CC BY
32
A MODEL OF NETWORK ATTACKS TYPE XSS AND SQL INJECTION TO WEB RESOURCES, TAKING INTO ACCOUNT THE DIFFERENT LEVELS OF DIFFICULTY OF THEIR IMPLEMENTATION
M.M. Dobryshin, D.E. Shugurov, D.L. Belyev
Currently, the growth in the number of computer attacks on information resources of both the public and private sectors is obvious, which is confirmed by statistics from leading companies specializing in information security. In this case, a natural question arises about the possibility of reducing the risks of damage from computer attacks on information resources and / or excluding the possibility of their implementation. To this end, as part of the search for solutions, the article presents a model of network attacks such as XSS and SQL injection, which makes it possible to take into account the different levels of complexity of their implementation, and to identify new functional dependencies that can be taken into account by researchers and developers of tools for active and passive testing of web resources.
Key words: computer attacks, XXS attack, SQL injection, web resources, security.
Dobryshin Michael Mihajlovich, candidate of technical sciences, employee, Do-brithin@ya.ru, Russia, Oryol, The Academy of FSO of Russia,
Shugurov Dmitry Evgenievich, candidate of technical sciences, employee, sde33@academ. msk. rsnet. ru, Russia, Oryol, The Academy of FSO of Russia,
Belyev Dmitry Leonidovich, employee, bdl33@,academ. msk. rsnet. ru, Russia, Oryol, The Academy of FSO of Russia
УДК 004.7
ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ АВИАЦИОННЫХ БИУС ЗА СЧЕТ РЕКОНФИГУРАЦИИ
Н.И. Сельвесюк, Э.В. Мельник, Г.А. Платошин, А.Ю. Таранов
В настоящей статье рассмотрена проблематика разработки и практического применения алгоритмов для создания реконфигурируемых вычислительных сетей применительно к использованию в бортовых авиационных вычислительных системах. Показано, что имеющиеся наработки в данной области могут являться базой для разработок по указанной теме. Выполнен анализ применимости современных перспективных сетевых интерфейсов взаимодействия в рамках бортовых систем. Показана перспективность проведения дальнейших разработок в указанном направлении.
Ключевые слова: авиация, реконфигурация, вычислительные сети, управляющие системы, агенты, алгоритмы.
Системы управления современных летательных аппаратов (ЛА) проектируются с использованием концепции распределенной модульной электроники (РМЭ) [1]. Архитектуры на основе РМЭ характеризуется увеличенным числом функций и повышенной степенью интегрированности системы. Бортовые информационно-управляющие системы (БИУС) на базе РМЭ являются основой систем управления современными ЛА. Задачи, которые возлагаются на такие системы, выполняются с принятием решений в реальном времени, что обуславливается спецификой применения БИУС. Кроме этого, к подобным системам предъявляются повышенные требования
по надежности, связанные с непрерывностью процесса функционирования. При этом БИУС должна быть в состоянии разрешать нештатные ситуации, которые могут произойти в процессе ее работы [2].
Подходы к повышению надежности бортовых вычислительных систем за счет применения реконфигурации. Так как надежность отдельных элементов вычислительных систем в настоящее время приближена к максимуму и не имеет существенного запаса для большего увеличения, проблема дальнейшего повышения надежности в критических системах решается, в основном, за счет реализации отказоустойчивости с применением структурного резервирования. Применяются три основные схемы резервирования:
- системы с общесистемным резервированием (система имеет одну или несколько «копий», которые включаются в работу при отказе системы),
- системы с поэлементным резервированием (каждый узел системы имеет одну или несколько «копий», которые включаются в работу при отказе данного узла),
- скользящее резервирование (все узлы системы разделены на основные и резервные, которые заменяют собой основные в случае выхода последних из строя).
При этом системы с общесистемным резервированием и с поэлементным резервированием, в некотором роде, можно рассматривать как различные вариации одного и того же подхода, который является менее эффективным по сравнению со скользящим резервированием [3].
В работах, которые проводятся в настоящее время, исследуется вариант с резервированием производительности (способ предполагает использование всех имеющихся узлов, как для решения задачи управления, так и для поддержания требуемого уровня готовности для «подхвата» задач с отказавших узлов, то есть вся вычислительная нагрузка, связанная с решением задачи управления и поддержанием резерва в готовности, равномерно распределяется между всеми узлами системы, которые при этом являются в достаточной степени унифицированными).
Современные управляющие системы в области авиации строится на концепции применения распределенных модульных систем на базе унифицированных быстросменных конструктивно-функциональных модулей, архитектура которых характеризуется большой функциональностью и высокой степенью интегрированности. Для обеспечения повышенного уровня безопасности, равно как и для удешевления обслуживания, является необходимым проектирование и дальнейшее применение систем, обладающих возможностью проведения реконфигурации, которая может позволить как проводить парирование отказов части или частей бортовой системы, повышая общий уровень безопасности, так и применять унифицированные модули, снижая стоимость самой системы и стоимость ее эксплуатации.
Рассмотрим упрощенный пример вычислительной системы и варианты поддержания ее работоспособности в случае отказа ее частей в следующих случаях: система с общесистемным резервированием, использование скользящего резервирования и применение резервирования производительности.
Предположим, что у нас имеется 5 вычислительных узлов (ВУ1 — ВУ5), соединенных общей коммуникационной сетью с коммутатором (К) (см. рис. 1). Пусть при этом узлы обеспечивают работу вычислительных задач (Задача 1 — Задача 5), информационный граф которых представляет собой последовательную передачу данных от задачи i к задаче i+1 (т. е. обработка данных является конвейерной, когда Задача 1 передает результаты своей работы Задаче 2, Задача 2 — Задаче 3 и т. д.) (см. рис. 2).
В случае выхода из строя одного из узлов вычислительной системы (например, ВУ3), для поддержания ее работоспособности требуется вернуть к работе утраченную при возникновении отказа задачу (в примере это Задача 3). При использовании системы с общесистемным резервированием, это действие осуществляется за счет задействования имеющегося резерва (фактически — копии вычислительной системы, которая находится в состоянии ненагруженного резерва до момента обнаружения отказа и перевода этой копии в активное состояние) (см. рис. 3).
Рис. 1. Пример вычислительной системы
Рис. 2. Пример графа информационного взаимодействия задач
Рис. 3. Парирование единичного отказа (отказузла ВУЗ) в вычислительной системе с общесистемным резервированием
При использовании метода скользящего резервирования в систему вводится дополнительный узел (или узлы, при парировании множественных отказов), способный заменить собой аварийный узел (см. рис. 4).
Использование метода резервирования производительности, когда каждый из вычислительных узлов системы обладает большей производительностью и способен взять на себя дополнительную вычислительную нагрузку (задачу), позволяет парировать отказ без введения дополнительных узлов в системы (см. рис. 5).
Надежность рассматриваемого примера вычислительной системы для каждого из представленных вариантов можно оценить при помощи формулы Бернулли [4]. Если взять в качестве примера более сложную систему (например, из 6 узлов), то при РПУ=0,7 вероятности безотказной работы для каждого из вариантов системы будут равны, соответственно -0,568 (для системы с общесистемным резервированием), -0,552 (для скользящего резервирования) и -0,744 (для резервирования производительности) [3]. Соответственно, можно сделать выводы о том, что:
- подход к повышению надежности за счет резервной (избыточной) производительности узлов системы в общем случае применим,
- метод резервирования производительности является наиболее эффективным как в плане обеспечения повышенной надежности, так и в плане повышения ценовой эффективности решения задачи построения БИУС.
ВУ1 ВУ2
Задача1 Задача2
ВУ5 Задачаб к X
ВУ4 V вуб
ЗадачаД ЗадачаЗ
Рис. 4. Парирование единичного отказа (узел ВУЗ) в системе со скользящим резервированием (резервный узел — ВУ6)
Рис. 5. Парирование отказа (узел ВУЗ) в системе с резервированием производительности (роль резервного узла выполняет ВУ4)
При рассмотрении применения реконфигурируемых систем так же стоит отметить, что:
- применение метода резервирования производительности в реконфигурируемых системах требует использовать более производительные (т. е. более дорогостоящие) вычислительные узлы, однако, в общем случае увеличение вычислительной мощности процессора в N раз вызывает увеличение его стоимости только в М раз (при этом М<Н),
- применение метода резервирования производительности в реконфигурируе-мых вычислительных системах позволяет применять чуть менее надежные компоненты для создания вычислительной системы с аналогичными требованиями по надежности (снижая общую стоимость системы); при использовании аналогичных по стоимости и надежности компонентов, имеется возможность получать более надежную систему,
- при использовании резервирования производительности несколько усложняются процедуры реконфигурации вычислительных узлов и коммуникационной среды.
Практические аспекты реализации современных бортовых вычислительных систем. В настоящее время имеются разработки в области создания реконфигурируемых БИУС, базирующихся на мультиагентном подходе [2]. Созданы алгоритмы, позволяющие проектировать системы, реконфигурируемые на уровне вычислительных
узлов - коммуникационная сеть при этом считается нереконфигурируемой, но позволяющей поддерживать связь между всеми своими абонентами (например, за счет заранее созданных избыточных связей).
Так как одной из важнейших частей архитектуры РМЭ являются интерфейсы взаимодействия внутри системы, имеет смысл не ограничивать реконфигурируемость только вычислительными модулями, а распространить данную концепцию и на коммуникационную среду (сеть), объединяющую модули в единую систему. Данный подход позволяет сделать бортовую вычислительную сеть более простой (с учетом реализации функции реконфигурирования), однако при этом требуются определенные доработки ее аппаратной части. В частности, необходима разработка сетевых коммутаторов, поддерживающих работу в режимах с реконфигурацией.
Современные коммутаторы, применяемые в авиастроении, используются в соответствии с концепцией «конфигурация-применение», когда все параметры работы (в первую очередь — маршрутная таблица, в соответствии с которой проводится коммутация пакетов данных между абонентами) задаются до начала работы («конфигурация») и далее используются безо всяких изменений («применение»).
Проблема проектирования реконфигурируемых сетевых коммутаторов, в основном, заключается в том, что требуется расширить их функционал в плане возможности смены маршрутных таблиц, то есть перейти к концепции «конфигурация-применение-реконфигурация-применение», когда после обнаружения отказа какой-либо части бортовой системы проводится реконфигурация с перераспределением ролей работоспособных вычислительных модулей и, соответственно, изменение информационных потоков между ними. Далее система снова переходит в режим штатной работы (повторное «применение»).
В настоящее время в авиационной промышленности сложились определенные устоявшиеся принципы проектирования бортовых вычислительных систем и определяющим принципом построения таких систем, как уже упоминалась выше, является надежность. Одним из способов ее обеспечения является предпроверяемость применяемых решений: все данные, которые используются БИУС для своего функционирования, должны быть заданы до начала ее работы. К числу таких данных относятся, в том числе, и параметры вычислительной сети, например, конфигурация межсистемного интерфейса.
В современных ЛА, в качестве межсистемного интерфейса используется интерфейс ARINC 664. Ведущие мировые авиационные компании, такие как Thaïes и Airbus, исследуют вопросы унификации бортовых интерфейсов и проектирования бортовой архитектуры информационно-вычислительной сети используя однородный интерфейс, создания интегрированной коммуникационной среды для разных типов передаваемых данных, команд, сигналов. Подобный подход позволит упростить бортовую сеть, удешевить ее и понизить вычислительную нагрузку. В качестве перспективных интерфейсов рассматриваются синхронные IEEE802.1 и SAE AS6802, асинхронные AFDX (AFDX+, uAFDX).
Группа стандартов ARINC 664 разработана и запатентована компанией Airbus [5]. ARINC 664, наиболее известен как AFDX (Avionics Full-Duplex Switched Ethernet), является адаптацией повсеместно используемого IEEE 802.3 для авиационной отрасли.
Основное описание интерфейса содержится в стандартах ARINC 664 p7, p2. Однако для полноценной разработки необходимо ознакомление и со стандартами ARINC 664 p1-p8, ARINC 653 p1-p4 и ARINC 615A.
ARINC 664 применяется на современных гражданских и военных летательных аппаратах, таких как Airbus (A380/A350/A400M), Boeing (787 Dreamliner), COMAC (ARJ21), Sukhoi Super Jet 100 [6], Agusta Westland (AW101, AW149, AW169, AH64), Bombardier (Global Express, CSeries), Иркут МС-21 [7].
Пропускная способность AFDX 10/100 Мбит/с может быть достигнута как в медной среде передачи данных, так и в оптической (A380, B787). Основная топология сети AFDX — двойная звезда (см. рис. 6). Это классическая звездообразная архи-
тектура с резервированием каналов методом дублирования. Таким образом, сеть ARINC 664 состоит из оконечных устройств (End Systems, ES) и коммутаторов (Switch, SW).
AFDX полностью поддерживает физический уровень стандарта IEEE 802.3. Благодаря широкому распространению, цена на микросхемы PHY Ethernet может составлять несколько долларов.
Рис. 6. Топология сети AFDX
Основная идея интерфейса AFDX заключается в разделении пропускной способности физической линии по виртуальным каналам, которые связанны с приложениями (авиационными системами) при помощи портов (ARINC 653). Количество виртуальных каналов определяет разработчик сети. Стандартом количество виртуальных каналов (virtual links, VL) ограничено 65535, однако на практике оно принимает значения от 128 до 2048. Каждый виртуальный канал имеет свою выделенную пропускную способность, которая зависит от величины BAG (Bandwidth Allocation Gap — время, через которое может быть отправлено следующее сообщение) и максимального размера пакета (см. рис. 7). При разработке сети проверяется, что суммарная пропускная способность виртуальных каналов не превышает максимальную пропускную способность физической линии.
BAG
X
BAG
->Ч
BAG
Max. Jitter ^
^ Max. Jitter ^
Frame
^ Max. Jitter ^
Frame
Frame
0 < Jitter < Max Jitter = 0 Jitter = Max
Рис. 7. Характеристики виртуального канала
Сам интерфейс использует алгоритм ATM (Asynchronous Transfer Mode), являясь, таким образом, асинхронным интерфейсом. Однако, благодаря жестко заданным правилам, использование AFDX гарантирует, что при передаче данных, максимальная задержка пакета (jitter, фазовое дрожание) не превышает 500 микросекунд.
Коммутатор выполняет функцию фильтрации, используя алгоритм Token Bucket Algorithm (алгоритм маркерной корзины). Данный алгоритм гарантирует передачу данных по всем VL, даже если какие-то оконечные устройства работают некорректно.
Компанией Thales, совместно с Airbus прорабатываются варианты развития
AFDX:
1) uAFDX — для замены ARINC 429 и ARINC 825 [7]. В отличие от AFDX, оконечные устройства uAFDX могут иметь только 1 виртуальный канал и логически ограничены пропускной способность в 10 Мбит/с. Данное решение продиктовано необходимостью сократить размеры и стоимость оборудования.
2) AFDX+ — для замены ARINC 818 [7].
AFDX и AFDX+ практически идентичны. Оба интерфейса асинхронные и построены по топологии двойная звезда. Сеть состоит из оконечных устройств, соединенных с коммутаторами полнодуплексным соединением. AFDX+ имеет увеличенную пропускную способность 10 Гбит/с и выше.
Стандарт SAE AS6802 — TTEthernet (Time-triggered ethernet), разработан компанией TTTech и выпущен SAE International в 2011 году. В настоящее время используется в проектах Sikorsky (S-97 Raider [8]), NASA и ESA (для связи между Orion MPCV и European Service Module [9], Lunar Gateway, Ariane 6).
Time-Triggered protocol, на котором основам TTEthernet, давно используется в авиации, сертифицирован по DAL A и имеет более 500 миллионов часов налета. Используется на изделиях Airbus (A220, A380), Boeing (B787), Aermacchi (M346) и Lockheed Martin (F-16) [8].
TTEthernet основывается на той же технологии Ethernet, что и AFDX, однако стандарт TTEthernet позволяет развернуть сеть с детерминированной доставкой, для которой можно точно рассчитать время. Это достигается тем, что каждый абонент производит передачу данных только в строго отведённое ему время. Для ликвидации одновременной передачи в сеть нескольких абонентов на границе временных интервалов, предусмотрен протокол временной синхронизации абонентов сети TTEthernet. В связи с этим, время прохождения пакета через сетевой узел будет равно технологической задержке оборудования. Архитектура такой сети представляет собой звездообразную коммутирующую топологию, однако, по логике работы архитектура сети смежная с топологией шины. В отличие от AFDX, TTEthernet может работать с пропускной способностью в 1 Гбит/с.
Основным отличием сетей, работающих на стандарте AS 6802 является наличие сервера единого времени, который определяет точные промежутки времени обмена данными между абонентами сети. TTE коммутаторы с помощью сервера единого времени организуют передачу данных в соответствии с заранее утвержденным графиком и с минимально возможной задержкой. Когда в запланированное время передачи приходит сообщение от одного абонента другому, оно сразу же передается по сети, которая гарантированно будет свободной во время передачи. Благодаря этому TTEthernet позволяет гарантировать виртуальному каналу возможность передать критические данные в заданные моменты времени с запаздыванием не более 0,1 мс и латентностью 12,5 мкс на коммутатор.
Стандарт SAE AS 6802 поддерживает 3 типа сообщений (интерфейсов), формат которых идентичен Ethernet:
1) Time Triggered (TT) сообщения — отправляются по сети в определенное время и имеют приоритет по сравнению со всеми другими типам сообщения. Возникающие при передаче временные задержки, а также точность сообщений предопределены и гарантированы;
2) Rate Constrait (RC) сообщения — используются для случаев с менее строгим детерминизмом и требованиями в реальном времени. Эти сообщения гарантируют, что полоса пропускания предопределена для каждого случая, а для задержек и временных отклонений установлены допустимые пределы. RC-трафик основан на AFDX протоколе и предназначен для связи с менее жесткими временными требованиями;
3) Best Effort (BE) сообщения аналогичны сообщениям, используемым в классическом стандарте Ethernet. Они не дают никакой гарантии, когда эти сообщения могут быть переданы, какие задержки происходят и достигают ли сообщения получателя. BE-сообщения используют оставшуюся полосу пропускания сети и имеют низкий приоритет, они не имеют никаких гарантий по доставке пакета и временным задержкам.
Вышеуказанные перспективные интерфейсы взаимодействия в пределах бортовой вычислительной сети были подвергнуты всестороннему анализу, который показал, что для реализации реконфигурации вычислительной сети БИУС, потенциально, возможно применение любого из рассмотренных интерфейсов.
Заключение. В настоящей статье показано, что реконфигурация является эффективным способом повышения надежности бортовых вычислительных систем. В настоящее время уже созданы мультиагентные алгоритмы, которые за счет использования специализированного программного обеспечения (агентов), работающего на каждом из узлов системы, позволяют обнаруживать возникающие отказы, проводить согласование дальнейшего поведения работоспособных узлов и производить реконфигурацию, восстанавливая полную или частичную функциональность (в зависимости от заданных заранее — при проектировании системы — моделей поведения при тех или иных отказах) [10].
Так как коммуникационная среда (сеть), которая обеспечивает информационный обмен между частями (узлами) БИУС, является важным компонентом бортовой системы, целесообразно осуществлять так же и ее реконфигурацию. Для этого проведено сравнение и анализ имеющихся в настоящее время интерфейсов взаимодействия в рамках БИУС. Так же показана перспективность проведения дальнейших разработок в указанном направлении: в частности, в плане дальнейшего ведения исследований с целью создания реконфигурируемых сетевых коммутаторов, позволяющих осуществлять перестройку коммуникационной среды БИУС, что позволит производить реконфигурацию всей системы, а не только ее вычислительных узлов.
В соответствии с этим, в настоящее продолжаются работы, целью которых является создание алгоритмов реконфигурации коммуникационных бортовых вычислительных сетей и коммутаторов, работающих на их основе.
Список литературы
1. Федосов Е.А., Косьянчук В.В., Севельсюк Н.И. Интегрированная модульная авионика // Радиоэлектронные технологии. 2015. № 1. С. 66-71.
2. Мельник Э.В., Погорелов К.В., Таранов А.Ю., Ольшанский М.Ю., Альбиц-кий Д.В. Организация вычислительного процесса в реконфигурируемой мультиагент-ной бортовой информационно-управляющей системе жесткого реального времени // Материалы 6 всероссийской мультиконференции по проблемам управления (30 сентяб-ря-5 октября 2013г.). Материалы мультиконференции: в 4 т. Ростов-на-Дону: Изд-во Южного федерального университета, 2013. Т. 4. С. 62-65.
3. Каляев И.А., Мельник Э.В. Децентрализованные системы компьютерного управления. Ростов н/Д: Издательство ЮНЦ РАН, 2001. 196 с.
4. Формула Бернулли: Википедия. Свободная энциклопедия. [Электронный ресурс] URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Формула Бернулли (дата обращения: 18.01.2021).
5. Avionics Full-Duplex Switched Ethernet: Википедия. Свободная энциклопедия. [Электронный ресурс] URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Avionics Full-Duplex Switched _Ethernet (дата обращения: 18.01.2021).
6. AFDX®/ARINC664P7 Tutorial: Сайт AIMGmbH. [Электронный ресурс] URL: https://www.aim-online.com/products-overview/tutorials/afdx-arinc664p7-tutorial (дата обращения: 18.01.2021).
7. AFDX®/ARINC664P7 Tutorial: Сайт AIMGmbH. [Электронный ресурс] URL: https://www.aim-online.com/products-overview/tutorials/afdx-arinc664p7-tutorial (дата обращения: 18.01.2021).
8. Компания ТТТеЛ (Австрия): Сайт Avdsys. [Электронный ресурс] URL: http://www.avdsys.ru/tttech (дата обращения: 20.01.2021).
9. TTEthernet: Википедия. Свободная энциклопедия. [Электронный ресурс] URL: https://en.wikipedia.org/wiki/TTEthernet (дата обращения: 20.01.2021).
10. Программная модель для исследования эффективности новых методов и алгоритмов реконфигурации и восстановления РИУС: свидетельство о гос. регистрации прогр. для ЭВМ № 2014611613 Российская Федерация / Э.В. Мельник, М.Ю. Ольшан-
ский, А.Ю. Таранов, К.В. Погорелов, Д.В. Альбицкий; правообладатели: ФГУП «Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем», ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет». Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 06.02.2014; опубл. 20.03.2014.
Сельвесюк Николай Иванович, д-р техн. наук, профессор РАН, заместитель Генерального директора, nisagosniias.ru, Россия, Москва, Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем,
Мельник Эдуард Всеволодович, д-р техн. наук, заведующий лабораторией, evml 7a mail.ru, Россия, Таганрог, Научно-исследовательский институт многопроцессорных вычислительных систем им. акад. А.В. Каляева ЮФУ,
Платошин Георгий Александрович, начальник сектора, gaplatosh-in@2100.gosniias.ru, Россия, Москва, Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем,
Таранов Антон Юрьевич, младший научный сотрудник, mailfortexasamail.ru, Россия, Таганрог, Научно-исследовательский институт многопроцессорных вычислительных систем им. акад. А.В. Каляева ЮФУ
INCREASING THE RELIABILITY OF AIRCRAFT ONBOARD INFORMA TION AND CONTROL SYSTEMS THROUGH THE RECONFIGURATION
N.I. Selvesiuk, E.V. Melnik, G.A. Platoshin, A.Y. Taranov
Development and practical application of algorithms for creating reconfigurable computer networks as applied to the use in onboard aviation computer systems was considered in current article. It is shown that existing developments in this area can be used as basis for developments on the specified topic. The analysis of the applicability of modern promising network interfaces of interaction within the framework of onboard systems is carried out. The prospect for further developments in the indicated direction has been demonstrated.
Key words: aviation, reconfiguration, computer networks, control systems, agents, algorithms.
Selvesiuk Nikolay Ivanovich, doctor of technical sciences, professor of RAS, Deputy General Director, nisagosniias. ru, Russia, Moscow, State Research Institute of Aviation Systems,
Melnik Eduard Vsevolodovich, doctor of technical sciences, head of laboratory, evml 7amail.ru, Russia, Taganrog, Southern Federal University, Scientific Research Institute of Multiprocessor Computing Systems,
Platoshin Georgy Alexandrovich, head of sector, gaplatoshina 2100.gosniias.ru, Russia, Moscow, State Research Institute of Aviation Systems,
Taranov Anton Yurievich, junior researcher, mailfortexasa mail. ru, Russia, Taganrog, Southern Federal University, Scientific Research Institute of Multiprocessor Computing Systems
