СПОСОБ КРИПТОГРАФИЧЕСКОГО РЕКУРСИВНОГО 2-D КОНТРОЛЯ ЦЕЛОСТНОСТИ МЕТАДАННЫХ ФАЙЛОВ ЭЛЕКТРОННЫХ ДОКУМЕНТОВ
CRYPTOGRAPHIC RECURSIVE 2-D INTEGRITY MONITORING METHOD OF ELECTRONIC DOCUMENTS FILES METADATA

Область техники, к которой относится изобретение
Предлагаемое изобретение относится к области обеспечения безопасности информации, обрабатываемой в автоматизированных информационных системах (АИС), а именно к способам контроля целостности метаданных файлов электронных документов, и может найти применение в системах электронного документооборота, в целях контроля и обеспечения целостности, обрабатываемых данных, в условиях преднамеренных воздействий уполномоченных пользователей (инсайдеров).
Уровень техники
В настоящее время перед пользователями различных АИС стоят задачи по обеспечению безопасности информации, циркулирующей в них. К такой информации относятся файлы электронных документов, управление которыми осуществляется на основе особого вида информационных ресурсов -метаданных. Под термином «метаданные» понимаются данные, описывающие контекст, содержание и структуру документов, а также процессы управления ими на протяжении всего жизненного цикла документа (ГОСТ Р ИСО 15489-1-2007. Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Управление документами). Они критически важны для обеспечения значимости, сохранности и управляемости файлами электронных документов, что обуславливает необходимость разработки механизмов их защиты от деструктивных воздействий злоумышленника. Результатом таких воздействий может стать преднамеренное несанкционированное изменение метаданных, что приведет к нарушению их целостности, и как следствие потере управления над файлами электронных документов, обрабатываемых АИС. Одной из мер обеспечения защищенности данных, является защита их целостности (Методический документ. Меры зашиты информации в государственных информационных системах: утв. директором ФСТЭК 11.02.2014 // ФСТЭК России, 2014. - 176 с.).
Как правило, задача защиты целостности данных решается с помощью различных способов. Далее для раскрытия сути изобретения приводится краткое описание существующих технических решений для контроля целостности данных.
а) Описание аналогов
1. «Validating computer program installation)) по патенту US 20030192033, 2002, [Электронный ресурс] - https://books.google.com.tr/patents/US 20030192033.
2. Программный комплекс «Shield System Manager подсистема контроля целостности (Integrity Control System))), [Электронный ресурс] - http://lissiru.narod.ru/products/index.html.
3. Программно-аппаратный комплекс доверенной загрузки «Блокхост-МДЗ» [Электронный ресурс] - https://gaz-is.ru/poddergka/download/finish/6/8.html.
В данных решениях для контроля целостности информации используется хэш-функция (функция, отображающая строки бит исходных данных в строки бит фиксированной длины - хэш-код).
Недостатком подобных решений является низкий уровень защищенности записей данных от атак со стороны уполномоченных пользователей (инсайдеров). При ведении подряд идущих записей данных в файле (записи в электронной истории болезни, журнал событий аудита безопасности) пользователь (или один из администраторов), обладая собственным ключом (при использовании ключевых хэш-функций) имеет возможность изменять (подделывать) свои записи, сохраненные в файле ранее. То есть данные решения не учитывают внутренние угрозы безопасности данных со стороны легальных пользователей (инсайдеров).
Известен способ контроля целостности записей данных на основе метода «однократной записи» (Atsushi Harada, Masakatsu Nishigaki, Masakazu Soga, Akio Takubo, Itsukazu Nakamura. A Write-Once Data Management System, ICITA 2002. - Shizuoka University, Japan, 2002, [Электронный ресурс] - http://www.icita.org/previous/icita2002/ICITA2002/kptdata/116-21/index.htm), которая использует различные комбинации электронных подписей пользователей для защиты (контроля целостности) записей от уполномоченных пользователей.
Недостатком данного решения является отсутствие функциональной возможности установления дополнительных параметров ввода ключевых данных различных пользователей и порядка их применения (секретных для самих пользователей или для различных групп пользователей, состав которых самим пользователям не известен), позволяющих обеспечить соответствующий уровень защищенности записей данных в файле.
Широко известен способ аутентификации сообщений НМАС (hash-based message authentication), суть которого заключается в использовании криптографической хэш-функции в сочетании с одним секретным ключом и NMAC с двумя секретными ключами (М. Bellare, R. Canetti and Н. Krawczyk, Keying Hash Functions for Message Authentication, Advances in Cryptology Proceedings of CRYPTO 1996, pp. 1-15, Springer-Verlag, [Электронный ресурс] - http://dblp.uni-trier.de/db/conf/crypto/crypto96, [Электронный ресурс] - http://daily.sec.ru/2012/07/16/print-Algoritmi-auntentifikatsii-soobsheniy-HMAC-i-NMAC.html).
1
2
Контроль целостности сообщения в способе аутентификации сообщений NMAC заключается в том, что отправитель сообщения М с помощью двух секретных (внешних) ключей k и k вычисляет код аутентичности сообщения по правилу:  где  - символ конкатенации, hash - функция вычислений в блоке формирования хэш-кода. Сообщение с кодом аутентичности (М, N) по каналу передачи сообщения, расположенного в недоверительной среде, поступает получателю.
Доверительная сторона (получатель сообщения) осуществляет проверку соответствия полученного кода аутентичности Н* для контроля целостности и аутентификации сообщения М*.
Недостатком данного способа является низкий уровень защищенности данных от атак со стороны уполномоченных пользователей (инсайдеров) (необходимо наличие двух доверяющих друг другу сторон, конфиденциальность секретных ключей).
б) Описание ближайшего аналога (прототипа)
Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному изобретению (прототипом) является «Система контроля целостности журналов непрерывно ведущихся записей данных» по патенту РФ №2015152423, позволяющая обеспечить контроль целостности журналов непрерывно ведущихся записей данных. Существенным признаком, отличающим прототип от известных аналогов, является то, что для контроля целостности данных, обрабатываемых в АИС, используются как бесключевые, так и ключевые хэш-функции, используемые для обеспечения требуемого уровня защищенности данных.
Недостатками прототипа являются:
1. Отсутствие возможности локализации номеров записей данных с признаками нарушения целостности, при реализации деструктивных воздействий уполномоченными пользователями на АИС.
U
2. Относительно высокая сложность операции контроля целостности записей данных, так как для ее реализации требуется использование всего множества ключей K на всех этапах преобразования данных, что
представляет существенное ограничение и техническую сложность для использования данного способа, особенно в мобильных приложениях.
Раскрытие изобретения (его сущность)
а) технический результат, на достижение которого направлено изобретение
Целью заявляемого изобретения является повышение уровня защищенности метаданных файлов электронных документов, обрабатываемых АИС, с возможностью контроля их целостности, а также обнаружения и локализации номеров несанкционированно модифицированных записей метаданных, в случае нарушения их целостности уполномоченными пользователями (инсайдерами).
б) совокупность существенных признаков
j1
2
ji
j1
2
ji
U
j1
2
ji
(j-1)1
(j-1)2
(j-1)i
Поставленная цель достигается тем, что в известном техническом решении целостность метаданных при выполнении операции записи и редактирования файлов электронных документов контролируется за счет того, что формируются записи z,zj,…,z метаданных, производятся криптографические преобразования записей z,zj,…,z метаданных с использованием множества ключей K. Затем выполняются двуместные операции конкатенации  над различными записями z,zj,…,z. метаданных и значениями Р, P,…, P сигнатур, вычисленных на предыдущем этапе итерации. Полученные результаты сохраняются в памяти системы обработки данных для последующего контроля целостности потока метаданных.
U
1
2
k
Сопоставительный анализ заявленного решения с прототипом показывает, что предлагаемый способ отличается от известного тем, что множество ключей K разбивается на два подмножества  и  при этом каждые подмножества  и  где q=1,…,3, для всех  При выполнении операции записи и редактирования файлов электронных документов в моменты времени t,t,…,t в памяти системы обработки данных формируются строки:
1
11
1i
2
21
2i
k
kl
ki
m(t)=[z…z], m(t)=[z…z], …, m(t)=[z…z],
j1
j2
ji
содержащие записи метаданных z,z,…,z для всех j=1,…,k и столбцы:
11
1i
1
Над записями z,…,z метаданных в соответствующих столбцах в момент времени t выполняются операции криптографического преобразования:
на ключах
11
1i
в результате чего образуются значения сигнатур Р,…,P.
11
1i
21
2i
2
Далее над каждой парой полученных значений сигнатур Р,…,P и записей метаданных z,…,z, измененных в момент времени t, выполняется операция конкатенации:
над результатами которой выполняются операции криптографического преобразования:
После чего операции над записями метаданных выполняются в аналогичном порядке внутри каждого столбца:
3
4
k
в соответствии с моментами времени t,t,…,t.
1
11
1i
1
11
1i
При этом в строке m(t)=[z…z], в момент времени t, выполняются операции криптографического преобразования всех записей z,…,z, метаданных строки:
на ключах
на ключах
в результате которых образуются значения сигнатур  и  соответственно.
21
2i
2
21
2i
2
После чего над полученными сигнатурами и последующими записями z,…,z. метаданных строки m(t)=[z…z], измененными в момент времени t, выполняются операции конкатенации:
над результатами которых производится операция криптографического преобразования:
на ключах
на ключах
3
4
k
По мере поступления новых записей метаданных операции повторяются в аналогичном порядке в соответствии с моментами времени t,t,…,t.
Все записи метаданных:
11
1i
k1
ki
[z,…,z], …, [z,…,z]
и соответствующие сигнатуры:
сохраняются в памяти системы обработки данных в виде таблицы данных.
Контроль целостности метаданных осуществляется на основе извлечения из таблицы данных сигнатур:
и записей:
прошедших процедуру хранения и подлежащих контролю целостности. Затем выполняются повторные операции криптографического преобразования над извлеченными записями  результатом которых является вычисление сигнатур:
Далее полученные сигнатуры попарно сравниваются с ранее сохраненными сигнатурами:
Заключение об отсутствии нарушения целостности сигнатур делается при выполнении равенств:
где q=1,…,3; j=1,…,k,
в противном случае делается заключение о нарушении целостности для соответствующих номеров сигнатур.
При этом операция криптографического преобразования  может являться ключевой хэш-функцией, где как на этапе подготовки, так и на этапе контроля целостности записей метаданных выполняется равенство  где q=1,…,3, для всех
Кроме того, операция криптографического преобразования  может являться электронной цифровой подписью, включающей в себя последовательно выполняемые преобразования бесключевой хэш-функции и функцию ассиметричного криптографического преобразования, при этом  то есть на этапе подготовки записей метаданных файлов электронных документов используется подмножество ключей  а на этапе контроля целостности записей метаданных используется подмножество ключей
в) причинно-следственная связь между признаками и техническим результатом Благодаря новой совокупности существенных признаков в способе реализована возможность:
обеспечения криптографического рекурсивного двухмерного контроля целостности метаданных файлов электронных документов;
уменьшения вероятности сговора доверенных сторон, за счет обеспечения взаимного контроля над действиями уполномоченных пользователей (инсайдеров) АИС;
локализации номеров модифицированных записей метаданных, в условиях преднамеренных воздействий уполномоченных пользователей (инсайдеров).
Тем самым предлагаемое техническое решение позволяет обеспечить требуемый уровень защищенности записей метаданных файлов электронных документов, обрабатываемых в АИС.
Выполненный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного способа, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного способа условию патентоспособности «новизна».
Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного способа, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность отличительных существенных признаков, обуславливающих тот же технический результат, который достигнут в заявляемом способе. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Краткое описание чертежей
Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показано:
фиг. 1 - структура подготовки и обработки записей метаданных при реализации способа криптографического рекурсивного 2-D контроля целостности метаданных файлов электронных документов;
фиг. 2 - схема, поясняющая цикличность выполнения операций криптографического преобразования метаданных файлов электронных документов;
фиг. 3 - вариант реализации функции криптографического преобразования
посредством ключевой хэш-функции;
фиг. 4 - вариант реализации функции криптографического преобразования
посредством электронной цифровой подписи;
табл. 1 - данные, сохраненных записей метаданных и значений сигнатур;
табл. 2 - представление метаданных файла электронного документа «Приказ руководителя.doc» в процессе редактирования уполномоченными пользователями;
табл. 3 - представление записей метаданных файла электронного документа «Приказ руководителя. doc» в шестнадцатеричной системе счисления HEX (ANSI-код).
Реализация заявленного способа
Способ криптографического рекурсивного 2-D контроля целостности метаданных файлов электронных документов осуществляется следующим образом.
U
Множество ключей K разбивается на два подмножества:
и
при этом каждые подмножества  и
где q=1,…,3, для всех
l
2
k
В рассматриваемом варианте реализации данного способа ключи  являются внутренними системными ключами, ключи  - внешними ключами администратора системы, ключи  - внешними ключами оператора системы. При выполнении операции записи и редактирования файлов электронных документов в моменты времени t,t,…,t в памяти системы обработки данных формируются строки:
1
11
1i
2
21
2i
k
k1
ki
m(t)=[z…z], m(t)=[z…z], …, m(t)=[z…z],
jl
j2
ji
содержащие записи метаданных z,z,…,z для всех j=1,…,k и столбцы:
являющиеся реквизитами файлов электронных документов, обрабатываемых АИС.
11
1i
1
Над записями z,…,z метаданных в соответствующих столбцах в момент времени t выполняются операции криптографического преобразования (фиг. 1):
на ключах
11
1i
в результате чего образуются значения сигнатур Р,…,P.
11
1i
21
2i
2
Над каждой парой полученных значений сигнатур Р,…,P и записей метаданных z,…,z, измененных в момент времени t, выполняется операция конкатенации:
над результатами которой выполняются операции криптографического преобразования (фиг. 1):
после чего операции над записями метаданных выполняются в аналогичном порядке (фиг. 2) внутри каждого столбца:
i
1
2
k
1i
2i
ki
M(t,t,…,t)=[zz…z],
3
4
k
в соответствии с моментами времени t,t,…,t.
1
11
1i
1
11
1i
В тоже время в строке m(t)=[z…z], в момент времени t, выполняются операции криптографического преобразования всех записей z,…,z, метаданных строки (фиг. 1):
в результате которых образуются значения сигнатур  и  соответственно.
21,
,
2i
2
21
2i
2
Над полученными сигнатурами и последующими записями z…z метаданных строки m(t)=[z…z], измененными в момент времени t, выполняются операции конкатенации:
и
над результатами которых производится операция криптографического преобразования (фиг. 1):
на ключах
на ключах
3
4
k
По мере поступления новых записей метаданных операции повторяются в аналогичном порядке (фиг. 2) в соответствии с моментами времени t,t,…,t.
Все записи метаданных:
11
1i
k1
ki
[z,…,z], …, [z,…,z]
и соответствующие сигнатуры:
сохраняются в памяти системы обработки данных в виде таблицы данных (табл. 1).
Контроль целостности записей осуществляется на основе извлечения из таблицы данных сигнатур:
и записей:
прошедших процедуру хранения и подлежащих контролю целостности, над которыми производятся повторные операции криптографического преобразования. В результате чего вновь вычисленные сигнатуры:
попарно сравниваются с ранее извлеченными:
Заключение об отсутствии нарушения целостности сигнатур делается при выполнении равенств:
где q=1,…,3, j=1,…,k,
в противном случае делается заключение о нарушении целостности для соответствующих номеров сигнатур.
Особенностью представленного выше способа является возможность его реализации в двух вариантах.
В первом случае, операция криптографического преобразования  является ключевой хэш-функцией (фиг. 3), причем как на этапе подготовки, так и на этапе контроля целостности записей метаданных выполняется равенство  где q=1,…,3, для всех
Во втором случае, операция криптографического преобразования  может являться электронной цифровой подписью (фиг. 4), включающей в себя последовательно выполняемые преобразования бесключевой хэш-функции и функцию ассиметричного криптографического преобразования, причем  то есть на этапе подготовки записей метаданных файлов электронных документов используется подмножество ключей  а на этапе контроля целостности записей метаданных используется подмножество ключей
Корректность и практическая реализуемость данного способа обосновывается следующим примером.
Пример
1
2
k
j1
j2
ji
Пусть «Приказ руководителя.doc» - файл электронного документа, редактируемый уполномоченными пользователями в моменты времени t,t,…,t, и содержащий записи z,z,…,z метаданных для всех j=1,…,k,
соответствующие таблице 2.
Далее в целях упрощения проведения криптографических преобразований закодируем буквенные обозначения записей метаданных файла электронного документа «Приказ руководителя.doc» в информационную последовательность символов посредством шестнадцатеричной системы счисления HEX (ANSI-код) (таблица 3).
Осуществим криптографические преобразования в соответствии с заявленным способом на основе хэш-функции алгоритма md5.
В столбцах:
ji
выполняются операции вычисления хэш-функции  в результате чего образуются значения соответствующих P хэш-кодов:
1
- в момент времени t:
2
- в момент времени t:
k
- в момент времени t:
В тоже время в строках:
1
11
1i
2
2l
2i
k
kl
ki
j
m(t)=[z…z], m(t)=[z…z], …, m(t)=[z…z] выполняются операции вычисления хэш-функции  от всех записей метаданных строки, в результате чего образуются значения соответствующих P хэш-кодов:
1
- в момент времени t:
2
- в момент времени t:
k
- в момент времени t:
Вычисленные сигнатуры сохраняются в памяти системы обработки данных АИС, в целях последующего контроля целостности записей метаданных рассматриваемого выше файла электронного документа «Приказ руководителя.doc».
k1
Произведем контроль целостности записи z метаданных электронного
документа «Приказ руководителя.doc». Для чего извлекаем из таблицы данных соответствующую запись в данном случае « Приказ №235/1» (ANSI-код: ), выполним повторное вычисление хэш-функции в столбце:
в результате чего получим хэш-код:
затем выполним повторное вычисление хэш-функции строки
в результате чего получим хэш-код:
Полученные значения хэш-кодов  сравниваем с ранее извлеченными  из таблицы данных памяти системы обработки данных АИС, получаем:
k1
Таким образом, возможно сделать заключение об отсутствии нарушения целостности сигнатур, соответственно запись «z Приказ №235/1» метаданных не изменена.
21
Рассмотрим случай, при котором уполномоченным пользователем (инсайдером) была несанкционированно модифицирована запись z метаданных с «Приказ №235» на «Распоряжение №19» (ANSI-код: ), с целью нарушения управления документом и затруднения в его поиске.
2
Повторим вышеописанные операции в целях прослеживания изменений в таблице записей метаданных. Начиная с момента времени t в столбце  происходят следующие изменения:
2
- в момент времени t:
k
- в момент времени t:
2
21
2i
k
kl
ki
В свою очередь, в строках m(t)=[z…z], …, m(t)=[z…z] происходят следующие изменения:
2
- в момент времени t:
k
- в момент времени t:
На основании чего, при контроле целостности записей метаданных, процедура которого описана выше, выяснится следующее:
1
11
1i
что позволяет сделать вывод о целостности записей метаданных, содержащихся в строке m(t)=[z…z].
2
21
2i
Контроль целостности строки m(t)=[z…z] покажет результат:
что указывает на наличие несанкционированно модифицированных записей метаданных в этой строке.
2
На основании полученной информации, в целях определения номера несанкционированно модифицированной (модифицированных) записи (записей) метаданных, произведем контроль их целостности в столбцах, соответствующих моменту времени t. Результаты которого будут представлены следующим образом:
k
k1
ki
Произведем контроль целостности строки m(t)=[z…z], результат:
k
Повторим те же операции для столбцов, соответствующих моменту времени t.
Результаты выглядят следующим образом:
21
2
21
2i
k
kl
ki
1
1
2
k
11
2l
k1
Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что запись метаданных под номером z была несанкционированно модифицирована, что в свою очередь вызвало последующее изменение хэш-кодов  строк m(t)=[z…z], m(t)=[z…z] и  столбца M(t,t,…,t)=[zz…z].
Таким образом, приведенный пример показал, что заявляемый способ криптографического рекурсивного 2-D контроля целостности метаданных файлов электронных документов функционирует корректно, технически реализуем и позволяет решить поставленную задачу.