СПОСОБ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМЫ ЗАЩИТЫ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ КРИТИЧЕСКИ ВАЖНЫМИ ОБЪЕКТАМИ ОТ РАЗРУШАЮЩИХ ПРОГРАММНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
METHOD OF DESIGNING AND CONSTRUCTING OF AUTOMATED CONTROL SYSTEMS PROTECTION WITH CRUCIAL OBJECTS FROM DESTRUCTIVE SOFTWARE IMPACT

Изобретение относится к области систем защиты автоматизированных систем управления различного назначения от информационно-технических воздействий и может быть использовано для проектирования и построения систем защиты автоматизированных систем управления критически важными объектами (АСУ КВО) от одного из основных видов информационно-технических воздействий - разрушающих программных воздействий.
Для обеспечения защищенности АСУ КВО применяются различные меры технического характера, которые реализуются в виде систем защиты.
Согласно [1] технические меры защиты информации (с точки зрения защиты от разрушающих программных воздействий), реализуемые в АСУ КВО в рамках ее системы защиты должны обеспечивать:
- идентификацию и аутентификацию субъектов доступа и объектов доступа;
- управление доступом субъектов доступа к объектам доступа;
- ограничение программной среды;
- защиту машинных носителей информации;
- регистрацию событий безопасности;
- антивирусную защиту;
- обнаружение (предотвращение) вторжений;
- контроль (анализ) защищенности информации;
- целостность автоматизированной системы управления и информации;
- доступность технических средств и информации.
При этом реализация указанных технических мер в рамках системы защиты АСУ КВО от разрушающих программных воздействий не должна оказывать отрицательного влияния на штатный режим функционирования АСУ КВО (т.е. не должна снижать производительность АСУ КВО).
Исходя из данных требований, задача проектирования системы защиты АСУ КВО от разрушающих программных воздействий сводится к задаче выбора таких структуры и параметров системы защиты АСУ КВО от разрушающих программных воздействий, чтобы система защиты, отвечающая выбранным структуре и параметрам, позволяла обеспечить минимальное воздействие на производительность защищаемой АСУ КВО при сохранении требуемого уровня защиты от разрушающих программных воздействий и удовлетворяла требованиям по стоимости и потребляемым ресурсам.
Из уровня техники известны способ автоматизированного управления процессом проектирования структуры системы управления техническими системами и устройство для его осуществления [2], которые могут применяться для проектирования многопараметрических объектов.
Недостатком указанных способа и устройства является их узкая специализация - проектирование систем управления техническими системами различного класса, что не позволяет осуществлять проектирование и построение системы защиты АСУ КВО от разрушающих программных воздействий.
с
л
Известны также способ и устройство выбора предпочтительного средства защиты информации [3], основанный на использовании оцениваемой выборки, состоящей из нормированных единичных показателей качества, позволяющих создать два эталона Э - со среднестатистическим уровнем качества и Э - уровнем лучшего качества. На основе использования этих эталонов из всей совокупности оцениваемых средств выбирается предпочтительный объект, обладающий наибольшим комплексным показателем качества.
Недостатком указанных способа и устройства является невозможность их применения при проектировании системы защиты АСУ КВО от разрушающих программных воздействий, состоящей из нескольких взаимосвязанных элементов с учетом их влияния на производительность защищаемой АСУ КВО.
Целью изобретения является получение наиболее эффективного варианта построения системы защиты АСУ КВО от разрушающих программных воздействий с наименьшим воздействием на производительность защищаемой АСУ КВО.
Для достижения цели изобретения предлагается использовать способ проектирования и построения систем защиты АСУ КВО от разрушающих программных воздействий, основанный на декомпозиции задачи выбора рациональных структуры и параметров системы защиты АСУ КВО от разрушающих программных воздействий по последовательности процедур формирования вариантов построения системы защиты и по подсистемам системы защиты (функциональная декомпозиция).
Декомпозиция по подсистемам основывается на том, что систему защиты АСУ КВО от разрушающих программных воздействий можно представить в виде множества подсистем, решающие определенные задачи и реализующие определенный перечень функций. Исходя из этого, в качестве подсистем, обеспечивающих защищенность АСУ КВО от разрушающих программных воздействий в составе системы защиты, можно выделить:
- подсистему обнаружения разрушающих программных воздействий;
- подсистему противодействия разрушающим программным воздействиям;
- подсистему устранения последствий применения разрушающих программных воздействий.
На фиг. 1 показаны декомпозиция системы защиты на подсистемы в соответствии с целями и задачами системы защиты, а также показаны способы решения задач каждой подсистемой.
На фиг. 2 показано соотношение способов решения задач подсистемами системы защиты с техническими мерами защиты от разрушающих программных воздействий.
Декомпозиция по последовательности выполнения процедур формирования вариантов построения системы защиты будет иметь следующий вид:
обн
пр
устр
обн
пр
устр
формирование множеств V, V, V всех возможных вариантов А, А, А построения каждой подсистемы:
обн
обн i
V={A, i∈{1…N}},
пр
пр i
V={A, i∈{1…M}},
устр
устр i
V={A, i∈{1…K}},
обн
где V - множество всех возможных вариантов построения подсистемы обнаружения разрушающих программных воздействий;
пр
V - множество всех возможных вариантов построения подсистемы противодействия разрушающим программным воздействиям;
устр
V - множество всех возможных вариантов построения подсистемы устранения последствий применения разрушающих программных воздействий;
N, М и K - количество всех возможных вариантов построения подсистем обнаружения разрушающих программных воздействий, противодействия разрушающим программным воздействиям и устранения последствий применения разрушающих программных воздействий соответственно;
обн
пр
устр
формирование множества V всех возможных вариантов А построения системы защиты на основе множеств V, V, V множества вариантов системы защиты:
i
V={A, i∈{1…S}},
где S - количество всех возможных вариантов построения системы защиты;
- оценка сформированного множества V вариантов А построения системы защиты и выделение из него подмножества V* вариантов А*, удовлетворяющих требованиям по стоимости и потребляемым ресурсам;
- оценка сформированного множества V* вариантов А* построения системы защиты, удовлетворяющих по стоимости и потребляемым ресурсам и выделение из него подмножества V** вариантов А** построения системы защиты, удовлетворяющих требованиям по защищенности;
- оценка сформированного множества V** вариантов А** построения системы защиты, удовлетворяющих требованиям по защищенности, и выбор из рационального варианта А' построения системы защиты, оказывающего минимальное воздействие на производительность защищаемой АСУ КВО.
Общая схема процесса выбора рационального варианта построения системы защиты АСУ КВО от разрушающих программных воздействий представлена на фиг. 3.
Исходными данными для проектирования и построения системы защиты АСУ КВО от разрушающих программных воздействий являются:
- требуемая эффективность системы защиты АСУ КВО от разрушающих программных воздействий Q*, выражаемая совокупностью показателей, характеризующих способность системы защиты обеспечить минимальный риск от разрушающих программных воздействий и восстанавливаемость АСУ КВО после применения разрушающих программных воздействий;
доп
- максимально допустимая стоимость С создания системы защиты от разрушающих программных воздействий;
доп
- максимально допустимые требуемые для функционирования системы защиты ресурсы R.
На этапе формирования множеств всех возможных вариантов построения подсистем производится формирование множества всех возможных вариантов построения подсистемы обнаружения разрушающих программных воздействий, множества всех возможных вариантов построения подсистемы противодействия разрушающим программным воздействиям и множества всех возможных вариантов построения подсистемы устранения последствий применения разрушающих программных воздействий.
Для формирования этих множеств использован метод морфологического анализа [4], преимуществом которого является возможность простой алгоритмизации и компьютерной реализации.
Вариант каждой подсистемы формируется на основе структуры подсистемы, которая представляет собой совокупность элементов L подсистемы, реализующих способы решения задач подсистемы и совокупности параметров F подсистемы, а множество этих вариантов формируется путем перебора всех возможных комбинаций сочетаний элементов подсистемы и их параметров.
обн
обн
обн
обн
Для подсистемы обнаружения разрушающих программных воздействий все возможные варианты формируются исходя из совокупности множеств {L, F}, где L - множество всех существующих средств обнаружения разрушающих программных воздействий, a F - множество совокупностей параметров для каждого средства обнаружения разрушающих программных воздействий.
пр
пр
пр
пр
Для подсистемы противодействия разрушающим программным воздействиям все возможные варианты формируются исходя из совокупности множеств {L, F}, где L - множество всех существующих средств противодействия разрушающим программным воздействиям, a F - множество совокупностей параметров для каждого средства противодействия разрушающим программным воздействиям.
устр
устр
устр
устр
Для подсистемы устранения последствий применения разрушающих программных воздействий все возможные варианты формируются исходя из совокупности множеств {L, F}, где L - множество всех существующих средств резервного копирования и восстановления системы и данных, a F - множество совокупностей параметров для каждого средства резервного копирования и восстановления системы и данных.
Для снижения количества всех возможных вариантов построения каждой подсистемы (с целью уменьшения временных затрат при проектировании системы защиты), для параметров с плавно изменяющимися значениями принимаются три возможных значения: минимальное значение параметра, среднее значение параметра и максимальное значение параметра.
обн
пр
устр
Далее, на этапе формирования множества всех возможных вариантов построения системы защиты АСУ КВО от разрушающих программных воздействий исходя из множеств V, V и V, полученных на предыдущем этапе, с помощью метода морфологического анализа формируется множество V всех возможных вариантов построения системы защиты путем перебора всех возможных комбинаций сочетаний вариантов построения подсистем.
Далее, на этапе оценки стоимости и требуемых ресурсов, производится формирование множества V* - вариантов построения системы защиты АСУ КВО от разрушающих программных воздействий, удовлетворяющих требованиям по стоимости и требуемым для функционирования системы защиты ресурсам:
i
i
доп
i
доп
∧
V*={A|(C(A)≤C)(R(A)≤R)},
где С и R - стоимость системы защиты и требуемые для функционирования системы защиты ресурсы;
доп
доп
С и R - максимально допустимые стоимость и требуемые ресурсы.
Стоимость С системы защиты складывается из стоимости подсистем, входящих в ее состав:
обн
пр
устр
C=C+С+С,
обн
пр
устр
где С, С, С - стоимость подсистемы обнаружения разрушающих программных воздействий, стоимость подсистемы противодействия разрушающим программным воздействиям и стоимость подсистемы устранения последствий применения разрушающих программных воздействий соответственно.
выч
люд
Ресурсы R, требуемые для функционирования системы защиты, определяются двумя показателями: R - вычислительные ресурсы (требуемый объем памяти, характеристики процессоров и т.п.) и R - людские (требуемое количество обслуживающего персонала, необходимого для эксплуатации системы защиты):
выч
люд
R={R, R}.
доп
доп
В формируемое на данном этапе множество V* отбираются варианты построения системы защиты, стоимость и требуемые для функционирования ресурсы которых не превышают максимально допустимые С и R.
На этапе оценки эффективности вариантов построения системы защиты из множества V* отбираются варианты построения системы защиты, удовлетворяющие требуемому уровню защищенности, обеспечиваемому системой защиты, и из отобранных вариантов формируется множество V**:
i
i
треб
V**={A(Q(A)≤Q)},
где Q - совокупность показателей, характеризующих уровень защищенности АСУ КВО, реализуемый системой защиты;
треб
Q - требуемый уровень защищенности АСУ КВО.
восст
В качестве показателей, характеризующих уровень защищенности АСУ КВО от разрушающих программных воздействий, используются коэффициент защищенности АСУ КВО Z [5] и время восстановления работоспособности АСУ КВО после применения разрушающего программного воздействия Т:
восст
Q={Z, T}.
Методика определения коэффициента защищенности АСУ КВО Z изложена в [5]. Сущность методики заключается в проведении тестирования АСУ КВО по двум направлениям: локального тестирования и сетевого. Локальное тестирование заключается в проверке состояния защищенности отдельных элементов АСУ КВО от внутреннего нарушителя. Сетевое тестирование заключается в моделировании действий внешнего нарушителя и направлено на проверку защищенности АСУ КВО в целом.
По итогам локального тестирования определяется локальный коэффициент уязвимости L, который определяется следующим образом:
i
где P - количество открытых портов на i-м элементе АСУ КВО;
i
Y - количество портов i-х элементов АСУ КВО, на которых были найдены уязвимости.
По итогам сетевого тестирования определяется коэффициент уязвимости S вычислительной сети, объединяющей составные элементы АСУ КВО:
i
где R - количество реализованных разрушающих программных воздействий на i-м элементе АСУ КВО;
o
Е - количество основных сценариев моделирования разрушающих программных воздействий;
o
А - количество дополнительных сценариев моделирования разрушающих программных воздействий.
Далее находится коэффициент общей уязвимости системы W, который определяется следующим образом:
W=L⋅S.
Исходя из того что уровень защиты АСУ КВО и уровень общей уязвимости АСУ КВО дополняют друг друга до единицы, коэффициент защищенности системы Z можно определить как:
Z=1-W.
восст
восст
дан
восст ос
Время восстановления работоспособности АСУ КВО после разрушающего программного воздействия Т определяется как сумма общего времени восстановления данных из резервных копий Т и времени восстановления операционной системы из точек восстановления Т:
восст
восст данн
восст ос
T=Т+Т.
На заключительном этапе выбора рационального варианта построения системы защиты АСУ КВО от разрушающих программных воздействий из множества V**, полученного на предыдущем этапе, выбирается рациональный вариант А' построения системы защиты АСУ КВО от разрушающих программных воздействий, который обеспечивает минимальное воздействие на производительность защищаемой АСУ КВО:
Ai∈V**
i
A'=argminK(A),
где K - совокупность показателей снижения производительности АСУ КВО при введении в ее состав системы защиты от разрушающих программных воздействий.
С
П
Совокупность показателей снижения производительности АСУ КВО представляет собой два комплексных показателя K - комплексный показатель снижения производительности технической компоненты АСУ КВО (совокупности аппаратных, программных и программно-аппаратных средств АСУ КВО) и K - комплексный показатель снижения производительности обслуживающего персонала:
С
П
K={K, K}.
При этом снижение производительности технической компоненты АСУ КВО оценивается как:
ПС
ПАР
РЕС
Тоткл
ОШ
KС={K; K; K; K; K},
ПС
где: K - коэффициент снижения пропускной способности (количества операций, выполняемой системой за определенный период времени);
ПАР
K - коэффициент снижения параллелизма (количества операций, выполняемых системой одновременно);
РЕС
K - коэффициент увеличения запаса ресурса (количества ресурсов, необходимых для обеспечения роста нагрузки);
Тоткл
K - коэффициент увеличения времени отклика (времени выполнения одной операции);
ОШ
K - коэффициент увеличения частоты ошибок (частоты генерации системой исключений типа «отказ в обслуживании»).
Снижение производительности обслуживающего персонала в свою очередь оценивается как:
П
Твып
Д
K={K; K},
Твып
где: K - коэффициент увеличения времени выполнения операций лицами обслуживающего персонала при выполнении ими функциональных обязанностей;
Д
K - коэффициент повышения дискомфорта при выполнении функциональных обязанностей.
ПС
Коэффициент снижения пропускной способности K определяется следующим образом:
ПС
исп
где k - количество операций, выполняемых АСУ КВО за время Т до введения в состав АСУ КВО системы защиты от разрушающих программных воздействий;
ПС
исп
исп
k' - количество операций, выполняемых АСУ КВО за время Т после введения в состав АСУ КВО системы защиты от разрушающих программных воздействий, при этом время Т определяется исходя из предназначения и выполняемых функций защищаемой АСУ КВО.
ПАР
Коэффициент снижения параллелизма K определяется по формуле:
ПАР
где k - количество операций, выполняемых АСУ КВО одновременно до введения в состав АСУ КВО системы защиты разрушающих программных воздействий;
ПАР
k' - количество операций, выполняемых АСУ КВО одновременно после введения в состав АСУ КВО системы защиты от разрушающих программных воздействий.
РЕС
Коэффициент увеличения запаса ресурса K определяется по следующей формуле:
РЕС
где k - вычислительные ресурсы, доступные для обеспечения функциональности АСУ КВО до введения в состав АСУ КВО системы защиты от разрушающих программных воздействий;
РЕС
k' - вычислительные ресурсы, доступные для обеспечения функциональности АСУ КВО после введения в состав АСУ КВО системы защиты от разрушающих программных воздействий.
Тоткл
Коэффициент увеличения времени отклика K определяется следующим образом:
откл
где t' - время выполнения одной операции в АСУ КВО после введения в состав АСУ КВО системы защиты от разрушающих программных воздействий;
откл
t - время выполнения одной операции в АСУ КВО до введения в состав АСУ КВО системы защиты от разрушающих программных воздействий.
ОШ
Коэффициент увеличения частоты ошибок K определяется по формуле:
ОШ
где k' - число случаев генерации АСУ КВО исключений типа «отказ в обслуживании» после введения в состав АСУ КВО системы защиты от разрушающих программных воздействий;
ОШ
k - число случаев генерации АСУ КВО исключений типа «отказ в обслуживании» до введения в состав АСУ КВО системы защиты от разрушающих программных воздействий.
Исходные данные для расчета вышеприведенных коэффициентов снижения производительности технической компоненты АСУ КВО определяются в ходе пробного тестирования систем защиты, построенных исходя из возможных вариантов построения этой системы с использованием штатных средств оценки производительности, входящих в состав большинства операционных систем.
Твып
Коэффициент увеличения времени выполнения операций лицами обслуживающего персонала при выполнении ими функциональных обязанностей K определяется по формуле:
вып
где t' - время выполнения операции персоналом АСУ КВО после введения в ее состав системы защиты от разрушающих программных воздействий;
вып
t - время выполнения операции персоналом АСУ КВО до введения в ее состав системы защиты от разрушающих программных воздействий.
Исходные данные для определения коэффициента увеличения времени выполнения операций лицами обслуживающего персонала при выполнении ими функциональных обязанностей определяются в ходе пробного тестирования системы, путем замера соответствующих отрезков времени.
Д
Коэффициент повышения дискомфорта при выполнении функциональных обязанностей K определяется путем опроса пользователей в процессе пробного тестировании по заранее сформированным опросным листам. Опросные листы формируются группой экспертов на основании информации о структуре и решаемых задачах защищаемой АСУ КВО.
Для обеспечения возможности сравнения вариантов построения по одному обобщенному показателю производится свертка полученных показателей снижения уровня производительности АСУ КВО. Свертка производится с помощью весовых показателей следующим образом:
c
C
п
П
K=rK+rK,
С
пс
ПС
пар
ПАР
рес
РЕС
Тоткл
Тоткл
ош
ОШ
K=rK+rK+rK+rK+rK,
П
Твып
Твып
д
Д
K=rK+rK,
с
п
пс
пар
рес
Тоткл
ош
Твып
д
где r, r, r, r, r, r, r, r, r - весовые коэффициенты значимости при соответствующих коэффициентах снижения производительности, которые определяются группой экспертов, исходя из структуры защищаемой АСУ КВО и решаемых ею задач.
Таким образом, предлагаемый способ позволит спроектировать и построить систему защиты АСУ КВО от разрушающих программных воздействий, удовлетворяющую требованиям по стоимости, потребляемым ресурсам, эффективности защиты и оказывающей минимальное воздействие на производительность защищаемой АСУ КВО.
Источники информации
1. Методический документ. Меры защиты информации в государственных информационных системах: утв. Директором ФСТЭК 11 февраля 2014 г. // ФСТЭК России. 2014.
2. Пат. 2331097 Российская Федерация, МПК G05B 17/00, G06F 17/50, G06Q 90/00. Способ автоматизированного управления процессом проектирования структуры системы управления техническими системами и устройство для его осуществления / Селифанов В.А., Селифанов В.В., опубл. 10.08.2008.
3. Пат. 2558238 Российская Федерация, МПК G06F 15/16, G06F 17/00. Способ и устройство выбора предпочтительного средства защиты информации / Шемигон Н.Н., Черноскутов А.И., Кукушкин С.С, опубл. 27.07.2015.
4. Одрин В.М. Метод морфологического анализа технических систем. М.: ВНИИПИ, 1989.
5. Мукминов В.А., Хуцишвили В.М., Лобузько А.В. Методика оценки реального уровня защищенности автоматизированных систем. // Программные продукты и системы. 2012. №1(97). С. 39-42.