Защита данных от утечки по скрытым логическим каналам в телекоммуникационных сетях

При проектировании современных телекоммуникационных сетей всегда остро стоит задача обеспечения их информационной безопасности. При этом решения в некоторых случаях являются настолько сложными и дорогостоящими, что для эффективного управления информационными потоками выполняется разделение архитектуры сетей по специальным, так называемым, профилям защищенности, которые указывают на степень решения этой задачи и оптимизацию на защиту от некоторого заранее определенного разработчиками перечня угроз.

Развивающаяся наука и техника предъявляют совершенно новые требования к телекоммуникационным сетям. При этом, удовлетворение большинства из требований уже не может выполняться в ограничениях этих заранее определенных профилей, так как развитие единой информационной среды Интернет, а также повсеместное внедрение информационных технологий в большинство технологических процессов, уже не позволяют рассматривать информацию как пассивную сущность с четким местом ее возникновения, обработки и хранения. Появление большого числа новых форматов данных, а также на несколько порядков возросшие скорости передачи информации сильно затрудняют ее анализ и требуют качественно новых подходов даже при использовании классических методов в обеспечении безопасности. Более того, современные методы обработки и обмена информацией в телекоммуникационных сетях создают новые риски, которые ранее не рассматривались как угрозы безопасности или их реализация прежде считалась невозможной.

В настоящее время особенно актуальны обозначенные проблемы при создании распределенных сетей. Так как в результате указанные проблемы проявляются в виде угроз качественно нового уровня. Они характеризуются чрезвычайно высокой сложностью при обнаружении и борьбе с ними в виду тесной интеграции компонентов систем между собой и соответственно значительно возросшей сложностью разделения уровней секретности. В результате даже небольшое повышение уровня защиты требует серьезного совершенствования подходов к обеспечению безопасности и научном обосновании принимаемых решений.

К способам реализации угроз качественно нового уровня часто относят скрытые логические каналы передачи информации. Традиционно, вопросы их исследования и разработки методов противодействия рассматривались в основном только применительно к автономным системам в контексте обеспечения конфиденциальности, целостности и доступности локально обрабатываемой информации. И поэтому в настоящее время известные способы защиты телекоммуникационных сетей в недостаточной степени учитывают многочисленные факторы и особенности взаимного влияния различных удаленных друг от друга компонентов. При этом, получаемые решения по обеспечению безопасности, основанные на использовании классических подходов, во многом являются частными и в виду их ориентации на индивидуальные особенности конкретной телекоммуникационной сети оказываются сложно переносимыми и весьма ограниченными в применении. Это обстоятельство ставит также задачу изменения подхода и к используемым моделям, вынуждая их становиться более масштабными и формальными, но тем не менее сохраняющими высокую степень адекватности в различных аспектах их применения.

Угрозы со стороны скрытых логических каналов направленны на нарушение конфиденциальности информации.

Современные методы защиты и требования нормативных документов, основанные на разделении всего спектра угроз по уровням безопасности, позволяют решить проблемы нарушения конфиденциальности информации и угроз от скрытых логических каналов лишь в общем виде, при этом сильно ограничивая функциональные возможности защищаемой сети. Это особенно остро ставит, помимо вышеуказанных, также разработки эффективных путей развития архитектуры сетей и выработки комплексных мер противодействия реализации угроз нового уровня.

Целью работы является определение методов и создание средства защиты от утечки данных по скрытым логическим каналам и повышение эффективности борьбы с угрозой нарушения конфиденциальности информации в распределенных телекоммуникационных сетях.

Предмет исследования — скрытые логические каналы несанкционированного доступа к ресурсам информационных сетей.

Объектом исследования данной работы является распределенная телекоммуникационная сеть.

Методы исследований примененные в данной работе для решения поставленных задач и анализа результатов эксперимента относятся к описанию модели безопасности Белла — ЛаПадула, синтаксического анализа потоков данных, анализа систем на невыводимость и невмешательство, методы построения матрицы разделяемых ресурсов, дискретной математики, теории вероятностей и математической статистики, теории множеств, теории графов и формальной логики. Помимо этого, для разработки программного обеспечения использовались методы построения конечных алгоритмов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• На основе анализа разнородной информации о скрытых логических каналах создана классификация информационных угроз в телекоммуникационных сетях;

• Создана методика исследования и обнаружения скрытых логических каналов в распределенных системах, основанная на использовании новых информационных моделей невыводимости и. невмешательства;

• Разработан новый метод и алгоритм защиты от утечек информации по скрытым логическим каналам, использующим линии передачи данных в качестве разделяемого ресурса.

Достоверность результатов исследований обусловлена использованием в работе широко известных и признанных моделей невыводимости и невмешательства, апробированного математического аппарата, логической обоснованностью выводов, а также результатами экспериментальных исследований.

Практическая значимость исследования выражается в том, что на основе предложенных в работе моделей и методики защиты было разработано специальное программное обеспечение для тестирования сети с целью определения уровня угрозы со стороны скрытых логических каналов, а также законченное средство защиты информации позволяющее эффективно решать проблему парирования утечки данных по скрытым логическим каналам в сетях общего доступа. Разработаны рекомендации по быстрому внедрению средства защиты и его использованию на маршрутизаторах работающих под управлением операционной системы Linux. Разработанное программное обеспечение может быть полезно в различных отраслях промышленности и бизнеса, в организациях где реализуются меры противодействия компьютерной разведки, или же к защите информации предъявляются достаточно жесткие требования, а ее обработка ведется в распределенных телекоммуникационных сетях.

Среди областей применения средства защиты можно отметить различные территориально распределенные системы сбора и обработки информации, а также стремительно набирающие популярность системы облачных вычислений, а также платежные системы.

Основные положения выносимые на защиту:

• Среди многих каналов для реализации информационных атак возможна организация скрытого логического канала, использующего в качестве разделяемого ресурса канал сети передачи данных с методом доступа CSMA/CD;

• Среди множества используемых характеристик уровня угроз несанкционированного доступа по скрытому логическому каналу, универсальной характеристикой уровня опасности должен служить критический уровень пропускной способности;

• Для парирования угроз несанкционированного доступа по скрытым логическим каналам должна использоваться псевдослучайная нормализующая последовательность трафика;

• Средство парирования угроз несанкционированного доступа по скрытым логическим каналам не влияет на скорость передачи данных по каналу легального доступа.

Структура работы.

Работа состоит из четырех глав, введения, заключения, списка литературы и трех приложений.

В главе 1 приведен обзор традиционных методов и технологий защиты информации проведенный на основе [32] и включающий в себя анализ дискреционной, мандатной и ролевой модели контроля и управления доступом, а также обеспечения целостности информации. Кроме этого, был проведен анализ моделей невыводимости и невмешательства используемых для изучения скрытых логических каналов.

В главе 2 был выполнен анализ технологий применяемых при построении современных распределенных вычислительных сетей, выявлены характерные недостатки их защиты. Проведено подробное исследование скрытых логических каналов, рассмотрены различные методы поиска и противодействия скрытым логическим каналам, а также проанализирована эффективность рассмотренных методов. На этой основе была сформулирована задача повышения эффективности защиты распределенных систем.

В главе 3 были рассмотрены специальные методы анализа скрытых логических каналов и расчета их точной пропускной способности необходимой для проведения дальнейших исследований.

В главе 4 была построена и исследована на безопасность модель распределенной вычислительной системы, в которой был проведен поиск скрытых логических каналов. Кроме этого, было проведено специальное исследование найденного скрытого логического канала и определен круг и уровень угроз этой уязвимости, выполнен анализ возможности применения рекомендаций нормативных документов и на основании чего была предложена эффективная методика борьбы со скрытым логическим каналом разработанная на основе моделей невыводимости и невмешательства, а также предложена реализация средства защиты.

5 Заключение.

На основании приведенного в первой главе обзора традиционных моделей безопасности и их сравнительного анализа были выявлены их особенности и недостатки приводящие к реализации скрытых логических каналов утечки информации. В результате был сделан вывод, что нарушение безопасности модели с их помощью является целесообразным только в случае применения недискреционных политик. При этом, в самих формулировках таких политик аспекты защиты от скрытых логических каналов никак не оговариваются.

Для защиты от этой угрозы были разработаны информационные модели невмешательства и невыводимости, которые могут применяться для защиты конфиденциальной информации наряду с традиционными политиками безопасности. Однако, эти модели наряду с рассмотренными методами поиска скрытых логических каналов требуют чрезвычайно сложного анализа всей системы в целом, что сильно ограничивает возможности их практического использования, и как правило, их применение ограничивается исключительно областью научных исследований.

Перед исследованиями выполненными в рамках данной работы была поставлена цель проведения анализа использования скрытых логических каналов передачи данных в распределенных вычислительных системах и повышения эффективности борьбы с ними.

Обзор методов исследования скрытых логических каналов и средств борьбы показал, что методы защиты налагают множество ограничений на работу защищаемой информационной системы, как правило, значительно ухудшают ее функциональные возможности и характеристики. Поэтому был сделан вывод, что повышение эффективности борьбы со скрытыми логическими каналами можно достигнуть путем разработки нового метода защиты лишенного недостатков свойственных общепринятым подходам к этой проблеме.

Для решения поставленной задачи с целью поиска скрытых логических каналов и формирования теоретической базы для обоснования методов борьбы с ними была составлена обобщенная субъектно — объектная модель распределенной системы, сформулирована формальная политика безопасности и выполнена проверка ее целостности для заданного множества допустимых операций.

Исследование предложенной модели было произведено при помощи метода БЯМ, в результате чего, на основе анализа построенной матрицы разделяемых ресурсов, было выявлено множество характерных для распределенных систем скрытых логических каналов и определены конкретные причины приводящие к их реализации. Кроме этого, локализация обнаруженных проблем показала, что причины появления обнаруженных скрытых логических каналов сводятся к наличию в модели единственного разделяемого ресурса представляющего собой линию связи сети общего пользования.

Результатом проведенного исследования явилось построение модели такого скрытого логического канала включающей в себя точный алгоритм передачи по нему информации.

Для определения круга угроз был выполнен анализ моделей скрытого логического канала и распределенной системы с точки зрения информационных моделей невыводимости и невмешательства. При этом, угроза выводимости была охарактеризована как незначительная, поскольку она проявлялась лишь как частный случай. В то же время, вмешательство наблюдалось достаточно отчетливо и поэтому был сделан вывод о необходимости оценки его уровня.

Чтобы определить уровень угрозы возникающей в результате вмешательства, был проведен эксперимент в процессе которого выполнялось моделирование процессов приводящих к этой уязвимости. Он проводился при помощи специально разработанного программного обеспечения позволяющего организовать полноценный скрытый логический канал. В результате была рассчитана максимальная теоретическая пропускная способность такого канала реализованного при помощи исследуемых механизмов. На основе проведенных расчетов эта угроза была классифицирована как критическая, поскольку полученное значение скорости передачи оказалось значительно выше минимально допустимой стандартами.

В качестве средств борьбы с вмешательством была рассмотрена возможность применения стандартных средств и рекомендаций перечисленных в нормативных документах. Однако, анализ их практического использования показал, что это приводит к нарушению нормальной связности между узлами распределенной системы и невозможности выполнения ей своих функций. На этой основе был сделан вывод о необходимости разработки метода защиты лишенного таких недостатков, которые ведут к нарушению функциональности.

В качестве основы для разработки метода были взяты информационные модели невыводимости и невмешательства, а именно условие их безопасности, которое может быть достигнуто за счет удаления из информационной системы лишнего, с точки зрения этих моделей, вывода. На основе анализа обобщенной модели распределенной системы было выработано «нормальное» условие безопасности, а также способы его достижения из любого внутреннего состояния информационной системы при произвольной активности пользователей. При этом, в процессе разработки этой методики удалось добиться значительных результатов в сокращении ее негативного влияния на процесс обмена информацией между отдельными узлами распределенной системы.

На основе предложенной методики была также выполнена разработка высокоэффективного средства парирования скрытых логических каналов в телекоммуникационных сетях общего доступа. Средство парирования скрытых логических каналов имеет следующие характеристики:

• Защита каналов связи легального достуа со скоростью передачи данных до 10 МБит/с;

• генерация трафика псевдослучайными последовательностями до 100 МБит/с;

• формирование «нормализующей» последовательности в реальном времени на скоростях до 10 МБит/с.

Его реализация основана на том факте, что вся обработка передаваемых данных в телекоммуникационном оборудовании является буферизированной. Оценка ввода пользователя и генерация «нормализующей» последовательности, требуемой для достижения безопасного состояния, выполняется при помощи широко используемых методов обеспечения качества обслуживания С^оБ. Кроме этого, использование в его разработке свободного программного обеспечения позволяет добиться простоты его внедрения, низкой стоимости и высоких эксплуатационных показателей по защите данных от утечки.

В итоге можно заключить, что все поставленные в диссертационной работе задачи были успешно выполнены.