Файл: Модель «клиент - сервер» ..pdf

Еще одним примером незащищенного устройства Интернета вещей является актуальная в настоящий момент серия 2 устройств Digi XBee, организующих беспроводную коммуникацию в сенсорных сетях с изменяемой топологией. Так, несмотря на наличие функции шифрования передаваемых пакетов при помощи протокола AES, в рамках протокола ZigBee шифруется лишь полезная нагрузка, тогда как структура самого пакета оказывается незащищенной перед MITM-атаками.

В качестве современных тенденций в области Интернета вещей и облачных технологий выделяются интеграция устройств с облачной инфраструктурой, настройки устройств Интернета вещей через облака, коммуникация устройств Интернета вещей с использованием облаков и обеспечение защищенности Интернета вещей при помощи облаков . При этом в качестве основных проблем для гибридных систем на основе Интернета вещей и облаков выделяются проблемы совместимости, масшабируемости, самоадаптации, управления качеством сервисов, устойчивости к ошибкам и защищенности.

Решаемая в работе научная задача задается следующим формальным картежом: (S, A, P, R, C, f), где S – система Интернета вещей, включающая в свой состав множество встроенных устройств с заданным программно-аппаратным обеспечением; A – модель возможных атак на систему S; P – множество показателей, включающих, в том числе, показатели защищенности, оперативности, обоснованности и ресурсопотребления, а также показатель сложности атаки; R – множество требований к защите системы на основе показателей P; C – множество компонентов клиент-серверной защиты, выбранных и реализованных с использованием показателей P. Решаемая задача состоит в построении отображения f, которое на основе значений S, A и P позволяет получить набор компонентов клиент-серверной защиты C так, чтобы удовлетворить требования R. Отличительной особенностью данной постановки задачи осуществление выбора на специфичном наборе компонентов защиты с учетом заданной системы показателей, полученных с учетом анализа модели атак на систему Интернета вещей. Необходимость требований защищенности обуславливается набором специфичных атак из A, которым подвержена система. Важность требований оперативности связана с необходимостью в режиме, близком к режиму реального времени осуществлять противодействие атакам на систему. Выполнимость требований обоснованности определяют корректность срабатывания компонентов защиты с минимизацией ошибок первого и второго рода в процессе выявления атак. Важность требований ресурсопотребления непосредственно связана с производительностью системы и вынужденными материальными затратами на процесс защиты системы.

Модель атак включает перечисление и анализ следующих разновидностей киберфизических атакующих воздействий, включающих действия на физическом и программно-информационном уровнях и классифицируемых по типу объекта атаки – элемента целевой системы: (1) атаки на устройства на базе одноплатных компьютеров, таких как Arduino Mega, Raspberry Pi и др.; (2) атаки на мобильные устройства под управлением мобильных ОС; (3) атаки на коммуникационные модули – узлы сенсорной сети (такие как Digi XBee); (4) атаки на сенсоры (RFID-сканеры, сенсоры характеристик физической среды и др.); (5) атаки на актуаторы (многошаговые двигатели, электроприводные краны, ИК-светодиоды и пр.); (6) атаки на СУБД, серверы приложений, веб-серверы, располагающиеся на устройствах системы Интернета вещей с эксплуатацией уязвимостей из существующих баз уязвимостей (таких как база CVE) и уязвимостей нулевого дня; (7) атаки на протоколы взаимодействия устройств, пользователей систем Интернета вещей. Как правило, конкретная атака на систему Интернета веще включает выполняемые совместно воздействия на физические элементы системы и воздействие на ее программную часть, в том числе программные компоненты обработчики событий безопасности устройств и компоненты GUI. При этом, ввиду направленности работы на изучение программной составляющей атак, исключительно физические воздействия, такие как физическое разрушение устройства, его отдельных модулей, проводных каналов связи и др., оставим за пределами данного исследования. Для конкретной атаки показатель ее сложности определяется экспертно и принимает одно из следующих качественных значений на основе предположений об уровне компетенции злоумышленника, его целях, объемов доступных ему ресурсов и ценности атакуемых активов.

Построена комбинированная доменно-ориентированная модель защиты программной части устройств от атакующих воздействий для систем Интернета вещей. Отличия данной модели от существующих доменно-ориентированных представлений, в которых специфицируются проблемно-предметные домены для каждого защитного функционала (как например, домен защищенных коммуникаций, домен пользовательской аутентификации и пр.); данная модель представляет комбинированное представление доменов знаний, ориентированных на конкретные разновидности устройств системы. Так декомпозиция системы на отдельные устройства и их модули позволяет проанализировать атакующие воздействия на каждый из них в соответствии с построенной моделью атак, после чего отобрать и проанализировать лишь те их комбинации, которые могут приводить к критически-важным инцидентам информационной безопасности, возникновению которых нужно противодействовать и реагировать на них. Так, модель раскрывает следующую последовательность действий по моделированию средств защиты: S → R → C, где целевая система S, требования R и компоненты защиты C специфицируются с использованием языка XML. В отличие от существующих UML-моделей средств защиты, ориентированных на визуальный анализ с возможностью генерации базовых шаблонов для написания программного кода компонентов защиты, основанная на XML доменно-ориентированная модель ориентирована на комбинирование компонентов защиты в соответствии с показателями компонентов защиты (в т. ч. нефункциональными показателями) и сложностью каждой из возможных атак.

Разработаны следующие алгоритмы клиент-серверной защиты: (1) алгоритм мониторинга сетевого трафика устройств системы Интернета вещей на основе правил; (2) алгоритм проверки корректности структуры сетевых пакетов трафика между устройствами; (3) алгоритм сигнатурного анализа трафика.

В соответствии с алгоритмом (1) на коммуникационных портах устройств производится съем информации и ее отправка на сторону доверенного сервера в виде данных событий безопасности для их последующего группового анализа. При обнаружении какой-либо известной аномалии на основе анализа характеристик трафика (таких как число полученных пакетов на некоторый коммуникационный интерфейс, число открытых портов, на которые поступили данные) доверенный сервер производит уведомление о возможной инциденте компонента-диспетчера информационной безопасности системы. В качестве признаков атаки сканирования используется правило, фиксирующее получение 3–4 пакетов более чем на 10 открытых портов устройств системы. Подобные правила формулируются также для выявления DoS-атак, атак аномальной активности злонамеренного ПО на устройстве и др.

Алгоритм (2) применяется для проверки корректности структуры пакетов трафика между устройствами. Для каждого типа устройств сформированы шаблоны генерируемых на нем пакетов данных с указанием размеров и диапазонов некоторых ключевых полей, отклонения от которых могут быть признаками replay-атак, атак имперсонализации, инъекции злонамеренного или модифицированного трафика и пр. Алгоритм (3) построен на сигнатурном методе распознавания злонамеренного трафика с использованием аппарата конечных автоматов.

Разработаны модели и программные интерфейсы для построения инфраструктуры серверной части защиты систем Интернета вещей с использованием технологии Apache Hadoop на основе паттерна Map-Reduce. Выбор данной технологии для реализации облачных вычислений обусловлен необходимостью групповой обработки данных клиент-серверных алгоритмов защиты на стороне доверенного сервера. Программные интерфейсы включают наполнение методов map и reduce для алгоритмов анализа сетевого трафика между устройствами системы, тогда как модели задают способ распараллеливания обработки данных и их свертку в следующий кортеж <anomaly_type, devices, detected>, где anomaly_type – тип аномалии, devices – набор устройств, в трафике которых данная аномалия была обнаружена, detected – логическое значение, определяющее наличие или отсутствие данной аномалии. Данное программно-техническое решение ориентировано на применение bash-скриптов в качестве средств автоматизации.

Разработанные алгоритмы защиты были опробованы на примере фрагмента мобильной коммуникационной самоорганизующейся сети на базе устройств Digi XBee. Удаленный контроль состояния устройств программно-аппаратного прототипа системы подтвердил применимость предложенных методов для реализации функций проверки корректности систем Интернета вещей и, как следствие, повышения защищенности таких систем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Технология клиент-сервер дает большую безопасность для пользователя, процессы выполняются более стабильно, согласованно, с повышенной конфиденциальностью, данные быстро обрабатываются и надежно хранятся. Развитие системы с архитектурой клиент-сервер обязано также тому, что при подключении к недорогим серверам таких же недорогих ПК получается оптимальное соотношение стоимости и производительности.

В ходе данной научно-исследовательской работы были достигнуты все поставленные цели и связанные задачи исследования.

Исследовательская часть работы показала, что на сегодняшний день далеко не все веб-приложения реального времени используют современные технологии обмена данных в режиме реального времени, что обуславливается новизной таких технологий. Большинство новых приложений создается с использованием вышеописанных инструментов, что ведет как к улучшению качества современных приложений, так и к развитию новейших технологий и сообщества разработчиков. Анализ производительности путем измерения временных задержек в передаче данных показал существенное преимущество современных технологий, в частности протокола WebSocket.

В работе проведен детальный анализ следующих работ в данной предметной области. Понятие Интернета вещей связывается с преобразованием объектов физического мира к интеллектуальным виртуальным объектам с целью унификации всего к единой инфраструктуре для контроля состояний и управления предметами вокруг нас. Интернет вещей определяется как совокупность разного вида взаимосвязанных устройств, систем в широкой области прикладных доменов от персональных носимых устройств до высоко масштабируемых интеллектуальных энергосетей. При этом к отличиям Интернета вещей относят стоимостные и ресурсные ограничения устройств, обуславливаемые наличие сложно решаемых вопросов обеспечения защищенности и приватности в таких системах. На примере интеллектуальной коммуникационной энергосети раскрывается обобщенная структура таких систем, включающая физический уровень генерации, передачи, распределения, потребления электроэнергии, коммуникационный (сетевой) уровень, уровень интеграции оборудования и программно-информационный уровень бизнес-данных системы, таких как показания энергопотребления, данные биллинга, потребительская информация, системные логи и пр. Таким образом, системы Интернета вещей требуют организации тесной кооперации процессов физического окружения, программно-аппаратного уровня, информационного уровня, а также уровня социального взаимодействия конечных пользователей.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Биячуев, Т. А. Безопасность корпоративных систем: учеб. пособие / Т. А. Биячуев. – СПб.: СПб ГУ ИТМО, 2014. – 161 с.
2. Браун, С. Виртуальные частные сети : учеб. пособие / С. Браун. – М: Лори, 2015. – 481 с.
3. Романец, Ю. В. Защита информации в компьютерных системах и сетях: Учебное пособие / Ю.В.Романец, П.А.Тимофеев, В.Ф.Шаньгин. – М. : Ифра-М, 2015. – 304 с.
4. Дворский, М. Н. Техническая безопасность объектов предпринимательства : Учебное пособие / М. Н. Дворский, С. Н. Палатченко. – М. : А-депт, 2016. – 304 с.
5. Десницкий В.А., Котенко И.В. Формирование экспертных знаний для разработки защищенных систем со встроенными устройствами // Проблемы информационной безопасности. Компьютерные системы. - № 4. - 2015. - С. 35–41.
6. Abera T., Asokan N., Davi L. Invited: Things, trouble, trust: On building trust in IoT systems // Proceedings of 53nd ACM/EDAC/IEEE Design Automation Conference (DAC). - 2016. - Р. 1–6.
7. Alberca C., Pastrana S., Suarez-Tangil G., Palmieri P. Security analysis and exploitation of arduino devices in the internet of things // In Proceedings of the ACM International Conference on Computing Frontiers (CF '16). - 2016. ч Р. 437–442.
8. Desnitsky V., Chechulin A., Kotenko I., Levshun D., Kolomeec M. Application of a technique for secure embedded device design based on combining security components for creation of a perimeter protection system // In proceedings of 24th Euromicro International Conference on Parallel, Distributed, and Network-Based Processing (PDP 2016). - 2016. - Р. 609–616.
9. Kong L., Liu X. mZig: Enabling Multi-Packet Reception in ZigBee // In Proceedings of the 21st Annual International Conference on Mobile Computing and Networking (MobiCom '15). - 2015. - Р. 552–565.
10. Madakam S., Ramaswamy R., Tripathi S. Internet of Things (IoT): A Literature Review // Journal of Computer and Communications. - vol. 3. - 2015. - Р. 164–173.
11. Shapsough S., Qatan F., Aburukba R., Aloul F., Al Ali A. R. Smart grid cyber security: Challenges and solutions // In proceedings of 2015 International Conference on Smart Grid and Clean Energy Technologies (ICSGCE). - 2015. - Р. 170–175.
12. Villari M., Al-Anbuky A., Celesti A, Moessner K. Leveraging the Internet of Things: Integration of Sensors and Cloud Computing Systems // International Journal of Distributed Sensor Networks. - vol. 12. - № 7. – 2016, Р. 1–4.
13. Vylegzhanina V., Schmidt D.C., White J. Gaps and future directions in mobile security research // In Proceedings of the 3rd International Workshop on Mobile Development Lifecycle (MobileDeLi 2015). - 2015. - Р. 49–50.

1. Биячуев, Т. А. Безопасность корпоративных систем: учеб. пособие / Т. А. Биячуев. – СПб.: СПб ГУ ИТМО, 2014. – 161 с. ↑

2. Браун, С. Виртуальные частные сети : учеб. пособие / С. Браун. – М: Лори, 2015. – 481 с. ↑

3. Романец, Ю. В. Защита информации в компьютерных системах и сетях: Учебное пособие / Ю.В.Романец, П.А.Тимофеев, В.Ф.Шаньгин. – М. : Ифра-М, 2015. – 304 с. ↑

4. Дворский, М. Н. Техническая безопасность объектов предпринимательства : Учебное пособие / М. Н. Дворский, С. Н. Палатченко. – М. : А-депт, 2016. – 304 с. ↑