Методическое обеспечние формирования ключевой информации в беспроводных мобильных сетях на базе дискретных отображений класса «клеточные автоматы»

Актуальность темы

.

Характерной тенденцией современного этапа развития телекоммуникаций является интенсивное внедрение средств беспроводной связи. Успехи развития технологий уже на современном этапе делают возможным создание и развертывание беспроводных мобильных сетей (БМС). БМС в настоящее время нашли свое применение для решения широкого круга задач, в число которых входит обеспечение информационного обмена как при проведении операций подразделениями МЧС и силовых структур, так и в народном хозяйстве, например, в интеллектуальных транспортных системах.

Безопасность и надежность информационного обмена в БМС во многом зависит от защищенности ключевой информации (КИ), служащей для аутентификации абонентов сети и шифрования передаваемых по сети данных.

Решение задач информационной безопасности в БМС имеет некоторые отличия от традиционных решений, которые используются для защиты информации в проводных локальных сетях. Это связано с тем, что в БМС отсутствуют стационарные узлы, и абоненты, участвующие в процессе обмена информацией, могут перемещаться, изменяя, тем самым, топологию сети. Из-за переменчивости топологии и ограниченности дальности радиовидимости связи между абонентами могут образовываться и исчезать.

Существующие подходы к решению задачи формирования КИ в беспроводных сетях основаны на использовании доверенного центра управления ключами (ЦУК), однако его использование в БМС порождает проблему, связанную с возможностью неполучения абонентом, временно находящимся вне сети, текущей КИ, распределяемой ЦУК. Тем самым существует вероятность того, что «вышедшие» из БМС абоненты будут иметь «устаревшую» КИ, что не позволит обеспечить их идентифицируемость другими абонентами при возвращении обратно в сеть.

В целом, задача обеспечения идентифицируемости абонентов является одной из важнейших для обеспечения безопасного и устойчивого функционирования БМС.

Одним из возможных решений данной проблемы является формирование КИ непосредственно в аппаратуре самих абонентов сети путем применения процедуры обновления ключа, основанной на необратимом математическом преобразовании предыдущих значений КИ. В случае соблюдения всеми абонентами сети правила обновления ключей в конкретный момент времени они будут иметь одинаковую КИ, что позволит обеспечить идентифицируемость абонентов вне зависимости от их состояния связности с другими абонентами БМС.

Однако у такой процедуры обновления ключа есть один существенный недостаток, заключающийся в том, что, если нарушителю станет известен хотя бы один из ранее использованных ключей, то вся дальнейшая ключевая последовательность будет скомпрометирована. Возникает противоречие между преимуществами формирования КИ в аппаратуре самих абонентов, обеспечивающего повышенную идентифицируемость абонентов БМС, и повышенной вероятностью компрометации КИ, сформированной таким образом. Решение данного противоречия требует обеспечения криптостойкости процедуры обновления ключа на уровне не ниже, чем при использовании ЦУК.

Таким образом, актуальной является задача разработки алгоритма формирования КИ в аппаратуре абонентов БМС, позволяющего повысить идентифицируемость абонентов БМС, при сохранении криптостойкости КИ, обеспечиваемой традиционным подходом к формированию КИ на основе ЦУК.

В диссертационной работе для решения данной задачи разработан подход, основанный на использовании процедуры случайного многократного обновления ключа. При этом в качестве функции необратимого преобразования обосновано использование модели дискретных отображений класса «клеточные автоматы» (КА) с функцией селектирования правил перехода.

Целью работы является повышение идентифицируемости абонентов беспроводной мобильной сети при заданной криптостойкости ключевой информации.

Научная задача исследования.

Разработка методического обеспечения формирования ключевой информации в беспроводных мобильных сетях на базе дискретных отображений класса «клеточные автоматы», позволяющего повысить идентифицируемость абонентов беспроводной мобильной сети при заданной криптостойкости ключевой информации.

Объектом исследования являются беспроводные мобильные сети.

Предметом исследования выступают методы формирования ключевой информации в беспроводных мобильных сетях.

Научная новизна работы состоит в следующем:

— осуществлена модификация модели дискретных отображений класса «клеточные автоматы» за счет применения функции селектирования правил перехода, устанавливающей закон изменения состояния решетки КА в зависимости от такта его функционирования, что позволяет увеличить число состояний решетки и период выходной последовательности КА, обеспечивая тем самым увеличение пространства значений формируемой КИ и, следовательно, повышение ее криптостойкости;

— разработан алгоритм формирования КИ в БМС, основанный на процедуре случайного многократного обновления ключа, использующей в качестве функции необратимого преобразования модель дискретных отображений класса КА с функцией селектирования правил перехода. Разработанный алгоритм позволяет повысить идентифицируемость абонентов БМС, обеспечивая их идентичной КИ в любой момент времени вне зависимости от состояния связности БМС, и обеспечить заданную криптостойкость благодаря уменьшению предсказуемости формируемых значений КИ.

Методы исследования.

Основные результаты диссертационной работы получены с использованием положений теории вероятностей, методов имитационного моделирования, статистического анализа данных, а также методов объектно-ориентированного анализа, проектирования и программирования.

Достоверность полученных результатов.

Достоверность теоретических результатов обеспечивается строгим математическим обоснованием утверждений и подкрепляется их согласованностью с данными компьютерного моделирования. Достоверность эмпирических результатов достигается за счет применения стандартных общепринятых инструментов статистического анализа.

Практическая значимость диссертационных исследований заключается в возможности применения разработанных решений в информационных системах, построенных на базе БМС, в которых требуется обеспечить безопасность и надежность информационного обмена. Внедрение полученных результатов позволит в 2−3 раза повысить идентифицируемость абонентов БМС по сравнению с традиционными схемами, использующими ЦУК, при сопоставимой с данными схемами криптостойкости КИ.

Результаты, выносимые на защиту.

— модифицированная модель дискретных отображений класса «клеточные автоматы» с использованием функции селектирования правил перехода;

— алгоритм формирования ключевой информации в беспроводных мобильных сетях на основе процедуры случайного многократного обновления ключа.

Структура работы выглядит следующим образом:

Во введении обоснована актуальность исследований, сформулированы цель и основные задачи исследования, показана научная новизна работы.

Первая глава посвящена исследованию проблемной ситуации в вопросах формирования ключевой информации в беспроводных мобильных сетях, а также анализу возможных подходов к ее решению.

Вторая глава посвящена разработке модифицированной модели дискретных отображений класса «клеточные автоматы» с использованием функции селектирования правил перехода.

Третья глава посвящена разработке' алгоритма формирования КИ в БМС на основе процедуры случайного многократного обновления ключа.

Четвертая глава посвящена имитационному моделированию и практическим аспектам применения моделей клеточных автоматов для обеспечения защищенного обмена КИ в БМС.

В заключении приведены основные научные и практические результаты.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Целью диссертационной работы являлась разработка методического обеспечения формирования КИ в БМС на базе дискретных отображений класса «клеточные автоматы», обеспечивающего повышение идентифицируемости абонентов БМС при заданной криптостойкости КИ.

На основании проведенных исследований можно сделать следующие основные выводы:

— существующие подходы к решению задачи формирования КИ в БМС, основанные на использовании доверенного ЦУК, порождают проблему, связанную с возможностью неполучения абонентами, временно находящимися вне сети, текущей КИ, распределяемой ЦУК, что не позволяет обеспечить их идентифицируемость другими абонентами БМС. Поэтому является актуальной задача разработки алгоритма формирования КИ в БМС, позволяющего повысить идентифицируемость абонентов БМС, при сохранении криптостойкости КИ, обеспечиваемой традиционным подходом к формированию КИ на основе ЦУК;

— одним из эффективных подходов для формирования КИ в БМС является формирование КИ непосредственно в аппаратуре самих абонентов сети путем применения процедуры обновления ключа, основанной на необратимом математическом преобразовании предыдущих значений КИ;

— разработанный в диссертационной работе алгоритм формирования КИ, основанный на процедуре случайного многократного обновления ключа, обеспечивает повышение идентифицируемости абонентов БМС по сравнению с традиционными схемами, использующими ЦУК, в 2−3 раза, при сопоставимой с данными схемами криптостойкости КИ;

— проведенная модификация моделей дискретных отображений класса «клеточные автоматы», за счет применения функции селектирования правил смены внутреннего состояния решетки клеточного автомата позволяет увеличить период КА, а использование «разновесных» правил в функции селектирования позволяет увеличить число состояний, принимаемых решеткой КА, обеспечивая тем самым увеличение пространства значений формируемой КИ и, следовательно, повышение ее криптостойкости.

Дальнейшим направлением исследований является усовершенствование разработанного и построение новых алгоритмов формирования КИ на базе моделей дискретных отображений класса «клеточные автоматы» для обеспечения безопасного информационного обмена при других условиях и угрозах внешнего воздействия.

Практическая значимость диссертационных исследований заключается в возможности применения разработанных решений в информационных системах, построенных на базе БМС, в которых требуется обеспечить безопасность и надежность информационного обмена. Внедрение полученных результатов позволит в 2−3 раза повысить идентифицируемость абонентов БМС по сравнению с традиционными схемами, использующими ЦУК, при сопоставимой с данными схемами криптостойкости КИ.

Теоретическая значимость работы заключается в обосновании возможности применения дискретных отображений класса «клеточные автоматы» в качестве функций необратимого преобразования информации.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

БМС — беспроводная мобильная сеть.

ГПСП — псевдослучайная последовательность.

ДКА — двумерный клеточный автомат.

ИММ — имитационная математическая модель.

КА — клеточный автомат.

КИ — ключевая информация.

ЛВС — локальная вычислительная сеть.

НСД — несанкционированный доступ.

ОКА — одномерный клеточный автомат.

ПВД — пространственно-временная диаграмма.

ПСП — псевдослучайная последовательность.

ТКА — трехмерный клеточный автомат.

ЦУК — центр управления ключами.