Разработка методического обеспечения оптимального формирования состава и анализа эффективности комплекса средств защиты информации

Актуальность темы

В настоящее время вследствие интенсивного развития современных информационных технологий и средств телекоммуникаций при передаче, обработке и хранении информации, в том числе и конфиденциальной, задача обеспечения информационной безопасности (ИБ) выходит на передний план при создании автоматизированных систем (АС) различного назначения, особенно критического применения (управления движением, объектами энергетики и опасных производств, оборонных и т. д.). Для обеспечения ИБ используются специализированные системы защиты информации (СЗИ), обязательно входящие в АС в качестве проблемно-ориентированных подсистем. При этом сами СЗИ являются сложными организационно-техническими системами, которые включают в свой состав объекты защиты, органы и исполнителей с используемыми ими техникой и способами защиты информации.

Основой таких систем служит комплекс средств защиты (КСЗ), объединяющий взаимосвязанную совокупность различных программных и технических средств защиты информации (СрЗИ). Как объект проектирования КСЗ, являющийся ее базовой структурной составляющей СЗИ, представляет собой сложный технический объект, включающий различные технические и программные подсистемы и элементы, объединенные в программно-технические (ПТК) и программно-методические комплексы (ПМК), и характеризующийся большим количеством разнородных параметров. Следовательно, повышение эффективности процесса разработки СЗИ требует совершенствования существующего и разработки нового методического обеспечения, охватывающего различные задачи и этапы данного процесса, которое должно основываться на создании соответствующего математического (МО) и реализовываться в программном (ПО) обеспечении, что позволит повысить качество и автоматизировать основные этапы проектных работ. Такие методики должны охватывать и техническую, и программную стороны формируемых КСЗ, учитывать многоэтапность его разработки, включать в себя целый ряд процедур синтеза и анализа, характерных как для разработки различных ПМК и ПТК, так и учитывающих специфику СЗИ. При разработке КСЗ требуется решать два типа задач: осуществить синтез (структурный и параметрический) проектируемого комплекса в рамках возможных угроз и каналов утечки информации и провести анализ его эффективности в процессе функционирования с целью выбора наиболее эффективных в заданных условиях способов и СрЗИ. При этом решение таких задач осложняется тем, что для каждого структурного элемента КСЗ и выполняемой функции возможно применение различных программных и технических средств, во множестве представленных на рынке. Следовательно, возможно построить множество вариантов КСЗ в конкретной АС, отличающихся структурой, составом, технико-экономическими показателями (быстродействие, надежность, стоимость и т. д.). Так как большинство подобных показателей взаимно противоречивы, то выбор конкретного КСЗ на основе принципа «необходимой достаточности» приводит к необходимости решать оптимизационную задачу, что требует наличия набора показателей эффективности ЗИ и соответствующих критериев оптимальности построения комплекса. Одной из важнейших таких задач является выбор из множества имеющихся (сертифицированных) СрЗИ таких, которые позволяют получить наиболее рациональную структуру и в ее рамках сформировать состав конкретного КСЗ, обеспечивающего перекрытий всех выявленных каналов утечки и несанкционированного доступа (НСД) с заданной эффективностью.

Анализ содержания этапов разработки КСЗ и входящих в них процедур позволяет сделать вывод, что они содержат задачи как слабоформализуемые, требующие для выполнения квалифицированных специалистов, привлечения экспертов, применения эвристических методов и подходов, так и такие, которые могут быть формализованы в рамках задач и методов структурного синтеза с привлечением положений теории математического программирования (формирование структуры КСЗ, оптимальный выбор состава СрЗИ), а также на основе методов математического моделирования случайных процессов и систем (расчет, оценка и анализ показателей эффективности СрЗИ и КСЗ в целом).

Используемые в настоящее время подходы к построению методического обеспечения для решения рассмотренных задач, имеющиеся методики и алгоритмы не носят комплексного характера, недостаточно учитывают взаимосвязь и взаимозависимость частных задач, не уделяют достаточного внимания вопросам оптимальности формирования и выбора наиболее рациональных вариантов КСЗ с учетом требуемых значений показателей эффективности. Общим недостатком многих работ, особенно рассматривающих задачу создания СЗИ в формальной постановке, является слабое применение в целевых функциях и ограничениях основного показателя эффективности, связанного с вероятностными характеристиками функционирования СрЗИ и КСЗ в целом.

Таким образом, задача развития и разработки методического обеспечения формирования структуры, оптимального выбора состава СрЗИ и оценки показателей эффективности КСЗ при проектировании СЗИ в АС является весьма актуальной.

Работа выполнена в соответствии с одним из основных научных направлений Воронежского государственного технического университета «Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства и системы передачи, приема, обработки и защиты информации», тематическим планом НИР 5 ЦНИИИ МО РФ и ГНИИИ ПТЗИ Гостехкомиссии РФ.

Объект исследования. Система защиты информации в автоматизированных системах.

Предмет исследования. Методическое и математическое обеспечение формирования и оценки эффективности КСЗ при разработке СЗИ.

Цель и задачи исследования

Целью работы является разработка методического обеспечения формирования рациональной структуры и оптимального состава комплекса средств защиты информации и оценки его показателей эффективности при построении систем информационной безопасности.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: провести анализ процесса проектирования СЗИ, существующих подходов к решению задач разработки КСЗ с точки зрения обеспечения его оптимального построенияопределить требуемый состав и взаимодействие процедур анализа и синтеза, являющихся основой для построения методики формирования и выбора наиболее рациональной структуры и состава КСЗ и расчета показателей его эффективности при разработке СЗИ в АСсформулировать задачи оптимального выбора в процессе разработки КСЗ, сформировать набор критериев, провести формализацию этих задач и постановку в виде наиболее целесообразных типовых задач математического программированияразработать математические модели, алгоритмы и методику расчета показателей эффективности программных и технических СрЗИразработать методику расчета комплексного показателя эффективности проектируемого КСЗ, учитывающего его структуру и характеристики применяемых СрЗИразработать программные средства поддержки процедур выбора, оптимального формирования и оценки эффективности КСЗ при проектировании систем ИБ в АС.

Методы исследования основываются на использовании теории вероятности, методов математического программирования и математической логики, теории графов и полумарковских процессов, теории информационной безопасности.

Научная новизна. В работе получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной: структура и процедуры процесса разработки КСЗ, обеспечивающие взаимосвязанное решение необходимых задач моделирования, анализа и оптимизации и позволяющие получить КСЗ с наиболее рациональной структурой и составом для конкретной АСмодели и методика формирования структуры КСЗ, отличающиеся формализованным представление этой структуры в виде графа, отражающего возможные каналы утечки информации и требуемые типы СрЗИ, и обеспечивающие математическую постановку задач оптимального выбора состава средств и способов защиты и комплексной оценки эффективности получаемых вариантов КСЗкритерии и оптимизационные модели выборы структуры и состава КСЗ при разработке систем ИБ, отличающиеся возможностью сведения соответствующих задач синтеза к известным задачам дискретного математического программирования и учетом показателей эффективности программных и технических СрЗИ, выраженных в вероятностной формематематические модели, алгоритмы и методика моделирования вероятностно-временных характеристик функционирования программных СрЗИ и расчета показателей их эффективности, отличающиеся использованием аналитических моделей и инвариантностью к законам распределения времени пребывания системы в различных состояниях, отражающих выполнение конкретных защитных функцийметодика анализа и расчета вероятностного показателя эффективности КСЗ, отличающаяся использованием логико-вероятностных методов и обеспечивающая комплексную оценку эффективности с учетом функциональных и надежностных характеристик отдельных СрЗИ и структуры конкретного варианта КСЗ.

Практическая значимость и реализация результатов работы. Предложенное методическое обеспечение позволяет проводить проектирование КСЗ, включающих различные программные и технические СрЗИ и обеспечивающих заданные значения показателей эффективности, при построении СЗИ в АС. На основе предложенного в работе математического обеспечения разработаны программные средства, обеспечивающие автоматизированное выполнение процедур формирования оптимального состава КСЗ, расчета показателей эффективности СрЗИ и комплекса в целом.

Результаты работы в форме методик, алгоритмов и программных средств внедрены в 5 ЦНИИИ МО РФ, ГНИИИ ПТЗИ Гостехкомиссии РФ и использовались в ряде НИР, связанных с разработкой систем обеспечения ИБ в АС различного назначения.

Апробация работы. Основные научные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Всероссийской научно-технической конференции (Воронеж, 5 ЦНИИИ МО РФ, 2001) — Всероссийской научно-технической конференции (Воронеж, 5 ЦНИИИ МО РФ, 2003) — региональной научной конференции молодежи «ЮниорИнфоСофети» (2004) — Межвузовской научно-технической конференции адъюнктов, аспирантов, соискателей и молодых специалистов (Воронеж, 5 ЦНИИИ МО РФ, 2004).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 13 печатных работ. В работах, опубликованных в соавторстве [36, 37, 62], лично автору принадлежит анализ процесса проектирования СЗИ с точки зрения обеспечения оптимального построения КСЗ в них. В работах [60, 61, 63, 68, 86] автором обоснованы и описаны алгоритмы расчета показателей эффективности СрЗИ в форме вероятностно-временных параметров. В работе [82] автором изложены основные положения методики расчета комплексного показателя эффективности проектируемого КСЗ, учитывающей их структуру и характеристики применяемых СрЗИ, основой которой являются логико-вероятностные модели. В работе [65] автором сформулированы задачи оптимального выбора состава СрЗИ при проектировании КСЗ, предложен набор критериев оптимальности и способы постановки этих задач в форме известных задач дискретного математического программирования.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Структура, задачи и процедуры процесса разработки КСЗ при проектировании СЗИ.

2. Способ формализованного представления структуры КСЗ на базе, отражающей графовой модели потенциальные каналы НСД и утечки информации в конкретной АС.

3. Критерии и математическая постановка задач оптимального выбора состава и структуры КСЗ при разработке СЗИ.

4. Методика расчета значений вероятностного показателя эффективности программных средств и комплексов ЗИ, основанная на моделировании процессов их функционирования с использованием аппарата полумарковских процессов.

5. Методика оценки и анализа комплексной эффективности КСЗ с различной структурой на базе логико-вероятностного моделирования.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 88 наименований, изложенных на 105 страницах, 5 приложений на 30 страницах, содержит 9 рисунков и 2 таблицы.

4.4 Основные выводы главы.

1. Предложена структурная схема, отражающая состав и взаимодействие этапов и процедур моделирования, анализа, оценки и оптимизации КСЗ при проектировании СЗИ.

2. Разработана ПО комплекса формирования и оценки эффективности КСЗ с оптимальным составом СрЗИ и рациональной структурой при проектировании СЗИ в АС.

3. Предложенные в работе модели, алгоритмы и методики применялись при выполнении ряда НИР, связанных с разработкой СЗИ в различных АС, для моделирования и оценки эффективности при формировании КСЗ, включающего программные и технические средства, и внедрены в 5 ЦНИИИ МО РФ и ГНИИИ ПТЗИ Гостехкомиссии РФ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. На основе анализа особенностей проектирования современных систем защиты информации сформулированы основные задачи разработки комплекса средств защиты с рациональной структурой и оптимальным составом, обоснованы основные положения, обеспечивающие решение этих задач, и определены состав, содержание и взаимодействие основных частей соответствующего методического обеспечения.

2. Сформулирована задача формирования рациональной структуры комплекса средств защиты на основе ее формализованного представления в виде графа, ребра которого соответствуют возможным каналам утечки информации, а вершины — необходимым средствам защиты, что позволяет учитывать условия противодействия угрозам, связанным со всеми выявленными каналами, и обеспечивает математическую постановку задачи выбора необходимых средств.

3. Сформирован набор критериев оптимальности и приведена математическая постановка задач оптимального выбора состава (типа и количества) средств защиты информации в проектируемом комплексе, позволяющая свести их к известным задачам дискретного математического программирования.

4. Предложены математические модели, алгоритмы и методика расчета показателя эффективности программных средств и комплексов защиты информации на основе моделирования с использованием методов теории конечных полумарковских процессов вероятностного перехода по дискретным состояниям, соответствующим выполнению различных защитных функций в процессе их функционирования, а также методика определения показателей эффективности технических средств защиты информации с использованием экспертных оценок и анализа информации о технических характеристиках.

5. Разработаны методика, соответствующие модели и алгоритмы анализа и оценки комплексного показателя эффективности, выраженного в вероятностной форме различных вариантов построения комплексов средств защиты с разным составом и структурой на базе логико-вероятностного подхода.

6. Разработаны программные средства, обеспечивающие выполнение процедур моделирования, анализа, оценки и оптимизации, входящих в предлагаемое методическое обеспечение, формирования комплекса средств защиты с оптимальным составом средств и рациональной структурой. Предложенные в работе методики и ПО применялись при выполнении ряда НИР, посвященных разработке систем защиты информации в различных АС, и внедрены в 5 ЦНИИИ МО РФ и ГНИИИ ПТЗИ Гостехкомиссии РФ.