Ю.Г.Бугров

Г.А.Остапенко

Н.М. Радько

Моделирование атак сети массового обслуживания

Учебное пособие

Воронеж 2007

ГОУВПО

«Воронежский государственный технический

университет»

Ю.Г. Бугров

Г.А. Остапенко

Н.М. Радько

МОДЕЛИРОВАНИЕ АТАК

СЕТИ МАССОВОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ

Утверждено Редакционно-издательским советом

университета в качестве учебного пособия

В оронеж 2007

УДК 002.001; 002.001.8

Бугров Ю.Г. Моделирование атак сети массового обслуживания: учеб. пособие / Ю.Г. Бугров, Г.А. Остапенко, Н.М. Радько. - Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2007. - 93 с.

Учебное пособие посвящено разработке новой более эффективной модели сети массового обслуживания на основе введения нового параметра – угрозы отказа в обслуживании. В работе рассмотрены основные виды угроз информационной безопасности в структурированных системах. Представлена формализованная модель тракта коммуникации как сети массового обслуживания. Проведена оценка эффективности многоканальной системы массового обслуживания, описана методика определения величины риска от угрозы отказа в обслуживании. В основу предлагаемого пособия положены исследовательские работы, проводимые в Воронежском государственном техническом университете.

Издание соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 090100 «Информационная безопасность», специальностям 090102 «Компьютерная безопасность», 090105 «Комплексное обеспечение информационной безопасности автоматизированных систем» и 090106 «Информационная безопасность телекоммуникационных систем», дисциплинам «Вредоносное программное обеспечение и защита от него информационно-телекоммуникационных систем», «Технология проектирования систем защиты информации в информационно-телекоммуникационных системах», «Основы проектирования защищенных телекоммуникационных систем».

Издание предназначено студентам и аспирантам.

Учебное пособие подготовлено в электронном виде в текстовом редакторе MS WORD и содержится в файле кафедра СИБ2.document .

Табл. 2. Ил. 20. Библиогр.: 99 назв.

Научный редактор д-р техн. наук, проф. А.Г. Остапенко

Рецензенты: кафедра информационной безопасности Воронежского института МВД России (канд. техн. наук, доц. О.С. Овсентьев);

д-р техн. наук, проф. Г.С. Остапенко

1.2. Структурные составляющие про­водки

Структурированная кабельная система состоит из следующих подсистем:

1) рабочего места;

2) горизонтальной;

3) управления;

4) верти­кальной;

5) аппаратной;

6) внешней.

Если вся сис­тема строится в одном здании, то имеются только первые четыре или пять подсистем. На рабочем месте устанавливаются розетки с модулем типа RJ45. К каждому восьмиконтактному модулю под­водится четырёхпарный кабель [5].

Унифицированная проводка (4 витые пары + модуль RJ45) применяется для передачи всех видов сигналов - голоса, данных, видео, а также мультимедиа и графики. Для любой сети (те­лефонной, компьютерной, видео) можно выбрать любые порты - качество связи при этом не меня­ется. В одном корпусе розетки на рабочем месте может устанавливаться от двух до четырех (и более) модулей, в зависимости от количества сетей.

На проводку в структурированных системах при­ходится около 20% стоимости, в то время как в обычных (неструктурированных) сетях - 4-6% стоимости сетевого оборудования. Таким образом, в структурированной системе заложена значительная избыточность, позволяющая наращивать, ви­ды передачи сигналов и применять различные ком­бинации сетей [6].

Рассмотрим назначение и состав подсистем.

1. Подсистема рабочего места. Эта подсистема предназначена для подключения оконечных уст­ройств (компьютеров, терминалов, принтеров и т.п.) к локальной сети. Часто в такой подсистеме используют переходник balun (balance/unbalance).

2. Горизонтальная подсистема. Она может быть проложена коаксиалами, оптическими волокнами или витыми парами. Однако при использовании коаксиальных кабелей возникают большие труд­ности кроссировки. Сейчас применяют в основном неэкранированные пары, а в дальнейшем будут использоваться оптические волокна.

3. Подсистема управления - состоит из панелей для кроссировки и соединительных шнуров, обес­печивающих переключение цепей. Здание, как пра­вило, уже имеет подобные устройства для телефон­ной и других видов связи.

4. Вертикальная подсистема - соединяет меж­ду собой этажи здания и обеспечивает соединение подсистем управления. Она должна удовлетворять определённым требованиям на вертикальную про­водку. Выполняется из оптического волокна, коаксиального кабеля или витых пар. Уже определилась тенденция: в новых сетях для передачи данных ис­пользовать оптическое волокно.

5. Подсистема аппаратной - в крупных сетях с центральным компьютером служит для соеди­нений электронного оборудования в центральном зале (аппаратной).

6. Внешняя подсистема - служит для соединения между собой различных зданий, находящихся на территории предприятия, учебного заведения и т. п. Могут использоваться и коаксиал, волокно, но предпочтительнее оптическое волокно, т.к. оно хо­рошо стыкуется с вертикальной подсистемой.

1.3. Промышленное обеспечение

Построение сетей по структурированной схеме находится в фокусе внимания многих сетевых ком­паний. Они создали ряд интеллектуальных концентраторов. Последние снабжаются большим числом соединителей для различных типов кабелей: коак­сиального, оптического, неэкранированных и эк­ранированных витых пар.

Такие компании, как Bay Networks. Cabletron Systems, Lucent Technologies, 3Com и др. снабдили структурированные кабельные системы сетевым электронным оборудованием. Многие из подобных устройств позволяют выполнять передачу голоса, данных и видео по однотипным кабелям, в том числе неэкранированным витым парам. К одному рабо­чему месту можно проложить два (или более) четырёхпарных кабеля. Четырёхпарная проводка под­держивает и ISDN (цифровая сеть с интеграцией служб).

Указанные ниже виды продукции соответ­ствуют топологии «звезда» в горизонтальной и вертикальной подсистемах. Наиболее известные в Рос­сии поставщики структурированных кабельных сис­тем: Alcatel, AMP, BICC Brand-Rex, ITT Cannon, MOD-TAP, Lucent Technologies, Reichle & De-Massa-ri, Panduit, RIT, Siemon и др. Среди них первое мес­то по вложенным средствам и количеству спроек­тированных и действующих систем занимает Lucent Technologies. Продукция всех перечисленных ком­паний обеспечивает нормальную работу сети при включении интеллектуальных концентраторов.

1. Описательная модель системы массового обслуживания

За типовую телекоммуникационную систему массового обслуживания возьмем структурированную кабельную систему, так как в настоящее время данный вид сетей широко распространен и оборудование для организации таких сетей производится в массовом порядке. К тому же развитию столь высокотехнологичного, относи­тельно нового направления уделяется большое внимание во всем мире.

1.1. Основы структурированной проводки

Различные источники относят возникновение структурированных кабельных систем к 1984-86 гг. Прорыв в этой области произошёл после принятия в 1991 I. стандарта ЕIА/ТIА-568 и сопутствующих ему документов.

Между рабочими станциями локальной сети кабель прокладывается не напрямую (непосредст­венно), а, проходя через ряд устройств (концентра­торов, кроссов), и заканчивается розеткой. Внут­ри многоэтажного здания обычно прокладывают вертикальные и горизонтальные проводки. Кроме того, горизонтальная проводка ещё разделяется с помощью кроссов как на рис. 1.1.

Такая кабельная система и называется структу­рированной. При перемещениях служб и персонала внутри здания из одних помещений в другие не изменяют саму проводку - достаточно аппаратуру из одних помещений перенести в другие и сделать необходимые переключения на кроссировочных панелях. Так как во всех помещениях ставят одно­типные розетки для всех видов оборудования, то проводка обладает хорошей приспособляемостью и совместимостью [1].

Такие системы не требуют каждый раз прокла­дывать новую проводку и ставить новые розетки, а позволяют использовать при любых переустрой­ствах или перестановках ту сеть, которая капиталь­но смонтирована в здании. Обычно фирмы дают гарантии на работу таких систем в течение 15 лет без значительных переделок кабельной разводки (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Структуриро­ванная кабельная система

На рисунке применимы следующие обозначения:

1. рабочее место

2. горизонтальная подсистема

3. подсистема управления

4. вертикальная подсистема

5. подсистема аппаратной и служебные технические

средства

6. внешняя подсистема.

Структурированная сеть требует в начальный период, при строительстве, больших затрат, зато потом она окупается в процессе эксплуатации и более удобна. Основные соединения в структури­рованной системе выполняют стандартным кабелем с четырьмя неэкранированными витыми пара­ми. В стены помещений монтируют большое коли­чество розеток с различным числом модулей, мини­мально используют два модуля. В случае, если локальных сетей в здании больше, чем одна, число прокладываемых витых пар и монтируемых моду­лей соответственно увеличивается. По такой кабельной системе кроме компьютеров работают ещё телефон, телефакс, телевидение, охранная и другие виды сигнализации, управление открыванием и закрыванием различных кранов, задвижек, вентиляцией и т. д., т.е. она универсальна.

Структурированная кабельная система является как бы нервной системой здания Предусмотрены способы и устройства соединения структурирован­ной проводки с другими сетями, а также выходы в более крупные - местные, региональные и гло­бальные сети.

Введение

В качестве математической модели функционирования телекоммуникационной системы в ряде случаев может быть использована система массового обслуживания, которая определяется входным потоком заявок на обслуживание, потоком обслуживания этих заявок, реализуемых каким-то прибором (который представляет телекоммуникационную систему определенного строения и состава). Но в настоящий момент на трехпараметрическую систему (входной поток, поток обслуживания и прибор) действует еще один параметр – поток угроз отказа в обслуживании, ухудшающих параметры потока обслуживания.

В этом случае при обнаружении угрозы информационной безопасности нормальное функционирование телекоммуникационной системы приостанавливается, и проводятся мероприятия по устранению угроз. Отсюда следует, что физический механизм воздействия угрозы сведется к уменьшению интенсивности потока обслуживания заявок.

То есть появляется третий поток – поток угроз и вытекающий из него подпоток – поток их устранения. Они должны формально быть включены в существующие модели массового обслуживания.

Предпочтительность использования модели массового обслуживания в качестве частной модели оценивания степени влияния угроз определяется тем, что эффективность функционирования самой телекоммуникационной системы формализуется той же моделью, т.е. мы получаем принципиальное преимущество, когда модель оценивания эффективности защищаемой системы совпадает с моделью оценивания опасности однотактных угроз отказа в обслуживании. До настоящего времени всегда строились две модели - это первое отличие. Второе отличие заключается в том, что модель массового обслуживания хорошо известна специалистам в области телекоммуникаций. Модель, дающая на выходе величину степени влияния угроз отказа в обслуживании, автоматически дает оценку их взаимной опасности, полученную аналитическим методом, а не экспертным или экспертно-математическим (нечеткие множества, метод анализа иерархии).

К сожалению, в настоящее время широко используются математические модели систем массового обслуживания, не учитывающие воздействующие на систему угрозы информационной безопасности, и, в частности, угрозы отказа в обслуживании. До настоящего времени всегда строились две модели: оценивающая эффективность функционирования самой телекоммуникационной системы и модель оценивания опасности угроз информационной безопасности, воздействующих на данную систему. Также используемая совокупность показателей оценивания эффективности многоканальной системы массового обслуживания не охватывает все аспекты деятельности телекоммуникационной системы. Модель, дающая на выходе величину степени их влияния, дает оценку взаимной опасности угроз, полученную экспертным или экспертно-математическим методом (нечеткие множества, метод анализа иерархии), хотя оценка, получаемая аналитическим методом, в этой ситуации была бы предпочтительнее.

Поэтому знания и навыки разработки математической модели многоканальной системы массового обслуживания, которая учитывала бы воздействующие на нее однотактные угрозы отказа в обслуживании постоянной интенсивности, представляются необходимыми для специалиста в области информационной безопасности.

© Бугров Ю.Г., Остапенко Г.А., Радько Н.М., 2007

© Оформление. ГОУВПО "Воронежский государственный технический университет", 2007

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 6

1. ОПИСАТЕЛЬНАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ МАССОВОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ 8

1.1. Основы структурированной проводки 8

1.2. Структурные составляющие про­водки 10

1.3. Промышленное обеспечение 12

1.4. Стандарт EIA/TIA-568 13

1.5. Горизонтальная проводка 15

1.6. Развитие структурированных систем 17

2. ИССЛЕДОВАНИЕ УГРОЗ БЕЗОПАСНОСТИ СИСТЕМЫ МАССОВОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ 20

2.1. Угрозы информационной безопасности в структурированных системах 21

2.2. Классификация угроз информационной безопасности в структурированных системах 22

2.3. Типы воздействия угроз на информационную систему 32

2.4. Угрозы отказа в обслуживании в структурированных системах 36

3. ФОРМАЛИЗОВАННАЯ МОДЕЛЬ ТРАКТА ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ КАК СИСТЕМЫ МАССОВОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ 39

3.1. Понятие о марковском процессе 39

3.2. Потоки событий 42

3.3. Уравнения Колмогорова для вероятностей состояний. Финальные вероятности состояний 47

3.4. Основные элементы теории массового обслуживания 53

3.5. Схема гибели и размножения 57

3.6. Формула Литтла 59

3.7. Многоканальная система массового обслуживания с отказами 62

4. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОЦЕНКИ ВОЗДЕЙСТВИЯ УГРОЗ 67

4.1. Показатели оценивания эффективности системы массового обслуживания 67

4.2. Формализации угроз отказа в обслуживании 69

4.3. Математическая модель системы массового обслуживания при атаке DoS 73

4.4. Оценка эффективности влияния угроз на элементы системы массового обслуживания 78

4.5. Методика определения величины риска от угрозы отказа в обслуживании 80

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ 85

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 87

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 88