многозвенных и многоуровневых защит, способных обнаруживать и блокировать несанкционированный доступ к информации на основе описания поведения систем во времени. Разработана и проанализирована модель оптимального управления системой защиты информации, обеспечивающая минимальный ущерб.

2. Введены показатели качества функционирования систем защиты информации и предложены алгоритмы стратегий технического обслуживания по наработке и по состоянию. Предложены оптимальные по введенным показателям качества стратегии технического обслуживания по наработке на отказ: стратегия аварийного восстановления после самостоятельного проявления отказастратегия восстановления либо в моменты появления несанкционированного доступа к информации, либо в заранее назначенный календарный момент временистратегия восстановления системы только в заранее назначенный календарный момент времени, независимо от отказов системы. Предложена оптимальная стратегия по состоянию, заключающаяся в управлении рисками информационной безопасности на основе информации о состоянии системы защиты с избыточностью в моменты контроля. В основу предложенного алгоритма оптимальной остановки наблюдений за состоянием системы положена лемма Дуба.

3. Проанализирован алгоритм непрерывного контроля и диагностики работоспособности системы защиты информации на основе эволюции вектора состояния в фазовом пространстве. Исследована траектория динамической системы на странном аттракторе, в качестве контролируемых параметров выбраны фрактальная размерность странного аттрактора и корреляционный интеграл. Предложенный алгоритм может быть реализован с помощью аппаратно-программных средств встроенного контроля и, благодаря уменьшению числа измеряемых параметров и времени на их обработку, появляется возможность проведения экспресс диагностики состояния системы.

4. Разработаны практические вопросы технического обслуживания системы защиты информации локальной вычислительной сети банка на основе сетевых технологий CISCO. Проанализированы требования стандарта Банка России по обеспечению информационной безопасности и методы их реализации. Проанализированы мониторинг и расследование инцидентов информационной безопасности локальной вычислительной сети банка на основе системы CS MARS. Предложены методики определения показателей качества для реализации оптимальных стратегий технического обслуживания информационной системы, как по заданному ресурсу, так и по состоянию.

Таким образом, цель и научная задача диссертационной работы, заключающиеся в повышении надежности и эффективности функционирования систем защиты информации на основе моделей и алгоритмов технического обслуживания и диагностики с позиций минимального риска, а также построение научно-обоснованных моделей надежности, разработка алгоритмов диагностики и оптимальных стратегий технического обслуживания систем защиты информации, достигнуты.