Производительность является одним из важнейших критериев оценки автоматизированных систем обработки информации (АСОИ). Зачастую производительность определяет возможность применения АСОИ и непосредственным образом влияет на ее эффективность. Особое значение этот вопрос приобретает для целого ряда специализированных АСОИ, построенных на основе крупных компьютерных сетей, отличающихся высокой интенсивностью информационных потоков, значительными объемами обрабатываемой и передаваемой информации, сложностью аппаратных средств, общего и специального программного обеспечения и повышенными требованиями по производительности. К таким АСОИ можно отнести системы реального времени, тренажерные системы, системы автоматизации деятельности предприятий, служб и подразделений, имитационного моделирования разного рода военных конфликтов, боевых действий, операций и т. д.
В связи с этим задача повышения производительности АСОИ является актуальной. Разработка и последующая эксплуатация АСОИ сопровождается решением проблем, тесно связанных с оценкой производительности, например, конфигурация системы, учет и оценка ее стоимости, администрирование, краткосрочное и долгосрочное планирование обслуживания, развития и модернизации. Как показывает практика, для большинства разработчиков и пользователей, занятых эксплуатацией и развитием АСОИ возникает задача совершенствования (развития, модернизации), решение которой позволило бы обеспечить максимальный рост производительности при минимальных затратах.
Другим важным критерием оценки АСОИ является информационная безопасность. Использование продуктов информационных технологий в специфических областях человеческой деятельности обусловливает особое значение этого критерия. Важность и актуальность проблемы информационной безопасности подчеркивается множеством работ по этой теме, а также тем фактом, что в основных развитых странах деятельность в этой области лицензируется, разработанные изделия подлежат сертификации, а на государственном уровне приняты документы, определяющие требования к подобным разработкам.
Учитывая высокую степень интеграции средств защиты информации и комплекса средств автоматизации (КСА), часть ресурсов защищаемой системы отводится на выполнение функций защиты информации, что приводит к определенному снижению быстродействия, производительности и, как следствие, эффективности защищенной АСОИ. Так, например, время доступа пользователей к информационным ресурсам в защищенной системе, построенной на основе крупной корпоративной сети, может оказаться достаточно велико, чтобы существенно понизить эффективность АСОИ и крайне затруднить ее эксплуатацию.
Повышение производительности защищенной АСОИ может быть достигнуто посредством сокращения системных ресурсов, выделяемых для обеспечения защитных функций. Однако в таком случае происходит снижение эффективности защиты информации, значение которой задается техническим заданием на разработку АСОИ. В связи с этим, задача повышения производительности сводится к рациональному перераспределению системных ресурсов, выделяемых для функционирования средств защиты, при котором будет обеспечена максимальная производительность АСОИ и выполнено заданное требование по эффективности защиты информации.
Подходы к оценке производительности АСОИ отражены в работах Д. Феррари, Л. И. Абросимова, П. Н. Шкатова и др. В этих работах в большей степени рассмотрены общие методы оценки производительности вычислительных сетей и систем как таковых, которые, применительно к защищенным АСОИ требуют дополнительной проработки и детализации.
Среди угроз информационной безопасности АСОИ особое место занимает несанкционированный доступ (НСД). Существенные результаты по оценке эффективности защиты информации от НСД получены в работах Семкина С. Н., Домарева В. В., Гаценко О. А., Щеглова А. Ю., Шлыка А. В., Вялых С. А., Птицына А. В. и др. Однако в данных работах не уделяется достаточного внимания влиянию надежности аппаратуры и специального программного обеспечения средств защиты на интегральную эффективность защиты информации от НСД, что ограничивает использование существующих подходов и методик.
Общие подходы к выбору рациональной структуры вычислительных комплексов по ряду критериев приведены в работах Гуляева В. А, Иыуду К. А. Однако, вопросы повышения производительности защищенных АСОИ при выполнении требований по эффективности защиты информации от НСД не рассматривались.
Указанные факты обусловливают необходимость решения актуальной научной задачи, состоящей в разработке методического аппарата повышения производительности защищенных АСОИ при выполнении ограничения на эффективность защиты информации от НСД.
Объектом настоящего исследования является защищенная автоматизированная система обработки информации на базе компьютерных сетей.
Предметом исследования являются методики и компьютерные технологии повышения производительности защищенных АСОИ.
Целью диссертационной работы является повышение производительности защищенной АСОИ с учетом требований по эффективности защиты информации от НСД на базе разработки методического аппарата повышения быстродействия защищенных АСОИ с использованием математических методов теории массового обслуживания, теории графов, теории надежности аппаратуры и программного обеспечения, методических основ разработки программно-технических комплексов.
Задачи, решаемые в диссертационной работе для достижения поставленной цели:
— выполнен анализ методов оценки и повышения производительности АСОИ;
— выполнен анализ методов защиты информации АСОИ от НСД;
— разработана модель оценки производительности защищенной АСОИ;
— разработана модель оценки эффективности защиты информации АСОИ от НСД;
— разработана методика оценки производительности защищенной АСОИ;
— разработана методика оценки эффективности защиты информации АСОИ от НСД;
— разработана методика повышения производительности защищенной АСОИ с учетом требований по эффективности защиты информации от НСД;
— проведены экспериментальные исследования и проанализированы условия применения методики повышения производительности.
Методы исследования. При решении поставленных задач использованы теория вероятностей, математическая статистика, теория математического и имитационного моделирования, теория случайных потоков, теория надежности аппаратных и программных средств, теория графов, теория восстановления.
Основными результатами работы, обладающими научной новизной, являются:
— модель оценки производительности защищенных АСОИ, отличающаяся от известных учетом вероятностных характеристик потоков информационного взаимодействия объектов АСОИ;
— модель оценки эффективности защиты информации АСОИ от НСД, отличающаяся от известных использованием математического аппарата теории случайных потоков и теории восстановления, обеспечивающая получение количественных динамических характеристик эффективности;
— научно-методический аппарат повышения производительности защищенной АСОИ.
Основу методического аппарата составляют:
— методика оценки производительности защищенной АСОИ, отличающаяся от известных методик учетом функциональных и структурных особенностей защищенной АСОИ;
— система количественных показателей эффективности защиты информации от НСД, отличающаяся от известных использованием динамических характеристик вероятностного процесса обнаружения и противодействия угрозам НСД и учетом вероятностных характеристик потоков НСД-запросов;
— методика оценки эффективности защиты информации АСОИ от НСД, отличающаяся от известных использованием метода логического моделирования процессов защиты с учетом влияния надежности аппаратной и программной компонент защищенной АСОИ на интегральную эффективность защиты;
— методика повышения производительности защищенной АСОИ, отличающаяся от известных использованием методов оптимизации на направленных графах по критерию производительности с учетом требований по эффективности защиты информации от НСД.
Основные результаты, выносимые па защиту:
— модель оценки производительности защищенной АСОИ;
— модель оценки эффективности защиты информации АСОИ от НСД;
— методический аппарат повышения производительности защищенной АСОИ, включающий: а) методику оценки производительности АСОИб) методику оценки эффективности защиты информации АСОИв) методику повышения производительности защищенной АСОИ.
Научная значимость полученных результатов исследования заключается в том, что при решении задачи повышения производительности защищенной АСОИ предложены новые подход и метод выбора рациональной структуры и параметрической конфигурации защищенных АСОИ с использованием методов теории графов, методов теории массового обслуживания, количественных показателей производительности и эффективности защиты информации АСОИ.
Практическая значимость диссертационной работы определяется возможностью использования предложенных в ней методик и полученных результатов для повышения производительности защищенных АСОИ с учетом требований к эффективности защиты информации как на начальных этапах эксплуатации АСОИ путем сопоставления с фактическими характеристиками изделий-аналогов, так и на заключительных этапах с целью контроля полученных характеристик и выработки практических рекомендаций по рациональному использованию защищенных АСОИ.
Обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций базируется:
— на использовании основных принципов системного подхода при решении научной задачи;
— на учете современных принципов построения и функционирования защищенных АСОИ;
— на корректном использовании методов теории вероятностей, теории восстановления, теории случайных потоков, теории надежности и методов оптимизации на графах.
Апробация. Основные теоретические положения и практические результаты работы докладывались на научно-технических конференциях НИИ «Центрпрограммсистем». По тематике исследований опубликовано 7 статей.
Внедрение. Результаты диссертационной работы реализованы в ОКР «Кекс», «Командор», «Юпитер-СТО», «Инструментальные средства поддержки разработки прикладных многоагентных систем», выполняемых НИИ «Центрпрограммсистем», г. Тверь.
В первом разделе проведен анализ проблемы повышения производительности защищенных АСОИ, рассмотрены типовые защищенные АСОИ и принципы их построения. Рассмотрены существующие методики оценки производительности АСОИ и эффективности защиты информации от НСД.
Анализ существующих методик оценки производительности вычислительных систем позволяет сделать вывод о необходимости их дополнительной доработки и детализации с целью учета структурных и функциональных особенностей защищенных АСОИ.
Рассмотрение классического и формального подходов к оценке эффективности средств защиты показало, что существующие методики базируются, в основном, на качественных мерах оценки защищенности и малопригодны для использования в аналитических методах. Методики количественной оценки эффективности защиты информации недостаточно проработаны и не позволяют учитывать влияние надежности аппаратных средств и специального программного обеспечения на интегральную эффективность защиты информации в системе.
Проведенный анализ современных защищенных АСОИ позволил выявить общую тенденцию роста сложности аппаратного и программного обеспечения АСОИ и, как следствие, возрастающую актуальность задачи повышения производительности с учетом требований по эффективности защиты информации от НСД.
Таким образом, научно-методический аппарат повышения производительности защищенных АСОИ должен реализовывать следующие основные функции:
— количественную оценку производительности защищенных АСОИ;
— количественную оценку эффективности защиты информации АСОИ от НСД;
— выбор рациональной структуры и параметрической конфигурации защищенной АСОИ.
Во втором разделе определена структура методического аппарата повышения производительности защищенной АСОИ.
Методический аппарат включает модели оценки производительности АСОИ и эффективности защиты информации от НСД, методики оценки производительности, оценки эффективности защиты информации от НСД и повышения производительности защищенной АСОИ.
Модель оценки производительности защищенных АСОИ используется для формирования контура реализации задач в системе с учетом функционирования механизмов защиты (МЗ) и получения количественных характеристик времени обработки анализируемой задачи и индекса продуктивности системы.
Вероятностная модель оценки эффективности защиты информации АСОИ от НСД используется для получения количественных оценок вероятности обеспечения защиты информации для различных вариантов структуры и конфигурации АСОИ.
Методика оценки эффективности защиты информации АСОИ от НСД основывается на основных положениях и выводах вероятностной модели оценки эффективности и учитывает методическую вероятность способа защиты, надежность технических средств и специального ПО защищенной АСОИ, а также характеристик системы самодиагностики.
Анализ принципов построения защищенных АСОИ позволяет сделать вывод о возможности повышения производительности системы посредством ее структурной и параметрической конфигурации. В результате конфигурации системы должна быть достигнута максимальная производительности при выполнении требования по эффективности защиты информации от НСД.
Основу методики повышения производительности защищенной АСОИ составляет алгоритм Форда выбора рационального варианта структуры и параметрической конфигурации АСОИ на основе предварительно построенного направленного графа альтернативных вариантов системы.
В третьем разделе рассмотрена АСОИ «Командор», информационная безопасность которой обеспечивается при помощи аппаратно-программных комплексов защиты информации (АПКЗИ). Приведены основы построения АСОИ, ее основные функции, состав и функциональные характеристики. Разработаны имитационные модели МЗ, оценки производительности и эффективности защиты информации.
В четвертом разделе приводятся результаты расчета контрольного примера по реальной информации с использованием разработанных методик и моделей. Верность выполненных расчетов подтверждается результатами имитационного моделирования.
В заключении дается оценка решения поставленной задачи исследования, формируются выводы по работе, определяются пути дальнейшего совершенствования и развития методического аппарата повышения производительности защищенных АСОИ.
Выводы по разделу 4.
1) Разработанный методический аппарат позволяет проводить расчеты по выбору рациональной структуры и параметрической конфигурации защищенных АСОИ на основе оценки индексов производительности системы, показателей эффективности защиты информации АСОИ от НСД с целью обеспечения максимальной производительности системы при выполнении требования по эффективности защиты.
2) Применение методического аппарата повышения производительности защищенных АСОИ предполагает необходимость сбора, систематизации, хранения и использования достоверной информации о фактических характеристиках производительности и эффективности механизмов защиты АСОИ, а также возможности их комплексирования.
Заключение
.
1. Проведенные исследования позволили обобщить опыт работ по созданию защищенных автоматизированных систем обработки информации. Рост сложности АСОИ, требующих защиты информационных ресурсов, требований к их производительности и эффективности защиты информации обусловили возрастание актуальности задачи повышения производительности защищенных АСОИ. Однако, указанная задача в комплексе с проблемой оценки эффективности защиты АСОИ от НСД практически не рассматривалась. Имелись лишь выводы об актуальности указанной проблемы и попытки эскизно определить пути ее решения. Указанный факт определил тему исследования в виде методического аппарата повышения производительности защищенных АСОИ.
2. Для достижения цели исследования в работе выполнен анализ методов оценки и повышения производительности АСОИ, методов защиты информации АСОИ от НСД, разработаны модели и методики оценки и повышения производительности АСОИ и эффективности защиты информации от НСД, которые стали основой для создания методического аппарата повышения производительности защищенных АСОИ.
3. Методика оценки производительности защищенной АСОИ позволяет рассчитать индексы производительности системы на основе декомпозиции задач обработки информации и построения контура их реализации с учетом функционирования механизмов защиты, полученного на основе анализа набора оцениваемых свойств с учетом особенностей функционирования программно-технических средств защиты информации.
4. Методика оценки эффективности защиты информации АСОИ от НСД позволяет решить задачу определения характеристик защищенности информации АСОИ, обеспечиваемой механизмами защиты с учетом модели нарушителя, методической вероятности обеспечения защиты, надежности аппаратной и программной составляющих АСОИ.
5. Методика повышения производительности защищенных АСОИ обеспечивает выбор рациональной структуры и параметрической конфигурации АСОИ, обеспечивающих максимальную производительность при выполнении требований по эффективности защиты информации от НСД.
6. Разработанные методики позволили решить научно-практическую задачу выбора рационального варианта защищенной АСОИ на множестве возможных решений с учетом граничных условий в виде требований по эффективности защиты информации от НСД.
7. Достоверность полученных результатов подтверждена апробацией разработанных методик на расчетном примере аналитически и с помощью имитационного моделирования с использованием материалов реального проекта по созданию защищенной АСОИ «Командор». Результаты расчетов подтвердили корректность методик, входящих в методический аппарат.
Перечень сокращений.
АПКЗИ — аппаратно-программный комплекс защиты информации;
АРМ — автоматизированное рабочее место;
АРМО — АРМ обучающегося;
АСОИ — автоматизированная система обработки информации;
ВС — вычислительная система;
КСА — комплекс средств автоматизации;
КСЗ — комплекс средств защиты;
ЛВС — локальная вычислительная сеть;
МЗ — механизм защиты;
МН — магнитный носитель;
НСД — несанкционированный доступ;
НДВ — недекларированные возможности.
ОКР — опытно-конструкторская работа;
ПО — программное обеспечение;
ОПО — общее ПО;
ОС — операционная система;
ПК — персональный компьютер;
ПС — программное средство;
ПТФК — программно-технический функциональный комплекс;
ПЭВМ — персональная электронно-вычислительная машина;
РД — руководящий документ;
СВТ — средства вычислительной техники;
СЗИ — система защиты информации;
СИМ — система имитационного моделирования;
СКС — средства комплексной связи;
СМО — система массового обслуживанияспо — специальное ПО;
СРД — система разграничения доступа;
СУБД — система управления базами данных;
ТЗ — техническое заданиетс — техническое средствотстк — тактико-специальный тренажерный комплекс;
ЦПРОцентральный пост руководства обучением.
