Разработка методов оценивания качества и эффективности защиты операционной системы Windows NT

Актуальность проблемы. Развитие информационных технологий на рубеже двадцатого и двадцать первого веков приведшее к глобальной автоматизации и компьютеризации всех сфер общественной жизни поставило перед специалистами новые задачи. Особенно остро сейчас стоит задача обеспечения информационной безопасности.

Удобство, гибкость и новый уровень качества работы с клиентами обусловили переориентацию коммерческой деятельности на обслуживание клиентов через сеть Internet. Для многих компаний это стало основным бизнесом. Перенос множества различных баз данных и библиотек сделали глобальную сеть привлекательной для пользователей, что обусловило широчайшее распространение Internet-рекламы, за счёт которой существуют бесплатные для пользователей проекты: электронная почта, бесплатные информационные порталы и многое другое. Логичным дополнением информатизации обслуживания клиентов и предоставления информации через компьютерные сети стал перенос в сетевую инфраструктуру и денежных расчётов. Всё это сделало информационные системы мишенью злоумышленников ставящих своей целью незаконное овладение денежными ценностями. Сама информация в современном мире стала ценностью. Распределённые системы её обработки позволяют осуществлять взаимодействие между офисами крупных компаний гибко и эффективно, даже если они находятся на разных континентах. Однако компьютеризация бизнеса опять же сделала информационные системы мишенью злоумышленников.

Так что сейчас трудно представить себе популярный сайт сети Internet, корпоративную сеть или сеть крупного учебного заведения, которая была бы застрахована от попыток нападения. И чем популярнее сайт или крупнее сеть, тем больше желающих нарушить защищённость информационной системы ради выгоды или из праздного любопытства.

По статистике CERT количество описанных инцидентов с 1988 по 2001 годы увеличилось с 6 до 52 658 [73]. Причём в статистических данных явно прослеживается геометрическая прогрессия и перелома в борьбе с информационной преступностью в ближайшее время не ожидается. Однако и внимание к проблемам информационной безопасности неуклонно растёт, так что сейчас нарушителям противостоит объединённое такими организациями как CERT [72], CIAC [74] или NTBugTraq [81] информационное сообщество.

Долгое время пока информационные системы оставались замкнутыми задачи обеспечения безопасности решались классическими методами: ограничением физического доступа в помещения и охранной сигнализацией. С широким внедрением сетевых технологий, особенно основанных на применении глобальной сети Internet, такие методы перестали гарантировать безопасность, хотя и остались неотъемлемым компонентом системы защиты. Однако защите информации не уделялось достаточного внимания.

После целого ряда инцидентов, наверное, наиболее известным из которых стал «червь Мориса» [31], когда подросток написал сетевой компьютерный вирус и за сутки вывел из строя сотни компьютеров, в том числе компьютеры министерства обороны США и NASA, к разработчикам программного обеспечения и администраторам пришло осознание необходимости защиты компьютерных систем от угроз нового типа — угроз целостности и конфиденциальности информации.

Развитие методов защиты шло параллельно с расширением функциональных возможностей информационных систем. Немалая роль в развитии информационных технологий принадлежит корпорации Microsoft [80], которая фактически заложила базу для создания персональных компьютеров. Её лидирующая роль в современной индустрии позволяет ей сейчас формировать стандарты, по которым строятся информационные системы любого уровня и любой сложности: стандарты пользовательского интерфейса и функциональных возможностей.

Одним из таких стандартов стали операционные системы (ОС) Microsoft® Windows™ установленные по разным подсчётам на 90−95% компьютеров в мире. Линия продуктов Microsoft Windows включает в себя операционные системы, предназначенные как для домашнего использования (Windows 95, Windows 98, Windows Millennium Edition), так и системы ориентированные на корпоративное применение, такие как Windows NT или Windows 2000. Неотъемлемым компонентом последних является мощная система безопасности.

Развитые средства контроля доступа пользователей к информации, работающие как на локальном компьютере, так и в сети, возможность создания крупных сетей на основе интеграции доменов. Небывалая отказоустойчивость, основанная на вытесняющей многозадачности и изоляции процессов в рамках отдельных виртуальных адресных пространств, сделали операционную систему Windows NT версии 4.0 лидирующей корпоративной ОС. Развитая и оперативная служба поддержки созданная Microsoft ещё больше укрепила позиции операционной системы.

Широкие возможности и развитые механизмы обеспечения безопасности требуют высокой квалификации администраторов. Однако знания возможностей ОС недостаточно, необходим количественный анализ качества защиты и её эффективности.

Целью диссертационной работы является разработка методики количественного оценивания качества и эффективности защиты информации на примере операционной системы Microsoft® Windows NT™. Для достижения этой цели в диссертационной работе были рассмотрены и решены следующие задачи:

— на базе вероятностной модели системы контроля доступа разработана обобщённая вероятностная модель безопасности информационной системы, позволяющая количественно оценить качество защиты информации;

— разработан вариант применения существующей теоретико-игровой модели для оценки эффективности защиты информации;

— разработана модель нарушителя для ОС Windows NT, в которой приводится классификация нарушителей и наиболее известных атак с их подробным описанием и разработкой математических моделей основанных на вероятностных характеристиках;

— обобщённая вероятностная модель применена к оценке влияния на защищённость методов и средств защиты, а также настроек операционной системы;

— методика оценивания применена также к множеству дополнительных средств защиты российских и зарубежных производителей совместимых с рассматриваемой операционной системой;

— полученные модели и методики оценивания применены на практике на линейных предприятиях Западно-Сибирской железной дороги и на кафедре «Средства связи» ОмГТУ.

Методы исследования. Основными методами исследования при решении поставленной в диссертационной работе задач являются графоаналитический метода, методы теории вероятности, аппарат сетевого планирования, а также аппарат булевой алгебры.

Научная новизна работы заключается в разработке методов количественного оценивания качества и эффективности защиты операционной системы Windows NT и включает:

— разработку обобщённой вероятностной модели безопасности информационной системы;

— разработку методики применения теоретико-игровой модели для оценки эффективности защиты в ОС Windows NT;

— разработку модели нарушителя для ОС Windows NT, содержащей классификацию нарушителей и наиболее известных атак с их подробным описанием и разработкой математических моделей основанных на вероятностных характеристиках;

— исследование влияния на защищённость методов и средств защиты, а также настроек операционной системы, а также дополнительных средств защиты российских и зарубежных производителей, совместимых с рассматриваемой операционной системой.

Основные положения, выносимые на защиту:

— обобщённая вероятностная модель безопасности операционной системы Microsoft Windows NT;

— впервые разработанная модель нарушителя для ОС Windows NT;

— методики количественного оценивания качества и эффективности защиты при помощи обобщённой вероятностной и теоретико-игровой моделей безопасности.

Достоверность научных положений и выводов подтверждены положительными результатами внедрения предложенной методики в организацию работы сети кафедры «Средств Связи» Омского Государственного Технического Университета, а также в практику функционирования информационных сетей Западно-Сибирской железной дороги.

Практическая ценность исследований состоит в том, что:

— разработан перечень рекомендаций по применению средств защиты ОС Windows NT и настройки системы защиты;

— проведено опытное внедрение предлагаемых методик на кафедре «Средств связи» ОмГТУ и в линейных предприятиях ЗападноСибирской железной дороги.

Реализация результатов работы. Основные положения, выносимые на защиту, нашли практическое применение в создании типовых инструкций по работе в информационных сетях Windows NT, а также в разработке учебного пособия для студентов, обучающихся по направлению «Информационная безопасность».

Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы докладывались:

— на Зй международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 1999);

— на конференции «Информационная безопасность — ЮГ России» (Таганрог, 2000);

— на 2й международной научно-практической конференции «ИНФОРАДИО'2000» (Омск, 2000);

— на всероссийской научно-практической конференции «Информационная безопасность в системе высшей школы», (Новосибирск, 2000);

— на 2й международной конференции «Сотрудничество стран АТР в XXI веке» (Хабаровск, 2001);

— на Зй международной научно-практической конференции «Проблемы информационной безопасности общества и личности», (Томск, 2001);

— на научно-практической конференции «Повышение эффективности работы ЖД транспорта Сибири и дальнего востока», (Хабаровск-Владивосток, 2001);

— составлено и подготовлено к изданию учебное пособие.

Публикации. По результатам проведенных исследований выполнено четырнадцать публикаций из них три без соавторов и две в центральной печати.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на 181 странице основного текста, содержит 8 таблиц, 82 рисунка, список из 106 литературных источников приведен на 8 страницах, приложения на 89 страницах. Всего 270 страниц.

3.5. Выводы.

1. Проанализированы дополнительные средства защиты, нейтрализующие стратегии действий нарушителя, не перекрываемые стандартными средствами защиты ОС и даны рекомендации по их выбору.

2. Показано, что для совершенствования защиты необходимо использовать комплексную систему мер, включая аппаратные и программные средства обеспечения безопасности.

3. На основе анализа ресурсов сетевого администрирования по защите информации предложены продуктивные алгоритмы администрирования, позволяющие частично автоматизировать функции администрирования и снизить вероятность ошибок.

ГЛАВА 4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКИХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СЕТЕЙ.

Для организации адекватной защиты информации в информационной системе необходимо сначала определить условия её эксплуатации, собрать сведения о структуре и функционировании, т. е. провести анализ объекта. Особое значение при этом будут иметь следующие факторы:

— административные, организационные, инженерно-технические меры и средства защиты принятые в информационной системе;

— размещение компьютеров;

— количество пользователей и обслуживающего персонала;

— трафик сети;

— используемая операционная система;

— используемое серверное и прикладное программное обеспечения;

— технические (программные и аппаратные) меры и средства защиты, реализованные в информационной системе (сети).

Анализ объекта необходим, чтобы определить множество возможных атак и их вероятности, что необходимо для анализа качества и эффективности защиты. Факторы влияют на возможности нарушителя по преодолению системы безопасности и возможности обслуживающего персонала и доступные ему средства защиты.

Приведённые факторы связаны между собой. Всё разнообразие информационных систем можно разделить на две большие группы: системы, где количество пользователей больше количества компьютеров и системы где постоянные пользователи работают за закреплёнными за ними компьютерами. Для первой группы систем характерно локальное размещение компьютеров в пределах замкнутых помещений, большое количество пользователей и широкое использование сети, т. е. большой трафик. Для второй группы, напротив, характерно распределение компьютеров по достаточно большой площади, относительно небольшое количество пользователей. Трафик при этом может сильно отличаться: в случае, когда пользователи выполняют замкнутые задачи и принят бумажный документооборот, трафик будет минимальнымв случае применения электронного документооборота трафик может быть значительным.

Примером систем первой группы могут быть локальные сети учебных заведений в компьютерных классах которых работает большое количество учащихся. Ко второй группе относятся, в частности, локальные сети линейных предприятий железной дороги.

4.1. Локальные сети учебных заведений.

В качестве одного из объектов для внедрения была выбрана локальная сеть кафедры Средств связи Радиотехнического факультета Омского Государственного Технического университета (ОмГТУ).

Сеть объединяет компьютеры учебного класса и несколько компьютеров преподавателей и строится на основе домена Windows NT. На контроллере домена установлена операционная система Microsoft Windows NT Server 4.0, на компьютерах учебного класса установлена ОС Windows NT Workstation 4.0, на компьютерах преподавателей — операционные системы класса Windows 9х. Структура локальной сети приведена на рис. 68.

Учебный класс Контроллер — | домена j j.

Компьютеры преподавателей Рис. 68. Схема локальной сети.

4.1.1. Определение объекта и целей защиты.

Основным объектом защиты ввиду отсутствия какой-либо информационной системы в рассматриваемом случае будет домен и информация, хранящаяся на контроллере домена (в рассматриваемой сети контроллер домена используется ещё и как файл сервер). Целями защиты будет предотвращение несанкционированного доступа к информации (файлам и системному реестру компьютеров сети) и обеспечение безотказной работы контроллера домена.

В общем случае возможны и другие цели, а именно, обеспечение работоспособности информационной системы (в каждой конкретной информационной системе определение работоспособности будет включать в себя аспекты функционирования различных её служб, а также их взаимодействия между собой), а также контроль доступа к информации, циркулирующей в информационной системе (виды и содержание информации будет индивидуально для каждой информационной системы).

4.1.2. Описание существующих методов защиты.

К административным, организационным и инженерно-техническим методам защиты, существующим на объекте, можно отнести то, что:

— локальная сеть целиком находится на охраняемой территории университета;

— доступ на территорию университета осуществляется по студенческим билетам;

— компьютеры локальной сети находятся в запираемых помещениях оборудованных сигнализацией;

— доступ в помещения учебного класса и аудитории студентов возможен только во время занятий;

— контроллер домена выделен в отдельное внутреннее запираемое помещение, доступ в которое дополнительно ограничен;

— работа на компьютерах учебного класса осуществляется только в присутствии ответственного преподавателя и/или лаборанта;

— обслуживающий персонал следит за техническим состоянием компьютеров, производя необходимые настройки и обновления программного обеспечения.

Из технических средств на компьютерах локальной сети используются только средства защиты операционной системы:

— на контроллере домена и компьютерах учебного класса используется файловая система NTFS;

— учётная запись «Гость» на компьютерах заблокирована;

— на всех компьютерах отключен системный хранитель экрана;

— доступ к сети пользователей учебного класса ограничен средствами системной политики Windows NT;

— ведётся аудит событий регистрации;

— на компьютерах установлены последние пакеты обновления.

4.1.3. Анализ защищённости.

Принятые на объекте организационные и инженерно-технические мероприятия исключают возможность доступа посторонних к компонентам компьютеров и запуска других операционных систем, а также исключают возможность интерактивной работы пользователей на контроллере домена, что делает невозможными локальные атаки на контроллер домена (А1-А10). Сетевые атаки, направленные на срыв работы сети, предотвращены установкой последнего пакета обновления.

Атака All предотвращена отключением учётной записи «Гость». Атака А12 реализуема, так что, обеспечивая защиту, необходимо исходить из предпосылки, что нарушителю известен список компьютеров сети, их ресурсы, предоставленные в совместное использование и пользователи. Остальные сетевые атаки технически реализуемы, поскольку используется пассивное сетевое оборудование, а кабельная система сети не защищена ни физически, ни технически (например, методами криптографии). Графы возможных стратегий действий нарушителя для рассматриваемой сети приведены на рис. 69 — рис. 74.

Рл =-=РА 10 =РЛ20 =- = РА22®

Рис. 69. Исходный граф.

Рис. 71. Граф получения разрешений доступа.

Рис. 72. Граф получения пароля.

Рис. 73. Граф НСД по сети.

Рис. 74. Граф DOS.

На рисунках S1-S5 — методы предотвращения атак (см. таблицу 4.1).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе рассмотрены вопросы количественной оценки качества и эффективности защиты информации, обеспечиваемой средствами операционной системы Microsoft® Windows NT™, возможные методики оценивания, а также влияние на качество защиты различных дополнительных средств.

Проведённые исследования показывают, что существующие формальные модели, вероятностная модель системы контроля доступа и теоретико-игровые модели в общем случае не позволяют оценить качество защиты запущенной в эксплуатацию информационной системы на базе ОС Windows NT. Поэтому в данной работе была поставлена и решена задача разработки методов оценивания качества и эффективности защиты информационных систем. При этом автором получены следующие результаты:

1. На базе вероятностной модели системы контроля доступа разработана обобщённая вероятностная модель безопасности информационной системы, позволяющая количественно оценить защищённость;

2. Разработаны алгоритмы применения теоретико-игровой модели для оценки эффективности защиты информации, нашедшие применение в практических разработках;

3. Разработана модель нарушителя для ОС Windows NT, в которой приводится классификация нарушителей и наиболее известных атак с их подробным описанием и разработкой математических моделей, основанных на вероятностных характеристиках;

4. Обобщённая вероятностная модель безопасности применена к оценке влияния на защищённость методов и средств защиты, а также настроек операционной системы;

5. Методика оценивания качества защиты применена к дополнительным средствам защиты российских и зарубежных производителей, совместимым с рассматриваемой операционной системой;

6. Полученные модели и методики оценивания применены на практике на линейных предприятиях Западно-Сибирской железной дороги и на кафедре «Средства связи» ОмГТУ.