Безопасность программного обеспечения компьютерных систем.

В монографии рассмотрены теоретические и прикладные аспекты проблемы обеспечения безопасности программного обеспечения компьютерных систем различного назначения. Особое внимание уделено моделям и методам создания высокозащищенных и алгоритмически безопасных программ для применения в системах критических приложений.

Монография предназначена для ученых и практиков в области защиты информации, как специальной, так коммерческой и личной. Кроме того, книга может служить пособием по дисциплинам "Защита информации", "Программное обеспечение и средства его защиты", "Обеспечение безопасности программного обеспечения автоматизированных систем" для университетов, колледжей и курсов повышения квалификации.

Табл. 7. Ил. 19. Библ. 70 назв.

Рецензенты: канд. техн. наук, с.н.с. И.В. Егоркин;
канд. техн наук, с.н.с. В.Ю. Скиба

ISBN 5-283-01667 О.В. Казарин, 2003

ПРЕДИСЛОВИЕ

Современный компьютерный мир представляет собой разнообразную и весьма сложную совокупность вычислительных устройств, систем обработки информации, телекоммуникационных технологий, программного обеспечения и высокоэффективных средств его проектирования. Вся эта многогранная и взаимосвязанная метасистема решает огромный круг проблем в различных областях человеческой деятельности, от простого решения школьных задач на домашнем персональном компьютере до управления сложными технологическими процессами.

Чем сложнее задача автоматизации и чем ответственнее область, в которой используются компьютерные информационные технологии, тем все более и более критичными становятся такие свойства как надежность и безопасность информационных ресурсов, задействованных в процессе сбора, накопления, обработки, передачи и хранения компьютерных данных. Вредоносные воздействия на информацию в процессе функционирования компьютерных систем (КС) различного назначения осуществляется с целью нарушения ее конфиденциальности, целостности и доступности. Решение задач, связанных с предотвращением воздействия непосредственно на информацию, осуществляется в рамках комплексной проблемы обеспечения безопасности информации и имеет достаточно развитую научно-методическую базу. При этом, рассматривая информацию как активный эксплуатируемый ресурс, можно говорить о том, что процесс обеспечения безопасности информации включает в себя и обеспечение безопасности программного обеспечения КС. Данный аспект обеспечения безопасности информации и средств ее обработки именуется эксплуатационной безопасностью, так как соответствует этапу применения КС. В то же время, в последнее время появились новые проблемы обеспечения безопасности, связанные с информационными технологиями, которые, по мнению ряда зарубежных и отечественных экспертов в области их создания и применения, в значительной степени определяют эффективность создаваемых компьютерных систем.

Мировые исследования последних лет показали, что функциональные и надежностные характеристики КС определяются качеством и надежностью программного обеспечения, входящего в их состав. Кроме проблем качества и надежности программного обеспечения при создании КС фундаментальная проблема его безопасности приобретает все большую актуальность. При этом в рамках данной проблемы на первый план выдвигается безопасность технологий создания программного обеспечения компьютерных систем. Данный аспект проблемы безопасности программных комплексов является сравнительно новым и связан с возможностью внедрения в тело программных средств на этапе их разработки (или модификации в ходе авторского сопровождения) так называемых "программных закладок". В связи с этим все более актуальным становится проблема обеспечения технологической безопасности программного обеспечения КС различного уровня и назначения.

Таким образом, необходимость внесение в программное обеспечение защитных функций на всем протяжении его жизненного цикла от этапа уяснения замысла на разработку программ до этапов испытаний, эксплуатации, модернизации и сопровождения программ не вызывает сомнений.

В связи с этим, в гл. 1 рассмотрены методологические основы построения защищенного программного обеспечения различных объектов автоматизации. Описаны жизненный цикл современных программных комплексов, модели угроз и принципы обеспечения безопасности программного обеспечения.

В главах 2 и 3 рассмотрены современные методы обеспечения технологической и эксплуатационной безопасности программ соответственно. Важное место отводится методам создания алгоритмически безопасного программного обеспечения, позволяющим выявлять и устранять программные дефекты деструктивного характера, как на этапе создания, так и на этапе применения программ.

В гл. 4 рассматриваются вопросы стандартизации в области безопасности программного обеспечения и проведения его сертификационных испытаний. Кроме того, рассматриваются особенности поведения программиста - разработчика, который может осуществлять, в том числе, и действия диверсионного типа.

ГЛАВА 1. ВВЕДЕНИЕ В ТЕОРИЮ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

1.1. ЗАЧЕМ И ОТ КОГО НУЖНО ЗАЩИЩАТЬ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМ

Безопасность программного обеспечения (ПО) в широком смысле является свойством данного ПО функционировать без проявления различных негативных последствий для конкретной компьютерной системы. Под уровнем безопасности ПО понимается вероятность того, что при заданных условиях в процессе его эксплуатации будет получен функционально пригодный результат. Причины, приводящие к функционально непригодному результату могут быть разными: сбои компьютерных систем, ошибки программистов и операторов, дефекты в ПО. При этом дефекты принято рассматривать двух типов: преднамеренные и непреднамеренные. Первые являются, как правило, результатом злоумышленных действий, вторые - ошибочных действий человека.

При исследовании проблем защиты ПО от преднамеренных дефектов неизбежна постановка следующих вопросов:

кто потенциально может осуществить практическое внедрение программных дефектов деструктивного воздействия в исполняемый программный код;
каковы возможные мотивы действий субъекта, осуществляющего разработку таких дефектов;
как можно идентифицировать наличие программного дефекта;
как можно отличить преднамеренный программный дефект от программной ошибки;
каковы наиболее вероятные последствия активизации деструктивных программных средств при эксплуатации КС.

При ответе на первый вопрос следует отметить, что это: непосредственные разработчики алгоритмов и программ для компьютерных систем. Они хорошо знакомы с технологией разработки программных средств, имеют опыт разработки алгоритмов и программ для конкретных прикладных систем, знают тонкости существующей технологии отработки и испытаний программных компонентов и представляют особенности эксплуатации и целевого применения разрабатываемой КС. Кроме того, при эксплуатации программных комплексов возможен следующий примерный алгоритм внесения программного дефекта: дизассемблирование исполняемого программного кода, получение исходного текста, привнесение в него деструктивной программы, повторная компиляция, корректировка идентификационных признаков программы (в связи с необходимостью получения программы "схожей" с оригиналом). Таким образом, манипуляции подобного рода могут сделать и посторонние высококлассные программисты, имеющие опыт разработки и отладки программ на ассемблерном уровне.

В качестве предположений при ответе на второй вопрос следует отметить, что алгоритмические и программные закладки могут быть реализованы в составе программного компонента вследствие следующих факторов:

в результате инициативных злоумышленных действий непосредственных разработчиков алгоритмов и программ;
в результате штатной деятельности специальных служб и организаций, а также отдельных злоумышленников;
в результате применения инструментальных средств проектирования ПО, несущих вредоносное свойство автоматической генерации деструктивных программных средств.

Для описания мотивов злоумышленных действий при разработке программных компонентов необходим психологический "портрет" злоумышленника, что требует проведения специальных исследований психологов и криминологов в области психологии программирования (психологии криминального программирования, см. раздел 4.4). Однако некоторые мотивы очевидны уже сейчас и могут диктоваться следующим:

неустойчивым психологическим состоянием алгоритмистов и программистов, обусловленным сложностью взаимоотношений в коллективе, перспективой потерять работу, резким снижением уровня благосостояния, отсутствием уверенности в завтрашнем дне и т.п., в результате чего может возникнуть, а впоследствии быть реализована, мысль отмщения;
неудовлетворенностью личных амбиций непосредственного разработчика алгоритма или программы, считающего себя непризнанным талантом, в результате чего может появиться стремление доказать и показать кому-либо (в том числе и самому себе) таким способом свои высокие интеллектуальные возможности;
перспективой выезда за границу на постоянное место жительства (перспективной перехода в другую организацию, например, конкурирующую) с надеждой получить вознаграждение за сведения о программной закладке и механизме ее активизации, а также возможностью таким способом заблокировать применение определенного класса программных средств по избранному месту жительства;
потенциальной возможностью получить вознаграждение за устранение возникшего при испытаниях или эксплуатации системы "программного отказа" и т.п.

Кроме того, необходимо иметь в виду, что в конструировании вредоносной программы, так или иначе, присутствует притягательное творческое начало, которое само по себе может стать целью. При этом сам "творец" может слабо представлять все возможные результаты и последствия применения своей "конструкции", либо вообще не задумываться о них.

Таким образом, правомерно утверждать, что вредоносные программы, в отличие от широко применяемых электронных закладок, являются более изощренными объектами, обладающими большей скрытностью и эффективностью применения.

Ответы на три последних вопроса можно найти в рамках быстро развивающейся методологии обеспечения безопасности программных средств и оценки уровня их защищенности (разделы 2 и 3).

1.2. УГРОЗЫ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ И ПРИМЕРЫ ИХ РЕАЛИЗАЦИИ В СОВРЕМЕННОМ КОМПЬЮТЕРНОМ МИРЕ

Угрозы безопасности информации и программного обеспечения КС возникают как в процессе их эксплуатации, так и при создании этих систем, что особенно характерно для процесса разработки ПО, баз данных и других информационных компонентов КС.

Наиболее уязвимы с точки зрения защищенности информационных ресурсов являются так называемые критические компьютерные системы. Под критическими компьютерными системами будем понимать сложные компьютеризированные организационно-технические и технические системы, блокировка или нарушение функционирования которых потенциально приводит к потере устойчивости организационных систем государственного управления и контроля, утрате обороноспособности государства, разрушению системы финансового обращения, дезорганизации систем энергетического и коммуникационно - транспортного обеспечения государства, глобальным экологическим и техногенным катастрофам.

При решении проблемы повышения уровня защищенности информационных ресурсов КС необходимо исходить из того, что наиболее вероятным информационным объектом воздействия будет выступать программное обеспечение, составляющее основу комплекса средств получения, семантической переработки, распределения и хранения данных, используемых при эксплуатации критических систем.

В настоящее время одним из наиболее опасных средств информационного воздействия на компьютерные системы являются программы - вирусы или компьютерные вирусы.

Наибольшее распространение компьютерные вирусы получили с развитием персональных ЭВМ (ПЭВМ) и появлением микропроцессоров фирмы Intel. Это обусловлено тем, что для ПЭВМ наиболее распространенными операционными системами (ОС) были и используются по настоящее время (в новых версиях) ОС MS-DOS и ОС Windows, которые по многим параметрам открыты и беззащитны к вирусной угрозе. В известных классификациях вирусов [3,59] более 90% от их общего числа составляют именно вирусы для среды этих операционных систем. Для наиболее распространенных современных сетевых и многозадачных операционных систем ряда Windows, OS/2 и клона Unix по сравнению с этим вирусов обнаружено не столь много.

В последние 10-15 лет компьютерные вирусы нанесли значительный ущерб, как отдельным средствам вычислительной техники, так и сложным телекоммуникационным системам различного назначения. Интенсивные проявления вирусных заражений начались примерно в середине 80-х годов. Так, с 1986 по 1989 год было зарегистрировано 450 случаев проникновения через сеть INTERNET компьютерных вирусов в сеть Министерства обороны США DDN, из которых 220 были классифицированы как успешные. Только стоимость операций по выявлению источников вирусных атак в DDN превысила 100 тысяч долларов. Факты попыток проникновения с использованием компьютерных вирусов в информационные банки критических систем в первой половине 80-х были зарегистрированы в различных сетях США, Франции, Великобритании, ФРГ, Израиля, Пакистана и Японии. По мнению исследователей, после заражения одной ЭВМ в сети среднее время заражения следующего узла сети составляет от 10 до 20 минут. При такой интенсивности размножения некоторые вирусы способны за несколько часов вывести из строя всю сеть.

Классическим примером широкомасштабной вирусной угрозы является известный вирус Морриса, выведший 21 ноября 1988 на 24 часа из строя сеть ARPARNET. Промышленная ассоциация компьютерных вирусов (Computer Virus Industry Association - CVIA) выполнила детальный анализ расходов, связанных с действием этого вируса, заразившего 7,3% или 6200 из 85200 компьютеров сети. Пользователи потеряли свыше 8 млн. часов рабочего времени, а операторы и администраторы сети потратили около 1,13 млн. человеко-часов на то, чтобы привести сеть в рабочее состояние. Расходы от потерянной возможности доступа в сеть и средства, затраченные на ее восстановление, составили 98 млн. долларов. К декабрю 1988 г. в Ливерморской лаборатории США (Lawrence Livermore National Laboratories), которая занимается, в том числе, разработкой ядерного оружия 3-го поколения, было зафиксировано не менее 10 попыток проникновения в сеть лаборатории через каналы связи со Стэндфордским университетом, университетом штата Вашингтон и через сеть INTERNET. В результате было поражено 800 компьютеров. В том же году было зафиксировано 200 попыток заражения (из них 150 - успешных) глобальной компьютерной сети NASA. Причем 16 мая в течение 7 часов было заражено 70 ЭВМ, а после заражения в них была создана специальная программа для облегчения проникновения в сеть в будущем. Наиболее характерные исторические примеры проявления компьютерных вирусов и тенденции их роста в настоящее время можно найти в таблице 1.1 и на рис.1.1.

В качестве основных средств вредоносного (деструктивного) воздействия на КС необходимо, наряду с другими средствами информационного воздействия, рассматривать алгоритмические и программные закладки.

Под алгоритмической закладкой будем понимать преднамеренное завуалированное искажение какой-либо части алгоритма решения задачи, либо построение его таким образом, что в результате конечной программной реализации этого алгоритма в составе программного компонента или комплекса программ, последние будут иметь ограничения на выполнение требуемых функций, заданных спецификацией, или вовсе их не выполнять при определенных условиях протекания вычислительного процесса, задаваемого семантикой перерабатываемых программой данных. Кроме того, возможно появление у программного компонента функций, не предусмотренных прямо или косвенно спецификацией, и которые могут быть выполнены при строго определенных условиях протекания вычислительного процесса.

Под программной закладкой будем понимать совокупность операторов и (или) операндов, преднамеренно в завуалированной форме включаемую в состав выполняемого кода программного компонента на любом этапе его разработки. Программная закладка реализует определенный несанкционированный алгоритм с целью ограничения или блокирования выполнения программным компонентом требуемых функций при определенных условиях протекания вычислительного процесса, задаваемого семантикой перерабатываемых программным компонентом данных, либо с целью снабжения программного компонента не предусмотренными спецификацией функциями, которые могут быть выполнены при строго определенных условиях протекания вычислительного процесса.

Действия алгоритмических и программных закладок условно можно разделить на три класса: изменение функционирования вычислительной системы (сети), несанкционированное считывание информации и несанкционированная модификация информации, вплоть до ее уничтожения. В последнем случае под информацией понимаются как данные, так и коды программ. Следует отметить, что указанные классы воздействий могут пересекаться.

Год	События, цифры, факты
21.11. 1988	Вирус Морриса на 24 часа вывел из строя сеть ARPANET. Ущерб составил 98 млн. долларов.
1988	Зафиксировано 200 попыток заражения вирусами (150 - успешных) глобальной компьютерной сети NASA. Причем 16 мая в течение 7 часов было заражено 70 ЭВМ.
с 20.03. по 9.09. 1988	Промышленная ассоциация компьютерных вирусов (Computer Vi-rus Industry Association - CVIA) зарегистрировала 61795 случаев заражения вирусами различных информационных систем по всему миру.
1986 - 1989	Зарегистрировано 450 случаев попыток НСД и заражения вирусами (220 - успешные) сети МО США DDN. Длительность цикла проникновения и выборки информации не превышала 1 мин.
1992	В США было заражено чуть более одного из каждых десяти офисных компьютеров (данные для более, чем 60000 ПЭВМ фирм Mac, Atari, Amiga, PC)
1994	Национальная аудиторская служба Великобритании (National Audit Office - NAO) зарегистрировала 562 случая заражения вирусами компьютерных систем британских правительственных организаций, что в 3.5 раза превышает уровень 1993 г.
1995	В космическом центре Джонсона NASA зарегистрировано 52 случая заражения компьютеров Mac и PC вирусам. Время, затраченное на их устранение, составило более 350 часов
1995	Появление макровирусов. Изменение динамики процентного содержания макровирусов в общем числе компьютерных вирусов с 16% в январе 1995 г. до 44% в ноябре 1995 г.
1995	В сети Bitnet (международная академическая сеть) за 2 часа вирус, замаскированный под рождественское поздравление, заразил более 500 тысяч компьютеров по всему миру, при этом сеть IBM прекратила вообще работу на несколько часов.
Декабрь 1996	Компьютерная атака на WebCom (крупнейшего провайдера услуг WWW в США) вывела из строя на 40 часов больше 3000 абонентских пунктов WWW. Атака представляла собой "синхронный поток", которая блокирует функционирование сервера и приводит к "отказу в обслуживании". Поиск маршрута атаки длился 10 часов.

Рис. 1.1. График роста компьютерных вирусов

В первом классе воздействий выделим следующие:

уменьшение скорости работы вычислительной системы (сети);
частичное или полное блокирование работы системы (сети);
имитация физических (аппаратурных) сбоев работы вычислительных средств и периферийных устройств;
переадресация сообщений;
обход программно-аппаратных средств криптографического преобразования информации;
обеспечение доступа в систему с непредусмотренных периферийных устройств.

Несанкционированное считывание информации, осуществляемое в автоматизированных системах, направлено на:

считывание паролей и их отождествление с конкретными пользователями;
получение секретной информации;
идентификацию информации, запрашиваемой пользователями;
подмену паролей с целью доступа к информации;
контроль активности абонентов сети для получения косвенной информации о взаимодействии пользователей и характере информации, которой обмениваются абоненты сети.

Несанкционированная модификация информации является наиболее опасной разновидностью воздействий программных закладок, поскольку приводит к наиболее опасным последствиям. В этом классе воздействий можно выделить следующие:

разрушение данных и кодов исполняемых программ внесение тонких, трудно обнаруживаемых изменений в информационные массивы;
внедрение программных закладок в другие программы и подпрограммы (вирусный механизм воздействий);
искажение или уничтожение собственной информации сервера и тем самым нарушение работы сети;
модификация пакетов сообщений.

Из изложенного следует вывод о том, что алгоритмические и программные закладки имеют широкий спектр воздействий на информацию, обрабатываемую вычислительными средствами в КС. Следовательно, при контроле технологической безопасности программного обеспечения необходимо учитывать его назначение и состав аппаратных средств и общесистемного программного обеспечения (программно-аппаратную среду) КС.

С точки зрения времени внесения программных закладок в программы их можно разделить на две категории: априорные и апостериорные, то есть закладки, внесенные при разработке ПО (или "врожденные") и закладки, внесенные при испытаниях, эксплуатации или модернизации ПО (или "приобретенные") соответственно. Хотя последняя разновидность закладок и относятся больше к проблеме обеспечения эксплуатационной, а не технологической безопасности ПО, однако методы тестирования программных комплексов, вероятностные методы расчета наличия программных дефектов и методы оценивания уровня безопасности ПО могут в значительной мере пересекаться и дополнять друг друга. Тем более что действие программной закладки после того как она была внесена в ПО либо на этапе разработки, либо на последующих этапах жизненного цикла ПО, практически не будет ничем не отличаться.

Таким образом, рассмотренные программные средства деструктивного воздействия по своей природе носят, как правило, разрушительный, вредоносный характер, а последствия их активизации и применения могут привести к значительному или даже непоправимому ущербу в тех областях человеческой деятельности, где применение компьютерных систем является жизненно необходимым. В связи с этим такие вредоносные программы будем называть разрушающими программными средствами (РПС), а их обобщенная классификация может выглядеть следующим образом:

компьютерные вирусы - программы, способные размножаться, прикрепляться к другим программам, передаваться по линиям связи и сетям передачи данных, проникать в электронные телефонные станции и системы управления и выводить их из строя;
программные закладки - программные компоненты, заранее внедряемые в компьютерные системы, которые по сигналу или в установленное время приводятся в действие, уничтожая или искажая информацию, или дезорганизуя работу программно-технических средств;
способы и средства, позволяющие внедрять компьютерные вирусы и программные закладки в компьютерные системы и управлять ими на расстоянии.

1.3. БАЗОВЫЕ НАУЧНЫЕ ДИСЦИПЛИНЫ, ПРИНЯТАЯ АКСИОМАТИКА И ТЕРМИНОЛОГИЯ

1.3.1. Теоретические основы

Развитие теоретических основ создания и применения сложных систем управления существенно зависит от темпов развития информатики - комплекса наук, изучающих закономерности проявления и движения информации, ее источники, информационные потоки, информационные процессы в различных областях деятельности человека, методы и средства накопления, обработки и передачи информации с помощью ЭВМ и других технических средств. В то же время, информатика является лишь обеспечивающим звеном в общей системе научных основ управления, которые опираются на теоретический фундамент кибернетики.

Кибернетический подход к созданию систем управления организационно-технического типа состоит в том, чтобы в необходимой мере были учтены информационные и динамические свойства всех элементов системы, функционирующей на основе принципов обратной связи, для выполнения целевых задач.

Теоретическим базисом информатики является теория информации, которая входит на правах самостоятельного раздела в кибернетику и включает методы математического описания и исследования информационных процессов различной природы, методы передачи, обработки, хранения, извлечения и классификации информации в различных областях деятельности. Информатика включает в себя методы теории информации, но применительно к техническим системам ее обработки.

Создание любой компьютерной системы невозможно без разработки и оптимизации алгоритмического обеспечения. Основой создания алгоритмического обеспечения является теория алгоритмов - раздел математики, изучающий процедуры (алгоритмы) вычислений и математические объекты, которые могут быть определены на базе методов теорий множеств, отношений и функционалов. Причем наиболее важными для решений проблем функционирования программного обеспечения КС являются такие разделы этой теории, как теория вычислительных процедур и теория сложности алгоритмов. Теория вычислительных процедур изучает различные классы автоматов с точки зрения их алгоритмических возможностей, а также процессы вычислений, порождаемые автоматами различных классов. Теория сложности алгоритмов изучает методы получения оценок сложности вычислений различных функций и классов функций. Эти две теории послужили основой создания в рамках информатики раздела, именуемого прикладной теорией алгоритмов и изучающего математические модели дискретных систем, входящих в состав систем управления. Прикладная теория алгоритмов в значительной мере определяет основное содержание процессов исследования функциональных свойств и характеристик элементов систем управления, а также может использоваться для синтеза алгоритмического обеспечения комплексов средств автоматизации, входящих в состав компьютерных систем.

Построение сложных программных комплексов для КС предполагает необходимость исследования не только методов повышения качества программного обеспечения, но и методов обеспечения его надежности на всех этапах жизненного цикла КС. Это обстоятельство обуславливает использование при исследовании и разработке КС методов теории управления качеством ПО и методов обеспечения надежности программ. Теория обеспечения качества программного обеспечения изучает методы подтверждения его качества и связанной с ним документации с целью получения гарантии, что создаваемые и используемые программы во всех отношениях соответствует своему назначению. Теория надежности программного обеспечения, являясь разделом теории надежности технических систем, изучает вероятностные и сложностные аспекты способности программ выполнять возложенные на нее функции при поступлении требований на их выполнение.

Совокупность этих теорий, хотя и охватывает различные области организации процессов разработки и эксплуатации компьютерных систем позволяет, тем не менее, структурировать проблему обеспечения безопасности программных комплексов, проводить анализ процессов во всех аспектах функционирования компьютерной системы (морфологическом, функциональном, информационном и прагматическом). Следовательно, возникает необходимость изучения научного направления, именуемого - теорией обеспечения безопасности программ и их комплексов, интегрирующей основные научные положения прикладной теории алгоритмов, теории управления качеством программного обеспечения, теории надежности и с единых системных позиций изучающей методы предотвращения случайного или преднамеренного раскрытия, искажения или уничтожения хранимой, обрабатываемой и передаваемой информации в компьютерных системах, а также предотвращения нарушения их функционирования.

1.3.2. Основные предположения и ограничения

В качестве вычислительной среды рассматривается совокупность установленных для данной КС алгоритмов использования системных ресурсов, программного и информационного обеспечения, которая потенциально может быть представлена пользователю для решения прикладных задач. Операционной средой является совокупность функционирующих в данный момент времени элементов вычислительной среды, участвующих в процессе решения конкретной задачи пользователя.

Принципиально возможность программного воздействия определяется открытостью вычислительной системы, под которой понимается предоставление пользователю возможности формировать элементную базу вычислительной среды под свои задачи, а также возможность использовать в полном объеме системные ресурсы, что является неотъемлемым признаком автоматизированных рабочих мест на базе персональных ЭВМ.

В качестве средства борьбы с "пассивными" методами воздействия допускается создание служб безопасности, ограничивающих доступ пользователей к элементам вычислительной среды, в первую очередь к программам обработки чувствительной информации. Предполагается, что возможности "активных" методов воздействия значительно шире.

Необходимым условием для отнесения программы к классу разрушающих программных средств является наличие в ней процедуры нападения, которую можно определить как процедуру нарушения целостности вычислительной среды, поскольку объектом нападения РПС всегда выступает элемент этой среды.

При этом необходимо учитывать два фактора:

любая прикладная программа, не относящаяся к числу РПС, потенциально может содержать в себе алгоритмические ошибки, появление которых при ее функционировании приведет к непреднамеренному разрушению элементов вычислительной среды;
любая прикладная или сервисная программа, ориентированная на работу с конкретными входными данными может нанести непреднамеренный ущерб элементам операционной или вычислительной среды в случае, когда входные данные либо отсутствуют, либо не соответствуют заданным форматам их ввода в программу.

Для устранения указанной неопределенности по отношению к испытываемым программам следует исходить из предположения, что процедура нарушения целостности вычислительной среды введена в состав ПО умышленно. Кроме условия необходимости, целесообразно ввести условия достаточности, которые обеспечат возможность описания РПС различных классов:

достаточным условием для отнесения РПС к классу компьютерных вирусов является наличие в его составе процедуры саморепродукции;
достаточным условием для отнесения РПС к классу средств несанкционированного доступа являются наличие в его составе процедуры преодоления защиты и отсутствия процедуры саморепродукции;
достаточным условием для отнесения РПС к классу программных закладок является отсутствие в его составе процедур саморепродукции и преодоления защиты.

Предполагается наличие в РПС следующего набора возможных функциональных элементов:

процедуры захвата (получения) управления;
процедуры самомодификации ("мутации");
процедуры порождения (синтеза);
процедуры маскировки (шифрования).

Этих элементов достаточно для построения обобщенной концептуальной модели РПС, которая отражает возможную структуру (на семантическом уровне) основных классов РПС.

1.3.3. Используемая терминология

Разработка терминологии в области обеспечения безопасности ПО является базисом для формирования нормативно-правового обеспечения и концептуальных основ по рассматриваемой проблеме. Единая терминологическая база является ключом к единству взглядов в области, информационной безопасности, стимулирует скорейшее развитие методов и средств защиты ПО. Термины освещают основные понятия, используемые в рассматриваемой области на данный период времени. Определения освещают толкование конкретных форм, методов и средств обеспечения информационной безопасности.

Термины и определения

Непреднамеренный дефект - объективно и (или) субъективно образованный дефект, приводящий к получению неверных решений (результатов) или нарушению функционирования КС.

Преднамеренный дефект - криминальный дефект, внесенный субъектом для целенаправленного нарушения и (или) разрушения информационного ресурса.

Разрушающее программное средство (РПС) - совокупность программных и/или технических средств, предназначенных для нарушения (изменения) заданной технологии обработки информации и/или целенаправленного разрушения извне внутреннего состояния информационно-вычислительного процесса в КС.

Средства активного противодействия - средства защиты информационного ресурса КС, позволяющие блокировать канал утечки информации, разрушающие действия противника, минимизировать нанесенный ущерб и предотвращать дальнейшие деструктивные действия противника посредством ответного воздействия на его информационный ресурс.

Несанкционированный доступ - действия, приводящие к нарушению безопасности информационного ресурса и получению секретных сведений.

Нарушитель (нарушители) - субъект (субъекты), совершающие несанкционированный доступ к информационному ресурсу.

Модель угроз - вербальная, математическая, имитационная или натурная модель, формализующая параметры внутренних и внешних угроз безопасности ПО.

Оценка безопасности ПО - процесс получения количественных или качественных показателей информационной безопасности при учете преднамеренных и непреднамеренных дефектов в системе.

Система обеспечения информационной безопасности - объединенная совокупность мероприятий, методов и средств, создаваемых и поддерживаемых для обеспечения требуемого уровня безопасности информационного ресурса.

Информационная технология - упорядоченная совокупность организационных, технических и технологических процессов создания ПО и обработки, хранения и передачи информации.

Технологическая безопасность - свойство программного обеспечения и информации не быть преднамеренно искаженными и (или) начиненными избыточными модулями (структурами) диверсионного назначения на этапе создания КС.

Эксплуатационная безопасность - свойство программного обеспечения и информации не быть несанкционированно искаженными (измененными) на этапе эксплуатации КС.

1.4. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМ. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ И ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ПРОГРАММ

Необходимость определения этапов жизненного цикла (ЖЦ) ПО обусловлена стремлением разработчиков к повышению качества ПО за счет оптимального управления разработкой и использования разнообразных механизмов контроля качества на каждом этапе, начиная от постановки задачи и заканчивая авторским сопровождением ПО. Наиболее общим представлением жизненного цикла ПО является модель в виде базовых этапов - процессов, к которым относятся:

системный анализ и обоснование требований к ПО;
предварительное (эскизное) и детальное (техническое) проектирование ПО;
разработка программных компонент, их комплексирование и отладка ПО в целом;
испытания, опытная эксплуатация и тиражирование ПО;
регулярная эксплуатация ПО, поддержка эксплуатации и анализ результатов;
сопровождение ПО, его модификация и совершенствование, создание новых версий.

Данная модель является общепринятой и соответствует как отечественным нормативным документам в области разработки программного обеспечения, так и зарубежным. С точки зрения обеспечения технологической безопасности целесообразно рассмотреть более подробно особенности представления этапов ЖЦ в зарубежных моделях, так как именно зарубежные программные средства являются наиболее вероятным носителем программных дефектов диверсионного типа.

Графическое представление моделей ЖЦ позволяет наглядно выделить их особенности и некоторые свойства процессов.

Первоначально была создана каскадная модель ЖЦ, в которой крупные этапы начинались друг за другом с использованием результатов предыдущих работ. Наиболее специфической является спиралевидная модель ЖЦ. В этой модели внимание концентрируется на итерационном процессе начальных этапов проектирования. На этих этапах последовательно создаются концепции, спецификации требований, предварительный и детальный проект. На каждом витке уточняется содержание работ и концентрируется облик создаваемого ПО.

Стандартизация ЖЦ ПО проводится по трем направлениям. Первое направление организуется и стимулируется Международной организацией по стандартизации (ISO - International Standard Organization) и Международной комиссией по электротехнике (IEC - International Electro-technical Commission). На этом уровне осуществляется стандартизация наиболее общих технологических процессов, имеющих значение для международной кооперации. Второе направление активно развивается в США Институтом инженеров электротехники и радиоэлектроники (IEEE - Institute of Electrotechnical and Electronics Engineers) совместно с Американским национальным институтом стандартизации (American Na-tional Standards Institute-ANSI). Стандарты ISO/IEC и ANSI/IEEE в основном имеют рекомендательный характер. Третье направление стимулируется Министерством обороны США (Department of Defense-DOD). Стандарты DOD имеют обязательный характер для фирм, работающих по заказу Министерства обороны США.

Для проектирования ПО сложной системы, особенно системы реального времени, целесообразно использовать общесистемную модель ЖЦ, основанную на объединении всех известных работ в рамках рассмотренных базовых процессов. Эта модель предназначена для использования при планировании, составлении рабочих графиков, управлении различными программными проектами.

Совокупность этапов данной модели ЖЦ целесообразно делить на две части, существенно различающихся особенностями процессов, технико-экономическими характеристиками и влияющими на них факторами.

В первой части ЖЦ производится системный анализ, проектирование, разработка, тестирование и испытания ПО. Номенклатура работ, их трудоемкость, длительность и другие характеристики на этих этапах существенно зависят от объекта и среды разработки. Изучение подобных зависимостей для различных классов ПО позволяет прогнозировать состав и основные характеристики графиков работ для новых версий ПО.

Вторая часть ЖЦ, отражающая поддержку эксплуатации и сопровождения ПО, относительно слабо связана с характеристиками объекта и среды разработки. Номенклатура работ на этих этапах более стабильна, а их трудоемкость и длительность могут существенно изменяться, и зависят от массовости применения ПО. Для любой модели ЖЦ обеспечение высокого качества программных комплексов возможно лишь при использовании регламентированного технологического процесса на каждом из этих этапов. Такой процесс поддерживается CASE средствами автоматизации разработки, которые целесообразно выбирать из имеющихся или создавать с учетом объекта разработки и адекватного ему перечня работ.

1.5. МОДЕЛЬ УГРОЗ И ПРИНЦИПЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

Использование при создании программного обеспечения КС сложных операционных систем, инструментальных средств разработки ПО импортного производства увеличивают потенциальную возможность внедрения в программы преднамеренных дефектов диверсионного типа. Помимо этого, при создании целевого программного обеспечения всегда необходимо исходить из возможности наличия в коллективе разработчиков программистов - злоумышленников, которые в силу тех или иных причин могут внести в разрабатываемые программы РПС.

Характерным свойством РПС в данном случае является возможность внезапного и незаметного нарушения или полного вывода из строя КС. Функционирование РПС реализуется в рамках модели угроз безопасности ПО, основные элементы которой рассматриваются в следующем разделе.

1.5.1. Подход к созданию модели угроз технологической безопасности ПО

Один из возможных подходов к созданию модели технологической безопасности ПО АСУ может основываться на обобщенной концепции технологической безопасности компьютерной инфосферы [19], которая определяет методологический базис, направленный на решение, в том числе, следующих основных задач:

создания теоретических основ для практического решения проблемы технологической безопасности ПО;
создания безопасных информационных технологий;
развертывания системы контроля технологической безопасности компьютерной инфосферы.

Модель угроз технологической безопасности ПО должна представлять собой официально принятый нормативный документ, которым должен руководствоваться заказчики и разработчики программных комплексов.

Модель угроз должна включать:

полный реестр типов возможных программных закладок;
описание наиболее технологически уязвимых мест компьютерных систем (с точки зрения важности и наличия условий для скрытого внедрения программных закладок);
описание мест и технологические карты разработки программных средств, а также критических этапов, при которых наиболее вероятно скрытое внедрение программных закладок;
реконструкцию замысла структур, имеющих своей целью внедрение в ПО заданного типа (класса, вида) программных закладок диверсионного типа;
психологический портрет потенциального диверсанта в компьютерных системах

В указанной Концепции также оговариваются необходимость содержания в качестве приложения банка данных о выявленных программных закладках и описания связанных с их обнаружением обстоятельств, а также необходимость периодического уточнения и совершенствования модели на основе анализа статистических данных и результатов теоретических исследований.

На базе утвержденной модели угроз технологической безопасности компьютерной инфосферы, как обобщенного, типового документа должна разрабатываться прикладная модель угроз безопасности для каждого конкретного компонента защищаемого комплекса средств автоматизации КС. В основе этой разработки должна лежать схема угроз, типовой вид которой применительно к ПО КС представлен на рис.1.2.

Наполнение модели технологической безопасности ПО должно включать в себя следующие элементы: матрицу чувствительности КС к "вариациям" ПО (то есть к появлению искажений), энтропийный портрет ПО (то есть описание "темных" запутанных участков ПО), реестр камуфлирующих условий для конкретного ПО, справочные данные о разработчиках и реальный (либо реконструированный) замысел злоумышленников по поражению этого ПО. На рис.1.3 приведен пример указанной типовой модели для сложных программных комплексов.

Рис.1.2. Схема угроз технологической безопасности ПО

ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Проектные решения

Злоумышленный выбор нерациональных алгоритмов работы Облегчение внесения закладок и затруднение их обнаружения.

Внедрение злоумышленников в коллективы, разрабатывающие наиболее ответственные части ПО.

Используемые информационные технологии

Внедрение злоумышленников, в совершенстве знающих "слабые" места и особенности используемых технологий. Внедрение информационных технологий или их элементов, содержащих программные закладки.

Внедрение неоптимальных информационных технологий.

Используемые аппаратно-технические средства

Поставка вычислительных средств, содержащих программные, аппаратные или программно-аппаратные закладки.

Поставка вычислительных средств с низкими реальными характеристиками.

Поставка вычислительных средств, имеющих высокий уровень экологической опасности.

Задачи коллективов разработчиков и их персональный состав.

Внедрение злоумышленников в коллективы разработчиков программных и аппаратных средств.

Вербовка сотрудников путем подкупа, шантажа и т.п.

КОДИРОВАНИЕ

Архитектура программной системы, взаимодействие ее с внешней средой и взаимодействие подпрограмм программной системы

Доступ к "чужим" подпрограммам и данным.
Нерациональная организация вычислительного процесса.
Организация динамически формируемых команд или параллельных вычислительных процессов.
Организация переадресации команд, запись злоумышленной информации в используемые программной системой или другими программами ячейки памяти.

Функции и назначение кодируемой части программной системы, взаимодействие этой части с другими подпрограммами

Формирование программной закладки, воздействующей на другие части программной системы.
Организация замаскированного спускового механизма программной закладки.
Формирование программной закладки, изменяющей структуру программной системы.

Технология записи программного обеспечения и исходных данных

Поставка программного обеспечения и технических средств со встроенными дефектами.

ОТЛАДКА И ИСПЫТАНИЯ

Назначение, функционирование, архитектура программной системы

Встраивание программной закладки как в отдельные подпрограммы, так и в управляющую программу программной системы.
Формирование программной закладки с динамически формируемыми командами.
Организация переадресации отдельных команд программной системы.

Сведения о процессе испытаний (набор тестовых данных, используемые вычислительные средства, подразделения и лица, проводящие испытания, используемые модели

Формирование набора тестовых данных, не позволяющих выявить программную закладку.
Поставка вычислительных средств, содержащих программные, аппаратные или программно-аппаратные закладки.
Формирование программной закладки, не обнаруживаемой с помощью используемой модели объекта в силу ее неадекватности описываемому объекту.
Вербовка сотрудников коллектива, проводящих испытания.

КОНТРОЛЬ

Используемые процедуры и методы контроля

Формирование спускового механизма программной закладки, не включающего ее при контроле на безопасность.
Маскировка программной закладки путем внесения в программную систему ложных "непреднамеренных" дефектов.
Формирование программной закладки в ветвях программной системы, не проверяемых при контроле.
Формирование "вирусных" программ, не позволяющих выявить их внедрение в программную систему путем контрольного суммирования.
Поставка программного обеспечения и вычислительной техники, содержащих программные, аппаратные и программно-аппаратные закладки.

ЭКСПЛУАТАЦИЯ

Сведения о персональном составе контролирующего подразделения и испытываемых программных системах

Внедрение злоумышленников в контролирующее подразделение.
Вербовка сотрудников контролирующего подразделения.
Сбор информации о испытываемой программной системе.

Сведения об обнаруженных при контроле программных закладках

Разработка новых программных закладок при доработке программной системы.

Сведения об обнаруженных незлоумышленных дефектах и программных закладках

Сведения о доработках программной системы и подразделениях, их осуществляющих

Сведения о среде функционирования программной системы и ее изменениях

Сведения о функционировании программной системы, доступе к ее загрузочному модулю и исходным данным, алгоритмах проверки сохранности программной системы и данных

Рис.1.3. Пример типовой модели угроз технологической безопасности информации и ПО

1.5.2. Элементы модели угроз эксплуатационной безопасности ПО

Анализ угроз эксплуатационной безопасности ПО КС позволяет, разделить их на два типа: случайные и преднамеренные, причем последние подразделяются на активные и пассивные. Активные угрозы направлены на изменение технологически обусловленных алгоритмов, программ функциональных преобразований или информации, над которой эти преобразования осуществляются. Пассивные угрозы ориентированы на нарушение безопасности информационных технологий без реализации таких модификаций.

Вариант общей структуры набора потенциальных угроз безопасности информации и ПО на этапе эксплуатации КС приведен в табл.1.2.

Таблица 1.2

Рассмотрим основное содержание данной таблицы. Угрозы, носящие случайный характер и связанные с отказами, сбоями аппаратуры, ошибками операторов и т.п. предполагают нарушение заданного собственником информации алгоритма, программы ее обработки или искажение содержания этой информации. Субъективный фактор появления таких угроз обусловлен ограниченной надежностью работы человека и проявляется в виде ошибок (дефектов) в выполнении операций формализации алгоритма функциональных преобразований или описания алгоритма на некотором языке, понятном вычислительной системе.

Угрозы, носящие злоумышленный характер вызваны, как правило, преднамеренным желанием субъекта осуществить несанкционированные изменения с целью нарушения корректного выполнения преобразований, достоверности и целостности данных, которое проявляется в искажениях их содержания или структуры, а также с целью нарушения функционирования технических средств в процессе реализации функциональных преобразований и изменения конструктива вычислительных систем и систем телекоммуникаций.

На основании анализа уязвимых мест и после составления полного перечня угроз для данного конкретного объекта информационной защиты, например, в виде указанной таблицы, необходимо осуществить переход к неформализованному или формализованному описанию модели угроз эксплуатационной безопасности ПО КС. Такая модель, в свою очередь, должна соотноситься (или даже являться составной частью) обобщенной модели обеспечения безопасности информации и ПО объекта защиты.

К неформализованному описанию модели угроз приходится прибегать в том случае, когда структура, состав и функциональная наполненность компьютерных системы управления носят многоуровневый, сложный, распределенный характер, а действия потенциального нарушителя информационных и функциональных ресурсов трудно поддаются формализации. Пример описания модели угроз при исследовании попыток несанкционированных действий в отношении защищаемой КС приведен на рис.1.4.

После окончательного синтеза модели угроз разрабатываются практические рекомендации и методики по ее использованию для конкретного объекта информационной защиты, а также механизмы оценки адекватности модели и реальной информационной ситуации и оценки эффективности ее применения при эксплуатации КС.

Таким образом, разработка моделей угроз безопасности программного обеспечения КС, являясь одним из важных этапов комплексного решения проблемы обеспечения безопасности информационных технологий, на этапе создания КС отличается от разработки таких моделей для этапа их эксплуатации.

Рис.1.4. Неформализованное описание модели угроз безопасности ПО на этапе исследований попыток несанкционированных действий в отношении информационных ресурсов КС.

Принципиальное различие подходов к синтезу моделей угроз технологической и эксплуатационной безопасности ПО заключается в различных мотивах поведения потенциального нарушителя информационных ресурсов, принципах, методах и средствах воздействия на ПО на различных этапах его жизненного цикла.

1.5.3. Основные принципы обеспечения безопасности ПО

В качестве объекта обеспечения технологической и эксплуатационной безопасности ПО рассматривается вся совокупность его компонентов в рамках конкретной КС. В качестве доминирующей должна использоваться стратегия сквозного тотального контроля технологического и эксплуатационного этапов жизненного цикла компонентов ПО. Совокупность мероприятий по обеспечению технологической и эксплуатационной безопасности компонентов ПО должна носить конфиденциальный характер. Необходимо обеспечить постоянный, комплексный и действенный контроль за деятельностью разработчиков и пользователей компонентов. Кроме общих принципов, обычно необходимо конкретизировать принципы обеспечения безопасности ПО на каждом этапе его жизненного цикла. Далее приводятся один из вариантов разработки таких принципов.

Принципы обеспечения технологической безопасности при обосновании, планировании работ и проектном анализе ПО

Принципы обеспечения безопасности ПО на данном этапе включают принципы:

Комплексности обеспечения безопасности ПО, предполагающей рассмотрение проблемы безопасности информационно - вычислительных процессов с учетом всех структур КС, возможных каналов утечки информации и несанкционированного доступа к ней, времени и условий их возникновения, комплексного применения организационных и технических мероприятий.

Планируемости применения средств безопасности программ, предполагающей перенос акцента на совместное системное проектирование ПО и средств его безопасности, планирование их использования в предполагаемых условиях эксплуатации.

Обоснованности средств обеспечения безопасности ПО, заключающейся в глубоком научно-обоснованном подходе к принятию проектных решений по оценке степени безопасности, прогнозированию угроз безопасности, всесторонней априорной оценке показателей средств защиты.

Достаточности безопасности программ, отражающей необходимость поиска наиболее эффективных и надежных мер безопасности при одновременной минимизации их стоимости.

Гибкости управления защитой программ, требующей от системы контроля и управления обеспечением информационной безопасности ПО способности к диагностированию, опережающей нейтрализации, оперативному и эффективному устранению возникающих угроз в условиях резких изменений обстановки информационной борьбы.

Заблаговременности разработки средств обеспечения безопасности и контроля производства ПО, заключающейся в предупредительном характере мер обеспечения технологической безопасности работ в интересах недопущения снижения эффективности системы безопасности процесса создания ПО.

Документируемости технологии создания программ, подразумевающей разработку пакета нормативно-технических документов по контролю программных средств на наличие преднамеренных дефектов.

Принципы достижения технологической безопасности ПО в процессе его разработки

Принципы обеспечения безопасности ПО на данном этапе включают принципы:

Регламентации технологических этапов разработки ПО, включающей упорядоченные фазы промежуточного контроля, спецификацию программных модулей и стандартизацию функций и формата представления данных.

Автоматизации средств контроля управляющих и вычислительных программ на наличие дефектов, создания типовой общей информационной базы алгоритмов, исходных текстов и программных средств, позволяющих выявлять преднамеренные программные дефекты.

Последовательной многоуровневой фильтрации программных модулей в процессе их создания с применением функционального дублирования разработок и поэтапного контроля.

Типизации алгоритмов, программ и средств информационной безопасности, обеспечивающей информационную, технологическую и программную совместимость, на основе максимальной их унификации по всем компонентам и интерфейсам.

Централизованного управления базами данных проектов ПО и администрирование технологии их разработки с жестким разграничением функций, ограничением доступа в соответствии со средствами диагностики, контроля и защиты.

Блокирования несанкционированного доступа соисполнителей и абонентов государственных сетей связи, подключенных к стендам для разработки программ.

Статистического учета и ведения системных журналов о всех процессах разработки ПО с целью контроля технологической безопасности.

Использования только сертифицированных и выбранных в качестве единых инструментальных средств разработки программ для новых технологий обработки информации и перспективных архитектур вычислительных систем.

Принципы обеспечения технологической безопасности на этапах стендовых и приемо-сдаточных испытаний

Принципы обеспечения безопасности ПО на данном этапе включают принципы:

Тестирования ПО на основе разработки комплексов тестов, параметризуемых на конкретные классы программ с возможностью функционального и статистического контроля в широком диапазоне изменения входных и выходных данных.

Проведения натурных испытаний программ при экстремальных нагрузках с имитацией воздействия активных дефектов.

Осуществления "фильтрации" программных комплексов с целью выявления возможных преднамеренных дефектов определенного назначения на базе создания моделей угроз и соответствующих сканирующих программных средств.

Разработки и экспериментальной отработки средств верификации программных изделий.

Проведения стендовых испытаний ПО для определения непреднамеренных программных ошибок проектирования и ошибок разработчика, приводящих к невыполнению целевых функций программ, а также выявление потенциально "узких" мест в программных средствах для разрушительного воздействия.

Отработки средств защиты от несанкционированного воздействия нарушителей на ПО.

Сертификации программных изделий АСУ по требованиям безопасности с выпуском сертификата соответствия этого изделия требованиям технического задания.

Принципы обеспечения безопасности при эксплуатации программного обеспечения

Принципы обеспечения безопасности ПО на данном этапе включают принципы:

Сохранения и ограничения доступа к эталонам программных средств, недопущение внесения изменений в них.

Профилактического выборочного тестирования и полного сканирования программных средств на наличие преднамеренных дефектов.

Идентификации ПО на момент ввода его в эксплуатацию в соответствии с предполагаемыми угрозами безопасности ПО и его контроль.

Обеспечения модификации программных изделий во время их эксплуатации путем замены отдельных модулей без изменения общей структуры и связей с другими модулями.

Строгого учета и каталогизации всех сопровождаемых программных средств, а также собираемой, обрабатываемой и хранимой информации.

Статистического анализа информации обо всех процессах, рабочих операциях, отступлениях от режимов штатного функционирования ПО.

Гибкого применения дополнительных средств защиты ПО в случае выявления новых, непрогнозируемых угроз информационной безопасности.

Оглавление Вперед