Лекция. Безопасность сетей

Пример приведения таблицы к четвертой нормальной форме

Пример приведения таблицы к нормальной форме Бойса—Кодда

Пример приведения таблицы ко второй нормальной форме

Пример приведения таблицы к первой нормальной форме

Ограничения целостности

Манипулирование данными

Вот примерный набор операций манипулирования данными:

• найти конкретную запись в наборе однотипных записей (например, служащего с именем Иванов);
• перейти от предка к первому потомку по некоторой связи (например, к первому служащему отдела 625);
• перейти к следующему потомку в некоторой связи (например, от Иванова к Сидорову);
• перейти от потомка к предку по некоторой связи (например, найти отдел, в котором работает Сидоров);
• создать новую запись;
• уничтожить запись;
• модифицировать запись;
• включить в связь;
• исключить из связи;
• переставить в другую связь и т.д.

Имеется (необязательная) возможность потребовать для конкретного типа связи отсутствие потомков, не участвующих ни в одном экземпляре этого типа связи (как в иерархической модели).

Исходная, ненормализованная, таблица:

Таблица, приведённая к 1NF:

Вторая нормальная форма (2НФ)

Вторая нормальная форма применяется к отношениям с составными ключами, т.е. к таким отношениям, первичный ключ которых состоит из двух или нескольких атрибутов. Дело в том, что отношение с первичным ключом на основе единственного атрибута всегда находится, по крайней мере, в форме 2НФ. Отношение, которое не находится в форме 2НФ, может быть подвержено аномалиям обновления.

Вторая нормальная форма (2НФ) - отношение, которое находится в первой нормальной форме и каждый атрибут которого, не входящий в состав первичного ключа, характеризуется полной функциональной зависимостью от этого первичного ключа.

Нормализация отношений 1НФ с приведением к форме 2НФ предусматривает устранение частичных зависимостей. Если в отношении между атрибутами существует частичная зависимость, то функционально-зависимые атрибуты удаляются из него и помещаются в новое отношение вместе с копией их детерминанта.

Пусть Начальник и Должность вместе образуют первичный ключ в такой таблице:

Зарплату сотруднику каждый начальник устанавливает сам, но её границы зависят от должности. Наличие же компьютера у сотрудника зависит только от должности, то есть зависимость от первичного ключа неполная.

В результате приведения к 2NF получаются две таблицы:

Здесь первичный ключ, как и в исходной таблице, составной, но единственный не входящий в него атрибут Зарплата зависит теперь от всего ключа, то есть полно.

Третья нормальная форма (ЗНФ)

Транзитивная зависимость: если для атрибутов А, В и С некоторого отношения существуют зависимости вида А->B и B->C, это означает, что атрибут C транзитивно зависит от атрибута А через атрибут B (при условии, что атрибут А функционально не зависит ни от атрибута В, ни от атрибута С).

Транзитивная зависимость является одним из типов функциональной зависимости.

Третья нормальная форма (ЗНФ) - отношение, которое находится а первой и во второй нормальных формах и не имеет атрибутов, не входящих в первичный ключ атрибутов, которые находились бы в транзитивной функциональной зависит от этого первичного ключа.

Нормализация отношений 2НФ с образованием отношений ЗНФ предусматривает устранение транзитивных зависимостей. Если в отношении существует транзитивная зависимость между атрибутами, то транзитивно зависимые атрибуты удаляются из него и помещаются в новое отношение вместе с копией их детерминанта.

Пример приведения таблицы к третьей нормальной форме (Википедия)

Исходная таблица:

В результате приведения к 3NF получаются две таблицы:

Нормальная форма Бойса-Кодда (НФБК)

Отношения базы данных проектируются таким образом, чтобы можно было исключить в них присутствие частичных или транзитивных зависимостей, поскольку эти зависимости приводят к появлению аномалий обновления. До сих пор мы использовали определения второй и третьей нормальных форм, для получения которых требуется найти и исключить частичные и транзитивные зависимости от первичного ключа. Однако, в этих определениях не рассматриваются такие же зависимости от потенциальных ключей отношения, если таковые имеются. Применение общих определений 2НФ и ЗНФ может позволить выявить дополнительную избыточность, вызванную зависимостями от всех потенциальных ключей. Но даже после ввода этих дополнительных ограничений в отношениях все еще могут существовать зависимости, которые приводят к появлению избыточности в отношениях ЗНФ, С учетом этого недостатка третьей нормальной формы была разработана более строгая нормальная форма, получившая название нормальной формы Бойса-Кодда (НФБК).

Определение нормальной формы Бойса-Кодда

Нормальная форма Бойса-Кодда (НФБК) основана на функциональных зависимостях, в которых учитываются все потенциальные ключи отношения. Тем не менее в форме НФБК предусмотрены более строгие ограничения по сравнению с общим определением формы ЗНФ.

Нормальная форма Бойса-Кодда (НФБК): отношение находится в НФБК тогда и только тогда, когда каждый его детерминант является потенциальным ключом.

Для проверки принадлежности отношения к НФБК необходимо найти все его детерминанты и убедиться в том, что они являются потенциальными ключами. Напомним, что детерминантом является один атрибут или группа атрибутов, от которой полностью функционально зависит другой атрибут.

Различие между ЗНФ и НФБК заключается в том, что функциональная зависимость А—>В допускается в отношении ЗНФ, если атрибут В является первичным ключом, а атрибут А не обязательно является потенциальным ключом. Тогда как в отношении НФБК эта зависимость допускается только тогда, когда атрибут А является потенциальным ключом. Следовательно, нормальная форма Бойса-Кодда является более строгой версией формы ЗНФ, поскольку каждое отношение НФБК является также отношением ЗНФ, но не всякое отношение ЗНФ является отношением НФБК.

Исходная таблица:

В результате приведения к форме Бойса—Кодда получаются две таблицы:

Четвертая нормальная форма (4НФ)

Как было сказано выше, НФБК позволяет устранить любые аномалии, вызванные функциональными зависимостями. Однако в результате теоретических исследований был выявлен еще один тип зависимости — многозначная зависимость (Multi-Valued Dependency — MVD), которая при проектировании отношений также может вызвать проблемы, связанные с избыточностью данных.

Возможность существования в отношении многозначных зависимостей возникает вследствие приведения исходных таблиц к форме 1НФ, для которой не допускается наличие некоторого набора значений на пересечении одной строки и одного столбца. Например, при наличии в отношении двух многозначных атрибутов для достижения непротиворечивого состояния строк необходимо повторить в них каждое значение одного из атрибутов в сочетании с каждым значением другого атрибута. Подобный тип ограничения порождает многозначную зависимость и приводит к избыточности данных.

Четвертая нормальная форма (4НФ) - отношение в нормальной форме Бойса-Кодда, которое не содержит нетривиальных многозначных зависимостей.

Четвертая нормальная форма (4НФ) является более строгой разновидностью нормальной формы Бойса-Кодда, поскольку в отношениях 4НФ нет нетривиальных многозначных зависимостей и поэтому нет и избыточности данных. Нормализация отношения НФБК с получением отношений 4НФ заключается в устранении многозначных зависимостей из отношения НФБК путем выделения в новое отношение одного или нескольких участвующих в МЗЗ атрибутов вместе с копией одного или нескольких детерминантов.

Предположим, что рестораны производят разные виды пиццы, а службы доставки ресторанов работают только в определенных районах города. Составной ключ таблицы такого отношения включает три поля: {Ресторан, Вид пиццы, Район доставки}.

Такая таблица не соответствует 4NF, так как существует многозначная зависимость:

• {Ресторан} →→ {Вид пиццы}
• {Ресторан} →→ {Район доставки}

То есть, например, при добавлении нового вида пиццы придется внести по одной новой записи для каждого района доставки. Возможна логическая аномалия, при которой определенному виду пиццы будут соответствовать лишь некоторые районы доставки из обслуживаемых рестораном районов.

Для предотвращения аномалии нужно разбить многозначную зависимость — разместить независимые факты в разных таблицах. В данном примере - {Ресторан, Вид пиццы} и {Ресторан, Район доставки}.

Защита информации – это комплекс мероприятий, проводимых с целью предотвращения утечки, хищения, утраты, несанкционированного уничтожения, искажения, модификации (подделки), несанкционированного копирования, блокирования информации и т.п. Поскольку утрата информации может происходить по сугубо техническим, объективным и неумышленным причинам, под это определение подпадают также и мероприятия, связанные с повышением надежности сервера из-за отказов или сбоев в работе винчестеров, недостатков в используемом программном обеспечении и т.д. Следует заметить, что наряду с термином "защита информации" (применительно к компьютерным сетям) широко используется, как правило, в близком значении, термин "компьютерная безопасность". Переход от работы на персональных компьютерах к работе в сети усложняет защиту информации по следующим причинам: большое число пользователей в сети и их переменный состав. Защита на уровне имени и пароля пользователя недостаточна для предотвращения входа в сеть посторонних лиц; значительная протяженность сети и наличие многих потенциальных каналов проникновения в сеть; уже отмеченные недостатки в аппаратном и программном обеспечении, которые зачастую обнаруживаются не на предпродажном этапе, называемом бета- тестированием, а в процессе эксплуатации. В том числе неидеальны встроенные средства защиты информации даже в таких известных и "мощных" сетевых ОС, как Windows NT или NetWare. В сети имеется много физических мест и каналов несанкционированного доступа к информации в сети. Каждое устройство в сети является потенциальным источником электромагнитного излучения из-за того, что соответствующие поля, особенно на высоких частотах, экранированы неидеально. Кроме электромагнитного излучения, потенциальную угрозу представляет бесконтактное электромагнитное воздействие на кабельную систему. Безусловно, в случае использования проводных соединений типа коаксиальных кабелей или витых пар возможно и непосредственное физическое подключение к кабельной системе. Если пароли для входа в сеть стали известны или подобраны, становится возможным несанкционированный вход в сеть с файл-сервера или с одной из рабочих станций. Наконец возможна утечка информации по каналам, находящимся вне сети: хранилище носителей информации, элементы строительных конструкций и окна помещений, которые образуют каналы утечки конфиденциальной информации за счет так называемого микрофонного эффекта, телефонные, радио-, а также иные проводные и беспроводные каналы (в том числе каналы мобильной связи). Любые дополнительные соединения с другими сегментами или подключение к Интернет порождают новые проблемы. Атаки на локальную сеть через подключение к Интернету для того, чтобы получить доступ к конфиденциальной информации, в последнее время получили широкое распространение, что связано с недостатками встроенной системы защиты информации в протоколах TCP/IP. Сетевые атаки через Интернет могут быть классифицированы следующим образом: Сниффер пакетов (sniffer – в данном случае в смысле фильтрация) – прикладная программа, которая использует сетевую карту, работающую в режиме promiscuous (не делающий различия) mode (в этом режиме все пакеты, полученные по физическим каналам, сетевой адаптер отправляет приложению для обработки). IP-спуфинг (spoof – обман, мистификация) – происходит, когда хакер, находящийся внутри корпорации или вне ее, выдает себя за санкционированного пользователя. Отказ в обслуживании (Denial of Service – DoS). Атака DoS делает сеть недоступной для обычного использования за счет превышения допустимых пределов функционирования сети, операционной системы или приложения. Парольные атаки – попытка подбора пароля легального пользователя для входа в сеть. Атаки типа Man-in-the-Middle – непосредственный доступ к пакетам, передаваемым по сети. Атаки на уровне приложений. Сетевая разведка – сбор информации о сети с помощью общедоступных данных и приложений. Злоупотребление доверием внутри сети. Несанкционированный доступ (НСД), который не может считаться отдельным типом атаки, так как большинство сетевых атак проводятся ради получения несанкционированного доступа. Вирусы и приложения типа "троянский конь". Классификация средств защиты информации Защита информации в сети может быть улучшена за счет использования специальных генераторов шума, маскирующих побочные электромагнитные излучения и наводки, помехоподавляющих сетевых фильтров, устройств зашумления сети питания, скремблеров (шифраторов телефонных переговоров), подавителей работы сотовых телефонов и т.д. Кардинальным решением является переход к соединениям на основе оптоволокна, свободным от влияния электромагнитных полей и позволяющим обнаружить факт несанкционированного подключения. В целом средства обеспечения защиты информации в части предотвращения преднамеренных действий в зависимости от способа реализации можно разделить на группы: Технические (аппаратные) средства. Это различные по типу устройства (механические, электромеханические, электронные и др.), которые аппаратными средствами решают задачи защиты информации. Они либо препятствуют физическому проникновению, либо, если проникновение все же состоялось, доступу к информации, в том числе с помощью ее маскировки. Первую часть задачи решают замки, решетки на окнах, защитная сигнализация и др. Вторую – упоминавшиеся выше генераторы шума, сетевые фильтры, сканирующие радиоприемники и множество других устройств, "перекрывающих" потенциальные каналы утечки информации или позволяющих их обнаружить. Преимущества технических средств связаны с их надежностью, независимостью от субъективных факторов, высокой устойчивостью к модификации. Слабые стороны – недостаточная гибкость, относительно большие объем и масса, высокая стоимость. Программные средства включают программы для идентификации пользователей, контроля доступа, шифрования информации, удаления остаточной (рабочей) информации типа временных файлов, тестового контроля системы защиты и др. Преимущества программных средств – универсальность, гибкость, надежность, простота установки, способность к модификации и развитию. Недостатки – ограниченная функциональность сети, использование части ресурсов файл-сервера и рабочих станций, высокая чувствительность к случайным или преднамеренным изменениям, возможная зависимость от типов компьютеров (их аппаратных средств). Смешанные аппаратно-программные средства реализуют те же функции, что аппаратные и программные средства в отдельности, и имеют промежуточные свойства. Организационные средства складываются из организационно-технических (подготовка помещений с компьютерами, прокладка кабельной системы с учетом требований ограничения доступа к ней и др.) и организационно-правовых (национальные законодательства и правила работы, устанавливаемые руководством конкретного предприятия). Преимущества организационных средств состоят в том, что они позволяют решать множество разнородных проблем, просты в реализации, быстро реагируют на нежелательные действия в сети, имеют неограниченные возможности модификации и развития. Недостатки – высокая зависимость от субъективных факторов, в том числе от общей организации работы в конкретном подразделении. По степени распространения и доступности выделяются программные средства, поэтому далее они рассматриваются более подробно Шифрование данных представляет собой разновидность программных средств защиты информации и имеет особое значение на практике как единственная надежная защита информации, передаваемой по протяженным последовательным линиям, от утечки. Шифрование образует последний, практически непреодолимый "рубеж" защиты от НСД. Понятие "шифрование" часто употребляется в связи с более общим понятием криптографии. Криптография включает способы и средства обеспечения конфиденциальности информации (в том числе с помощью шифрования) и аутентификации. Конфиденциальность – защищенность информации от ознакомления с ее содержанием со стороны лиц, не имеющих права доступа к ней. В свою очередь аутентификация представляет собой установление подлинности различных аспектов информационного взаимодействия: сеанса связи, сторон (идентификация), содержания (имитозащита) и источника (установление авторства c помощью цифровой подписи). Число используемых программ шифрования ограничено, причем часть из них являются стандартами де-факто или де-юре. Однако даже если алгоритм шифрования не представляет собой секрета, произвести дешифрование (расшифрование) без знания закрытого ключа чрезвычайно сложно. Это свойство в современных программах шифрования обеспечивается в процессе многоступенчатого преобразования исходной открытой информации (plain text в англоязычной литературе) с использованием ключа (или двух ключей – по одному для шифрования и дешифрования). В конечном счете, любой сложный метод (алгоритм) шифрования представляет собой комбинацию относительно простых методов. Классические алгоритмы шифрования данных Имеются следующие "классические" методы шифрования: подстановка (простая – одноалфавитная, многоалфавитная однопетлевая, многоалфавитная многопетлевая); перестановка (простая, усложненная); гаммирование (смешивание с короткой, длинной или неограниченной маской). Устойчивость каждого из перечисленных методов к дешифрованию без знания ключа характеризуется количественно с помощью показателя Sк, представляющего собой минимальный объем зашифрованного текста, который может быть дешифрован посредством статистического анализа. Подстановка предполагает использование альтернативного алфавита (или нескольких) вместо исходного. В случае простой подстановки для символов английского алфавита можно предложить, например, следующую замену (см. табл. 9.1). Таблица 9.1. Пример замены символов при подстановке Тогда слово "cache" в зашифрованном виде представляется как "usuxk". Существует, однако, возможность дешифрования сообщения с помощью известной статистической частоты повторяемости символов в произвольном, достаточно длинном тексте. Символ E встречается чаще всего – в среднем 123 раза на каждые 1000 символов или в 12,3% случаев, далее следуют символы T – 9,6%, A – 8,1%, O – 7,9%, N – 7,2%, I – 7,2%, S – 6,6%, R – 6,0%, H – 5,1%, L – 4,0% и т.д. Приведенные цифры могут, конечно, несколько варьироваться в зависимости от источника информации, из которого они были взяты, что не изменяет принципиально ситуации. Показатель устойчивости к дешифрованию Sк не превышает 20...30. При многоалфавитной подстановке можно добиться того, что в зашифрованном тексте все символы будут встречаться примерно с одинаковой частотой, что существенно затруднит дешифрование без знания альтернативных алфавитов и порядка, в котором они использовались при шифровании. Перестановка потенциально обеспечивает большую по сравнению с подстановкой устойчивость к дешифрованию и выполняется с использованием цифрового ключа или эквивалентного ключевого слова, как это показано на следующем примере (см. табл. 9.2). Цифровой ключ состоит из неповторяющихся цифр, а соответствующее ему ключевое слово – из неповторяющихся символов. Исходный текст (plain text) записывается под ключом построчно. Зашифрованное сообщение (cipher text) выписывается по столбцам в том порядке, как это предписывают цифры ключа или в том порядке, в котором расположены отдельные символы ключевого слова. Таблица 9.2. Пример использования простой перестановки Для рассматриваемого примера зашифрованное сообщение будет выглядеть следующим образом: AIHHORTTPHPαEααα…SSCEα. Гаммирование (смешивание с маской) основано на побитном сложении по модулю 2 (в соответствии с логикой ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ) исходного сообщения с заранее выбранной двоичной последовательностью (маской). Компактным представлением маски могут служить числа в десятичной системе счисления или некоторый текст (в данном случае рассматривается внутренние коды символов – для английского текста таблица ASCII). На рис. 9.2 показано, как исходный символ "A" при сложении с маской 0110 10012 переходит в символ "(" в зашифрованном сообщении. Рис. 9.2. Пример использования гаммирования Операция суммирования по модулю 2 (ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ) является обратимой, так что при сложении с той же маской (ключом) зашифрованного сообщения получается исходный текст (происходит дешифрование). В качестве маски (ключа) могут использоваться константы типа p или e и тогда маска будет иметь конечную длину. Наибольшую устойчивость к дешифрованию может обеспечить применение маски с бесконечной длиной, которая образована генератором случайных (точнее, псевдослучайных) последовательностей. Такой генератор легко реализуется аппаратными или программными средствами, например, с помощью сдвигового регистра с обратными связями, который используется при вычислении помехоустойчивого циклического кода. Точное воспроизведение псевдослучайной последовательности в генераторе на приемном конце линии обеспечивается при установке такого же исходного состояния (содержимого сдвигового регистра) и той же структуры обратных связей, что и в генераторе на передающем конце. Перечисленные "классические" методы шифрования (подстановка, перестановка и гаммирование) являются линейными в том смысле, что длина зашифрованного сообщения равна длине исходного текста. Возможно нелинейное преобразование типа подстановки вместо исходных символов (или целых слов, фраз, предложений) заранее выбранных комбинаций символов другой длины. Эффективна также защита информации методом рассечения-разнесения, когда исходные данные разбиваются на блоки, каждый из которых не несет полезной информации, и эти блоки хранятся и передаются независимо друг от друга. Для текстовой информации отбор данных для таких блоков может производиться по группам, которые включают фиксированное число бит, меньшее, чем число бит на символ в таблице кодировки. В последнее время становится популярной так называемая компьютерная стеганография (от греческих слов steganos – секрет, тайна и graphy – запись), представляющая собой сокрытие сообщения или файла в другом сообщении или файле. Например, можно спрятать зашифрованный аудио- или видеофайл в большом информационном или графическом файле. Объем файла – контейнера должен быть больше объема исходного файла не менее чем в восемь раз. Примерами распространенных программ, реализующих компьютерную стеганографию, являются S – Tools (для ОС Windows’95/NT). и Steganos for Windows’95. Собственно шифрование информации осуществляется с применением стандартных или нестандартных алгоритмов. Стандартные методы шифрования (национальные или международные) для повышения степени устойчивости к дешифрованию реализуют несколько этапов (шагов) шифрования, на каждом из которых используются различные "классические" методы шифрования в соответствии с выбранным ключом (или ключами). Существуют две принципиально различные группы стандартных методов шифрования: шифрование с применением одних и тех же ключей (шифров) при шифровании и дешифровании (симметричное шифрование или системы с закрытыми ключами – private-key systems); шифрование с использованием открытых ключей для шифрования и закрытых – для дешифрования (несимметричное шифрование или системы с открытыми ключами – public-key systems). Строгое математическое описание алгоритмов стандартных методов шифрования слишком сложно. Для пользователей важны в первую очередь "потребительские" свойства различных методов (степень устойчивости к дешифрованию, скорость шифрования и дешифрования, порядок и удобство распространения ключей), которые и рассматриваются ниже. Для дальнейшего повышения устойчивости к дешифрованию могут применяться последовательно несколько стандартных методов или один метод шифрования (но с разными ключами). on_load_lecture()