Метод и аппаратные средства повышения оперативности автоматической модификации ключевых данных

Актуальность темы

Развитие средств вычислительной техники характеризуется расширением областей её применения. Среди устройств и элементов вычислительной техники и систем управления, предназначенных для решения задач в области защиты информации, особое значение имеют аппаратные средства генерации ключевых данных (КД). Использование ключевых данных (логины, идентификаторы, пароли, ключи и т. д.) необходимо для осуществления авторизации с целью определения круга пользователей, наделенных специальными полномочиями, ограничения несанкционированного доступа, селекции необходимых в работе данных и обеспечения профессиональной деятельности. Особо важна процедура авторизации в распределенных вычислительных системах (РВС) с сетевым доступом к общим конфигурируемым вычислительным ресурсам («облачные вычислительные системы»). Ключевые данные (КД) имеют ограниченный срок действия, вследствие чего возникает объективная необходимость развития средств аппаратной генерации, модификации и адресной доставки ключевых данных пользователям. С другой стороны сгенерированные КД на период своего существования должны характеризоваться устойчивостью для защиты выделяемого ресурса в РВС, что требует создания и применения вычислительно трудоемких алгоритмов и процедур. Необходимость совмещения аппаратной генерации КД и вычислительных трудоемких алгоритмов и процедур определяют основное противоречие данного исследования.

Ведущими учеными в области разработки специализированных устройств параллельной обработки данных являются Угрюмов Е. П., Самофалов К. Г., Сташин В. В. и др. Значимый вклад в решение проблем генерации и распределения ключевых данных был внесен такими отечественными учеными, как Баричев С. Г., Уфимцева В. Б., Ярмолик В. Н, Варфоломеев A.A. и др. Однако вместе с тем в работах вышеперечисленных ученых вопросы аппаратной генерации и модификации ключевых данных рассматривались частично.

Так в исследованиях Г. Шустера, 1-Р. Ескшапп приведены основные свойства дискретного треугольного отображения, показывающие возможность его использования в разработке устройства генерации КД, однако при этом не учтены особенности реализации в числах с фиксированной запятой.

В работах В. Diffie, М. НеПшап рассмотрены алгоритмы передачи ключевых данных с использованием протоколов построения общего секретного ключа, которые ограничены использованием дискретного логарифмирования, что определяет существенную вычислительную сложность и объективные трудности аппаратной поддержки данных алгоритмов. В исследованиях Я. №есИ1ат, М. 8сЬгоеёег рассмотрено применение протоколов аутентификации и обмена ключами, использующих промежуточную доверенную сторону, что накладывает дополнительные требования к структуре РВС. Работы В. БсЬшег показывают целесообразность периодической модификации ключевых данных, но не дают конкретных реализаций с использованием устройства.

В целом, средства генерации, модификации и доставки КД в современных РВС в большинстве случаев имеют преимущественно программную реализацию, что объективно обусловливает поиск новых подходов и средств их реализации.

В соответствии с вышеизложенным актуальной научной задачей является разработка средств генерации и адресной доставки ключевых данных с использованием дискретного детерминировано-хаотического отображения.

Работа выполнялась в рамках НИР по тематическому плану 2009 года Министерства образования и науки РФ № 1.5.09: «Создание продукционной алгоритмической системы быстрых символьных вычислений и языка программирования для реконфигурируемых вычислительных систем».

Объектом исследования являются многоабонентские распределенные системы управления.

Предмет исследования составляют методы и аппаратные средства автоматизации обработки ключевых данных в многоабонентских распределенных системах управления.

Цель работы заключается в создании метода, алгоритмических и технических средств генерации ключевых данных, их динамической модификации и адресной доставки, обеспечивающих повышение оперативности модификации ключевых данных и уменьшение нагрузки на администратора многоабонентской распределенной системы управления.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— анализ состояния вопроса генерации и управления ключевыми данными в распределенной системе управления, обоснование направлений исследования;

— разработка метода динамической модификации ключевых данных для пользователей распределенной системы управления;

— разработка способа адресной доставки ключевых данных пользователю с осуществлением акцессорного преобразования на основе дискретного треугольного отображения;

— разработка структурно-функциональной организации устройства и его технических решений для генерации ключевых данных с использованием детерминировано-хаотических числовых рядов;

— синтез алгоритма работы и архитектуры многоабонентской распределенной системы управления и экспериментальная оценка её характеристик.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались теория проектирования элементов и устройств вычислительной техники, методы разработки программного обеспечения, аппарат дискретной математики, теории: хаотических систем, алгоритмов, математического моделирования.

Научная новизна результатов работы и основные положения, выносимые на защиту:

— структурно-функциональная организация специализированного вычислительного устройства генерации ключевых данных пользователя, отличающаяся использованием аналогового генератора шума и его суперпозицией с треугольным дискретным отображением, имеющим линейную вычислительную сложность, что позволяет генерировать детерминированно-хаотическую последовательность аппаратными средствами (05.13.05);

— параллельно-конвейерная организация операционной части специализированного вычислительного устройства генерации ключевых данных, реализованная на программируемой элементной базе (ПЛИС У^ех 6 ХС6УЬХ130Т), что позволяет получить технические решения с высокой надежностью функционирования, минимальными массогабаритными, энергетическими показателями (05.13.05);

— метод динамической модификации (генерация, доставка, запись на персональный носитель) ключевых данных пользователей, отличающийся введением шага предобработки исходных данных, традиционно имеющих нормальный закон распределения, в массив с равномерным распределением на основе применения п итераций треугольного отображения для каждого элемента исходных данных (05.13.19);

— способ адресной доставки ключевых данных пользователю, отличающийся использованием акцессорного (прямого-обратного) преобразования на основе мультиплексора и демультиплексора, управляемых хаотическим генератором «треугольное отображение», что позволяет автоматически шифровать и дешифровать передаваемые данные с подтверждением адресации (05.13.19);

— архитектура многоабонентской распределенной системы управления ключевыми данными, разграничивающей в клиентской и серверной частях функции акцессорного преобразования, генерации, адресной доставки и сохранения ключевых данных, что обосновывает возможность аппаратной реализации отдельных ее функций на сервере и приводит к повышению оперативности автоматической модификации ключевых данных (05.13.05).

Практическая значимость. Разработанный метод динамической модификации КД пользователей РВС реализован в виде аппаратно-программной системы, содержащей в составе серверной ЭВМ устройство генерации КД, а также программы «Сервер модификации КД» и «Клиент модификации КД». Результаты практического использования разработанной аппаратно-программной системы подтверждают снижение нагрузки на администратора в 4.3 раза и повышение оперативности смены ключевых данных в 7 раз. Разработанные на базе ПЛИС технические решения блоков предобработки последовательности действительных чисел могут найти применение в математических сопроцессорах и устройствах интеллектуальной обработки числовой и символьной информации. Статистические тесты последовательностей, порождаемых разработанным генератором, удовлетворяют истинно случайному генератору на 99,5% по показателю выполнимости, что делает возможным его использование в оперативном получении индивидуальных КД для пользователей многоабонентских распределенных систем управления.

Реализация результатов работы. Основные результаты диссертации, полученные автором при выполнении исследований, внедрены в Орловско-Курском региональном центре связи ОАО «Российские железные дороги», а также применяются в составе «Системы многоабонентского доступа к документам» в ФГУП «Курский НИИ» МО РФ, что подтверждено актами о внедрении. Разработанные решения используются в учебном процессе кафедры «Программного обеспечения вычислительной техники» Юго-Западного государственного университета.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: VIII Международная конференция «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации. Распознавание — 2008» (Курск, 2008) — XV Международная научно-техническая конференция «Физические и компьютерные технологии» (Харьков, 2008;2009) — II международная научно-практическая конференция «Васильевские чтения. Ценности и интересы современного общества» (Курск, 2008) — на научно-технических семинарах кафедр «Программное обеспечение вычислительной техники», «Вычислительная техника», «Информационные системы и технологии», «Комплексная защита информационных систем» Юго-Западного государственного университета (2008;2012 гг.). Результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на кафедре «Вычислительная техника» Юго-Западного государственного университета.

4.5 Выводы.

Проект разработанного устройства генерации КД выполнен в среде Math Works® Simulink и Xilinx ISE Design Suite 13.2. В среде Math Works® Simulink проведено имитационное моделирование разработанных блоков устройства. Драйвер взаимодействия с устройством генерации КД выполнен в среде Microsoft Visual Studio 2003 + DDK. Для предложенных способа и алгоритмов выполнена реализация с использованием средств интерактивной среды разработки Borland® C++Builder®. При реализации был выбран язык программирования высокого уровня С++ с возможностью обособления значимых объектов предметной области в классы.

Экспериментальная оценка характеристик разработанной системы состояла в проведении оценки задействованных ресурсов ПЛИС, статистического тестирования разработанного генератора, сравнительного анализа скорости выполнения предложенной схемы АП с аналогами, оценки изменения нагрузки на администратора при использовании СМиАД.

На основе статистического тестирования делается вывод о возможности использования разработанного генератора в генерации адресной и парольной части КД.

Общая оценка скорости выполнения преобразования АП с учетом использования её в сетевых распределенных системах является приемлемой при условии, что скорость выполнения преобразования имеет один порядок с общедоступной скоростью передачи данных в РВС («8Мбайт/с).

Оценка изменения нагрузки на администратора дает основание полагать, что использование СМиАД в РВС обеспечивает уменьшение нагрузки на администратора.

Решение проблем использования в распределенных РВС специализированны вычислительных устройств нашли отражение в следующих работах научного руководителя, д.т.н., профессора Сизова A.C.:

1. Структурно-функциональная организация информационной системы органов власти. Бутов A. JL, Кониченко A.B., Сизов A.C. Вестник фонда Науком Инновации в информационно-аналитических системах. 2011. С. 15−24.

2. Статистические признаки уплотняемых сигналов в мультиплексорах с постоянной цикловой структурой. Сизов A.C., Яковлев А. Н. Информационно-измерительные и управляющие системы. № 4. т.9. 2011.

3. Метод анализа структурно временных параметров с временным разделением каналов и постоянной длинной цикла. Яковлев А. Н., Сизов A.C. Телекоммуникации № 1. 2011. С. 13−17.

4. Модульная встраиваемая интеллектуальная оптико-электронная система видеонаблюдения. Сизов A.C., Титов Д. В., Труфанов М. И. Изв. вузов. Приборостроение. 2010. Т. 53. № 9.

5. Устройство генерации последовательности случайных двоичных чисел с использованием хаотического дискретного отображения Борисов А. И., Сизов A.C. Научно-технический сборник трудов НИЦ (г.Курск) ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ. 2011 г. № 2 (176). С.32−35.

Заключение

.

В диссертационной работе решена научная задача разработки средств генерации и адресной доставки ключевых данных с использованием дискретного детерминировано-хаотического отображения.

В ходе решения этой задачи получены следующие основные результаты.

1. Разработана структурно-функциональная организация специализированного вычислительного устройства генерации ключевых данных пользователя, отличающегося использованием аналогового генератора шума и его суперпозицией с треугольным дискретным отображением, имеющим линейную вычислительную сложность, что позволяет генерировать детерминированно-хаотическую последовательность аппаратными средствами.

2. Получена параллельно-конвейерная организация операционной части специализированного вычислительного устройства генерации ключевых данных, реализованная на программируемой элементной базе (ПЛИС У^ех 6 ХС6УЬХ130Т), что позволяет проектировать технические решения с высокой надежностью функционирования, минимальными массогабаритными, энергетическими показателями.

3. Разработан метод динамической модификации (генерация, доставка, запись на персональный носитель) ключевых данных пользователей, отличающийся введением шага предобработки исходных данных, традиционно имеющих нормальный закон распределения, в массив с равномерным распределением на основе применения п итераций треугольного отображения для каждого элемента исходных данных. Метод позволяет уменьшить административную нагрузку и повысить надежность выбираемой для каждой конкретной организации сторонней системы защиты информации за счет автоматизации процессов распределения ключевых данных.

4. Разработан способ адресной доставки ключевых данных пользователю, отличающийся использованием акцессорного (прямого — обратного) преобразования на основе мультиплексора и демультиплексора управляемых хаотическим генератором «треугольное отображение», что позволяет автоматически шифровать и дешифровать передаваемые данные с подтверждением адресации. Произведено сравнение скорости выполнения разработанного акцессорного преобразования с прототипами, результаты которого характеризуют разработанный алгоритм как высокоскоростной, с преимуществом над аналогами до одного порядка, что позволяет использовать его в многоабонентских распределенных системах управления.

5. Создана архитектура многоабонентской распределенной системы управления ключевыми данными, разграничивающей в клиентской и серверной частях функции акцессорного преобразования, генерации, адресной доставки и сохранения ключевых данных, что обосновывает возможность аппаратной реализации отдельных ее функций на сервере и приводит к повышению оперативности автоматической модификации ключевых данных.

6. Результаты практического использования разработанной системы подтвердили уменьшение нагрузки на администратора рассмотренной РВС в 4.3 раза и повышение оперативности смены ключевых данных в 7 раз для каждого пользователя по сравнению с системами, использующими ручные операции администратора и набор специализированных утилит. Статистические тесты последовательностей, порождаемых разработанным генератором, удовлетворяют истинно случайному генератору на 99,5% по показателю выполнимости, что делает возможным его использование в оперативном получении индивидуальных КД для пользователей многоабонентских распределенных систем управления.