Помощь студентам в учебе
РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ОБНАРУЖЕНИЯ НАРУШЕНИЙ СОДЕРЖАТЕЛЬНОЙ ЦЕЛОСТНОСТИ В КИБЕР-ФИЗИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕОРИИ ИГР
|
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 6
ВВЕДЕНИЕ 7
1 АНАЛИЗ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ 10
1.1 Обзор концепции кибер-физических систем 10
1.2 Адаптация модели кибер-физической системы 12
1.2.1 Информационное взаимодействие элементов кибер-физической
системы 12
1.2.2 Цель кибер-физической системы 13
1.3 Анализ метода обнаружения нарушений содержательной
целостности на основе репутационных механизмов 15
1.4 Постановка задачи 20
Выводы по главе 1 22
2 РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ НАРУШЕНИЙ СОДЕРЖАТЕЛЬНОЙ ЦЕЛОСТНОСТИ ИНФОРМАЦИОННОГО СООБЩЕНИЯ В ИНФОРМАЦИОННОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ЭЛЕМЕНТОВ КИБЕР-ФИЗИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ 23
2.1 Классификация нарушений содержательной целостности 23
2.2 Влияние нарушений на цель кибер-физической системы 26
Выводы по главе 2 32
3 РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ОБНАРУЖЕНИЯ НАРУШЕНИЙ
СОДЕРЖАТЕЛЬНОЙ ЦЕЛОСТНОСТИ В КИБЕР-ФИЗИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕОРИИ ИГР 34
3.1 Адаптация метода обнаружения нарушений содержательной
целостности 34
3.2 Метод формирования показателя истинности в случае неполноты
данных 34
3.2.1 Формулировка игры 34
3.2.2 Решение игры в чистых стратегиях 35
3.2.3 Решение игры в смешанных стратегиях 38
3.2.4 Формирование показателя истинности на основе исхода игры 40
3.3 Оценка эффективности разработанной модели 41
Выводы по главе 3 50
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 51
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 52
ПРИЛОЖЕНИЕ А (исходный код симулятора) 55
ВВЕДЕНИЕ 7
1 АНАЛИЗ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ 10
1.1 Обзор концепции кибер-физических систем 10
1.2 Адаптация модели кибер-физической системы 12
1.2.1 Информационное взаимодействие элементов кибер-физической
системы 12
1.2.2 Цель кибер-физической системы 13
1.3 Анализ метода обнаружения нарушений содержательной
целостности на основе репутационных механизмов 15
1.4 Постановка задачи 20
Выводы по главе 1 22
2 РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ НАРУШЕНИЙ СОДЕРЖАТЕЛЬНОЙ ЦЕЛОСТНОСТИ ИНФОРМАЦИОННОГО СООБЩЕНИЯ В ИНФОРМАЦИОННОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ЭЛЕМЕНТОВ КИБЕР-ФИЗИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ 23
2.1 Классификация нарушений содержательной целостности 23
2.2 Влияние нарушений на цель кибер-физической системы 26
Выводы по главе 2 32
3 РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ОБНАРУЖЕНИЯ НАРУШЕНИЙ
СОДЕРЖАТЕЛЬНОЙ ЦЕЛОСТНОСТИ В КИБЕР-ФИЗИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕОРИИ ИГР 34
3.1 Адаптация метода обнаружения нарушений содержательной
целостности 34
3.2 Метод формирования показателя истинности в случае неполноты
данных 34
3.2.1 Формулировка игры 34
3.2.2 Решение игры в чистых стратегиях 35
3.2.3 Решение игры в смешанных стратегиях 38
3.2.4 Формирование показателя истинности на основе исхода игры 40
3.3 Оценка эффективности разработанной модели 41
Выводы по главе 3 50
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 51
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 52
ПРИЛОЖЕНИЕ А (исходный код симулятора) 55
В связи с наступлением Четвертой промышленной революции в настоящее время в сферы человеческой жизнедеятельности активно внедряются кибер- физические системы (КФС). Согласно [1] под КФС следует понимать умные системы, включающие спроектированные взаимодействующие сети физических и вычислительных компонентов. Иными словами в классические автоматизированные системы внедряются вычислительные ресурсы, способствующие взаимодействию систем между собой и повышающие тем самым автономность подобных систем.
Увеличение возможностей подобных систем неизбежно ведет к появлению новых угроз информационной безопасности (ИБ). Несмотря на то, что для обеспечения целостности, доступности и конфиденциальности информации существует множество подходов, методов и средств, выделяют нарушения, которые невозможно выявить данными классическими подходами по обеспечению ИБ и прочим [2; 3]. В литературе атаки, вызывающие подобные нарушения, именуются «мягкими». В контексте данной работы под «мягкими» атаками будет пониматься скрытое деструктивное информационное воздействие (СДИВ) на информационное взаимодействие (ИВ) элементов КФС, нарушающее содержательную целостность информации. В данной работе под целостностью понимается точность и полнота информации [4]. Согласно работе [5] семантические (содержательные) проблемы информационного взаимодействия элементов связаны с идентичностью или достаточным приближением значения информации для получателя и предполагаемым значением информации для отправителя. Иными словами, в случае, когда принимающий информацию элемент рассчитывает на достоверную информацию, а получает дезинформацию, появляется семантическая проблема. Поэтому в данной работе под содержательной целостностью будет пониматься точность значения информации, нарушение которой может произойти в случае нарушения функционирования физических компонентов КФС или умышленной передачи недостоверных данных диверсантом.
Для обнаружения подобного рода нарушений используются методы, основанные на репутационных механизмах, которые позволяют выявлять СДИВ благодаря ретроспективе формируемых оценок информации.
Существующие методы обнаружения нарушений содержательной целостности на базе репутационных механизмов в случаях невозможности формирования оценок используют за оценку среднее значение из диапазона допустимых значений для данной оценки. Одним из подобных методов является метод, разработанный И. И. Виксниным в рамках его диссертации [6]. Данная работа направлена на разработку алгоритма формирования оценок в подобных случаях, основанного на равновесии в существующем множестве вариантов. Для этого используется базис теории игр, который позволяет определить равновесие при представлении механизма формирования оценки, как игры.
Разработка данного алгоритма позволит повысить эффективность метода обнаружения нарушений содержательной целостности, предложенного И. И. Виксниным, за счет разработки правил по формированию оценки в случаях неполноты данных.
Таким образом объектом исследования является ИБ КФС, а предметом - метод обнаружения нарушений содержательной целостности. В качестве гипотезы выдвигается следующее предположение: формирование субъективной оценки информации в случае неполноты данных, основанное на влиянии оцениваемой информации на КФС, позволит увеличить точность метода, разработанного И. И. Виксниным.
Отсюда целью работы является повышение точности метода обнаружения нарушений содержательной целостности, основанного на репутационных механизмах.
Для достижения цели в рамках работы ставятся следующие задачи:
- адаптировать модель КФС в рамках поставленной цели;
- проанализировать метод обнаружения нарушений содержательной целостности, основанный на репутационных механизмах;
- разработать модель нарушения содержательной целостности
информации в рамках КФС;
- адаптировать метод обнаружения нарушений содержательной
целостности, основанный на репутационных механизмах, в рамках модели КФС;
- разработать подход к формированию субъективной оценки информации элементами КФС в случаях неполноты данных;
- провести моделирование метода обнаружения нарушений содержательной целостности с использованием и без использования разработанного подхода.
Выполнение поставленных задач позволит разработать модель обнаружения нарушений содержательной целостности, применимую в рамках КФС, с использованием теории игр и достичь поставленной цели работы.
Увеличение возможностей подобных систем неизбежно ведет к появлению новых угроз информационной безопасности (ИБ). Несмотря на то, что для обеспечения целостности, доступности и конфиденциальности информации существует множество подходов, методов и средств, выделяют нарушения, которые невозможно выявить данными классическими подходами по обеспечению ИБ и прочим [2; 3]. В литературе атаки, вызывающие подобные нарушения, именуются «мягкими». В контексте данной работы под «мягкими» атаками будет пониматься скрытое деструктивное информационное воздействие (СДИВ) на информационное взаимодействие (ИВ) элементов КФС, нарушающее содержательную целостность информации. В данной работе под целостностью понимается точность и полнота информации [4]. Согласно работе [5] семантические (содержательные) проблемы информационного взаимодействия элементов связаны с идентичностью или достаточным приближением значения информации для получателя и предполагаемым значением информации для отправителя. Иными словами, в случае, когда принимающий информацию элемент рассчитывает на достоверную информацию, а получает дезинформацию, появляется семантическая проблема. Поэтому в данной работе под содержательной целостностью будет пониматься точность значения информации, нарушение которой может произойти в случае нарушения функционирования физических компонентов КФС или умышленной передачи недостоверных данных диверсантом.
Для обнаружения подобного рода нарушений используются методы, основанные на репутационных механизмах, которые позволяют выявлять СДИВ благодаря ретроспективе формируемых оценок информации.
Существующие методы обнаружения нарушений содержательной целостности на базе репутационных механизмов в случаях невозможности формирования оценок используют за оценку среднее значение из диапазона допустимых значений для данной оценки. Одним из подобных методов является метод, разработанный И. И. Виксниным в рамках его диссертации [6]. Данная работа направлена на разработку алгоритма формирования оценок в подобных случаях, основанного на равновесии в существующем множестве вариантов. Для этого используется базис теории игр, который позволяет определить равновесие при представлении механизма формирования оценки, как игры.
Разработка данного алгоритма позволит повысить эффективность метода обнаружения нарушений содержательной целостности, предложенного И. И. Виксниным, за счет разработки правил по формированию оценки в случаях неполноты данных.
Таким образом объектом исследования является ИБ КФС, а предметом - метод обнаружения нарушений содержательной целостности. В качестве гипотезы выдвигается следующее предположение: формирование субъективной оценки информации в случае неполноты данных, основанное на влиянии оцениваемой информации на КФС, позволит увеличить точность метода, разработанного И. И. Виксниным.
Отсюда целью работы является повышение точности метода обнаружения нарушений содержательной целостности, основанного на репутационных механизмах.
Для достижения цели в рамках работы ставятся следующие задачи:
- адаптировать модель КФС в рамках поставленной цели;
- проанализировать метод обнаружения нарушений содержательной целостности, основанный на репутационных механизмах;
- разработать модель нарушения содержательной целостности
информации в рамках КФС;
- адаптировать метод обнаружения нарушений содержательной
целостности, основанный на репутационных механизмах, в рамках модели КФС;
- разработать подход к формированию субъективной оценки информации элементами КФС в случаях неполноты данных;
- провести моделирование метода обнаружения нарушений содержательной целостности с использованием и без использования разработанного подхода.
Выполнение поставленных задач позволит разработать модель обнаружения нарушений содержательной целостности, применимую в рамках КФС, с использованием теории игр и достичь поставленной цели работы.
В данной работе была разработана модель обнаружения нарушений содержательной целостности в кибер-физических системах с использованием теории игр. В рамках адаптированной модели кибер-физической системы было выявлено, что существует ситуация неполноты данных, при которой элемент- субъект оценки не может определить субъективную оценку информации. Для этого был сформирован подход по формированию данного показателя в терминах теории. Решение игры в смешанных стратегиях позволило сформировать показатель в случае неполноты данных исходя из вероятности оценки элементом-субъектом информации как корректной.
Для проверки эффективности был разработан симулятор, реализующий модель кибер-физической системы в области беспилотного транспорта. Проведение серии экспериментов для метода доверия и репутации без использования разработанного подхода и с его использованием показало увеличение точности в выявлении некорректного поведения среди существующих диверсантов на 15%.
В дальнейшем планируется проведение экспериментов в рамках разработанной группы моделей беспилотных транспортных средств для оценки эффективности модели в реальных условиях. Также анализ результатов показал, что метрика Precisionувеличивается при увеличении доли диверсантов относительно всех элементов в системе, что позволяет предполагать о повышении точности в верном определении диверсантов относительно элементов, определенных как диверсанты, при доле диверсантов больше 50%, что является еще одним научным заделом для будущих исследований.
Для проверки эффективности был разработан симулятор, реализующий модель кибер-физической системы в области беспилотного транспорта. Проведение серии экспериментов для метода доверия и репутации без использования разработанного подхода и с его использованием показало увеличение точности в выявлении некорректного поведения среди существующих диверсантов на 15%.
В дальнейшем планируется проведение экспериментов в рамках разработанной группы моделей беспилотных транспортных средств для оценки эффективности модели в реальных условиях. Также анализ результатов показал, что метрика Precisionувеличивается при увеличении доли диверсантов относительно всех элементов в системе, что позволяет предполагать о повышении точности в верном определении диверсантов относительно элементов, определенных как диверсанты, при доле диверсантов больше 50%, что является еще одним научным заделом для будущих исследований.