Повышение эффективности стохастических методов защиты программных систем

Актуальность темы

Важным элементом любой защищенной компьютерной системы (КС), независимо от ее сложности и назначения, являются программные и программно-аппаратные средства генерации псевдослучайных последовательностей (ПСП). Можно выделить следующие задачи, для решения которых используются генераторы ПСП:

• техническое диагностирование компонентов КС (в том числе встроенное диагностирование);

• оперативный контроль хода выполнения программ и микропрограмм с использованием сторожевых процессоров (Watchdog Processors);

• моделирование;

• помехоустойчивое стохастическое кодирование;

• обеспечение безопасности информации (ОБИ).

Именно от свойств генераторов ПСП, особенно в тех случаях, когда необходимо обеспечить устойчивую работу КС при наличии случайных и умышленных деструктивных воздействий, в значительной степени зависит надежность процессов сбора, обработки, хранения и передачи информации. К программным средствам генерации ПСП предъявляются жесткие требования, в первую очередь по таким параметрам, как непредсказуемость, безопасность реализации, статистические и периодические свойства.

В настоящее время существует трудно разрешимое противоречие между непредсказуемостью генераторов ПСП и их производительностью. Другая проблема, с которой приходится сталкиваться при разработке программных средств генерации ПСП, — отсутствие инструментальных средств для статистического исследования формируемых ПСП, для оценки качества основных строительных блоков, на основе которых формируются последовательности. Более того, этим исследованиям до недавнего времени уделялось мало внимания. За последние несколько лет ситуация кардинально изменилась, специалисты признали значимость статистического тестирования. Об этом свидетельствуют многочисленные факты.

1) Национальный Институт Стандартов и Технологий США (НИСТ) выпустил многосотстраничное руководство по статистическому тестированию генераторов ПСП ответственного назначения.

2) При проведении многолетнего открытого международного конкурса (завершившегося в 2001 году) на принятие американского стандарта AES для оценки алгоритмов-кандидатов активно использовались статистические исследования ПСП.

3) Появились программные комплексы для проведения статистических испытаний генераторов ПСП (наиболее известные из нихDIEHARD, CRYPT-X, СОК).

Однако существующие программные комплексы являются либо узкоспециализированными (например, DIEHARD предназначен для исследования лишь конгруэнтных генераторов), либо малофункциональными (например, CRYPT-X содержит всего лишь пять тестов, в то время как в руководстве НИСТ описано шестнадцать). В наиболее функциональном комплексе СОК, разработанном И. В. Чугунковым, отсутствуют встроенные генераторы ПСП, нет возможности проводить исследования основных строительных элементов генераторов ПСП — Sи R-блоков.

Поэтому актуальными научными задачами являются:

1) Создание новых алгоритмов генерации ПСП, сочетающих в себе непредсказуемость, высокое быстродействие и эффективную программную реализацию на различных платформах. Одним из направлений решения данной задачи является совершенствование стохастических алгоритмов формирования цифровых последовательностей, основанных на использовании стохастических сумматоров, т. е. сумматоров с непредсказуемым результатом работы, впервые предложенных С. А. Осмоловским для решения задач помехоустойчивого кодирования.

Стохастические генераторы ПСП сочетают в себе высокое качество формируемых последовательностей и эффективную программную реализацию.

2) Разработка структуры и определение функций отдельных компонентов программного комплекса, позволяющего проводить полнофункциональное статистическое исследование ПСП, в том числе проводить испытания на всех существующих графических и оценочных тестах, оценивать качество основных строительных элементов генераторов ПСП.

Целями диссертационной работы являются: разработка инструментальных средств оценки качества генераторов ПСП, ориентированных на решение задач защиты программных системразработка алгоритмов генерации ПСП, сочетающих в себе высокое быстродействие при программной реализации и качество формируемых последовательностей, приемлемое для большинства приложений.

Для достижения поставленных целей необходимо решение следующих задач: разработка классификации генераторов ПСПанализ методов оценки качества стохастических алгоритмовразработка структуры, состава и интерфейса пользователя программного комплекса, предназначенного для исследования стохастических алгоритмовразработка программных средств оценки качества S-блоковразработка и исследование генераторов ПСП на основе R-блоковисследование существующих алгоритмов генерации ПСП. Методами исследований являются: теория конечных полей, теория линейных последовательностиых машин, математическая статистика.

Научная новизна работы состоит в том, что: разработана классификация существующих алгоритмов генерации.

ПСПсформулированы требования, предъявляемые к системе оценки качества ПСП, и проведен анализ существующих систем аналогичного назначенияразработана структура и определен состав компонентов программного комплекса для оценки качества генераторов ПСПразработан новый алгоритм генерации ПСП, обеспечивающий гарантированную нижнюю границу значения периода формируемой последовательностипредложен новый стохастический итерационный алгоритм генерации ПСП, сочетающий достоинства двух существующих архитектур, использующихся при построении блочных преобразований, -«Петли Фейстеля» и «Квадрата" — впервые проведено исследование R-блоков на предмет выявления тех таблиц стохастического преобразования, которые порождают нелинейные ^-последовательности.

Практическая ценность работы заключается в следующем: в результате экспериментальных исследований впервые определены наиболее эффективные таблицы стохастического преобразования, при практическом использовании которых порождаются нелинейные ПСП максимальной длинысоздан программный комплекс, предназначенный для исследования статистической безопасности алгоритмов генерации ПСПразработаны программные средства оценки качества блоков замены и блоков стохастического преобразованияразработан программный комплекс, предназначенный для демонстрации особенностей применения стохастических методов при решении задач защиты программных систем.

Реализация результатов. Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс кафедры «Компьютерные системы и технологии» МИФИ. Практическое использование результатов диссертации подтверждено актом о внедрении.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научных сессиях МИФИ (Москва, 2005 г., 2006 г. и 2007 г.) — на 62-й научной сессии Российского НТО радиотехники, электроники и связи имени А. С. Попова, посвященной Дню радио (Москва, 2007 г) демонстрировались на выставке «Телекоммуникации и новые информационные технологии в образовании» (Москва, 2006 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, в том числе 4 тезиса докладов на научной сессии МИФИ, материалы в каталоге экспонатов выставки «Телекоммуникации и новые информационные технологии в образовании», статья в журнале «Инженерная физика» и доклад в сборнике научных трудов Российского НТО РЭС имени А. С. Попова.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Основной материал изложен на 100 страницах и содержит 31 рисунков.

Список литературы

включает 65 наименований. В приложения включены результаты исследований, руководства пользователя по созданным программным продуктам и акт о внедрении результатов диссертационной работы. На защиту выносятся: • структура программного комплекса для исследования статистических свойств ПСП и оценки качества Sи R-блоков, включающего в себя систему для проведения графических и оценочных статистических тестов, встроенные генераторы ПСП различных типов;

Основные результаты работы:

1) Проанализированы области использования стохастических алгоритмов защиты программных систем, основанных на использовании генераторов ПСП. Сформулированы требования к качественному генератору ПСП, ориентированному на использование в защищенных программных системах.

2) Разработана классификация генераторов ПСП, в которой в качестве параметров выбраны: тип используемой нелинейной функцииструктура генераторахарактер использования внешних источников случайностипринцип управления синхронизациейпринцип получения выходной последовательностипринцип использования блоков замены и блоков стохастического преобразования (Sи R-блоков) — наличие каскадов.

3) Выделены направления совершенствования блочных алгоритмов формирования ПСП, в том числе разработан новый блочный алгоритм генерации ПСП, основанный на совместном использовании архитектур «Сеть Фейстеля» и «Квадрат». Основным преимуществом алгоритма по сравнению с аналогами является более интенсивное рассеивание и перемешивание информации за счет использования оригинальной раундовой операции «Перемешивание строк» (MixColumns).

4) Проведено исследование генераторов ПСП, основанных на использовании регистров сдвига со стохастическими сумматорами в цепи обратной связи. Продемонстрирован важный факт существования таблиц стохастического преобразования, на основе которых появляется возможность строить нелинейные генераторы ПСП длиной 2° - 1, где Q — число элементов памяти генератора.

5) Разработаны новые алгоритмы генерации ПСП на основе стохастических сумматоров, гарантированно обеспечивающие заданную минимальную величину периода формируемой последовательности, равную 2N -1, где N — число регистров генератора.

6) Впервые проведены экспериментальные исследования генераторов ПСП на основе стохастических сумматоров в части определения ключевых таблиц, обеспечивающих получение нелинейных М-последовательностей.

7) Проведен анализ существующих систем, предназначенных для статистического исследования генераторов ПСП, к которым предъявляются наиболее жесткие требования. Выделены их недостатки, основными из которых являются узкая специализация, недостаточное количество реализованных статистических тестов, отсутствие встроенных генераторов ПСП различных типов, отсутствие возможности оценки качества основных строительных элементов генераторов ПСП.

8) Сформулированы требования к полнофункциональному программному комплексу для оценки качества стохастических алгоритмов. На основе сформулированных требований разработаны структура и состав программного комплекса, в составе которого выделяются программные средства для анализа статистической безопасности генераторов ПСП и программные средства для оценки качества блоков замены и блоков стохастического преобразования.

9) Проведен анализ критериев выбора S-блоков и алгоритмов формирования ключевых таблиц Sи R-блоков. Разработаны статистические тесты для оценки качества ключевых таблиц Sи R-блоков. Проведено исследование качества алгоритмов формирования ключевой таблицы Sи R-блоков.

10) Проведено исследование статистической безопасности алгоритмов генерации ПСП. Основной вывод по результатам исследований — качество ПСП, формируемых генераторами, основанными на использовании R-блоков, приемлемо для большинства приложений.

Теоретические и практические результаты диссертации обеспечивают повышение технической эффективности средств защиты программных систем по сравнению с общеизвестными решениями:

• Разработанные генераторы ПСП на основе R-блоков обеспечивают заданную минимальную величину периода формируемой последовательности, равную 2N — 1, где N — число регистров генератора;

• Разработанный программный комплекс оценки качества генераторов ПСП содержит в своем составе средства анализа статистической безопасности Sи R-блоков, ряд новых статистических тестов, встроенные генераторы ПСП, имеет развитую систему помощи. Разработанные программные комплексы для оценки качества стохастических алгоритмов («PRNG Analyzer» и «S-Вох Testing»), а также программный комплекс для демонстрации принципов использования стохастических алгоритмов в задачах защиты программных систем («Crypto Protocols Package») внедрены в учебный процесс каф. 12 МИФИ.

Заключение

.

В диссертации решена важная научная задача, суть которой — разработка быстродействующих генераторов псевдослучайных последовательностей (ПСП), ориентированных на решение задач защиты программных системсоздание программного комплекса, предназначенного для проведения анализа статистической безопасности программных средств генерации ПСП.