Спецификация и синтез программного обеспечения защищенных информационных систем на основе расширенных концептуальных моделей

Актуальность проблемы.

В современном обществе информационные технологии охватывают практически все сферы человеческой деятельности. Одной из важных функций информационных систем становится разграничение доступа пользователей к информации.

В настоящее время используются различные средства разграничения доступа, как программные, так и аппаратные. Но зачастую, они являются дополнением к уже существующим системам, которые разрабатывались без учета требований защиты информации. Такие «внешние» по отношению к информационной системе средства защиты практически всегда можно преодолеть и получить доступ к конфиденциальной информации. Поэтому их использование не является эффективным решением.

Более перспективным является подход, который позволяет наделить свойствами безопасности сами информационные системы. Для этого их необходимо разрабатывать с учетом соответствующих требований, тестировать на предмет защищенности от несанкционированного доступа (НСД).

К сожалению, подавляющее большинство CASE-средств (Computer Aided Software Engineering) не уделяет должного внимания вопросам защиты информации при проектировании программного обеспечения и баз данных информационных систем, предоставляя разработчику самому реализовывать механизмы защиты и управления доступом. Такая ситуация приводит к непроизводительным затратам времени на разработку, является потенциальным источником ошибок, приводящих к НСД.

В связи с этим весьма актуальной является задача создания моделей и методов, поддерживающих различные этапы разработки программного обеспечения (ПО) информационных систем, в которых необходимо организовать разграничение доступа к обрабатываемой информации. Средства автоматизированной разработки ПО защищенных информационных систем, основанные на данных моделях, позволят увеличить скорость создания такого рода систем за счет автоматической генерации спецификаций текстов программпозволят выявлять и предотвращать некоторые виды ошибок, связанные с проектированием, нарушающим положения политики доступав целом повысят производительность труда проектировщика ПО и качество создаваемого программного продукта.

Цель работы.

Целью работы является создание моделей для проектирования программного обеспечения и баз данных информационных систем, позволяющих учитывать особенности, связанные с разграничением доступа пользователей к обрабатываемой информации, разработка на основе данных моделей способов проектирования и методик синтеза спецификаций текстов программ.

Задачи работы.

1) разработка концептуальных моделей, позволяющих при проектировании баз данных учитывать особенности, связанные с разграничением доступа к данным в БД;

2) разработка способов трансляции полученных моделей в инструкции на языке SQL (structured query language);

3) разработка концептуальных моделей для проектирования программного обеспечения, в котором необходимо обеспечить разграничение доступа к данным;

4) разработка способов трансляции полученных моделей в программные спецификации;

5) разработка прототипа инструментального средства для создания программного обеспечения защищенных информационных систем.

Используемые методы исследования Для решения поставленных в работе задач используются элементы тео-I рии множеств, дискретной математики, реляционная алгебра, а также методы i.

Щ математическом логики.

Основные положения, выносимые на защиту.

1) расширения реляционной модели данных для осуществления мандатного доступа к данным в базах данных, позволяющие организовать ссылочную целостность при наличии явления многозначной реализации;

2) расширения диаграммы «сущность-связь», которые позволяют на концептуальном уровне моделировать структуру базы данных, поддерживающей многоуровневую модель данных (БД с мандатным доступом), процедура преобразования расширенной модели «сущность-связь» в инструкции на языке SQL для генерации базы данных с поддержкой многоуровневой моде-&diamsли данных;

3) расширения диаграмм потоков данных (ДПД), которые позволяют моделировать процессы защищенной информационной системы с учетом мандатной политики доступа. Многоуровневая объектно-ориентированная модель и многоуровневая модель компонентного ПО (КПО), с помощью которых может быть специфицировано объектно-ориентированное и компонентное ПО с учетом мандатного доступа к данным;

4) способы трансляции многоуровневой объектно-ориентированной модели и многоуровневых компонентных моделей в программные спецификации на языке описания XMI.

Научные результаты.

1. Разработаны расширения реляционной модели для осуществления мандатного доступа к данным в базах данных, позволяющие организовать ссылочную целостность при наличии явления многозначной реализации. Расширения основаны на разделении исходной схемы отношения на две — ключевую и схему данных. В рамках этих расширений разработана операционная семантика таких операций как INSERT, UPDATE, DELETE, позволяющая манипулировать данными в предложенной модели.

2. Разработаны расширения диаграммы «сущность-связь», которые позволяют указывать уровень детализации (таблицы, атрибуты, поэлементная классификация) при организации мандатного доступа к данным и создавать концептуальную модель базы данных, поддерживающей многоуровневую модель данных. Разработан алгоритм синтеза инструкций на языке SQL по расширенной модели «сущность-связь» для генерации базы данных с поддержкой многоуровневой модели доступа к данным.

3. Разработаны расширения для диаграмм потоков данных (ДПД), которые позволяют моделировать функциональность защищенной информационной системы с учетом мандатной политики доступа. При этом отражается взаимодействие между процессами системы и хранилищами данных, реализуемых с поддержкой многоуровневой модели доступа к данным. Дана графическая нотация предложенных расширений диаграмм потоков данных. Разработана многоуровневая объектно-ориентированная модель, расширяющая исходную описанием легитимных и нелегитимных потоков данных, а также правил фильтрации этих потоков. Данная модель складывается из субъектно-ориентированной модели, позволяющей формально описать возникающие в системе потоки информации на основе концептов субъектов и объектов, а также ассоциированных с субъектами объектов, и, собственно, многоуровневой объектно-ориентированной модели. На основе многоуровневой объектно-ориентированной модели разработана многоуровневая модель компонентного программного обеспечения (КПО), состоящая из обобщенной формальной модели доступа для КПО, статической и динамической многоуровневой модели КПО, позволяющих описать взаимодействие между субъектами, компонентами и экземплярами компонентов при фиксированных и динамически изменяющихся уровнях доступа.

4. Разработаны подходы к синтезу программных спецификаций на языке описания XMI из многоуровневой объектно-ориентированной и многоуровневых компонентных моделей. Данные программные спецификации инвариантны по отношению к языку программирования и могут использоваться в любых CASE средствах, поддерживающих технологию XMI.

Научная новизна.

Новизна предлагаемых моделей и способов заключается в том, что они позволяют уже на уровне проектирования разрабатываемых информационных систем описать особенности, связанные с организацией мандатного доступа к информации.

Предлагаемые расширения реляционной модели в отличие от существующих, позволяют при многозначной реализации «исходного» первичного ключа (ключа, определенного проектировщиком при создании БД) обеспечить все аспекты ссылочной целостности в многоуровневых БД «стандартным» образом — на основании этого «исходного» первичного ключа. Это дает возможность организовывать многоуровневую БД с помощью широко распространенных систем управления БД (СУБД), поддерживающих стандартную реляционную модель.

Разработанные расширения диаграммы «сущность-связь» и алгоритм синтеза инструкций на языке SQL по расширенной диаграмме «сущность-связь» позволяют создавать концептуальную модель многоуровневой базы данных и генерировать базы данных с поддержкой многоуровневой модели доступа к данным.

Разработанные расширения ДПД позволяют моделировать процессы защищенной информационной системы с учетом мандатной политики доступа. Это дает возможность выделять в системе критически важные с точки зрения организации доступа к данным участки, определять скрытые каналы утечки информации. Подобные диаграммы можно использовать как исходную информацию для создания набора тестов информационной системы на защищенность от НСД. Словарь проекта, полученный из расширенной ДПД содержит классифицированный по уровням доступа перечнь функций и данных. Эта информация используется администратором системы для распределения полномочий между пользователями и является исходным материалом при построении многоуровневой модели данных информацонной системы. Разработанная многоуровневая объектно-ориентированная модель формально описывает информационные потоки, возникающие в объектно-ориентированном ПО, определяет правила фильтрации этих потоков в соответствии с требованиями мандатного доступа. Разработанная многоуровневая компонентная модель определяет правила реализации смешанной политики доступа в КПО, трансляции полномочий пользователей из одной формальной модели доступа в другую, описывает взаимодействие между субъектами, компонентами и экземплярами компонентов при фиксированных и динамически изменяющихся уровнях доступа компонентов.

Разработанные способы преобразования многоуровневой объектно-ориентированной и многоуровневых компонентных моделей в программные спецификации позволяют создавать инвариантные по отношению к языку программирования спецификации программ на языке описания XMI, которые могут использоваться в любых CASE средствах, поддерживающих технологию XMI.

Практическая значимость.

Предложенные в диссертационной работе модели и способы проектирования реализованы в прототипе инструментального средства для автоматизированной разработки защищенного КПО. Данный прототип позволяет: моделировать интерфейсы и компоненты системы, с возможностью указания особенностей, связанных с организацией мандатного доступаанализировать модели на удовлетворение требованиям многоуровневой компонентной моделигенерировать программные спецификации для компонентов модели. Применение данного прототипа дает возможность: увеличить скорость разработки защищенных информационных систем за счет автоматической генерации спецификаций текстов программ на 34%- повысить качество программного продукта за счет автоматического выявления некоторых видов ошибок, связанных с проектированием, нарушающим положения политики доступа на 48%- повысить производительность труда проектировщика за счет исключения повторного проектирования и разработки элементов, связанных с организацией доступа к данным.

Реализация и внедрение результатов Основные теоретические положения и практические результаты работы были использованы при разработке информационной системы автоматизации военных лечебных и медицинских учреждений министерства обороны Российской Федерации, осуществляемой в ЗАО «Эврика», при выполнении работ по гранту 2002 года для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов по теме «Концептуальное моделирование безопасности компонентного программного обеспечения» (номер гранта: МО 1−3.11К-296), при выполнении работ по гранту РФФИ «Разработка метамоделей, методов, инструментальных средств и технологии конвертации проектов информационных систем, созданных в соответствии с различными методологиями в различных CASE-системах» (per. номер 00−07−90 344), а также в учебном процессе в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения».

Апробация работы Основные положения и некоторые результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

1) Третья научная сессия аспирантов и соискателей ГУАП, ГУАП, СПб, 2000.

2) Четвертая научная сессия аспирантов и соискателей ГУАП, посвященная Всемирному дню космонавтики и 60-летию ГУАП, СПб, 2001;

3) Шестая Санкт-Петербургская ассамблея молодых ученых и специалистов. Политехнический симпозиум «Молодые ученые промышленности Северозападного региона», СПбГТУ, 2001.

4) Пятая научная сессия аспирантов и соискателей ГУАП, ГУАП, СПб, 2002.

5) Шестая научная сессия аспирантов и соискателей ГУАП, ГУАП, СПб, 2003.

6) Политехнический симпозиум «Молодые ученые промышленности Северозападного региона», СПбГТУ, 2003.

Публикации.

Основные результаты работы опубликованы в 10 печатных работах.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, библиографического списка (94 наименования), имеет общий объем 195 машинописных страниц, содержит 14 таблиц и 23 рисунка.

4.5. Выводы.

1. Разработан прототип системы проектирования КПО защищенных информационных систем. Этот прототип позволяет моделировать компонентное программное обеспечение защищенных информационных систем, проверять корректность модели с точки зрения многоуровневой объектно-ориентированной и компонентной модели, генерировать программные спецификации для классов, реализующих компоненты модели.

2. С помощью прототипа были разработаны модели компонентов для базового программно-технического комплекса средств автоматизации военных медицинских и лечебных учреждений. Были измерены временные показатели и показатели качества, полученные при неавтоматизированной разработке и с применением прототипа. Временные показатели улучшились на 34%, а показатели корректности на 48%.

3. Ряд положений данной работы нашел применение в архитектуре подсистемы безопасности БПТКСА ВЛУ. Это, в частности, концепция менеджера объектов, реализованная в виде сервиса менеджера задачсогласованная смешанная политика доступа (ролевая и мандатная, реализуемая для контроллеров задач с помощью статической многоуровневой модели доступа, а для сервисовдинамической), осуществляемая с использованием сервиса авторизации и менеджера задач.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе разработаны расширения математических моделей диаграммных языков (диаграмм потоков данных и диаграммы «сущность-связь») и методов проектирования (объектно-ориентированное проектирование, компонентное моделирование) для описания свойств разрабатываемых программных систем с точки зрения мандатного доступа к данным. В процессе выполнения исследований в рамках работы были получены следующие научные результаты:

1. Разработаны расширения реляционной модели для осуществления мандатного доступа к данным в базах данных, позволяющие организовать ссылочную целостность при наличии явления многозначной реализации. В рамках этих расширений разработана операционная семантика таких операций как INSERT, UPDATE, DELETE, позволяющая манипулировать данными в предложенной модели. В отличие от существующих моделей, предлагаемая модель позволяет при существовании явления многозначной реализации обеспечить ссылочную целостность в базах данных «стандартным» образом — на основании единственного уникального первичного ключа. Это имеет большую практическую ценность, поскольку дает возможность организовать многоуровневую базу данных с помощью широко распространенных систем управления базами данных (СУБД), поддерживающих стандартную реляционную модель.

2. Разработаны расширения для диаграмм потоков данных, которые позволяют моделировать функциональность защищенной информационной системы в контексте реализации мандатной политики доступа к данным. При этом отражается взаимодействие между процессами системы и хранилищами данных, реализуемых с поддержкой многоуровневой модели данных. Расширенная диаграмма потоков данных также позволят выделять в модели критически важные с точки зрения доступа к данным участки. Это может быть полезным при тестировании информационной системы на защищенность от несанкционированного доступа, а также может помочь при локализации скрытых каналов утечки информации. Дана графическая нотация предложенных расширений диаграмм потоков данных.

3. Разработана многоуровневая объектно-ориентированная модель, расширяющая исходную описанием потоков данных в объектно-ориентированном ПО, а также правил фильтрации этих потоков. Данная модель складывается из субъектно-ориентированной модели, позволяющей формально описать возникающие в системе потоки информации на основе концептов субъектов и объектов, а также ассоциированных с субъектами объектов, и, собственно, многоуровневой объектно-ориентированной модели. Дана графическая нотация предложенных расширений для диаграмм классов.

4. Разработана многоуровневая модель компонентного программного обеспечения, состоящая из обобщенной формальной модели доступа для КПО, статической многоуровневой модели КПО, динамической многоуровневой модели КПО. Дана графическая нотация предложенных расширений для диаграмм классов (используемых при описании интерфейсов компонентов) и диаграмм компонентов.

5. Разработаны расширения диаграммы «сущность-связь», которые позволяют указывать детализацию при организации многоуровневого доступа к данным. Разработон алгоритм синтеза инструкций на языке SQL по модели «сущность-связь» для генерации базы данных с поддержкой многоуровневой модели данных.

Созданные модели позволяют описать особенности разрабатываемой программной системы при реализации мандатной политики доступа, а также, определяют требования к реализации смешанных политик доступа.

Показана практическая применимость разработанных моделей на примере прототипа системы проектирования компонентного программного обеспечения защищенных информационных систем и подсистемы авторизации и разграничения полномочий БПТКСА ВЛУ. Внедрение прототипа произведено в ЗАО «Эврика» при разработке базового программно-технического комплекса средств автоматизации военных медицинских и лечебных учреждений.