Основы теории надежности систем защиты информации

МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «МИРЭА – Российский технологический университет» РТУ МИРЭА ЛЕКЦИЯ №1 по дисциплине Основы теории надежности систем защиты информации (наименование дисциплины (модуля) в соответствии с учебным планом) Уровень бакалавриат (бакалавриат, магистратура, специалитет) Форма обучения очная (очная, очно-заочная, заочная) Направление(-я) подготовки 10.03.01 «Информационная безопасность» (код(-ы) и наименование(-я)) Институт комплексной безопасности и специального приборостроения (ИКБСП) (полное и краткое наименование) Кафедра Защита информации (КБ-1) (полное и краткое наименование кафедры, реализующей дисциплину (модуль)) Лектор к.т.н., доцент Кадомкин Виктор Викторович (сокращенно – ученая степень, ученое звание; полностью – ФИО) Используются в данной редакции с учебного года 2020/21 (учебный год цифрами) Проверено и согласовано «____» ________2020 г. (подпись директора Института/Филиала с расшифровкой) Москва 2020 г. Тема 1. Введение. Надежность технических средств План Введение – до 10 мин. 1. показать актуальность темы; 2. довести целевую установку через основные положения лекции; 3. охарактеризовать место и значение данной темы в курсе; 4. описать обстановку, в которой разрабатывалась данная проблема и ее практические реализации; 5. дать обзор важнейших источников, монографий, литературы по теме; 6. вскрыть особенности изучения студентами материала по рассматриваемой проблеме. Основная часть 1. Общие сведения 2. Основные понятия теории надежности 3. Классификация и причины возникновения отказов 4. Показатели надежности невосстанавливаемых объектов Заключение – до 5 мин Возможное содержание и методические рекомендации: ─ обобщить наиболее важные, существенные вопросы лекции; ─ сформулировать общие выводы; ─ поставить задачи для самостоятельной работы; ─ ответить на вопросы студентов. Литература а) основная литература: 1. Богатырев В.А. Информационные системы и технологии. Теория надежности. Учебное пособие для бакалавриата и магистратуры. М.: Изд. «Юрайт»,2019.318c. 2. Муромцев Д.Ю., Тюрин И.В., Белоусов О.А., Курносов Р.Ю. Надежность радиоэлектронных средств: учебное пособие. Изд. "Лань", 2019.88c. 3. Березкин Е.Ф. Надежность и техническая диагностика систем: учебное пособие . Изд. «Лань»,2019.260c. 4. Сапожников В.В., Сапожников В.В., Ефанов Д.В. Основы теории надежности и технической диагностики: учебник Изд. «Лань»,2019.-588c. 5. ГОСТ 27.002-15 «Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения» 6. Кадомкин В.В., Журавлев, С.И., Трубиенко О.В. Расчет показателей надежности систем защиты информации. [Электронный ресурс] Учебно-методическое пособие / М.: МИРЭА – Российский технологический университет, 2019. 86с. б) дополнительная литература: 1. Половко А.М. Основы теории надежности : учебное пособие для .вузов / А. М. Половко, С. В. Гуров. — 2-е изд., перераб. и доп. СПб. : БХВ-Петербург, 2008. 702 с. 2. Половко А.М.Основы теории надежности : практикум : учебное пособие / А. М. Половко, С.В. Гуров. — СПб.: БХВ-Петербург, 2006.560 с. 3. Зубарев Ю.М. Математические основы управления качеством и надежностью изделий. Изд. "Лань",2017.-176c. 4. Тимошенков С.П., Симонов Б.М., Горошко В.Н. Основы теории надежности: учебник и практикум академичекого бакалавриата М.: Изд. «Юрайт»,2019.445c. 5. Дорохов А.Н., Керножицкий В.А., Миронов А.Н., Шестопалова О.Л. Обеспечение надежности сложных технических систем.- СПб.: Издательство «Лань», 2017. - 352с. 6. Математические методы в теории надежности и эффективности/Под ред. Б. В. Гнеденко.-М.: Машиностроение, 1987.-280 с. Текст лекции 1.1. Общие сведения Современный мир трудно представить без технических средств (ТС) различного назначения ( в том числе вычислительной техники, средств контроля и управления, средств хранения и передачи данных и др.) и их широкое применение в производственных процессах и сфере управления приводит к необходимости оценки эффективности применения ТС (рис.1). Эффективность использования ТС неразрывно связано с их способностью качественно выполнять возложенные на них функции в любой текущий момент времени. При эксплуатации ТС возможен появление неисправностей или эксплуатация ТС в режимах не соответствующим оптимальным, что снижается качество их работы, возникают вынужденные простои в их работе или уменьшается производительность и увеличивается время выполнения типовых операций в ТС. Это приводит к необходимости выполнения профилактических и ремонтных работ для восстановления начального уровня работоспособности ТС и выполнения требований и условий по параметрам рабочих процессов ТС и их технических характеристик. В современном мире промышленные предприятия являются производства, использующие сложное высокоэнергетическое оборудование. Для обеспечения высоких экономических показателей отдельных технических средств режимы их эксплуатации выбираются достаточно близкими к предельным, после превышения которых возможен выход из строя как отдельного технического средства, так и системы, в состав которой включено данное техническое средство. Техническа я система (объект) Эффективно сть системы (Качество) Безопасност риск Технико- риски Экологический индивидуальные (объекта) Социальный и (объекта) Рентабельность ь системы Прибыль сть системы Себестоимость ость Долговечность Ремонтопригодн Безотказность системы (объекта) Экономично Рис.1.1. Оценки эффективности технических систем экономический риск Надежность Это приводит к необходимости проведения анализа как индивидуальных рисков для лиц, занятых обслуживанием ТС или находящихся в непосредственной близости от него, так и социальных, технико-экономических и экологических рисков. При нарушении заданных условий эксплуатации ТС может приводить к авариям, последствия которых по масштабам и действиям сравнимы с природными катастрофами и последствиями военных действий с применением современного оружия: 1. Утечка ядовитых газов на химическом комбинате в Бхопале (Индия,1984); 2. Разрушение четвертого блока Чернобыльской АЭС (1986); 3. Авария на Саяно-Шушенской ГЭС (2009); 4. Авария на АЭС «Фукусима» в Японии (2011); 5. Выход из строя энергосистемы в Венесуэле(2019). Техногенные катастрофы приводят к многочисленным человеческим жертвам, радиоактивному заражению территорий, экономическими потерями, соизмеримыми с государственным бюджетом. Техногенные катастрофы - показали, что проблема обеспечения безопасной и эффективной эксплуатации сложных систем еще далека от своего решения. Причинами техногенных чрезвычайных ситуаций являются, с одной стороны, моральный технологического и высокий оборудования, так физический и резкое износ основного снижение уровня производственной и технологической дисциплины, грубое нарушение требований промышленной безопасности при эксплуатации оборудования, механизмов и машин, невыполнение нормативных требований профилактических осмотров и планово-предупредительных ремонтов. Существенный вклад в аварийность вносит и конструктивное несовершенство используемого оборудования. Недостаточная надежность технических систем приводит к простою оборудования, огромным затратам на ремонт, а зачастую и к авариям с большими экономическими потерями, разрушением крупных объектов и человеческими жертвами. При этом безопасность, т.е. защищенность объекта и персонала от каких-либо негативных явлений или событий, тесно связана с надежностью отдельных элементов оборудования и объекта (системы) в целом. Высокая энергонасыщенность современных производств и возможности использования в производствах разнообразных химически и термически активных материалов в таких количествах и объемах, что они стали угрожать жизни и здоровью людей и окружающей среде. Это требует принятия специальных мер по управлению технологическими процессами путем введения многоступенчатой системы контроля за параметрами рабочих процессов, развитой системы управления протекающими процессами, введения программных средств для прогнозирования развития рабочих процессов и принятия решений по управлению технологическими процессами. Управление оборудованием в современном производстве выполняется с помощью программного обеспечения, как входящего в состав данного оборудование, так и внешнего по отношения основному оборудованию программного обеспечения из состава, и надежность информационных систем и средств защиты информации являются одним из основных факторов, определяющих надежность технических систем в целом. Отдельно следует рассмотреть вопрос о хранении и использовании данных о "жизненном цикле" подобных аварийно-опасных технических средств. Несанкционированный доступ в базам данных "жизненного цикла" технического средства и изменение "злоумышленниками" отдельных показателей в базе данных, например, "остаточного ресурса изделия". могут привести к несвоевременному выполнению необходимых регламентных работ и созданию в технической эксплуатации и возникновению отказов. системе "критических" условий 1.2.Надежность технических средств Для предупреждения возникновения и развития внештатных ситуаций необходимы знания о сущности надежности технических объектов и систем, что привело к появлению понятия надежности машин и других технических средств. Понятие надежности связано со способностью технического средства выполнять возложенные на него функции в течение требуемого времени и с требуемым качеством. С первых шагов развития техники стояла задача сделать техническое устройство таким, чтобы оно работало надежно. С развитием и усложнением техники усложнялась и развивалась проблема ее надежности. Для решения ее потребовалась разработка научных основ нового научного направления – науки о надежности. Надежность характеризует качество технического средства. Качество – совокупность свойств, определяющих пригодность изделия к использованию по назначению и его потребительские свойства. Надежность – это комплексное свойство технического объекта, которое состоит в его способности выполнять заданные функции, сохраняя свои основные характеристики в установленных пределах в условиях применения, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования. Понятие надежности включает в себя безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохранность. Причем понятие «надежность» относится не только к ТС, но и к системам человек-машина, управляющим системам, системам защиты и подразумевает сохранение состояние любого объекта в безопасном состоянии, что возможно либо при полном отсутствии негативного воздействия опасностей, либо при условии, когда действующие на объект опасности снижены до допустимых уровней воздействия и не приводят к отказу. Отказ характеризуется количественной величиной - вероятностью отказа и может быть определен на результатам статистической обработки результатов или по расчетным соотношениям для вероятностной модели. Предмет исследования науки по надежности – это изучение причин, вызывающих отказы объектов, определение закономерностей, которым они подчиняются, разработка способов количественного измерения надежности, методов расчета и испытаний, разработка путей и средств повышения надежности. Различают общую теорию надежности и прикладные теории надежности. Общая теория надежности имеет три составляющие:  Математическая теория надежности. Определяет математические закономерности, которым подчиняются отказы и методы количественного измерения надежности, а также инженерные расчеты показателей надежности.  Статистическая теория надежности. Обработка статистической информации о надежности. Статистические характеристики надежности и закономерности отказов.  Физическая теория надежности. Исследование физико-химических процессов, физических причин отказов, влияния старения и прочности материалов на надежность. Надежность связана с эффективностью (например, с экономической эффективностью) техники. Недостаточная надежность технического средства приводит к:  снижение производительности, связанная с простоями в следствии неисправностей;  снижение качества результатов использования технического средства из-за ухудшения его технических характеристик в следствии неисправностей;  затраты на ремонты технического средства;  нарушение гарантированного срока получения результата и потеря регулярности получения результата;  снижение уровня безопасности использования технического средства. 1.3.Жизненный цикл технической системы и надежность Любой технический объект характеризуется жизненным циклом. Жизненный цикл объекта состоит из ряда стадий: проектирование объекта, изготовление объекта, эксплуатация объекта. Каждая из этих стадий жизненного цикла влияет на надежность изделия. На стадии проектирования объекта закладываются основы его надежности. На надежность объекта влияют: выбор материалов (прочность материалов, износостойкость материалов), запасы прочности деталей и конструкции в целом, удобство сборки и разборки (определяет трудоемкость последующих ремонтов), механическая и тепловая напряженность конструктивных элементов, резервирование важнейших или наименее надежных элементов и другие меры. На стадии изготовления надежность определяется выбором технологии производства, соблюдением технологических допусков, качеством обработки сопрягаемых поверхностей, качеством используемых материалов, тщательностью сборки и регулировки. На стадии проектирования и изготовления определяются конструктивно- технологические факторы, влияющие на надежность объекта. Действие этих факторов выявляется на стадии эксплуатации объекта. Кроме того, на этой стадии жизненного цикла объекта на его надежность влияют и эксплуатационные факторы. Эксплуатация оказывает решающее влияние на надежность объектов, особенно сложных. Надежность объекта при эксплуатации обеспечивается путем:  соблюдение условий и режимов эксплуатации (нагрузочные режимы, температурные режимы и др.);  проведение периодических технических обслуживаний с целью выявления и устранения возникающих неполадок и поддержания объекта в работоспособном состоянии;  систематическая диагностика состояния объекта, выявление и предупреждение отказов, снижение вредных последствий отказов;  проведение профилактического восстановительного ремонта. Основной причиной снижения надежности в процессе эксплуатации являются износ и старение компонентов объекта. Износ ТС в информационных системах связан с изменением геометрических размеров и характеристик ( например: толщины и электропроводности защитного лакового или компаундного слоя печатных плат, антикоррозионного покрытие контактных термоинтерфейсов групп, теплопроводящих процессоров и свойств контроллеров), параметров нарушению работоспособности, поломкам, снижению прочности и т.д. Старение приводит влекущему к изменению поломки физико-механических или отказы свойств (высыхание материалов, электролитических конденсаторов, растрескивание защитного покрытия резисторов, усыхание и растрескивание пластика и т.д.. На рис.1.2 представлена в графической форме зависимость интенсивности отказов ТС в период эксплуатации. Под интенсивностью отказов понимается частота отказов ТС, находящегося в рабочем состоянии. 1 2 3 Рис.1.2. Изменение интенсивности отказов ТС в течении жизненного цикла. 1-период приработки; 2- период нормальной работы; 3- период старения В период приработки надежность определяется конструктивнотехнологическими факторами, что приводит к повышенной интенсивности отказов, по мере их выявления и устранения надежность ТС возрастает, интенсивность отказов уменьшается и приходит к номинальному значению, который и будет сохраняться достаточно длительное время в периоде tн нормальной эксплуатации. Тем не менее, при длительной эксплуатации в ТС выполняется накопление воздействия факторов износа и усталости, которые и приведут к увеличению интенсивность отказов, и как следствие ускоренному старению и деградации ТС с переходом его в предельное состояние и последующее снятие с эксплуатации. Такими факторами накопления при отсутствии дефектов изготовления и соблюдении правил эксплуатации могут быть изменение внешних условий, изменение регулируемых параметров рабочего процесса в ТС, временные характеристики ТС при регулировании и изменении режимов работы и т.д.. К отказам оборудования приводят различные причины. Для удобства анализа отказы можно условно разделить на три вида:  механические (вызванные работоспособности коррозии, оборудования поломок оборудования, нарушением деталей, возникновения механической вследствие нарушения изнашивания, формы недопустимых элементов сопутствующих процессов - утечки и протечки технологической среды, и др.);  технологические (вызванные нарушением хода процесса, выполняемом ТС);  обусловленные изготовлении ошибками или (нарушениями) разработке ТС дисциплины и культуры производства). при (уровень эксплуатации, технологической Таким образом, безопасность эксплуатации ТС зависит от надежности работы используемого оборудования, а также от надежности управления данным процессом, а надежность работы каждой единицы ТС, в свою очередь, зависит как от надежности его эксплуатации, так и от качества его проектирования и изготовления. Надежность и безопасность технических систем являются, с одной стороны, самостоятельными свойствами, входящими в понятие «качество», а с другой стороны - достаточно близкими друг к другу. Наибольшая степень сближения этих свойств происходит в том случае, когда в виде угрозы безопасному состоянию технических систем выступает отказ критичного элемента, который обусловлен только естественным расходом технического ресурса. Такой отказ при отсутствии соответствующих мер защиты может стать опасным, т.к. отказ может приводить к дальнейшему негативному развитию событий с точки зрения их опасности для людей и окружающей среды. Для этой оценки в настоящее время понятие надежности связывают с таким показателем, как риск, объединяющий вероятностную составляющую нежелательного события и характеристику его последствий. Проблемы надежности промышленного оборудования напрямую связываются с проблемами промышленной безопасности, уменьшения риска аварий и катастроф, которые сегодня имеют особую актуальность. Такая зависимость уже на стадии проектирования производственных объектов позволяет выявлять возможные проявления опасных производственных факторов, определять возможные источники опасности и оценивать риски возникновения и развития аварий. Знание условий появления и предупреждения неисправностей, которые могут стать причинами отказов и аварий на технологических объектах, необходимо для корректного моделирования соответствующих процессов с целью прогноза и снижения техногенного риска. Отказы носят вероятностный характер и влияния неисправностей в компонентах системы, приводящие к ее отказу системы и исследуются в теории надежности. Под термином «надежность» понимают свойство системы выполнять все возложенные на нее функции при определенных условиях эксплуатации в течение заданного времени с сохранением значений основных параметров в заранее установленных пределах. Применительно к автоматизированным системам это надежностью определение называют можно способность дополнить системы следующим выполнять образом: множество заданных алгоритмов переработки информации с заданной достоверностью. 1.4.Развития теории надежности В проблематике надежности можно выделить следующие основные вопросы, представляющие непосредственный интерес для ее изучения: количественные критерии надежности элементов и систем; методы инженерного расчета надежности аппаратуры; обоснование требований к надежности; анализ факторов, влияющих на надежность, и причин появления отказов; пути повышения надежности аппаратуры; научные методы организации эксплуатации аппаратуры с учетом ее надежности. На рис. 1.3 приведены кривые, определяющие стоимость разработки в зависимости от своевременности организации работы по обеспечению надежности. Например, кривая 1 показывает, что суммарная стоимость сильно возрастает в связи с тем, что расходы, связанные с повышением надежности, произведены на последней стадии, когда изделие забраковано потребителем как неудовлетворяющее техническим условиям. При этом расходы значительно превышают сумму намеченных ассигнований, так как проводятся дополнительные работы по переделкам и изменениям. Кривая 2 показывает, что стоимость изготовления аппаратуры также превышает сумму намеченных ассигнований, так как после выпуска изделия приходится прибегать к изменениям схем. При выполнении условий обеспечения надежности на первых проектирования изделий в последующем сократить затраты на отработку изделий и систем на последующих стадиях проектирования (кривые 3 и 4). Обеспечение надежности сложных технических систем - это большая и сложная работа, которая выполняется на всех этапах их проектирования. Рис.1.3. Изменение стоимость проектируемого изделия на различных этапах реализации проекта при различных вариантах начала работ по надежности. I - этап планирования; II - эскизное проектирование; III - техническое проектирование; IV - передача в производство; V – внедрение Теория надежности позволяет принять при проектировании систем обоснованные решения по формированию состава и взаимосвязей в системе, введению необходимого резервирования и выбор вида резервирования, формированию системы мониторинга состояния объекта и условий его восстановления. Задачей теория надежности является выполнение одной из следующих задач:  Создание системы с минимальной стоимостью при заданных в ТЗ основных характеристиках и надежности;  Создание системы с максимальной надежностью при заданных в ТЗ основных характеристиках и заданной стоимости.