Scientific journal

Fundamental research

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

В условиях непрерывного расширения сетевой инфраструктуры корпоративных систем и повышения роли информации в современном постиндустриальном обществе назрела необходимость критического анализа и пересмотра ключевых позиций существующей парадигмы обеспечения информационной безопасности (ИБ) государственных и коммерческих организаций. В современных системах защиты информации (СЗИ) корпоративных информационных сетей (КИС) для гарантированного отражения массированных информационных атак на важные сетевые ресурсы всё чаще используются гибкие механизмы с элементами активной и пассивной информационной защиты [1]. В последние годы значительно вырос поток публикаций, посвящённых вопросам синтеза интеллектуальных механизмов интегрированной защиты информационного и программного обеспечения, которые рассматриваются в контексте общей проблемы ситуационного управления рисками ИБ на основе базовых принципов кибернетики и искусственного интеллекта [2]. Однако вопросам обоснования и выбора механизмов комплексирования методов и средств защиты ресурсов КИС, основанных на различных физических принципах, пока не уделяется должного внимания.

Целью статьи является операционное моделирование процесса функционирования системы интегрированной защиты информационных и программных ресурсов КИС и обоснование целесообразности введения в её состав активных элементов для осуществления адресных информационных контратак по объектам автоматизации, являющимся источниками информационных угроз.

Для формального описания процесса информационного противоборства воспользуемся известным игровым подходом, в основе которого лежат аксиоматика и инструментарий метода динамики средних (МДС) [3, 4]. Опираясь на базовую вычислительную схему МДС, сформулируем на содержательном уровне задачу операционного моделирования противоборства двух информационных систем. Пусть требуется построить игровую модель процесса информационного противоборства комплексной СЗИ КИС и злоумышленника и на её основе дать количественную оценку эффективности используемых средств активной и пассивной защиты сетевых ресурсов.

Под злоумышленником (ЗЛ) в настоящей статье понимается группа профессионально подготовленных, технически оснащённых и мотивированных сотрудников фирмы-конкурента, стремящихся взломать систему защиты активов организации-жертвы, получить доступ к её конфиденциальной информации и нарушить управление бизнес-процессом.

Cледуя рекомендациям опубликованных работ В.М. Гаврилова [3], Г.А. Остапенко [5], С.И. Макаренко [6], А.Ф. Белого [7] и основываясь на накопленном опыте операционного моделирования информационных процессов [8, 9], введём ряд дисциплинирующих условий. Во-первых, отметим, что перспективная СЗИ должна не только обнаруживать факты нарушения целостности информации, определять степень ущерба и оперативно восстанавливать повреждённые информационные и программные ресурсы, но также целенаправленно выявлять и оценивать новые угрозы и адресно применять активные способы защиты в виде информационных контратак. Во-вторых, примем рабочую гипотезу о том, что информационная атака злоумышленника является многоцелевой и осуществляется из двух внешних узлов информационной сети. В-третьих, взаимодействие конфликтующих сторон А и В осуществляется по заранее определённому сценарию, задаваемому операционной схемой, при этом информационные атаки и контратаки проводятся по фиксированным объектам (целям) с постоянными интенсивностями.

Принципиальной особенностью используемого в статье модельного подхода является формальное представление объекта исследования как динамической системы «Система защиты ресурсов – злоумышленник» («СЗР-ЗЛ»), изолированной от внешней среды и функционирующей на заданном интервале времени . Вектор фазовых координат динамической системы (ДС) имеет вид: , где zk – численность состояния элемента (средства) k-го типа. Пошаговая (во времени) численная оценка вектора состояния Z(t) на основе формального описания и имитационного моделирования процесса функционирования позволяет получить исчерпывающую информацию о подпроцессах, протекающих в подсистемах (элементах) этой ДС. При исследовании воспользуемся авторской методикой операционного моделирования процесса информационного противоборства, получившей развитие в авторских работах [8, 9]. Известная методика даёт возможность для заданных условий и сценария информационного конфликта оценить частные показатели, отражающие снижение потенциала средств каждого типа и совокупный риск (в нашем случае – ущерб) каждой стороны (подсистемы).

Текущее состояние средств, выделенных в составе формальной ДС, предлагается оценивать с помощью частного показателя потерь ΔZi, под которым понимают величину относительного ущерба, нанесенного средству zi в результате целенаправленного информационного воздействия со стороны других средств ДС. Фактические потери – это результат воздействия информационных атак, организованных средствами противодействующей стороны (конфликтующей подсистемы). Показатель относительного ущерба , определяется по формуле

(1)

где t* – момент выхода из цикла операционного моделирования;

– относительный ущерб для средства zi на момент времени ;

– исходный потенциал средства zi в момент времени t0.

Рис. 1. Операционная схема процесса информационного противоборства средств в динамической системе «Система защиты ресурсов – злоумышленник»

Совокупный риск (ущерб) противоборствующих сторон (подсистем) А и В может быть определён в произвольный момент времени на основе следующих соотношений:

; , (2)

где α_i и β_i  – весовые коэффициенты; ΔZi – показатель относительного ущерба для средства i-го типа на момент времени t; IA и IB – множества, содержащие индексы фазовых переменных, относящихся соответственно к сторонам А и В.

Рассмотрим особенности построения модели задачи исследования. К сетевым ресурсам КИС будем относить информационное обеспечение (ИО), общее и прикладное программное обеспечение. Учитывая сложность архитектуры перспективной комплексной СЗИ, в составе её модели выделим два обобщённых компонента: средства пассивной защиты (СПЗ) и средства активной защиты (САЗ).

На рис. 1 представлена укрупнённая операционная схема многоканального информационного взаимодействия подсистем исследуемой динамической системы «СЗР-ЗЛ». При этом введены следующие обозначения: подсистема А – СЗР; подсистема В – злоумышленник, стремящийся преодолеть защиту и получить доступ к сетевым ресурсам подсистемы А. В структуре СЗР (подсистема А) выделены следующие элементы: база данных (БД), общее программное обеспечение (ОПО), прикладное программное обеспечение (ППО), средства пассивной защиты /средства восстановления/ и средства активной защиты. Будем полагать, что СПЗ используются для обнаружения, локализации и восстановления повреждённых информационных элементов и программных модулей [9]. В модели злоумышленника (подсистема В) выделены: средства активного нападения первого и второго типов (САН1 и САН2) и система управления ими.

Для отображения динамики восстановления повреждённых информационных элементов БД и программных модулей ОПО и ППО воспользуемся рекомендациями теории автоматического управления. Динамическую модель процесса восстановления средства zi представим в виде инерционного звена первого порядка, которое опишем на основе линейного дифференциального уравнения [10, с. 39–42]:

,

где yi – приращение численности состояния zi за счёт реализации процедуры восстановления повреждённых компонентов; ki и Ti – соответственно коэффициент передачи и постоянная времени инерционного звена. Указанной моделью воспользуемся для описания восстановления численностей состояний z1, z2 и z3. При этом коэффициенты передачи характеризуют интенсивности восстановления численностей состояний z1, z2 и z3, а постоянные времени определяют длительности переходных процессов.

Для формализованного представления состояний ДС «СЗИ-ЗЛ» введём переменные , под которыми будем понимать численности состояний соответственно следующих элементов: базы данных z1, общего программного обеспечения z2, прикладного программного обеспечения z3, средств пассивной z4 и активной защиты z5 подсистемы А, а также средств активного нападения первого типа z6 и средств активного нападения второго типа z7 подсистемы В. Состояние динамической системы «СЗР-ЗЛ» в целом в каждый момент времени характеризуется системой обыкновенных дифференциальных уравнений, в которой в качестве переменных рассматриваются численности состояний :

(3)

Здесь – процедура проверки условия активации механизма пассивной защиты, связанного с введением резерва или восстановлением (пополнением) численности состояний z1. Аналогично и – процедуры проверки условий активации механизма пассивной защиты, связанного с введением резерва или восстановлением (пополнением) численности состояний z2 и z3; , , – значения порогов включения соответствующих механизмов пассивной защиты.

Условие активации пассивной защиты для численности состояния zr запишем с помощью логической функции:

(4)

Введём вспомогательные переменные для обозначения коэффициентов дифференциальных уравнений, определяемые на основе расчётных соотношений, приведённых в табл. 1.

Здесь λ5, λ6 и λ7 – интенсивности атак (контратак), выполняемых средствами z5, z6 и z7 соответственно; p_ij – вероятность поражения единицы средства zi в результате атаки со стороны средства zj; b1, b2 и b3 – доли средств z3 подсистемы B, участвующих в подавлении средств z1, z4 и z5 подсистемы A соответственно; c1 и c2 – доли средств z7 подсистемы В, участвующих в подавлении соответственно средств z2 и z3 подсистемы А; a1 и a2 – доли средств z5 подсистемы А, участвующих в подавлении соответственно средств z6 и z7 подсистемы В; при этом должны выполняться дисциплинирующие условия

Известно, что имеющиеся уязвимости модулей ППО способствуют повышению результативности информационных атак злоумышленника на информационные ресурсы и ОПО. Для учёта данного эффекта в математическую модель (3) введём весовую функцию:

, (5)

где и – исходный ресурс и текущее значение численности состояния средства z3 соответственно; μ_k – коэффициент, учитывающий влияние уязвимости на защищённость модуля средства zk.

В динамике противоборства при использовании элементов активной защиты сетевых ресурсов стороной А средства z6 и z7 стороны В теряют часть своего потенциала. Это, в свою очередь, снижает интенсивность информационных атак стороны В на средства стороны А. Для учёта данного эффекта в математическую модель (3) введём весовую функцию:

, (6)

где и – исходный ресурс и текущее значение численности состояния атакующего средства zk стороны В; ρ_k – коэффициент, учитывающий влияние снижения потенциала z_k на интенсивность λ_k исходящей от него атаки.

После преобразований системы дифференциальных уравнений (3) с учётом введённых обозначений (4), (5), (6) и коэффициентов (табл. 1) получим систему уравнений:

(7)

Соотношения b1/b2/b3 и с1/с2 определяют стратегию стороны В в организации информационных атак на средства стороны A. Соотношение a1/a2 определяет стратегию стороны A в осуществлении информационных контратак на средства z6 и z7 стороны В.

В целях удобства алгоритмизации введём дополнительные условия:

1. Резерв для пополнения (восстановления) элементов в состоянии z1 используется при выполнении условия: z1(t) ≤ 80 %×z1(t0); резерв для пополнения элементов в состоянии z2 используется при выполнении условия: z2(t) ≤ 90 %×z2(t0); резерв для пополнения элементов в состоянии z2 используется при выполнении условия: z3(t) ≤ 95 %×z3(t0).

2. Каждое из средств zi, , имеет только два состояния: рабочее и нерабочее.

3. Начальные условия:

4. Интенсивности атак принимаются следующими:

l5 = 0,06…0,30 мин-1; l6 = 0,12 мин-1; l7 = 0,06 мин-1.

5. С учётом анализа информационных угроз и имеющегося опыта исследования СЗИ приняты фиксированные стратегии игроков А и В:

.

Значения вероятностей поражения одной единицы средств игроков А и В примем в соответствии с данными табл. 2.

Таблица 1

Расчётные соотношения для коэффициентов дифференциальных уравнений

Таблица 2

Вероятности поражения элементов

Таблица 3

Показатели относительного ущерба ( %) для средств сторон в контрольной точке t*= T = 120 (мин.), опыт 1: λ5 = 0,06 (1/мин)

6. Численное решение системы дифференциальных уравнений осуществляется стандартным методом Рунге – Кутты в цикле на полуинтервале времени : t0 = 0 мин, tN = 120 мин с шагом Δt = 0,05 мин.

7. Выход из цикла моделирования (решения) осуществлялся в одном из следующих случаев: [z1 ≤ 60; z2 ≤ 60; z3 ≤ 60; z4 ≤ 30; z5 ≤ 30; z6 ≤ 45; z7 ≤ 45].

В качестве выходных данных моделирования фиксируются: время решения задачи tреш, тождественно равное времени t* информационного взаимодействия t_реш ≡ t*; фазовые траектории ; численные значения показателей , .

На рис. 2 и 3 представлены изменения численностей состояний сетевых ресурсов на указанном полуинтервале времени.

Используя данные об изменении численностей состояний динамической системы во времени Т ≡ t (мин), для заданного момента времени t* можно вычислить относительный ущерб ΔZi(t*) по формуле (1) по каждому средству , сторон А и В. Результаты расчёта показателей относительного ущерба ΔZi(t*) для фиксированных исходных данных приведены в табл. 3. Данные цифрового моделирования фазовой траектории ДС в виде таблиц или графиков изменения во времени фазовых координат позволяют проследить динамику взаимодействия СЗИ со злоумышленником и косвенно оценить результативность используемых механизмов комплексной защиты ресурсов КИС.

Для рассмотренной задачи совокупный ущерб противоборствующих подсистем А и В, вычисленный по формулам (2) при учёте данных табл. 2 для случая равных весовых коэффициентов и , составил

и

В ходе исследования проанализировано влияние интенсивности контратак стороны А на защищённость ресурсов КИС, на ресурс СЗР и на ресурс стороны (игрока) В. При этом интенсивность контратак изменялась в отрезке мин.-1 с шагом 0,03. Результаты вычислительного эксперимента представлены на рис. 4.

Средний коэффициент эластичности , определяемый по известной формуле [11] для линейной регрессионной модели регрессии составил величину

что свидетельствует о малой силе влияния интенсивности информационных контратак на снижение ресурса атакующей стороны В.

По результатам операционного моделирования можно оценить результативность используемых механизмов защиты сетевых ресурсов для различных стратегий действия и сценариев противоборства сторон А и В. В авторской работе [9] ранее было установлено, что прямой способ повышения эффективности МЗР через снижение уязвимости средств z1, z2 и z3 не является продуктивным. Из анализа результатов вычислительного эксперимента следует, что прямое увеличение интенсивности контратак СЗИ также не даёт значительного приращения защищённости информационных и программных ресурсов. Кроме того, усиление мощности информационных контратак, инициируемых подсистемой А, связано с большими затратами внутренних вычислительных ресурсов КИС и в ряде случаев может способствовать быстрому вскрытию злоумышленником (стороной В) характеристик СЗИ.

Рис. 2. Изменение численности состояний z1, z2, z3 от времени информационного контакта Т (мин) сторон А и В (без механизма восстановления)

Рис. 3. Изменение численности состояний z1, z2, z3 от времени информационного контакта Т (мин) сторон А и В (с механизмом восстановления численностей z2 и z3)

Рис. 4. Зависимости показателей относительного ущерба от интенсивности контратак λ5 (1/мин) стороны А

Установлено, что при больших интенсивностях информационных контратак () происходит относительно быстрое снижение потенциала подсистемы В и тем самым уменьшается степень информационного воздействия средств z6 и z7 на ресурсы КИС. Визуально данный нелинейный эффект можно проследить на графиках рис. 5, на котором показаны фазовые траектории численностей состояний средств , , .

Таким образом, в результате исследования установлено, что наиболее значительного приращения эффективности МЗР следует ожидать в случае комплексного (согласованного по целям, задачам и времени) применения нескольких способов пассивной и активной защиты сетевых ресурсов КИС. Закономерным итогом комплексирования способов и средств защиты будет существенное снижение уязвимости средств z1, z2 и z3 игрока А при одновременном уменьшении интенсивности информационных атак со стороны средств z6 и z7. По данным моделирования, совместное использование СПЗ (для восстановления повреждённых массивов ИО и модулей ОПО и ППО) и САЗ способно снизить относительный ущерб для сетевых ресурсов на 11…24 %.

Выводы

На современном этапе эволюции системы информационной безопасности в составе комплексной СЗИ доминируют традиционные средства пассивной защиты информационного и программного обеспечения. Для достижения заданного политикой безопасности уровня защищённости сетевых ресурсов в условиях вероятных сетевых атак предлагается дополнительно включить в состав СЗИ элементы активной защиты, способные реализовать информационные контратаки на выявленные источники потенциальных угроз в целях пресечения их деятельности. Для повышения эффективности САЗ могут быть применены следующие способы:

1) согласование характеристик и синхронизация работы средств пассивной и активной защиты под управлением интеллектуальной системы управления ИБ;

2) применение гибкой стратегии защиты, заключающейся в концентрации усилий на поражении наиболее опасных компонентов подсистемы В;

3) выявление фактов и идентификация характеристик системы захвата (злоумыш-ленником) управления узлами КИС, через которые в последующем могут осуществляться систематические информационные атаки на сетевые ресурсы;

4) планирование и реализация стороной А упреждающих информационных контратак, преимущественно на начальном этапе информационного противоборства в целях максимального ослабления потенциала злоумышленника (стороны В) и принуждения его к отказу от преступных замыслов.

Рис. 5. Изменение численностей состояний подсистемы А во времени с учётом эффекта ослабления атакующего потенциала подсистемы В (случай λ5 = 0,27 1/мин)

В качестве одного из перспективных направлений обеспечения гарантированной защищённости сетевых ресурсов КИС можно указать совместное применение рекомендаций и структурных решений теории обманных систем и алгоритмов интеллектуального управления МЗР [2].