Оперативные методы повышения безопасности функционирования программных средств и баз данных

Невозможность обеспечить в процессе создания ИС ее абсолютную защищенность даже при отсутствии злоумышленных воздействий заставляет искать дополнительные методы и средства повышения безопасности функционирования ПС и БД на этапе эксплуатации. Для этого разрабатываются и применяются методы оперативного обнаружения дефектов при исполнении программ и искажений данных путем введения в них временной, информационной и программной избыточности. Эти же виды избыточности используются для оперативного восстановления искаженных программ и данных и предотвращения возможности развития угроз до уровня, нарушающего безопасность функционирования ИС.

Для обеспечения высокой надежности и безопасности функционирования ПС и БД необходимы вычислительные ресурсы для максимально быстрого обнаружения проявления дефектов, возможно точной классификации типа уже имеющихся и вероятных последствий искажений, а также для автоматизированных мероприятий, обеспечивающих быстрое восстановление нормального функционирования ИС. Неизбежность ошибок в сложных ИС, искажений исходных данных и других аномалий приводит к необходимости регулярной проверки состояния и процесса исполнения программ, а также сохранности данных. В процессе проектирования требуется разрабатывать надежные и безопасные программы и базы данных, устойчивые к различным возмущениям и способные сохранять достаточное качество результатов во всех реальных условиях функционирования. В любых ситуациях прежде всего должны исключаться катастрофические последствия дефектов и длительные отказы или в максимальной степени смягчаться их влияние на результаты, выдаваемые пользователю.

Временная избыточность состоит в использовании некоторой части производительности ЭВМ для контроля исполнения программ и восстановления (рестарта) вычислительного процесса [9], [28]. Для этого при проектировании ИС должен предусматриваться запас производительности, который будет затем использоваться на контроль и повышение надежности и безопасности функционирования. Величина временной избыточности зависит от требований к безопасности функционирования критических систем управления или обработки информации и находится в пределах от 5-10% производительности до трех-четырехкратного дублирования в мажоритарных вычислительных комплексах.

Информационная избыточность состоит в дублировании накопленных исходных и промежуточных данных, обрабатываемых программами. Избыточность используется для сохранения достоверности данных, которые в наибольшей степени влияют на нормальное функционирование ИС и требуют значительного времени для восстановления. Такие данные обычно характеризуют некоторые интегральные сведения о внешнем управляемом процессе и в случае их разрушения может прерваться процесс управления внешними объектами или обработки их информации, отражающийся на безопасности ИС.

Программная избыточность используется для контроля и обеспечения достоверности наиболее важных решений по управлению и обработке информации. Она заключается в сопоставлении результатов обработки одинаковых исходных данных разными программами и исключении искажения результатов, обусловленных различными аномалиями. Программная избыточность необходима также для реализации средств автоматического контроля и восстановления данных с использованием информационной избыточности и для функционирования всех средств защиты, использующих временную избыточность.

Последовательный характер исполнения программ процессором ЭВМ приводит к тому, что средства оперативного программного контроля включаются после исполнения прикладных и сервисных программ (рис. 2). Поэтому средства программного контроля обычно не могут обнаруживать возникновение искажения вычислительного процесса или данных (первичную ошибку) и фиксируют, как правило, только последствия первичного искажения (вторичную ошибку). Результаты первичного искажения в ряде случаев могут развиваться во времени и принимать катастрофический характер отказа при увеличении запаздывания в обнаружении последствий первичной ошибки.

Факт наличия искажения желательно обнаруживать при минимальных затратах ресурсов ЭВМ и с минимальным запаздыванием. Это приводит к использованию иерархических схем контроля, при которых несколько методов применяются последовательно в порядке углубления контроля и увеличения затрат до достоверного выявления искажения. Программы анализа проявлений дефектов и восстановления вычислительного процесса, программ и данных подготавливают и реализуют необходимые процедуры по ликвидации последствий обнаруженных дефектов. При этом целесообразно концентрировать ресурсы на потенциально наиболее опасных дефектах и достаточно частых режимах восстановления:

• при искажениях программ и данных в памяти ЭВМ;
• при перегрузках по производительности.

В зависимости от степени проявления и причин обнаружения искажений возможны следующие оперативные меры для ликвидации их последствий, восстановления информации и сохранения безопасности процессов обработки данных и управления (см. рис. 2):

• игнорирование обнаруженного искажения вследствие слабого влияния на весь процесс функционирования и выходные результаты;
• исключение сообщения из обработки вследствие его искажения или трудности предстоящего восстановления вычислительного процесса;
• повторение функциональной группы программ при тех же исходных данных или восстановление данных в процессе последующей обработки;
• кратковременное прекращение решения задач данной группы прикладных программ до обновления исходных данных;
• перестройка режима работы или структуры ИС для снижения влияния перегрузки или в связи с потерей информации о ходе процесса обработки данных и управления;
• переход на резервную ЭВМ с накопленной информацией о ходе процесса управления или восстановление информации за счет ее дублирования;
• восстановление процесса управления или обработки информации с режима начального пуска всей ИС с оперативным вмешательством обслуживающего персонала.

Последний метод не всегда гарантирует целостность, непрерывность и полную безопасность процесса взаимодействия ЭВМ с объектами внешней среды, а при остальных типах оперативной реакции на выявленные дефекты обязательно проявляются более или менее длительные отклонения от нормального хода процесса обработки информации.

Выбор метода оперативного восстановления происходит в условиях значительной неопределенности сведений о характере предотказовой ситуации и степени ее возможного влияния на работоспособность и безопасность ИС. Восстановление работоспособности желательно производить настолько быстро, чтобы отказовую ситуацию можно было свести до уровня сбоя. Оперативная индикация отклонений от нормы при функционировании ИС позволяет пользователям контролировать аномалии в процессе обработки данных и в особых случаях оперативно корректировать реакцию системы защиты на выявление искажений.

Наряду с оперативной реакцией на искажения в ИС должно вестись накопление информации о всех проявлениях дефектов с тем, чтобы использовать эти данные для локализации первичного источника ошибок и исправления соответствующих программ, данных или компонент аппаратуры. Подготовку, статистическую обработку и накопление данных по проявлениям искажений целесообразно проводить автоматически с выдачей периодически или по запросу сводных данных на индикацию для подготовки специалистами решений о корректировке программ или восстановлении аппаратуры.

Таким образом, введение избыточности в программы и данные способствует повышению качества функционирования ИС. Особенно большое влияние избыточность может оказывать на надежность и безопасность решения задач в критических системах реального времени. При этом возможно снижение затрат на отладку и частичное обеспечение необходимой надежности и безопасности ИС за счет средств повышения помехоустойчивости, оперативного контроля и восстановления функционирования программ и данных. Средства оперативной защиты вычислительного процесса, программ и данных, в свою очередь, являются сложными системами и не застрахованы от ошибок, способных привести к нарушению безопасности функционирования ИС. Поэтому необходим комплексный анализ, распределение ресурсов и видов избыточности для максимизации безопасности применения критических ИС.