Автореферат (Обеспечение информационной безопасности киберфизических систем на основе принципа гомеостаза), страница 2

Предложено оцениватьразличия графов последовательности действий ПО для выявления ВПО,функционирующего на узлах системы управления КФС. Предложен подход кобеспечению динамической защиты КФС, обеспечивающий автоматическоеподдержание устойчивости ее функционирования в условиях компьютерных атак.Разработана модель переконфигурирования параметров и структуры КФС сиспользованием принципа гомеостаза. Сформулирована и доказана теорема одостижимости устойчивости КФС в условиях деструктивных воздействий. Предложенметод оценки устойчивости КФС к деструктивным воздействиям, основанный навычислении показателя способности системы к переконфигурированию.Практическаязначимостьработыопределяетсявозможностьюиспользования предложенных методов и методологии для практической реализациисистем обеспечения ИБ КФС, включая выявление нарушений ИБ, направленных наизменение параметров ее функционирования, выявление ВПО, функционирующего наузлах системы управления КФС, оценку устойчивости КФС к деструктивнымвоздействиям и обеспечение устойчивости КФС к деструктивным воздействиям.Методы исследования.

Для решения поставленных задач в диссертационнойработе использовались методы математического моделирования, теории вероятностейи математической статистики, теории защиты информации, мультифрактальногоанализа, теории графов и теории управления.Положения, выносимые на защиту:1. Метод выявления нарушений ИБ КФС, основанный на контролесамоподобия параметров функционирования системы.2. Метод выявления ВПО, основанный на оценке различия графовпоследовательности действий ПО.3. Модель переконфигурирования КФС с использованием принципагомеостаза.54. Теорема о достижимости устойчивости КФС в условиях деструктивныхвоздействий.5.

Метод оценки устойчивости КФС к деструктивным воздействиям наоснове способности системы к переконфигурированию.6. Архитектура гомеостатической системы обеспечения ИБ КФС.Соответствие специальности научных работников. Полученные научныерезультаты соответствуют следующим пунктам паспорта специальности научныхработников 05.13.19 «Методы и системы защиты информации, информационнаябезопасность»: методы и модели выявления, идентификации и классификации угрознарушения информационной безопасности объектов различного вида и класса (п. 3);модели и методы оценки защищенности информации и информационной безопасностиобъекта (п. 9).Степень достоверности результатов исследования подтверждается ихвнутренней непротиворечивостью и адекватностью физическим представлениям обисследуемом процессе.Внедрение результатов работы.

Полученные основные научные результатыдиссертационного исследования используются при выполнении гранта Президента РФдля государственной поддержки ведущих научных школ Российской Федерации НШ2992.2018.9 (Договор № 14. Y31.18.2992-НШ от 17.01.2018 г.), в проектнойдеятельности общероссийской общественной организации «Российская инженернаяакадемия» и автономной некоммерческой организации «Центр инновационногоразвития«ИнноПром»дляобеспеченияинформационнойбезопасностиавтоматизированных систем управления процессами очистки и обеззараживанияпитьевой воды путем динамического переконфигурирования параметров и сетевойструктуры системы, в Научно-техническом центре Аргус при разработке новыхпрограммных средств управления инфокоммуникациями сетей следующего поколенияNGN и, в частности, систем поддержания операционной деятельностителекоммуникационных операторов OSS в компаниях ПАО Ростелеком, Транстелекоми др., а также в учебном процессе кафедры «Информационная безопасностькомпьютерных систем» ФГАОУ ВО СПбПУ, что подтверждается соответствующимиактами о внедрении.Апробация работы.

Основные результаты исследований и научныхразработок докладывались и обсуждались на следующих конференциях: научнопрактическая конференция «РусКрипто» (Москва, 2017 г.), научно-техническаяконференция «Методы и технические средства обеспечения безопасностиинформации» (Санкт-Петербург, 2013, 2015, 2017 и 2018 гг.), научно-практическаяконференция c международным участием «Неделя науки СПбГПУ» (Санкт-Петербург,2014 г.), международная научно-практическая конференция «Управлениеинформационной безопасностью в современном обществе» (Москва, 2015, 2017 гг.),конференции «Информатика и кибернетика (ComCon-2017)» (Санкт-Петербург, 2017г.), конференции «1st IEEE International Conference on Industrial Cyber-Physical Systems(ICPS-2018)» (Санкт-Петербург, 2018 г.), международная научная конференция«Конвергенция цифровых и физических миров: технологические, экономические исоциальные вызовы» (Санкт-Петербург, 2018 г.), международной научной6конференции ММEТ NW 2018 (Санкт-Петербург, 2018 г.).

Работа победила в конкурсегрантов Правительства Санкт-Петербурга для студентов ВУЗов, расположенных натерритории Санкт-Петербурга, аспирантов ВУЗов, отраслевых и академическихинститутов, расположенных на территории Санкт-Петербурга, в 2013, 2015 и в 2017годах.Публикации по теме диссертации. Результаты диссертационной работыотражены в 24 публикациях, в том числе 8 публикаций в рецензируемых журналах изперечня ВАК, 6 публикаций в изданиях из перечня Scopus и Web of Science, 1 патентРФ на изобретение.Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав,заключения, списка использованных источников из 140 наименований.

Общий объемработы составляет 18 страниц, в том числе, 29 рисунков и 4 таблицы.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы диссертационного исследования,сформулирована цель, определены основные задачи, научная новизна и практическаязначимость полученных результатов, а также положения, выносимые на защиту.В первой главе приведены примеры современных КФС и выделеныхарактерные для них особенности, заключающиеся в низкой защищенности конечныхустройств; высокой критичности компонентов системы управления КФС,представленных компьютерами и серверами; необходимости сохранения устойчивостифункционирования КФС. В соответствии с выделенными особенностями,сформулированы проблемы обеспечения ИБ КФС, демонстрирующие, в совокупностисо статистикой атак на КФС, высокую актуальность решаемой задачи.

Рассмотреныподходы и решения по обеспечению безопасности КФС, предлагаемые ведущимиуниверситетами мира и известными компаниями в сфере информационныхтехнологий. Показано, что существующие подходы не обеспечивают решенияследующих научно-технических задач: разработки методов выявления нарушений ИБКФС, инвариантных к типу деструктивного воздействия; создания методовобнаружения ВПО, обладающего компонентами на различных уровнях привилегий;развития методологии динамической защиты для обеспечения устойчивостифункционирования КФС в условиях деструктивных воздействий; реализациидинамической защиты с использованием возможностей современных сетевыхтехнологий.Задача обеспечения устойчивости функционирования КФС в условияхкомпьютерных атак является наиболее критичной. Для ее решения предлагаетсяподход, заключающийся в выявлении нарушений ИБ и детектировании ВПО, в оценкеустойчивости, основанной на способности системы к переконфигурированию, и вобеспечении устойчивости КФС путем внесения изменений в ее сетевую структуру ипараметры функционирования с использованием принципа гомеостаза.Во второй главе изложен метод выявления нарушений ИБ, направленных наизменение параметров функционирования устройств КФС, который базируется намультифрактальном анализе временных рядов, характеризующих процессы КФС.Мультифрактал определяется несколькими последовательно сменяющимисяалгоритмами, каждый из которых генерирует шаблон со своей фрактальной7размерностью, поэтому мультифрактальный формализм гибко описывает законмасштабного поведения процесса, включая самоподобные, мономасштабные имногомасштабные.

В рамках работы метода выявляются самоподобные процессыКФС, представленные временными рядами значений параметров системы.Для описания временного ряда как мультифрактала, ряд рассматривается какфрактальный объект, представляющий собой множество N точек в некоторомевклидовом пространстве. При разбиении этой области на кубы со стороной ε , внекоторых ячейках, число которых обозначим как N (ε ) , будет размещатьсяопределенное число точек. Число точек, попавших в ячейку под номером i , обозначимкак ni (ε ) , а вероятность того, что выбранная наугад точка попадет в ячейку подni (ε ). Переход к моментамN →∞ Nномером i , определяется выражением pi (ε ) = limраспределения M q (ε ) точек по ячейкам показывает, что эти моменты представляютсобой степенные функции размера ячеек ε : M q ≈ ε τ ( q ) , где τ (q ) – скейлинговаяфункция, линейная для монофрактала и нелинейная для мультифрактала, а q можетпринимать любые действительные значения.

Применение преобразования Лежандра кτ (q) позволяет вычислить основную характеристику для описания мультифрактала –мультифрактальный спектр Лежандра f (α ) . Это функция, характеризующаявероятность α принять определенное значение, где α – показатель сингулярности(показатель Гёльдера).Мультифрактальный подход позволяет выявить самоподобные временныеряды, характеризующие процессы в КФС, и рассмотреть их на небольшом масштабедля анализа локальных свойств, что не позволяет выполнить монофрактальный анализ,описывающий глобальные характеристики временных рядов. Анализ локальныхсвойств временных рядов позволяет с высокой точностью обнаруживать аномалии,свидетельствующие о нарушении безопасности.

Для оценки таких свойстванализируются следующие характеристики мультифрактального спектра Лежандра:ширина спектра, ширина и высота его левой и правой «ветвей».Предлагаемый метод является универсальным и может быть применен дляразличных видов цифровых технологий, поскольку предлагаемая оценка самоподобиябазируется на фундаментальных принципах теории фракталов и безотносительноприроды анализируемых данных позволяет эффективно выявлять инвариантныепроцессы в КФС и обнаруживать нарушения их инвариантности.В главе 2 также предложен метод выявления ВПО, ориентированный науправляющие узлы КФС, представляющие собой компьютеры и серверы. Именно этиустройства являются наиболее желанной целью для злоумышленников, посколькуполучение контроля над ними обеспечивает нарушителю получение контроля над всейКФС.