Основные понятия
Под подозрительной активностью понимается поведение пользователя или компонента информационной системы, являющееся злоумышленным (в соответствии с заранее определенной политикой безопасности) или нетипичным (согласно принятым критериям).
Задача активного аудита – оперативно выявлять подозрительную активность и предоставлять средства для автоматического реагирования на нее.
Активность, не соответствующую политике безопасности, целесообразно разделить на атаки, направленные на незаконное получение полномочий, и на действия, выполняемые в рамках имеющихся полномочий, но нарушающие политику безопасности.
Атаки нарушают любую осмысленную политику безопасности. Иными словами, активность атакующего является разрушительной независимо от политики. Следовательно, для описания и выявления атак можно применять универсальные методы, инвариантные относительно политики безопасности, такие как сигнатуры и их обнаружение во входном потоке событий с помощью аппарата экспертных систем.
Сигнатура атаки – это совокупность условий, при выполнении которых атака считается имеющей место, что вызывает заранее определенную реакцию. Простейший пример сигнатуры – “зафиксированы три последовательные неудачные попытки входа в систему с одного терминала”, пример ассоциированной реакции – блокирование терминала до прояснения ситуации.
Действия, выполняемые в рамках имеющихся полномочий, но нарушающие политику безопасности, мы будем называть злоупотреблением полномочиями. Злоупотребления полномочиями возможны из-за неадекватности средств разграничения доступа выбранной политике безопасности.
Простейшим примером злоупотреблений является неэтичное поведение суперпользователя, просматривающего личные файлы других пользователей. Анализируя регистрационную информацию, можно обнаружить подобные события и сообщить о них администратору безопасности, хотя для этого необходимы соответствующие средства выражения политики безопасности.
Выделение злоупотреблений полномочиями в отдельную группу неправомерных действий, выявляемых средствами активного аудита, не является общепринятым, однако, на наш взгляд, подобный подход имеет право на существование и мы будем его придерживаться, хотя наиболее радикальным решением было бы развитие средств разграничения доступа (см. “Возможный подход к управлению доступом в распределенной объектной среде”).
Нетипичное поведение выявляется статистическими методами. В простейшем случае применяют систему порогов, превышение которых является подозрительным. (Впрочем, “пороговый” метод можно трактовать и как вырожденный случай сигнатуры атаки, и как тривиальный способ выражения политики безопасности.)
В более развитых системах производится сопоставление долговременных характеристик работы (называемых долгосрочным профилем ) с краткосрочными профилями. (Здесь можно усмотреть аналогию биометрической аутентификации по поведенческим характеристикам.)
Применительно к средствам активного аудита различают ошибки первого и второго рода: пропуск атак и ложные тревоги, соответственно. Нежелательность ошибок первого рода очевидна; ошибки второго рода не менее неприятны, поскольку отвлекают администратора безопасности от действительно важных дел, косвенно способствуя пропуску атак.
Достоинства сигнатурного метода – высокая производительность, малое число ошибок второго рода, обоснованность решений. Основной недостаток – неумение обнаруживать неизвестные атаки и вариации известных атак.
Основные достоинства статистического подхода – универсальность и обоснованность решений, потенциальная способность обнаруживать неизвестные атаки, то есть минимизация числа ошибок первого рода. Минусы заключаются в относительно высокой доле ошибок второго рода, плохой работе в случае, когда неправомерное поведение является типичным, когда типичное поведение плавно меняется от легального к неправомерному, а также в случаях, когда типичного поведения нет (как показывает статистика, таких пользователей примерно 5-10%).
Средства активного аудита могут располагаться на всех линиях обороны информационной системы. На границе контролируемой зоны они могут обнаруживать подозрительную активность в точках подключения к внешним сетям (не только попытки нелегального проникновения, но и действия по “прощупыванию” сервисов безопасности).
В корпоративной сети, в рамках информационных сервисов и сервисов безопасности, активный аудит в состоянии обнаружить и пресечь подозрительную активность внешних и внутренних пользователей, выявить проблемы в работе сервисов, вызванные как нарушениями безопасности, так и аппаратно-программными ошибками.
К сожалению, формулировка “в принципе, способен обеспечить защиту” не случайна. Активный аудит развивается более десяти лет, и первые результаты казались весьма многообещающими. Довольно быстро удалось реализовать распознавание простых типовых атак, однако затем было выявлено множество проблем, связанных с обнаружением заранее неизвестных атак, атак распределенных, растянутых во времени и т.п.
Было бы наивно ожидать полного решения подобных проблем в ближайшее время. (Оперативное пополнение базы сигнатур атак таким решением, конечно, не является.) Тем не менее, и на нынешней стадии развития активный аудит полезен как один из рубежей (вернее, как набор прослоек) эшелонированной обороны.
Цифровая подпись на основе алгоритмов с открытым ключом
Как и все люди, абоненты сети передачи данных могут не доверять друг другу или вести себя нечестно. Они могут подделывать чужие сообщения, отрицать свое авторство или выдавать себя за другое лицо. Особенно актуальными становятся эти проблемы в связи с развитием электронной коммерции и возможностью оплаты услуг через Интернет.
Поэтому во многих системах связи получатель корреспонденции должен иметь возможность удостовериться в подлинности документа, а создатель электронного послания должен быть в состоянии доказать свое авторство получателю или третьей стороне. Следовательно, электронные документы должны иметь аналог обычной физической подписи. При этом подпись должна обладать следующими свойствами:
- подпись воспроизводится только одним лицом, а подлинность ее может быть удостоверена многими;
- подпись неразрывно связывается с данным сообщением и не может быть перенесена на другой документ;
- после того, как документ подписан, его невозможно изменить;
- от поставленной подписи невозможно отказаться, то есть лицо, подписавшее документ, не сможет потом утверждать, что не ставило подпись.
Асимметричные алгоритмы шифрования могут быть использованы для формирования цифровой (электронной) подписи (digital signature) – уникального числового дополнения к передаваемой информации, позволяющего проверить ее авторство. Электронная (цифровая) подпись (ЭЦП) представляет собой последовательность бит фиксированной длины, которая вычисляется определенным образом с помощью содержимого подписываемой информации и секретного ключа.
При формировании цифровой подписи специальным образом шифруется или все сообщение целиком, или результат вычисления хеш-функции от сообщения. Последний способ обычно оказывается предпочтительнее, так как подписываемое сообщение может иметь разный размер, иногда довольно большой, а хеш-код всегда имеет постоянную не очень большую длину. Рассмотрим подробнее оба варианта формирования ЭЦП.
Самый простой способ основывается, так же как и при открытом шифровании, на использовании пары связанных между собой ключей (открытого и закрытого). Однако роли закрытого и открытого ключей меняются – ключ подписывания становится секретным, а ключ проверки – открытым.
Если при этом сохраняется свойство, что по открытому ключу нельзя практически найти закрытый ключ, то в качестве подписи может выступать само сообщение, зашифрованное секретным ключом. Таким образом подписать сообщение может только владелец закрытого ключа, но каждый, кто имеет его открытый ключ, может проверить подпись.
Пусть, например, пользователь А хочет отправить пользователю Б подписанное сообщение. Процедура создания и проверки подписи состоит из следующих шагов:
- Пользователь А посылает пользователю Б свой открытый ключ U по любому каналу связи, например, по электронной почте.
- Пользователь А шифрует сообщение М своим закрытым ключом R и получает зашифрованное сообщение С.
- Зашифрованное сообщение пересылается пользователю Б.
- Пользователь Б расшифровывает полученное сообщение С, используя открытый ключ пользователя А. Если сообщение расшифровалось, значит, оно подписано пользователем А.
Этот протокол можно изобразить в виде схемы, как на
рис.
9.2.
До тех пор, пока пользователь А надежно хранит свой закрытый ключ, его подписи достоверны. Кроме того, невозможно изменить сообщение, не имея доступа к закрытому ключу абонента А; тем самым обеспечивается аутентичность и целостность данных.
Физическое представление пары ключей зависит от конкретной системы, поддерживающей использование ЭЦП. Чаще всего ключ записывается в файл, который, в дополнение к самому ключу, может содержать, например, информацию о пользователе – владельце ключа, о сроке действия ключа, а также некий набор данных, необходимых для работы конкретной системы (подробнее об этом см.
“Электронная цифровая подпись”
).
Данные о владельце ключа позволяют реализовать другую важную функцию ЭЦП – установление авторства, поскольку при проверке подписи сразу же становится ясно, кто подписал то или иное сообщение. Обычно программные продукты, осуществляющие проверку ЭЦП, настраиваются так, чтобы результат исполнения появлялся на экране в удобном для восприятия виде с указанием поставившего подпись пользователя, например, так:
На
рис.
9.2представлена схема формирования так называемой цифровой подписи с восстановлением документа. Цифровые подписи с восстановлением документа как бы содержат в себе подписываемый документ: в процессе проверки подписи автоматически вычисляется и тело документа.
Если при расшифровывании сообщение восстановилось правильно, значит, подпись была верной. Цифровая подпись с восстановлением документа может быть реализована, например, с помощью одного из самых популярных алгоритмов формирования ЭЦП – RSA.
В случае использования цифровой подписи с восстановлением документа все сообщение целиком подписывается, то есть шифруется. В настоящее время на практике так обычно не делается. Алгоритмы шифрования с открытым ключом достаточно медленные, кроме того, для подтверждения целостности сообщения требуется много памяти.
К тому же практически все применяемые алгоритмы вычисления ЭЦП используют для расчета сообщения заранее заданной стандартной длины. Например, в российском алгоритме формирования цифровой подписи ГОСТ Р34.10-94 этот размер определен равным 32 байтам.
Поэтому для экономии времени и вычислительных ресурсов, а также для удобства работы асимметричный алгоритм обычно используется вместе с какой-нибудь однонаправленной хеш-функцией. В этом случае вначале с помощью хеш-функции из сообщения произвольной длины вычисляется хеш-код нужного размера, а затем для вычисления ЭЦП производится шифрование полученного на предыдущем этапе хеш-кода от сообщения.
ЭЦП, вычисленные по хеш-коду документа, называют присоединяемыми цифровыми подписями. Такие цифровые подписи представляют собой некоторый числовой код, который необходимо пристыковывать к подписываемому документу. Само сообщение при этом не шифруется и передается в открытом виде вместе с цифровой подписью отправителя.
Если пользователь А хочет отправить пользователю Б сообщение М, дополненное присоединенной цифровой подписью, то процедура создания и проверки подписи должна состоять из следующих шагов:
- Пользователь А посылает пользователю Б свой открытый ключ U по любому каналу связи, например, по электронной почте.
- Пользователь А с помощью некоторой надежной хеш-функции Н вычисляет хеш-код своего сообщения h = H(M).
- Затем пользователь А шифрует хеш-код сообщения h своим закрытым ключом R и получает цифровую подпись С.
- Исходное сообщение М вместе с цифровой подписью С пересылаются пользователю Б.
- Пользователь Б вычисляет хеш-код h полученного сообщения М, а затем проверяет цифровую подпись С, используя открытый ключ пользователя А.
Этот протокол можно изобразить в виде схемы, как на
рис.
9.3.
Хеш-функция не являются частью алгоритма ЭЦП, поэтому в схеме может быть использована любая надёжная хеш-функция.
Описанный процесс создания подписи не обеспечивает конфиденциальность. То есть сообщение, посланное таким способом, невозможно изменить, но можно прочитать. Даже если не использовать хеш-функцию, а шифровать все сообщение целиком, конфиденциальность не обеспечивается, так как любой может расшифровать сообщение, используя открытый ключ отправителя.
Во многих ситуациях приведенной схемы создания и использования цифровой подписи оказывается вполне достаточно. Однако бывают случаи, когда пользователь Б может смошенничать. Предположим, что пересылаемым документом был чек от пользователя А, например, за оказанные услуги. Пользователь Б удостоверился, что цифровая подпись на нем верная и использовал его для получения денег.
Для устранения возможности такого жульничества в цифровые подписи часто включают метки времени. Дата и время подписания документа добавляются к сообщению и подписываются вместе со всем документом. При оплате чека метка времени может быть зафиксирована банком и занесена в базу данных. При попытке повторного предъявления чека банк это обнаружит и примет соответствующие меры.
Разновидностью цифровой подписи является неотрицаемая цифровая подпись. Как и обычная цифровая подпись, неотрицаемая цифровая подпись зависит от подписываемого документа и закрытого ключа автора.
В отличие от обычной ЭЦП неотрицаемая подпись не может быть проверена без разрешения подписавшего. Таким образом, получатель корреспонденции не сможет показать подпись (или не сможет доказать правильность подписи) без согласия лица, подписавшего сообщение.
Использование асимметричных алгоритмов для шифрования
В 70-х годах ХХ века Диффи и Хеллман предложили принцип шифрования, основанный на использовании двух разных ключей, хотя и связанных между собой, но устроенных так, что вычислить по одному из них (открытому) другой (закрытый) практически невозможно. Этот принцип может быть использован для решения проблемы снабжения пользователей ключами шифрования/расшифрования, а точнее – для устранения этой проблемы.
Согласно Диффи и Хеллману предварительно распределяемые закрытые ключи вообще не должны использоваться для шифрования данных (так как секрет, который известен более чем одному человеку, – уже не секрет). Закрытый ключ должен быть известен только одному лицу – его владельцу.
Согласно этому принципу, любой желающий может зашифровать сообщение открытым ключом. Расшифровать сообщение сможет только владелец закрытого ключа. Пусть, например, пользователи А и Б, имеющие возможность обмениваться электронными сообщениями, используют схему открытого шифрования.
- Пользователь Б посылает пользователю А свой открытый ключ U по любому каналу связи, например, по электронной почте.
- Пользователь А шифрует свое сообщение М полученным открытым ключом U и получает зашифрованное сообщение С.
- Зашифрованное сообщение С пересылается пользователю Б.
- Пользователь Б расшифровывает полученное сообщение С своим закрытым ключом R.
Если операцию шифрования обозначить как F, а операцию расшифрования как F-1, то схему протокола обмена информацией между пользователями можно изобразить, как на
рис.
9.1.
Использование открытого шифрования снимает проблему распределения ключей. Раньше пользователи перед обменом зашифрованными данными должны были каким-либо образом по закрытому каналу связи согласовывать используемый секретный ключ.
Для этого они могли встретиться лично или использовать курьера. Если один из пользователей считал нужный изменить ключ, он должен был передать новый ключ своему абоненту. Криптография с открытыми ключами все упрощает.
Теперь абоненты не должны заботиться о возможности компрометации секретного ключа. Пользователи системы связи могут совершенно свободно обмениваться открытыми ключами и зашифрованными ими сообщениями. Если пользователь надежно хранит свой закрытый ключ, никто не сможет прочитать передаваемые сообщения.
Для упрощения процедуры обмена в сети передачи сообщений обычно используется база данных (подробнее об этом см. в
“Криптографические алгоритмы с открытым ключом и их использование”
), в которой хранятся открытые ключи всех пользователей.
Современное использование
Сегодня любая форма данных, такая как текст, изображение, аудио- или видеоинформация, может быть переведена в цифровую форму, и во время преобразования в цифровую форму или обработки можно в общие данные вставить секретную двоичную информацию. Такая скрытая информация не обязательно используется для сохранения тайны.
Скрывающие тексты. Для незаметной передачи секретных данных может быть задействован обычный текст. Есть несколько путей. Один из них — вставка двоичных символов. Например, мы можем использовать пробел между словами. Чтобы представить двоичную цифру 0, используется одиночный пробел — и два пробела, чтобы представить двоичную цифру 1.
В сообщении, которое приведено выше, два пробела содержатся между словами “учебник” и “по” и между “по” и “стеганография”. Конечно, усложненное программное обеспечение может вставить пробелы, которые различаются минимально, чтобы скрыть код от непосредственного визуального распознавания.
Другой, более эффективный метод использует словарь слов, организованных согласно их грамматическим значениям (частям речи). Мы можем, например, иметь словарь, содержащий 2 местоимения, 16 глаголов, 32 существительных.
За каждым представителем этого словаря закреплен код. Предположим, что первый бит двоичных данных может быть представлен местоимением, каждое из которых имеет код (например, Я — это 0, а “мы” — это 1 ).
Следующие пять битов могут быть представлены существительным (подлежащим в предложении). В нашем примере можно обозначить код 10010 словом “шофер”. Следующие четыре бита могут быть представлены глаголом, (в примере — словом “веду”, которое представляет код 0001 ), и последние пять бит — другим существительным (дополнение).
В нашем примере “машину” — означает код 001001. Тогда можно договориться использовать скрывающий текст, который всегда применяет предложения местоимение — существительное — глагол — существительное.
Секретные двоичные данные могут быть разделены на куски на 16 битов. Например, секретное сообщение “Hi”, которое в ASCII отображается 0 10010 0001 001001, могло быть засекречено следующим предложением:
Это — очень тривиальный пример. Реальный подход использует более усложненный алгоритм и большее разнообразие применяемых слов для одного и того же кода.
Методы скрытия, использующие изображения. Данные могут быть скрыты другим цветным изображением. Переведенные в цифровую форму изображения состоят из пикселей (элемент картинки), в котором обычно каждый пиксель использует 24 бита (три байта).
Каждый байт представляет один из первичных цветов (красный, зеленый или синий). Мы можем поэтому иметь 28 различных оттенков каждого цвета. В методе, названном LSB (Last Significant Bit), самый младший бит каждого байта установлен на нуль.
От этого изображение становится немного светлее в некоторых областях, но это обычно не замечается. Теперь мы можем скрыть двоичные данные в изображении, сохраняя или изменяя самый младший бит. Если наша двоичная цифра — 0, мы сохраняем бит; если это — 1, мы изменяем бит на 1.
Этим способом мы можем скрыть символ (восемь битов ASCII) в трех пикселях. Последний бит последнего пикселя не учитывается. Например, следующие три пикселя могут представить латинскую букву M ( 4D16 или, в двоичной системе, 0100 1101 ):
Другие методы скрытия. Возможны также другие методы скрытия. Секретное сообщение, например, может быть закрыто аудио- (звук и музыка) и видеоинформацией. И аудио, и видео сегодня подвергаются сжатию. Секретные данные могут быть внесены в информацию в процессе или перед сжатием.
Формирование секретных ключей с использованием асимметричных алгоритмов
На практике алгоритмы с открытым ключом редко используются для непосредственного шифрования сообщений. Этому препятствует относительная невысокая скорость асимметричных алгоритмов при шифровании и расшифровании больших объемов данных.
Данный фактор связан с тем, что основной операцией в системах с открытым ключом является возведение в степень по большому модулю 500-1000 битовых чисел, что при программной реализации производится намного медленнее, чем шифрование того же объема данных классическими симметричными способами.
Однако при обработке коротких блоков данных, например, ключей определенной длины, алгоритмы шифрования с открытым ключом могут использоваться достаточно эффективно. Поэтому часто используют следующую комбинированную схему: асимметричный алгоритм применяется для согласования ключа сессии, а затем этот ключ выступает в роли секретного ключа для шифрования сообщений симметричным алгоритмом.
Простейший протокол формирования секретного ключа сессии может выглядеть следующим образом (если пользователи некоторой системы связи имеют доступ к базе данных открытых ключей абонентов системы, предоставляемой центром распределения ключей, то они могут получать из нее открытые ключи друг друга):
- Пользователь А получает открытый ключ пользователя Б из центра распределения ключей или непосредственно от пользователя Б.
- Пользователь А генерирует случайный сеансовый ключ и зашифровывает его полученным открытым ключом.
- Зашифрованный сеансовый ключ пересылается пользователю Б.
- Пользователь Б расшифровывает полученный пакет своим закрытым ключом.
- Пользователи А и Б используют согласованный сеансовый ключ для обмена шифрованными сообщениями.
Схему формирования парой пользователей А и В общего секретного ключа К для шифрования – расшифрования можно изобразить следующим образом (
рис.
9.4).
Эта схема напоминает
рис.
9.1, и это неудивительно, ведь в ней используется тот же самый режим шифрования открытым ключом. Отличие заключается в том, что шифруется. В схеме на
рис.
9.
4 производится шифрование небольшого по размеру сеансового ключа, который в дальнейшем будет использован в качестве секретного ключа при шифровании симметричным алгоритмом. Шифрование небольшого по размеру блока данных выполняется достаточно быстро и не замедляет телекоммуникационные процессы даже в системе с многими тысячами пользователей.
Существуют и более сложные протоколы распределения ключей, обеспечивающие взаимное подтверждение подлинности участников сеанса связи, подтверждение достоверности сеанса механизмом запроса-ответа или другие требования.
Функциональные компоненты и архитектура
В составе средств активного аудита можно выделить следующие функциональные компоненты:
- компоненты генерации регистрационной информации. Они находятся на стыке между средствами активного аудита и контролируемыми объектами;
- компоненты хранения сгенерированной регистрационной информации;
- компоненты извлечения регистрационной информации ( сенсоры ). Обычно различают сетевые и хостовые сенсоры, имея в виду под первыми выделенные компьютеры, сетевые карты которых установлены в режим прослушивания, а под вторыми – программы, читающие регистрационные журналы операционной системы. На наш взгляд, с развитием коммутационных технологий это различие постепенно стирается, так как сетевые сенсоры приходится устанавливать в активном сетевом оборудовании и, по сути, они становятся частью сетевой ОС;
- компоненты просмотра регистрационной информации. Могут помочь при принятии решения о реагировании на подозрительную активность;
- компоненты анализа информации, поступившей от сенсоров. В соответствии с данным выше определением средств активного аудита, выделяют пороговый анализатор, анализатор нарушений политики безопасности, экспертную систему, выявляющую сигнатуры атак, а также статистический анализатор, обнаруживающий нетипичное поведение;
- компоненты хранения информации, участвующей в анализе. Такое хранение необходимо, например, для выявления атак, протяженных во времени;
- компоненты принятия решений и реагирования (” решатели “). “Решатель” может получать информацию не только от локальных, но и от внешних анализаторов, проводя так называемый корреляционный анализ распределенных событий;
- компоненты хранения информации о контролируемых объектах. Здесь могут храниться как пассивные данные, так и методы, необходимые, например, для извлечения из объекта регистрационной информации или для реагирования;
- компоненты, играющие роль организующей оболочки для менеджеров активного аудита, называемые мониторами и объединяющие анализаторы, “решатели“, хранилище описаний объектов и интерфейсные компоненты. В число последних входят компоненты интерфейса с другими мониторами, как равноправными, так и входящими в иерархию. Такие интерфейсы необходимы, например, для выявления распределенных, широкомасштабных атак;
- компоненты интерфейса с администратором безопасности.
Средства активного аудита строятся в архитектуре менеджер / агент. Основными агентскими компонентами являются сенсоры. Анализ, принятие решений – функции менеджеров. Очевидно, между менеджерами и агентами должны быть сформированы доверенные каналы.
Подчеркнем важность интерфейсных компонентов. Они полезны как с внутренней для средств активного аудита точки зрения (обеспечивают расширяемость, подключение компонентов различных производителей), так и с внешней точки зрения. Между менеджерами (между компонентами анализа и “решателями”) могут существовать горизонтальные связи, необходимые для анализа распределенной активности.
Обратим также внимание на архитектурную общность средств активного аудита и управления, являющуюся следствием общности выполняемых функций. Продуманные интерфейсные компоненты могут существенно облегчить совместную работу этих средств.
