CC BY
76
28
НОВАЯ ИНДУСТРИАЛИЗАЦИЯ: ТЕОРЕТИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АСПЕКТ
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ РЕВЕРС-ИНЖИНИРИНГА В СТРАТЕГИИ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ИННОВАЦИОННО-ОРИЕНТИРОВАННЫХ СТРУКТУР
Баранова Ирина Вячеславовна
кандидат экономических наук, доцент,
ФГБОУ ВО «Российская академия народного хозяйства и государственной службы при Президенте Российской Федерации»,
кафедра бизнеса и делового администрирования г. Москва, Российская Федерация. E-mail:[email protected]
Батова Марина Михайловна
кандидат экономических наук, доцент,
ФГК ВОУ ВО «Военный университет» Министерства обороны Российской Федерации, кафедра информатики и управления г. Москва, Российская Федерация. E-mail:[email protected]
Майоров Сергей Васильевич
доктор делового администрирования,
Председатель Правления Машиностроительного кластера Республики Татарстан, кафедра информатики и управления г. Набережные Челны, Российская Федерация. E-mail:[email protected]
Аннотация: В статье представлены результаты использования информационных инструментов при проведении структурами машиностроительного кластера Республики Татарстан реверс-инжиниринга. Предложена методология и практический инструментарий создания цифровых моделей в процессе реверс-инжиниринга материальных объектов. Дана апробация методики реверс-инжиниринга при решении предприятиями нефтегазовой отрасли республики задачи импортозамещения. Рассмотрены особенности реверс-инжиниринга программного обеспечения. Предложен инструментарий защиты программных приложений, функционирующих в едином информационном пространстве структур машиностроительного кластера.
Ключевые слова: Реверс-инжиниринг; машиностроительный кластер; трехмерная цифровая модель; CAD-система; CAM-система; программное приложение; единое информационное пространство.
JEL: О32.
REVERSE ENGINEERING INFORMATION TOOLS IN THE STRATEGY OF INNOVATIVE-ORIENTED STRUCTURES
Baranova Irina Vyacheslavovna, candidate of economic sciences,
Associate Professor, Department of Business and Business Administration the Russian Presidential Academy of National Economy and Public Administration Moscow, Russian Federation
Batova Marina Mikhailovna, candidate of economic sciences,
Associate Professor, Department of Informatics and Management Military University of the Ministry of Defense of the Russian Federation
Moscow, Russian Federation
Mayorov Sergey Vasilievich, Doctor of Business Administration
Chairman of The Board Mechanical Engineering Cluster of the Republic of Tatarstan Naberezhnye Chelny, Republic of Tatarstan,Russian Federation
Abstract: The article presents the results of using information tools when carrying out reverse engineering by the structures of the engineering cluster of the Republic of Tatarstan. The methodology and practical tools for creating digital models in the process of reverse engineering of material objects are proposed. The testing of the reverse engineering technique is given when solving the problems of import substitution by enterprises of the oil and gas industry of the republic. The features of reverse engineering software are considered. A toolkit for protecting software applications that operate in a single information space of the structures of the engineering cluster is proposed.
Keywords: Reverse engineering; machine-building cluster; three-dimensional digital model; CAD system; CAM system; software application; single information space.
Введение
Для реализации стратегии перехода к цифровому производству необходимы соответствующие модели управления инновационной деятельностью. Одна из таких моделей ориентирована на создание инновационно-ориентированных кластеров, объединяющих совокупность высокотехнологичных предприятий, научных и образовательных учреждений. Представителем инновационно-ориентированных промышленных кластеров является машиностроительный кластер Республики Татарстан (МК РТ) [3].
Высокотехнологичные предприятия МК РТ, взаимодействуя с научными и образовательными структурами, создают конкурентоспособные на мировых рынках продуктовые и процессные инновации. Эффективному решению подобной задачи в значительной степени способствует реализуемая в кластере политика цифровой трансформации его предприятий. Эта политика основана на использовании таких инновационных технологий, как облачные вычисления, Интернет вещей, обработка больших объемов данных, блокчейн, 3D-моделирование и т.д. В кластере реализуется ряд проектов инновационной направленности, охватывающих формирование инжиниринговых структур, объединяющих центры проектирования гибких механообрабатывающих систем, прототипирования и промышленного дизайна, создания лазерных технологий и роботизации процессов металлообработки.
Выполнение подобных проектов требует не только создания и последующей интеграции в деятельность структур кластера различных объектов интеллектуальной собственности, но и приведение в соответствие требованиям цифрового производства ранее полученных результатов инновационных разработок. Это касается, во-первых, разработок, выполненных сотрудниками предприятий кластера, а во-вторых, разработок, полученных от сторонних организаций, в том числе в рамках лицензионных соглашений.
Сформированный портфель прав интеллектуальной собственности должен отражать требования и тенденции цифровизации. Это означает, что всю конструкторскую документацию необходимо представить в цифровом виде. Решить подобную задачу подчас достаточно сложно, поскольку конструкторская документация на бумажном носителе бывает оформлена ненадлежащим образом. Неоднократно проведенная модернизация выпускаемой предприятиями кластера продукции не всегда адекватно отражается в конструкторских документах.
Поэтому в процессе цифровой трансформации структур МК РТ возникла задача обеспечения соответствия конструкторско-технологической документации требованиям цифрового производства.
Для решения этой задачи было необходимо наилучшим образом задействовать различные информационные инструменты. Одним из таких инструментов выступает реверс-инжиниринг (реверсивный инжиниринг) , предполагающий детальное исследование ранее изготовленного объекта с целью создания его цифровой модели, т.е. перевода материального объекта в цифровую форму.
1. Создание цифровых моделей в процессе реверс-инжиниринга элементов технических систем
Для предприятий МК РТ реверс-инжиниринг стал значимым фактором повышения эффективности деятельности. Подобный фактор обусловил минимизацию в структуре жизненного цикла продуктовых инноваций этапов их создания и освоения. Это было связано с тем, что обратное проектирование позволяет раскрыть конструктивные особенности и принцип работы технических устройств, обеспечить экономию затрат времени и ресурсов на проектирование. Перевод реального физического объекта в виртуальную трехмерную модель (3D CAD-модель) стал основой не только изготовления опытного образца, но и последующего тиражирования объекта.
При выполнении реверс-инжиниринга технических устройств, изготовленных сторонними структурами (как отечественными, так и зарубежными), предприятия МК РТ зачастую вносили существенные изменения в объект реверс-инжиниринга. Это позволяло без прямого копирования воспроизводить функциональные возможности объектов, не нарушая при этом патентное законодательство.
Подобная необходимость часто возникала при решении задач импортозамещения предприятиями нефтегазовой отрасли республики [3], техническое оснащение которых в значительной степени было ориентировано на оборудование иностранного производства. После введения антироссийских санкций предприятия нефтегазовой отрасли, проводя капитальный ремонт и модернизацию своей технологической базы, вынуждены самостоятельно изготавливать запасные части, которые раньше поставлялись из-за рубежа. Кроме того, в процессе реверс-инжиниринга технических средств иностранного производства появляется возможность обнаружить различные программные закладки. Это делает реверс-инжиниринг стратегическим инструментом, который может использоваться не только в конкурентной борьбе кластерных структур, но и в реализации политики обеспечения национальной безопасности Российской Федерации в целом.
Расширению областей использования реверс-инжиниринга в МК РТ способствовало создание в Набережных Челнах Инжинирингового центра прототипирования и промышленного дизайна. Эти области охватывают, во-первых, разработку дизайна новых продуктов, наследующих формы существующих прототипов, во-вторых, выполнение ремонта сложного изделия, у которого отсутствует точная CAD-модель и т.д.
Созданию в МК РТ Инжинирингового центра прототипирования и промышленного дизайна предшествовал ряд исследований. Во-первых, был проанализирован опыт Китая, имеющего одну из самых быстрорастущих мировых экономик. Предприятия КНР активно применяют реверс-инжиниринг. Последние десять лет эта страна занимает первое место в мире по использованию 3D-сканеров, являющихся одним из основных элементов обратного проектирования.
Во-вторых, исследования показали, что для ряда предприятий камского региона РТ актуальны услуги прототипирования и промышленного дизайна, и структуры кластера могут квалифицированно оказывать эти услуги. Продуктом созданного в Набережных Челнах на базе МК РТ инжинирингового центра прототипирования и промышленного дизайна в машиностроении является смоделированный трехмерный прототип (3D-прототип) изделия, уровень проработки которого достаточен для постановки на производство.
Используемая структурами МК РТ методика проведения реверс-инжиниринга такова. Вначале выполняется 3D-сканирование, обеспечивающее сбор информации об объекте реверс-инжиниринга.
Эта информация отражает первичные данные об объекте, которые необходимо обработать с целью ее практического использования. В результате обработки первичной информации создается трехмерная модель (3D CAD-модель) изделия. Для визуализации 3D-моделей используются 3D-мониторы или 3D-принтеры. Для создания трехмерных CAD-моделей предприятия МК РТ привлекают современные инструментальные САПР-средства. Для оценки уровня технологичности объекта реверс-инжиниринга осуществляется экспорт 3D-модели в CAD-системy В случае необходимости по результатам оценки трехмерная CAD-модель корректируется.
Диапазон использования окончательных результатов (скорректированной трехмерной CAD-модели изделия) достаточно широк. Во-первых, предприятия МК РТ получают в цифровом виде полноценную конструкторскую документацию. Во-вторых, модель используется в CAE-системах при выполнении различных инженерных расчетов. В-третьих, эти результаты служат основой разработки технологии изготовления объекта реверс-инжиниринга в CAM-системах. Однако реверс-инжиниринг не позволяет получить информацию о технологии производства изделия. Поэтому технология, процесс разработки которой является более затратным процессом, чем создание комплекта конструкторской документации, создается заново.
Тем не менее, обратное проектирование, формируя цифровую модель объекта, позволяет предприятиям МК РТ определиться со стратегическим направлением технологического, а в дальнейшем и организационного проектирования. Эти направления будут лежать в русле требований цифрового производства и современных тенденций развития машиностроения. При этом реверс-инжиниринг создает существенную экономию финансовых ресурсов, инвестируемых структурами МК РТ в сферу НИОКР, сокращая время вывода на рынок новых видов продукции. Поэтому конструкторские подразделения высокотехнологичных предприятий кластера, решая задачу обратного проектирования, постоянно взаимодействуют с технологическими структурами.
Скорректированная трехмерная CAD-модель изделия экспортируется в CAM-систему. Подобная система может представлять собой либо производственные структуры, состоящие из высокоавтоматизированного оборудования (например, станков с ЧПУ) и робототехники, либо структуры аддитивного производства, реализующие технологические процессы поэтапного формирования изделия путем добавления материала на основу .
Достаточно часто передаче изделия в серийное производство предшествуют этапы прототипирования и испытания, по результатам которых устанавливается степень достижения поставленных целей, т.е. определяется результативность реверс-инжиниринга. В этом случае специализированный центр прототипирования МК РТ осуществляет формирование упрощенной версии конечного продукта, исследование которой выявляет недостатки продукта.
Описанный нами механизм реализации на предприятиях МК РТ реверс-инжиниринга показывает, что этот процесс не тождественен процессу заимствования путем копирования чужих разработок. В структурах машиностроительного кластера процесс реверсивного инжиниринга не сводится только к получению в цифровом виде конструкторской документации на ранее изготовленные продукты. Реализуя реверс-инжиниринг, структуры МК РТ вносят существенные изменения в объект реверс-инжиниринга, сокращая затраты на инновационные разработки и изготовление продуктовых инноваций.
2. Реверс-инжиниринг программного обеспечения структур машиностроительного кластера
По сравнению с задачей обратного проектирования технических устройств реверс-инжиниринг программного обеспечения является более сложной задачей. В МК РТ большинство задач обратного проектирования программных приложений решается структурами созданного в Камском регионе парка информационных технологий. Этот парк объединяет инновационный
центр с бизнес-инкубатором, центр перспективных информационных разработок, бизнес-центр и ряд других структур [4]. Как правило, решение задач, связанных с реверс-инжинирингом, а также установлением программной защиты на используемые предприятиями МК РТ программные приложения, осуществляется на основе аутсорсинговых соглашений. В этих соглашениях заказчиком услуг выступают высокотехнологичные предприятия кластера, а аутсорсером - структуры парка информационных технологий.
Основу реверс-инжиниринга, равно как и установления защиты на используемые предприятиями кластера программные пакеты, составляет анализ, целью которого является определение функциональных характеристик, архитектуры, принципов работы и заложенных в программу алгоритмов. Используя результаты анализа, удается достигнуть расширения функциональности программных приложений [6, 7]. Актуальность подобных действий объясняется тем, что часто программные приложения для предприятий МК РТ разрабатывались малыми IT-компаниями. В настоящее время многие из этих компаний не существуют, а создание новых версий программы для структур кластера по-прежнему актуально.
Также актуален анализ используемых предприятиями МК РТ программных приложений с точки зрения наличия в них вирусов, червей и троянских программ. Выделив коды (сигнатуры) в этих программах, можно решить задачу создания средств защиты программного обеспечения. Решая подобную задачу, структуры парка информационных технологий используют такой метод, как обнаружение вторжений, основанное на сигнатурах. Этот метод удобен для использования, поскольку программа, просматривая файл, обращается к словарю с известными вирусами. В случае соответствия какого-либо участка кода просматриваемой программы известному коду (сигнатуре) вируса в словаре, программа-антивирус либо удаляет инфицированный файл, либо отправляет его в «карантин», делая недоступным для выполнения.
В процессе реверс-инжиниринга программных приложений, используемых предприятиями кластера, решаются и другие задачи. Достаточно часто становится актуальной задача расшифровки файлов для улучшения совместимости их форматов. В этом случае использование инструментов обратной программной инженерии позволяет изучить программу, восстановить ее исходный код и структуру. Восстановление исходного кода (текста программы) необходимо для выявления ее структуры и принципа работы.
Восстановив исходный код, можно решить ряд задач реверс-инжиниринга программных приложений предприятий кластера. Эти задачи связаны с выявлением системных функций, файлов, к которым программа обращается, и протоколов, на основе которых она работает, установлением механизмов взаимодействия с другими устройствами локальной сети. Таким образом, восстанавливая исходные коды программных приложений, используемых предприятиями МК РТ, можно не только изменять структуру программ, но и влиять на процессы их реализации.
Результативность получения исходного кода, являясь процессом обратной компиляции, зависит от языка программирования и платформы. Поэтому с целью повышения уровня результативности реверс-инжиниринга те программные приложения, которые разработаны для структур МК РТ в .Net framework, сначала компилируют в промежуточный язык Common Intermediate Language (CIL), а затем во время выполнения программы преобразуют в машинный код [63]. Преобразование происходит в общеязыковой среде исполнения Common Language Runtime (CLR), которая подходит для разных языков программирования.
Выполняя процесс компиляции, структуры парка информационных технологий ориентируются на высокоуровневые языки программирования, т.к. они отличаются высоким уровнем абстракции. Эти языки также содержат смысловые конструкции, компактно описывающие структуры данных и операции над ними. Если использовать машинный код, как систему команд, охватывающих набор кодов операций компьютера, которые интерпретируются непосредственно процессором или
микропрограммами этого компьютера, то подобные описания будут длинными и сложными для понимания.
Низкоуровневые языки программирования, как правило, не позволяют решать проблемы, возникающие в процессе обратной компиляции при получении исходного кода программных приложений предприятий МК РТ. Это связано с тем, что языки программирования низкого уровня близки к программированию непосредственно в машинных кодах [2]. Это может быть байт-код , Microsoft .NET и т.д.
В процессе обратной компиляции при получении исходного кода программных приложений предприятий МК РТ применялись, как предметно-ориентированные (Domain-Specific Language -DSL), так и машинно-ориентированные языки (Computer Machine Language - CML). Аналогичным образом для высокотехнологичных структур кластера были реализованы процессы компиляции в Java- и Python-приложениях [1]. В этом случае высокоуровневый код сначала компилировался в промежуточный язык низкого уровня (байт-код), а затем в режиме just-in-time преобразовывался компилятором в машинный код. Такая организация процессов реверс-инжиниринга обеспечила кроссплатформенность создаваемых для программных приложений предприятий МК РТ, а также позволила писать различные части приложения на разных языках в рамках одного фреймворка (framework). Это существенно облегчило разработку и объединение разных компонентов в единое программное приложение.
Проводимый реверс-инжиниринг программных приложений, используемых предприятиями МК РТ, позволил из промежуточного языка (например, Common Intermediate Language - CIL или байт-кода) получить информацию о классах, структурах, интерфейсах и т.д., а также восстановить исходную архитектуру программного приложения. Для повышения качества достижения подобных целей были использованы готовые утилиты (utility), которые в рамках общего программного обеспечения выступают в качестве вспомогательных программ. При этом для восстановления из байт-кода программных приложений, написанных на языке Java, разработчики, проводившие реверс-инжиниринг программных приложений предприятий МК РТ, применяли Javap, JAD, DJ, а для работы с Python-приложениями использовали pyREtic, pycdc, Uncompyle2 [1].
Однако достаточно часто у структур парка информационных технологий возникала задача осуществления реверс-инжиниринга программных приложений предприятий МК РТ, написанных языках С, С++ или ObjectiveC. Это существенным образом усложняло задачу обратного проектирования. Это связано с тем, что программные приложения, написанные на этих языках, сразу компилируются в исполняемый машинный код, который не хранит информацию о структуре исходного приложения [5]. Кроме того, машинный код не содержит имен классов, названий функций или переменных и т.д. Дополнительным препятствием для осуществления реверс-инжиниринга было то обстоятельство, что представление низкого уровня не имеет конструкций ветвления (if, for и т.д.). Для восстановления подобных конструкций строился граф, отражающий потоки управляющих конструкций программы. Однако эта операция увеличивала временные затраты на реверс-инжиниринг и не всегда гарантировала сохранность исходного кода приложений.
3. Защита программных приложений информационных систем единого информационного пространства структур машиностроительного кластера
В практической деятельности предприятия МК РТ часто сталкиваются с проблемой, когда, стремясь получить доступ к их интеллектуальной собственности, сторонние структуры подвергают реверс-инжинирингу созданные в кластере программные приложения. В этой ситуации на уровне кластера в целом актуализируется задача защиты программных приложений и прав интеллектуальной собственности участников кластера.
Для этого используются различные способы. Однако каждый из применяемых способов может
обеспечить предприятиям МК РТ защиту их программных приложений только с определенной долей вероятности. Задача обеспечения безопасности используемого предприятиями МК РТ программного обеспечения не имеет однозначного решения. Подходы и методы к ее решению, а также получаемые результаты всегда уникальны и зависят от достаточно большого числа факторов, определяемых конкретной ситуацией.
Стандартным инструментом защиты выступает патентование разработок в сфере информационных технологий. Кроме того, стремясь обеспечить защиту прав интеллектуальной собственности предприятий МК РТ, структуры парка информационных технологий, разрабатывая для предприятий кластера программные приложения, активно используют алгоритмы шифрования. Например, с целью затруднения анализа кода реализуют процессы обфускации (запутывания) кода. При этом процесс обфускации кода реализуется на уровне как алгоритма, так и исходного или ассемблерного текста. Для создания запутанного ассемблерного текста программных приложений, создаваемых для предприятий МК РТ, разработчики ориентируются на специализированные компиляторы. В этом случае используются неочевидные или недокументированные возможности среды, в которой выполняются программы. Часто применяются специальные программы, так называемые обфускаторы (obfuscator).
Важным элементом защиты программного обеспечения создаваемого для предприятий МК РТ, выступают недокументированные возможности (undocumented features), т.е. не отраженные в документации свойства и характеристики программного обеспечения. В дальнейшем это позволяет не только осуществлять скрытый контроль использования созданных программных приложений, но и усложняет возможность проведения их реверс-инжиниринга.
Однако, использование обфускации, как способа защиты исходного кода, имеет ряд существенных недостатков. Во-первых, запутанный код будет нечитаем не только для структур, проводящих реверс-инжиниринг, но и для разработчиков и официальных пользователей программного приложения. Во-вторых, добавление лишних ветвей кода может привести к ошибкам и снижению производительности выполнения программы при использовании ее структурами МК РТ. Кроме того, обфускация не гарантирует предприятиям кластера высокую степень защиты исходного кода. В том числе это касается и ситуации, когда сложность кода является высокой [6, 7].
Поэтому разработчики программного обеспечения для структур МК РТ, стремясь обезопасить создаваемые программные приложения от их потенциального реверс-инжиниринга, применяют более совершенные средства защиты. В первую очередь это касается таких средств, как мутация, выделение критических участков кода в отдельные модули, рандомизация кода, работа в защищенных средах выполнения программы и т.д.
Мутация предполагает, что приложение во время его использования постоянно меняет свой исходный код. Рандомизация кода является эффективным средством защиты программного приложения от автоматических распаковщиков и анализаторов. Защищенная среда предполагает, что в процессе использования предприятием МК РТ программы осуществляется спектр детерминированных действий, последствия которых достоверно известны. Это может быть выполнение программы в операционной системе, параметры которой заранее известны, и обеспечивается доступ к исходным кодам.
Заключение
Рассмотренный инструментарий реверс-инжиниринга, а также защиты программных приложений обеспечили эффективное функционирование различных информационных систем созданного в структурах МК РТ единого информационного пространства (Enterprise Information Management - EIM). На стратегическом уровне управления это касалось, во-первых, PLM-систем (Product Lifecycle Management), с помощью которых в МК РТ осуществляется эффективное управление
жизненным циклом создаваемых продуктовых инноваций, во-вторых, ERP-систем (Enterprise Resource Planning), обеспечивающих предприятиям кластера эффективную интеграцию процессов управления производством, трудовыми ресурсами, финансами и активами, в-третьих, PDM-систем (Product Data Management), позволяющих структурам МКРТ управлять всей информацией о портфеле продуктовых инноваций.
Тактический и оперативно-календарный уровни управления в едином информационном пространстве кластера представлены MES-системами (Manufacturing Execution System), позволяющими осуществлять эффективное управление производственными процессами на уровне отдельных организационно-производственных звеньев структур кластера, а также CRM-системами (Customer Relationship Management), регламентирующими процессы управления в сфере взаимоотношений структур кластера с потребителями.
Важно было обеспечить, во-первых, совместимость этих систем, а во-вторых, информационную безопасность и надежность их функционирования. Это удалось сделать благодаря применению рассмотренного нами в статье инструментария. Так, для решения первой задачи привлекались инструменты реверс-инжиниринга программного обеспечения. Вторая задача решалась с использованием таких инструментов, как обфускация, мутация и выделение критических участков кода в отдельные модули, а также рандомизация кода и работа в защищенных средах выполнения программных приложений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Баранов В.В. Система разработки прикладного программного обеспечения с использованием языка высокого уровня. / В.В. Баранов, А.А. Звонарев, К.Чжао // Вестник Вологодского государственного университета. Серия: Технические науки, № 2 (4), 2019 - с. 27 - 30.
2. Вартанов С.П. Применение статической инструментации байт-кода языка Java для динамического анализа программ. /С.П. Вартанов, М.К. Ермаков // Труды ИСП РАН. - 2015. - 1. - С. 25 - 38.
3. Машиностроительный кластер РТ: Значимые проекты. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.opzt.m/sites/default/files/files/vopros_8_-_mayorov_s.v._znacMmye_proekty_innovacionno-proizvodstvennogo_centra_innokam.pdf. (дата обращения 27.11.2019).
4. Стратегия развития ИТ-инфраструктуры Камского инновационного территориально-производственного кластера [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.kamaklaster.ru/file/i_ pic/doc-kl/it-kl/Strategy.pdf. (дата обращения 27.11.2019).
5. Страуструп Б. Дизайн и эволюция языка C++. / Б. Страуструп // М.: ДМК Пресс, 2014. - 448 с.
6. Тарнавский Ю. Основы реверс-инжиниринга .Net-приложений. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://s3r.ru/2012/10/bez-rubriki/basics_dot_net_reversing/.(дата обращения 27.11.2019).
7. Юричев Д. Reverse Engineering для начинающих (Понимание языка ассемблера) [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://beginners.re/RE4B-RU.pdf/ (дата обращения 27.11.2019).
