St. Petersburg, Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
The problem of building a unified protection system based on qualitatively different sub-systems responsible for their classes of attacks is considered. The following five basic principles of designing architectures of such systems are proposed: artificial decomposition, necessity and sufficiency of subsystems, structural invariance, universalization of interaction, and a single in-formation space. Graphical diagrams of examples of application of the principles are given.
protection system, architecture, design principles
Введение
Для любой организации в современном мире воздействие атак на ее ресурсы является существенной проблемой, актуальность которой из года в год только возрастает; для противодействия им создаются соответствующие системы защиты [1]. По причине же многообразия атак (программно-математических, перемещения, природных, технических и др.) системы защиты вынужденно строятся из целого набора специализированных подсистем, каждая их которых ответственна за свой класс (канал). Однако из этого и следует одно из основных противоречий предметной области. Совместная работа подсистем, построенных на различной базе, но в рамках единой системы, как правило, имеет меньшую суммарную эффективность защиты [2, 3] – подсистемы начинают конфликтовать, снижая результативность; противодействие атакам, состоящим из нескольких классов, требует дополнительного времени для связывания их надсистемой в единый вектор [4], снижая оперативность; методы и средства согласования взаимодействия подсистем требуют дополнительных накладных расходов (как программно-аппаратных, так и человеческих), что приводит к росту ресурсоемкости. И, как было показано неоднократно ранее авторами [5, 6, 7], разрешение противоречия может быть обеспечено только на этапе проектирования системы защиты путем синтеза ее научно-обоснованной и практически-состоятельной архитектуры (как, например, в [8]), которая как раз и закладывает фундамент потенциальной эффективности [9, 10] (в данном контексте под архитектурой системы понимается состав ее подсистем, а также организация их информационно-технического взаимодействия). Поэтому этот вопрос является крайне принципиальным и требует своего осмысления.
Постулировать основные принципы проектирования архитектуры современных систем защиты и предполагается в настоящей статье.
Принципы проектирования
Используя богатый опыт в анализе проблемных вопросов систем защиты информации [11, 12, 13], а также в оценке их результирующей эффективности [14], были сформулированы следующие пять принципов, следование которым, по мнению авторов, позволит синтезировать архитектуру систем защиты информационных ресурсов, избавленную от множества внутренних противоречий, присутствующих в эволюционно построенных (т.е. постепенно, без заранее спроектированной структуры).
- 1. Искусственность декомпозиции (целенаправленность)
Большинство систем защиты создавалось, адаптируясь к изменяемому миру – по мере возникновения новых классов угроз, появления средств защиты, формирования требований к работе. Тем самым создание архитектур систем представляло собой эволюционный процесс. При этом входящие в состав подсистемы формировались из уже существующих (независимых) элементов, что негативно сказывалось на результирующей эффективности системы защиты, поскольку элементы изначально создавались для достижения собственных целей, которые после включения в состав единой системы оказывались несогласованными. Так, например, подсистема контроля и управления доступом будет стремиться не допустить на территорию организации лиц без пропуска, а в случае обнаружения подсистемой пожарной сигнализации очага возгорания и автоматического вызова «внешней» пожарной бригады, последняя не сможет пройти через проходную (по крайне мере, потребуется время для предоставления им доступа) – явный диссинергетический эффект [15].
Его предотвращение приводит к первому принципу построения системы защиты – искусственной декомпозиции на подсистемы с учетом общей целенаправленности. В результате архитектура будет изначально создаваться так, чтобы гармонизировать частные цели подсистем в направлении основной цели системы [16, 17, 18, 19]. Яркий пример – создание «продвинутых» систем охранно-пожарной сигнализации.
Представим применение принципа с помощь следующей схемы (Рис. 1).
а) б)
Рисунок 1 – Пример создания систем защиты:
а) эволюционный процесс; б) целенаправленный процесс
Согласно схеме, изначально (см. рис. 1а) каждая из подсистем имеет свою «изолированную» цель, поскольку создавалась независимо от других. В случае применения первого принципа (см. рис. 1б) все подсистемы «работают» на общую цель.
- 2. Необходимость и достаточность подсистем
Создание архитектуры системы защиты из набора уже имеющихся подсистем имеет два существенных недостатка. Во-первых, используемые подсистемы могут иметь перекрывающийся функционал, как излишне дублируя решаемые задачи, так и мешая тем самым друг другу. Например, достаточно часто задача обновления программного обеспечения серверов ложится как на подсистему сетевой безопасности, так и внутренней технической поддержки. Во-вторых, может сложиться ситуация, когда существующие подсистемы будут выполнять только часть требуемых задач, а создание новой ради решения оставшихся задач окажется нецелесообразным. Например, подсистема контроля и управления доступом не ведет запись заезжающих на территорию автомобилей (а только управляет поднятием шлагбаума), что не позволит в последствие сопоставить архивы событий при возникновении инцидента. Препятствование дублированию и коллизиям возможно с помощью второго принципа построения системы защиты – необходимости и достаточности деления на подсистемы [20, 21]. Тем самым все множество подсистем перекроет все необходимые задачи, а каждая из подсистем не будет «залезать» в зону ответственности другой.
Представим применение второго принципа с помощь следующей схемы (Рис. 2).
а) б)
Рисунок 2 – Пример проектирования архитектуры из набора подсистем:
а) существующих; б) необходимых и достаточных
Согласно схеме, изначально (см. рис. 2а) область задач (пунктиром) покрыта подсистемами не полностью или избыточно, а также с взаимным перекрытием. Затем, после применения второго принципа (см. рис. 2б) область задач оказывается полностью «покрыта» функционалом подсистем без их взаимного пересечения.
- 3. Структурная инвариантность
Развитие современного мира, и в особенности повсеместное внедрение все новых IT-решений, приводит к постоянному изменению условий проведения старых атак, а также к появлению качественно новых. Все это требует как адаптации существующих механизмов и подсистем защиты, так и создания новых. При этом постоянные перестройки архитектуры их единой системы, очевидно, будет крайне негативным вариантом – не говоря о постоянных финансовых затратах; модернизация и ввод в эксплуатацию новой версии такой архитектуры попросту может не успевать за эволюционированием атакующих воздействий. Например, появление в организациях киберфизических устройств, полностью управляемых искусственным интеллектом (по аналогии с развитием беспилотных автомобилей в концепции Умного города), приведет и к новому классу атак, направленному на интеллектуальный центр управления. Создание же и внедрение в работающую архитектуру новой подсистемы защиты, а также ее согласование с остальными подсистемами, может оказаться невозможным и потребует частичного перестроения всей системы. Исходя из этого, имеет смысл изначально создавать такую архитектуру (и, следовательно, производить деление на подсистемы), которая бы оказывалась неизменной во времени – т.е. не требовала качественных перестроений при возникновении новых задач. Это соображение приводит к третьему принципу – структурной инвариантности архитектуры системы защиты [22, 23]. Учет принципа позволит расширять набор механизмов защиты от атак, осуществляя параметрический, но не структурный синтез новой системы.
Представим применение третьего принципа с помощь следующей схемы (Рис. 3).
а) б)
Рисунок 3 – Пример инвариантной архитектуры системы защиты в условиях:
а) традиционных атак; б) нового класса атак (задач)
Согласно схеме, изначально (см. рис. 3а) каждая из четырех подсистем отражает собственный класс атак. После появления нового класса (см. рис. 3б) «мощность» Подсистемы 4 (в смысле объема решаемых ею задач) возросла для дополнительного противодействия Атакам класса 5; при этом в систему защиты внесены параметрические (объем задач), но не структурные (количество подсистем) изменения.
- 4. Универсализация взаимодействия
Необходимость совместной работы множества подсистем требует от них постоянного информационно-технического взаимодействия. Качественная же различность подсистем ведет к тому, что используемые ими информационные объекты, а также логика обмена последними, не позволяют их применить для полноценного взаимодействия, однозначно понятного всем его участникам. Например, в подсистеме контроля и управления доступом можно предположить наличие таких объектов, как запрос на идентификацию посетителя, открытие турникета, незаконное проникновение и др.; а для подсистемы пожарной сигнализации – повышение температуры в комнате, включение системы пожаротушения, вызов внешней пожарной бригады. Очевидно, что эти подсистемы с такими объектами обмена никогда не смогут «договориться» иначе как по уникальному протоколу. Таким образом, возникает необходимость в четвертом принципе – универсализации взаимодействия подсистем защиты [24]. Применение этого принципа позволит подсистемам общаться на базе единых объектов и используя понятную логику.
Представим применение четвертого принципа с помощь следующей схемы (Рис. 4).
а) б)
Рисунок 4 – Пример информационно-технического взаимодействия подсистем:
а) уникального; б) универсального
Согласно схеме, изначально (см. рис. 4а) каждая из подсистем взаимодействует с другими, используя собственные уникальные формат и алгоритмы. После перевода всех взаимодействий на одну базу объектов обмена и логику (см. рис. 4б) будет реализован четвертый принцип.
- 5. Единое информационное пространство
Помимо того, что подсистемы должны иметь универсальное взаимодействие друг с другом, они также должны обладать одинаковыми знаниями для принятия соответствующих решений. Таким образом, требуется синхронизация общей информации и унифицированный формат ее хранения. Так, обнаружение нового сценария атаки одной подсистемой должно стать известным и всем остальным, поскольку эта атака может оказаться частью вектора, действующего сразу через несколько зон ответственности подсистем. Например, диагностирование подсистемой контроля и доступа факта прохождения нарушителя путем клонирования электронного пропуска должно предупредить подсистемы сетевой безопасности и видеонаблюдения о высокой технической подготовки нарушителя и, следовательно, более высоких рисках взлома сети и нейтрализации видеокамер и датчиков сигнализации. Таким образом, возникает пятый принцип – использование единого информационного пространства [25-29]. Архитектура систем защиты, построенных с помощью этого принципа, позволит подсистемам использовать данные и функции из общего («расшаренного», от англ. to share) пространства – т.е. всегда находящиеся в актуализированном состоянии.
Представим применение пятого принципа с помощь следующей схемы (Рис. 5).
а) б)
Рисунок 5 – Пример организации информационного пространства подсистем:
а) собственного; б) единого
Согласно схеме, изначально (см. рис. 5а) каждая из подсистем содержит в себе собственную базу данных (возможно, с функциями их обработки), необходимых, в том числе, другим подсистемам. После перевода всех подсистем на единое информационное пространство (см. рис. 5б) они начинают общаться именно с ним, как с полномочным представителем баз данных всех подсистем.
Выводы
Анализ проблемных вопросов современных систем защиты, а также богатый авторский опыт, позволили обоснованно предложить пять принципов построения таких систем. Принципы оказывают непосредственное влияние как на состав подсистем (включая решаемые ими задачи), так и на их взаимодействие. Применение одновременно всех принципов является достаточно сложной задачей, как с научной, так и с технической стороны. Тем не менее, перспективное направление их реализации авторами видится в следующем. Во-первых, это синтез состава подсистем с использованием категориального деления, что позволит соблюсти первые три принципа. А, во-вторых - организация универсального протокола (как совокупности объектов обмена и его логики) [30] информационно-технического взаимодействия между ними, что приведет к соблюдению последних двух принципов. Дальнейшим направлением исследований должна стать выработка рекомендаций для более точного соответствия реализаций архитектуры разрабатываемых систем защиты каждому из описанных принципов ее проектирования.
1. Doroshenko A.V. Problemy organizacii zaschity dannyh v informacionnyh sistemah organizaciy // Ekonomicheskaya bezopasnost' gosudarstva kak odin iz vazhneyshih faktorov strategicheskogo razvitiya ekonomiki pridnestrovskoy moldavskoy respubliki: materialy Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferencii / Otv. red. N.N. Smolenskiy, I.V. Tolmacheva, 2017. - S. 166-169.
2. Izrailov K.E., Pokusov V.V. Aktual'nye voprosy vzaimodeystviya elementov kompleksnyh sistem zaschity informacii // Aktual'nye proble-my infotelekommunikaciy v nauke i obrazovanii: sbornik nauchnyh statey: v 4-h tomah / Pod redakciey S.V. Bachevskogo, 2017. - S. 255-260.
3. Buynevich M.V., Pokusov V.V., Izrailov K.E. Effekty vzaimodey-stviya obespechivayuschih sluzhb predpriyatiya informacionnogo servisa (na primere sluzhby pozharnoy bezopasnosti) // Nauchno-analiticheskiy zhurnal Vestnik Sankt-Peterburgskogo universiteta Gosudarstvennoy protivopo-zharnoy sluzhby MChS Rossii. - 2018. - № 4. - S. 48-55.
4. Biryukov A.A., Izrailov K.E. Sravnitel'nyy analiz modeley ugroz informacionnoy bezopasnosti v interesah primenimosti dlya mnogoetapnyh shem atak // Aktual'nye problemy infotelekommunikaciy v nauke i obrazovanii (APINO 2017): sbornik nauchnyh statey VI Mezhdunarodnoy nauchno-tehnicheskoy i nauchno-metodicheskoy konferencii. V 4-h tomah / Pod redakciey S.V. Bachevskogo, 2017. - S. 108-112.
5. Pokusov V.V. Osobennosti vzaimodeystviya sluzhb obespecheniya funkcionirovaniya informacionnoy sistemy // Informatizaciya i svyaz'. - 2018. - № 5. - S. 51-56.
6. Buynevich M.V., Pokusov V.V., Yaroshenko A.Yu., Horoshenko S.V. Kategorial'nyy podhod v prilozhenii k sintezu arhitektury integrirovannoy sistemy obespecheniya bezopasnosti informacii // Problemy upravleniya riskami v tehnosfere. - 2017. - № 4 (44). - S. 95-102.
7. Buynevich M.V., Kirichok A.I. Podhod k realizacii kompleksnoy ASU arhitekturnym i naruzhnym osvescheniem Moskvy // Avtomatizaciya v promyshlennosti. - 2013. - № 11. - S. 42-46.
8. Buinevich M., Fabrikantov P., Stolyarova E., Izrailov K., Vladyko A. Software defined internet of things: cyber antifragility and vulnerability forecast // Application of Information and Communication Technologies (AICT-2017). - 2017. - PP. 293-297.
9. Pokusov V.V. Ocenka effektivnosti sistemy obespecheniya IB. Chast' 1. Pokazateli i modeli predstavleniya // Zaschita informacii. Insayd. - 2019. - № 2 (86). - S. 54-60.
10. Pokusov V.V. Ocenka effektivnosti sistemy obespecheniya IB. Chast' 2. Metodika i rezul'taty // Zaschita informacii. Insayd. - 2019. - № 3 (87). - . 64-72.
11. Antyuhov V.I., Sugak V.P., Yaroshenko A.Yu., Ostudin N.V. Modeli-rovanie processa obespecheniya bezopasnosti informacii v podrazdeleniyah MChS Rossii // Servis bezopasnosti v Rossii: opyt, problemy, perspektivy. Obespechenie bezopasnosti pri chrezvychaynyh situaciyah: materialy VII Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferencii, 2015. - S. 71.
12. Yaroshenko A.Yu., Buynevich M.V. Obosnovanie potrebnosti v metodike ocenki kachestva i effektivnosti kompleksnoy organizacionno-tehnicheskoy sistemy obespecheniya bezopasnosti informacii v MChS Rossii // Nauchno-analiticheskiy zhurnal Vestnik Sankt-Peterburgskogo universi-teta Gosudarstvennoy protivopozharnoy sluzhby MChS Rossii. - 2016. - № 4. - S. 57-62.
13. Antyuhov V.I., Ostudin N.V., Yaroshenko A.Yu., Chernyh A.K. Informacionnaya potrebnost' dolzhnostnyh lic centrov upravleniya v krizisnyh situaciyah (CUKS) MChS Rossii // Servis bezopasnosti v Rossii: opyt, problemy, perspektivy. Obespechenie bezopasnosti pri chrezvychaynyh situaciyah: materialy VII Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferencii, 2015. - S. 70-71.
14. Yaroshenko A.Yu., Buynevich M.V. Obosnovanie potrebnosti v metodike ocenki kachestva i effektivnosti kompleksnoy organizacionno-tehnicheskoy sistemy obespecheniya bezopasnosti informacii v MChS Rossii // Nauchno-analiticheskiy zhurnal Vestnik Sankt-Peterburgskogo universi-teta Gosudarstvennoy protivopozharnoy sluzhby MChS Rossii. - 2016. - № 4. - S. 57-62.
15. Pokusov V.V. Sinergeticheskie effekty vzaimodeystviya moduley sistemy obespecheniya informacionnoy bezopasnosti // Informatizaciya i svyaz'. - 2018. - № 3. - S. 61-67.
16. Elkin V.I. O dekompozicii upravlyaemyh sistem na odnomernye nezavisimye sistemy // Modelirovanie, dekompoziciya i optimizaciya slozhnyh dinamicheskih processov. - 1999. - T. 14. - № 1 (14). - S. 93-96.
17. Gridin V.N., Anisimov V.I. Dekompoziciya bol'shih sistem na os-nove opisaniya peremennyh razdeleniya v smeshannom bazise // Informacionnye tehnologii v proektirovanii i proizvodstve. - 2019. - № 4 (176). - S. 3-7.
18. Vitomskiy E.V. Principy dekompozicii komp'yuternyh sistem po tipam uyazvimostey // Informacionnye tehnologii v proektirovanii i proizvodstve. - 2005. - № 2. - S. 24-28.
19. Sumin V.I., Kuznecova L.D., Kolyhalin V.M. Razrabotka informacionnyh sistem s dekompoziciey sistem upravleniya na podsistemy // Kachestvo v proizvodstvennyh i social'no-ekonomicheskih sistemah: sbornik nauchnyh trudov 2-oy Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferencii, posvyaschennoy 50-letiyu Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta: v 2-h tomah / Otvetstvennyy redaktor Pavlov E.V., 2014. - S. 350-353.
20. Kuznecov V. Neobhodimye i dostatochnye usloviya // Matematika. Pervoe sentyabrya. - 2013. - № 10. - S. 14-16.
21. Arshinskiy V.L., Arshinskiy L.V., Bahvalov S.V. Principy neob-hodimosti i dostatochnosti v sistematizacii programmnogo obespecheniya // Avtomatizaciya i modelirovanie v proektirovanii i upravlenii. - 2019. - № 2 (4). - S. 18-24.
22. Zhukova G.S. Predstavlenie slozhnyh sistem na osnove principa invariantnosti // Uchenye zapiski Rossiyskogo gosudarstvennogo social'nogo universiteta. - 2010. - № 8 (84). - S. 23-26.
23. Proskurnikov A.V., Yakubovich A. Zadacha ob invariantnosti sistemy upravleniya // Doklady Akademii nauk. - 2003. - T. 389. - № 6. - S. 742-746.
24. Chuvikov D.A. Universal'nye algoritmy vzaimodeystviya ekspertnoy sistemy i sistemy imitacionnogo modelirovaniya // T-Comm: Telekommunikacii i transport. - 2017. - T. 11. - № 4. - S. 34-40.
25. Gromov Yu.Yu., Ivanovskiy M.A., Didrih V.E., Pogonin V.A. Principy zaschity informacii poley edinogo informacionnogo prostranstva // Promyshlennye ASU i kontrollery. - 2010. - № 8. - S. 51-56.
26. Senchenko P., Zhukovskiy O., Gricenko Yu. Principy organizacii edinogo informacionnogo prostranstva pri razrabotke kompleksov distancionnogo upravleniya tehnologicheskim processom // Problemy teorii i praktiki upravleniya. - 2018. - № 10. - S. 114-125.
27. Zaycev A.N. Formirovanie vnutrenney struktury bazy dannyh dlya organizacii edinogo informacionnogo prostranstva // Morskaya radioelektronika. - 2019. - № 4 (70). - S. 18-21.
28. Kuzenbaev A.A., Baymankulov A.T. Primenenie sistemnogo podhoda v modelirovanii edinogo informacionnogo prostranstva // Teoriya i prak-tika sovremennoy nauki. - 2020. - № 3 (57). - S. 141-144.
29. Krickiy A.V., Kargapol'cev D.S., Brusnicyn D.N., Skorinov S.V., Shaburov D.P., Dobrazov A.E. Edinoe informacionnoe prostranstvo pro-grammno-apparatnyh sredstv // Vodosnabzhenie i sanitarnaya tehnika. - 2015. - № 11. - S. 45-56.
30. Pokusov V.V. Format protokola universal'nogo informacionno-tehnicheskogo vzaimodeystviya v sisteme obespecheniya informacionnoy bez-opasnosti "UITV-SOIB" // Telekommunikacii. - 2019. - № 9. - S. 33-40.
