Непредумышленные дестабилизирующие факторы, влияющие на безопасность функционирования программных средств и баз данных

При любом виде деятельности людям свойственно непредумышленно ошибаться, результаты чего проявляются в процессе создания или применения изделий или систем. В общем случае под ошибкой подразумевается дефект, погрешность или неумышленное искажение объекта или процесса. При этом предполагается, что известно правильное, эталонное состояние объекта, по отношению к которому может быть определено наличие отклонения – ошибки. При любых фиксированных исходных данных программы исполняются по определенным маршрутам и выдают совершенно определенные результаты, однако многочисленные варианты исполнения программ при разнообразных исходных данных представляются для внешнего наблюдателя как случайные. В связи с этим дефекты функционирования информационных систем, не имеющие злоумышленных источников, проявляются внешне как случайные, имеют разную природу и последствия. В частности, они могут приводить к катастрофическим последствиям, соответствующим нарушению безопасности использования ИС.

Последующий анализ безопасности ИС при отсутствии злоумышленных дестабилизирующих факторов базируется на модели взаимодействия основных компонент, представленных на рис. 1. В качестве объектов уязвимости рассматриваются:

• динамический вычислительный процесс обработки данных, автоматизированной подготовки решений и выработки управляющих воздействий;
• информация, накопленная в базах данных;
• объектный код программ, исполняемых вычислительными средствами в процессе функционирования ИС;
• информация, выдаваемая потребителям и на исполнительные механизмы.

На эти объекты воздействуют различные непредумышленные дестабилизирующие факторы, которые можно разделить на внутренние, присущие самим объектам уязвимости, и внешние, обусловленные средой, в которой эти объекты функционируют. Внутренними источниками угроз безопасности функционирования сложных ИС являются:

• системные ошибки при постановке целей и задач проектирования ИС, формулировке требований к функциям и характеристикам решения задач, определении условий и параметров внешней среды, в которой предстоит применять ИС;
• алгоритмическая ошибки проектирования при непосредственной алгоритмизации функций программных средств и баз данных, при определении структуры и взаимодействия компонент комплексов программ, а также при использовании информации баз данных;
• ошибки программирования в текстах программ и описаниях данных, а также в исходной и результирующей документации на компоненты ИС;
• недостаточная эффективность используемых методов и средств оперативной защиты программ и данных и обеспечения безопасности функционирования ИС в условиях случайных негативных воздействий.

Внешними дестабилизирующими факторами, создающими угрозы безопасности функционирования перечисленных объектов уязвимости ИС являются:

• ошибки оперативного и обслуживающего персонала в процессе эксплуатации ИС;
• искажения в каналах телекоммуникации информации, поступающей от внешних источников и передаваемой потребителям, а также недопустимые изменения характеристик потоков информации;
• сбои и отказы аппаратуры;
• изменения состава и конфигурации ИС за пределы, проверенные при испытаниях или сертификации.

Полное устранение перечисленных угроз принципиально невозможно. Задача состоит в выявлении факторов, от которых они зависят, в создании методов и средств уменьшения их влияния на безопасность ИС, а также в эффективном распределении ресурсов для обеспечения защиты, равнопрочной по отношению ко всем негативным воздействиям.

Современные достижения микроэлектроники значительно снизили влияние сбоев и отказов вычислительных средств на безопасность ИС. Однако ошибки персонала, искажения данных в каналах телекоммуникации, а также случайные (при отказах части аппаратуры) и необходимые изменения конфигурации вычислительных средств остаются существенными угрозами безопасности ИС. Негативное влияние этих факторов может быть значительно снижено соответствующими методами и средствами защиты в программах и данных.

Поскольку внешние дестабилизирующие факторы рассматриваются во многих публикациях [2], [4], [5]. мы уделим основное внимание внутренним дестабилизирующим факторам, различного рода ошибкам проектирования и эксплуатации, которые при отсутствии злоумышленных воздействий оказывают наибольшее влияние на безопасность функционирования ИС.

Различия между ожидаемыми и полученными результатами функционирования программ и баз данных могут быть следствием ошибок не только в созданных программах и данных, но и системных ошибок в первичных требованиях спецификаций, явившихся основой при создании ИС. Тем самым проявляется объективная реальность, заключающаяся в невозможности абсолютной корректности и полноты исходных спецификаций сложных критических ИС. На практике в процессе разработки ПС и БД исходные требования уточняются и детализируются по согласованию между заказчиком и разработчиком. Базой таких уточнений являются неформализованные представления и знания специалистов, а также результаты промежуточных этапов проектирования. Однако установить ошибочность исходных эталонов еще труднее, чем обнаружить ошибки в созданных программах и данных, так как принципиально отсутствуют формализованные данные, которые можно использовать как эталонные, и их заменяют не формализуемые представления заказчиков и разработчиков.

В результате важной особенностью процесса выявления ошибок в программах и данных сложных, критических ИС является отсутствие полностью определенного эталона, которому должны соответствовать текст и результаты функционирования разработанной программы [9], [10], [28]. Поэтому установить наличие и локализовать ошибку непосредственным сравнением с программой или данными без дефектов в большинстве случаев невозможно. При отладке и тестировании обычно сначала обнаруживаются вторичные ошибки, то есть последствия и результаты проявления некоторых дефектов, которые следует квалифицировать как первичные ошибки или причины обнаруженных аномалий. Локализация и корректировка таких первичных ошибок приводит к устранению ошибок, первоначально обнаруживаемых в результатах функционирования программ.

Проявления ошибок в разной степени влияют на работоспособность программ и их нельзя целиком квалифицировать как отказы. В худшем случае вторичная ошибка проявляется как полный отказ – потеря работоспособности ПС и БД на длительное время, угрожающая безопасности. Значительное искажение программ, данных или вычислительного процесса может вызвать также отказовую ситуацию, которая или превращается в отказ, или может быть быстро, автоматизированно исправлена так, что нормальное функционирование программ почти не нарушится. Кроме того, первичные ошибки могут вызывать обнаруживаемые искажения выходных данных, не влияющие на работоспособность и безопасность ИС.

Характеристики и конкретные реализации первичных ошибок не позволяют однозначно предсказать проявления вторичных ошибок и их влияние на надежность и безопасность ИС. Только в общем виде можно утверждать, что обобщенные показатели надежности и безопасности коррелированны с количеством не выявленных первичных ошибок. На практике простейшие, элементарные ошибки программ и данных могут приводить к катастрофическим последствиям при функционировании ИС. В то же время, крупные системные дефекты могут только несколько ухудшать эксплуатационные характеристики и не отражаться на безопасности ИС.

Изучение характеристик первичных и вторичных ошибок, а также их взаимосвязи важно для выработки стратегий проектирования безопасных ИС. Статистика ошибок в комплексах программ и их характеристики могут служить ориентирами для разработчиков при распределении усилий на отладку и предохранять их от излишнего оптимизма при оценке достигнутого качества и безопасности собственных изделий. Кроме того, эти характеристики в процессе проектирования программ и баз данных помогают:

• оценивать реальное состояние проекта и планировать трудоемкость и длительность его завершения;
• выбирать методы и средства автоматизации тестирования программ, адекватные текущему состоянию разработки ПС и наиболее эффективные для устранения определенных видов ошибок;
• прогнозировать эффективность средств оперативной защиты от не выявленных первичных ошибок;
• оценивать требующиеся дополнительные ресурсы ЭВМ с учетом затрат на устранение ошибок.

Детальный анализ проявления ошибок показывает их глубокую связь с методами системного проектирования и структурного построения программ, типом языка программирования, уровнем автоматизации технологии разработки и многими другими факторами. Точное определение полного числа не выявленных ошибок в комплексе программ прямыми методами измерения невозможно, однако имеются косвенные пути для приближенной статистической оценки их полного числа или вероятности ошибки в каждой команде программы. Такие оценки базируются на построении математических моделей в предположении о сильной корреляции между общим количеством и интенсивностью проявления ошибок в некотором комплексе программ после его тестирования и испытаний в течение заданного времени.

Путем анализа и обобщения ряда экспериментальных данных реальных разработок предложено несколько математических моделей, описывающих основные закономерности изменения суммарного количества вторичных ошибок в программах [9], [21]. Эти модели предназначены для оценки:

• надежности и безопасности функционирования программ в процессе испытаний и эксплуатации;
• числа ошибок, оставшихся не выявленными в анализируемых программах;
• времени, требующегося для обнаружения следующей ошибки в программе;
• времени, необходимого для выявления всех ошибок с заданной вероятностью.

Убывание числа ошибок в ИС и интенсивности их обнаружения в процессе разработки не беспредельно. После отладки в течение некоторого времени интенсивность обнаружения ошибок при самых жестких условиях тестирования снижается настолько, что коллектив, ведущий разработку, попадает в зону нечувствительности к ошибкам и отказам. При такой низкой интенсивности отказов трудно прогнозировать затраты времени, необходимые для обнаружения очередной ошибки. Создается представление о полном отсутствии ошибок, о невозможности и бесцельности их поиска, вследствие чего усилия на отладку сокращаются и интенсивность обнаружения ошибок еще больше снижается. Этой предельной интенсивности обнаружения отказов соответствует наработка на обнаруженную ошибку, при которой прекращается улучшение характеристик ПС на этапах отладки или испытаний [5], [9], [22], [28].

При серийном выпуске ИС, благодаря значительному расширению вариантов исходных данных и условий эксплуатации, возможно в течение некоторого времени возрастание суммарной (по всем экземплярам системы) интенсивности обнаружения ошибок. Это позволяет дополнительно устранить ряд дефектов и увеличить длительность между проявлениями ошибок в процессе эксплуатации. Для оценки этих показателей качества необходимы объективные данные динамики выявления ошибок, а также усилий, затрачиваемых на их обнаружение и устранение с учетом объема, тиража и других параметров разрабатываемой системы.