1 семинар

ЭВМ (компьютеры)
предназначены для
выполнения программ
– различных (любых)
алгоритмов, описанных
на языках программирования
отличие от конечных автоматов в том, что компьютер исполняет «любые» программы (не только заранее определенные функции)
Компьютер – реализация идеи «Машины Тьюринга».

«Машина Тьюринга»
Машина Тьюринга – алгоритм – вычислимость
была предложена для формализации понятия алгоритма
является расширением конечного автомата;
абстрактный исполнитель (абстрактная вычислительная машина)
Любая задача может быть решена, если достаточно ресурсов (памяти и времени)

УВМ (СВТ, ПЭВМ)
частично (с конечной памятью) моделируют машину Тьюринга, давая псевдо неограниченные возможности и толкая на экстенсивный путь развития
не хватает памяти – добавим. Не хватает времени – увеличим тактовую частоту, количество ядер, виртуализируем ресурсы

Полнота по Тьюрингу
характеристика исполнителя (множества вычисляющих элементов) в теории вычислимостихарактеристика исполнителя (множества вычисляющих элементов) в теории вычислимости, означающая возможность реализовать на нём любую вычислимую функцию
c ограничениями (конечность памяти) на УМ можно моделировать МТ – УМ полные по Тьюрингу – должны выполнять элементарные операции, свойственные МТ

Самообучение УМ
УМ потенциально может
самообучаться;
недопустимо бесконтрольное самообучение контроллеров АСУ ТП АЭС, ж/д транспорта, непрерывных производств – для них применяют конечные автоматы (являются неполными по Тьюрингу);
Тест по Тьюрингу
Существует много задач, которые нужно решать не на универсальном, а на специализированном «исполнителе».

Уязвимость машины Тьюринга
УМ выполняет «любые» программы, значит, выполнит и вредоносную программу;
Универсальность обеспечивается архитектурой УМ;
уязвимость – оборотная сторона универсальности – МТ архитектурно уязвима;
все компьютеры потенциально уязвимы (плата за универсальность);

Уязвимость машины Тьюринга
Архитектуру нельзя изменить программным путем
Никакие программные средства не помогут защититься от хакеров надежно
Как же быть?

Уязвимость машины Тьюринга
Архитектуру нельзя изменить программным путем
Никакие программные средства не помогут защититься от хакеров надежно
Если уязвимость в архитектуре – то и совершенствовать нужно архитектуру.

Классические архитектуры
архитектура фон-Неймана (настольные компьютеры)
гарвардская архитектура (планшетные компьютеры и телефоны)

Принципы фон-Неймана организации вычислительного процесса (П1-П3)
Использование двоичной системы счисления в вычислительных машинах.
Программное управление ЭВМ. Работа ЭВМ контролируется программой, состоящей из набора команд. Команды выполняются последовательно.
Память компьютера используется не только для хранения данных, но и программ. При этом и команды программы и данные кодируются в двоичной системе, т.е. их способ записи одинаков. Поэтому в определенных ситуациях над командами можно выполнять те же действия, что и над данными.

Принципы фон-неймана организации вычислительного процесса (П4-П5)
Ячейки памяти ЭВМ имеют адреса, которые последовательно пронумерованы. В любой момент можно обратиться к любой ячейке памяти по ее адресу.
Возможность условного перехода в процессе выполнения программы. Несмотря на то, что команды выполняются последовательно, в программах можно реализовать возможность перехода к любому участку кода.

ЭВМ «Сетунь» (1958-61гг.)
нарушение П1 – троичная система счисления с коэффициентами (1, 0, -1) - возможно естественное представление натурального ряда чисел со знаком;
преимущество в скорости операций и их энергоемкости.
В сумматоре перенос в следующий разряд – в 8 ситуациях из 27 (в 4 из 8); умножение на -1 инвертирует множимое.

ЭВМ МИР-1 (1967г.)
нарушение П2, П3 – язык высокого уровня («Аналитик»), непосредственно исполняемый машиной;
разработчики реализовали все стандартные рекурсивные функции, включая их в состав языка;
пришлось добавить в язык оператор перехода.

Макроконвеер (1974г.)
нарушение П2, П3 – суть принципа макроконвейерной обработки данных:
ЭВМ содержит не один, а много процессоров,
и
каждому процессору на очередном шаге вычислений дается такое задание, которое позволяет ему длительное время работать автономно без взаимодействия с другими процессорами.

Аккорд-СБ
макроконвейерные многостековые сопроцессоры безопасности;
применялись для подписи и проверки на всех этапах обработки финансовых документов;
решали задачу увеличения производительности без использования ресурсов основной ЭВМ;
Принцип макроконвейера решил проблему медленной шины ЭВМ – вначале загружалась задача, перестраивалась архитектура вычислителя, потом отправлялась пачка данных, и пока они обрабатывались – в стек загружались следующие данные.

ЭВМ В5000 (1961 г.)
нарушение П2, П3 – двухпроцессорный компьютер с виртуальной памятью;
особенности:
адресация на основе дескрипторов (каждое слово содержит не только информационную, но и управляющую часть – тег элемента, что позволяет снизить количество ошибок);
использование языка высокого уровня (Алгол) как входного языка, контролируя операнды.

Важность идей, заложенных в ЭВМ В5000 и МИР
впервые опробован механизм динамического изменения структуры ЭВМ в соответствии с исполняемой программой и показано, что при разработке ЭВМ необходимо понимать, какие программы будут на ней исполняться;
создавая программное обеспечение, необходимо понимать архитектуру компьютера.

ЭВМ «Эльбрус» (1961 г.)
особенности – использование Алгола в качестве управляющего языка и теговая организация памяти;
отдельные операции могут выполняться независимо одна от другой, вычислительные ресурсы распределяются аппаратно.

ПС-2000 (1972-1975 г.)
многопроцессорная машина с одним потоком команд и многими потоками данных;
управление состоянием ПС-2000 осуществлялось ЭВМ СМ-2М.
ПС – «перестраиваемые структуры».

МВК ПС-3000 (1979г.)
в полной мере были реализованы идеи динамической перестраиваемости структуры;
основные архитектурные и структурные принципы организации:
динамическая перестраиваемость его структуры по текущим требованиям параллельных вычислительных процессов.
Перераспределение ресурсов осуществлялось как программно, так и аппаратно, оптимизируя структуру комплекса под текущую задачу.

Усовершенствование архитектуры компьютера
При разработке компьютера главное – понять, какая часть функций должна быть реализована аппаратно, а какая – программно:
в аппаратную часть нужно включать то, что: снижает стоимость, редко изменяется, расширяет возможности и используется постоянно
в процессе работы структура компьютера может динамически изменяться (структура на 1 этапе – конечный автомат, на 2 этапе – «универсальный исполнитель» по Тьюрингу)

Архитектура фон-Неймана
команды и данные не разделяются (передаются по единому общему каналу)

Гарвардская архитектура
предполагает наличие разных каналов для команд и данных
требует более сложной организации процессора
обеспечивает более высокое быстродействие (потоки команд и данных параллельные)

Архитектурная уязвимость
гибкость, универсальность обеспечива-ется возможностью изменения последо- вательности команд и данных (двунаправленные стрелки от процессора к памяти)
это создает возможность для несанкционированного вмешательства вредоносного ПО (ВрПО)
На использовании этой уязвимости основаны хакерские атаки:
основная атака «перехват управления»

Схема атаки
«перехват управления»

Блокирование и обезвреживание атаки «перехват управления»
обезвреживание s1 и s2 – антивирусные программы
блокирование последствий выполнения s3 – при последующей загрузке с помощью механизмов контроля целостности (контролируется неизменность данных)
блокирование генерации события на s4 – частично с помощью средств анализа трафика (сетевых или на клиентских компьютерах)
блокирование следствий s5 и s6 – с помощью механизмов контроля запуска задач (процессов, потоков)

ПАК «Аккорд»
(АМДЗ с ПО разграничения доступа)
АМДЗ выполняет контрольные функции, а ПО контролирует и запуск задач
предназначен для работы на ПК x86 (архитектура близка к фон-Неймановской)
блокирует уязвимости, связанные с нарушением целостности, создает доверенную среду для работы ПО, обеспечивающего защиту компьютера на s1 – s6
цена довольно высока, настройка сложна (лучшее решение для корпоративных применений, но сложен для частного)
Сложность связана с фон-Неймановской архитектурой защищаемого ПК
нужно добавить неизменяемую память, разделить потоки команд и данных, исполнить контрольные процедуры в доверенной среде до запуска ОС и т.д.

Гарвардская архитектура с памятью RO
нужно сделать память неизменяемой (RO) (не нужно использовать сложные механизмы КЦ программ и данных до старта ОС)
контрольные процедуры исполнять под управлением проверенной и неизменяемой ОС
архитектура обеспечивает неизменность ОС, программ и данных.
Эти функции легко реализовать, если обеспечить движение команд и данных только в одном направлении – из памяти в процессор

Гарвардская архитектура с памятью RO
s3 не может быть выполнен, поэтому и сама атака (шаги s5 и s6) тоже не исполнятся
ПК приобретет «вирусный иммунитет»
(ВрПО не будет фиксироваться)
придется дорабатывать практически все ПО (существующее ПО использует операций записи в память)
!!! Предложенную архитектуру необходимо дополнить блоками сеансовой памяти – в которой будут исполняться программы

Гарвардская архитектура с сеансовой памятью
архитектура компьютера будет отличаться на разных этапах
архитектура изменяется от этапа начальной загрузки к этапу функционирования

Новая гарвардская архитектура
изменяемая архитектура гарвардского типа
отличие: в архитектуре используется память, для которой установлен режим RO

Новая гарвардская архитектура с общей сеансовой памятью
при загрузке команды и данные размещаются в сеансовой памяти, в которой и исполняются
начальная загрузка и копирование кодов в сеансовую память могут выполняться последовательно и параллельно

Особенности Новой гарвардской архитектуры
динамически изменяемая архитектура:
защищенность и эффективность
неизменность ОС
«вирусный иммунитет»
возможность применения адаптированных стандартных ОС и ПО
нарушение П4 – память команд и память данных не доступны на запись, нумерация ячеек этой памяти и сеансовой памяти нельзя считать «последовательной»
нарушение П5 – возможен условный переход в пределах сеансовой памяти и невозможен – в защищенной памяти
в архитектуре используется память, для которой установлен режим «только чтение».

Возможности Новой гарвардской архитектуры
высокий уровень «вирусного иммунитета»
возможность создания и поддержки доверенной среды
возможность использовать все ранее наработанное ПО (в рамках ограничений, накладываемых ОС – например, в Linux есть проблемы с видео, которых нет в Android, но это уже вопрос не к архитектуре компьютера)

Направления устранения уязвимостей компьютерной техники
Усовершенствовать архитектуру уже существующих технических средств
Использовать новые технические средства на базе новой, более совершенной архитектуры

Устройства
с совершенной архитектурой

Микрокомпьютеры с
Новой гарвардской архитектурой
Ответственный разработчик:
Батраков Антон Юрьевич,
начальник отдела инновационных разработок
МК – аппаратные платформы:
m-Trust
MKT-card и MKT-card long*
TrusTPad*
* – история НГА

ТРЕБОВАНИЯ К СЗИ ДЛЯ КИИ
КИИ состоит из совокупностей:
ПКО
каналов связи (для передачи информационных и управляющих сигналов)
=> СЗИ для уже функционирующих КИИ должны обеспечивать:
криптографическую защиту информации о состоянии ПКО и управляющих сигналов для ИС
информ. взаимодействие с ПКО (USB, Ethernet, и др.)
возможность использования стандартных цифровых каналов (WiFi, BlueTooth, и др.)
информ. взаимодействие с каналообразующей аппаратурой (RS232, RS435 и др.)

ЗАЩИЩЕННЫЙ МИКРОКОМПЬЮТЕР «M-TRUST»

ЗАЩИЩЕННЫЙ МИКРОКОМПЬЮТЕР «M-TRUST»
Интерфейсная плата («облегченный» вариант) с подключенным
«m-TrusT»
«m-TrusT» сервер
Интерфейсная плата с подключенным «m-TrusT»
Микрокомпьютер
«m-TrusT»
Интерфейсные платы

ИСТОРИЯ НГА*: MKT-CARD LONG
И TRUSTPAD
* – МК не производятся, но их выпуск может быть возобновлен по желанию Заказчика
Микрокомпьютер
«МКТ-card long» с док-станцией
Микрокомпьютер
«МКТ-card long»
Планшет «TrusTPad»