Организация средств защиты на основе аналогии с биосистемами.

 

Суханов Андрей Вячеславович,

кандидат технических наук,

начальник управления специальных работ ЗАО «ЭВРИКА», г. Санкт-Петербург.

 

При организации интеллектуальных средств защиты информации (СЗИ) следует учитывать особую роль, которую играет в эволюции организмов нервная система как адаптивный инструмент взаимодействия со средой. Нервная система необходима для формирования рефлексов в ответ на воздействия. Рефлексия - продукт верхнего уровня защиты биосистемы [6, 7].

В биосистеме поведенческие реак­ции - качество нервной системы, свидетельствующее о связи между воздействиями и реакцией организма. Отмечают разделение информации между носителями различной природы: дезоксирибонуклеиновыми кислотами (ДНК) и нервными клетками - нейронами. Поведенческая информа­ция формируется на основе механизмов, передаваемых через ДНК, и фиксируется в информационных полях нейронных сетей (НС) нервной системы. Биосистемам свойственно накопление опыта и передача его потомкам через обучение [7].

 

Иерархия защиты в биологических и информационных системах.

 

Нервная система в эволюции биосистем играет роль адаптивного инструмента взаимодействия со средой. Нервная система возникла для формирования элементарных рефлексов в ответ на внешние воздействия. Рефлексия является продуктом верхних уровней защиты биосистемы в результате внешнего раздражения. Информация о рефлексах сохраняется в генетической памяти на нижних уровнях защиты и передается по наследству (табл. 1).

 

Таблица 1.

Аналогия	Функции биосистемы	Функции системы ИТ
Иерархия уровней СЗИ	Обеспечение надежной информационной безопасности за счет наличия уровней иммунной защиты и иерархических уровней в нервной системе.	Реализация СЗИ в виде информационных полей: на нижних уровнях иерархии, как поля идентификации угрозы и на верхних, как поля жизненного опыта, ставящего в соответствие полю известных угроз механизмы защиты ИР.
Нижние уровни – иммунная защита	Сохранение генетической информации, реализация механизма мутаций, кодирование и декодирование инфор-мации, разделение сообщений по критерию «свой/чужой».	Сохранение поля идентификации угроз, проверка передаваемых сообщений в системе ИТ по критерию «свой/чужой» - проверяется форма представления информации (контей-нер).
Верхние уровни – нервная система	Связь системы с внешней средой через органы чувств – рецепторы и накопление опыта в НС нервной системы.	Связь с внешней средой и накопления опыта в виде информационного поля жизненного опыта.

 

Самоорганизация обуслов­ливает целенаправленность поведения биосистемы, необходимость в системе воспитания, развивает новую форму памяти в виде адаптивного информационного поля НС. Происходит разделение информации между носителями различной природы: ДНК и нервными клетками. Поведенческая информа­ция формируется на основе ге­нетически передаваемых посредством ДНК поведенческих реакций, фиксируемых в информационном поле нервной системы. Однако поведенческие реакции биосистемы не ограничиваются только передаваемыми по наследству. Для них характерно накопление жизненного опыты и передача его потомкам через обучение.

Методология построения безопасных интеллектуальных ИС базируется на:

·                    биосистемной аналогии в архитектуре ИС;

·                    известных механизмах информационной защиты биосистем, а именно:

-     иерархия уровней защиты в природе: нуклеотид - кодон – ген – хромосома – ДНК -…- организм - … - биосфера,

-     на нижних уровнях иерархии (кодон – ген – хромосома – ДНК) организовано сохранение генетической информации, реализация механизма мутаций, кодирование и декодирование информации, разделение сообщений по критерию «свой/чужой»,

-     на верхних уровнях иерархии – реализована связь системы с внешней средой через рецепторы и накопление опыта в НС нервной системы,

-     нервная система – верхний уровень, на котором формируются механизмы, приводящие к изменению генетической информации,

-     изменение генетической информации связано не с изменением формы представления, а содержания информации – жизненного опыта,

-     информационная безопасность биосистемы обеспечивается за счет адаптивности - приобретения жизнен­ного опыта, позволяющего успешно оперировать смысловыми ситуациями, в частности, распознавать своих и чужих, выбирать поведение в сложной и постоянно изменяющейся среде;

·                    наличии иерархии средств защиты информационных систем (табл. 1):

-     информация в СЗИ хранится в виде информационных полей НС на 2-х уровнях иерархии: внизу, как поля идентифицирующего угрозы и вверху иерархии, как поля жизненного опыта, ставящего механизмы защиты в соответствие множеству известных угроз,

-     нижний уровень СЗИ – иммунный, на котором осуществляется проверка передаваемых сообщений по критерию «свой/чужой», проверяется форма представления информации (контейнер),

-     идентифицирующая информация - своя для каждой системы и связана с формой, но не содержанием информации,

-     верхний уровень СЗИ – рецепторный необходим для связи с внешней средой и накопления опыта в виде информационного поля НС,

-     перенос и наследование информации в СЗИ – это передача информационных полей НС иммунного и рецепторного уровней защиты, сформированных в процессе жизненного цикла некоторой технической системы, в последующие реализации системы (потомкам);

·                    свойствах НС, необходимых для реализации функций защиты:

-     возможность наследования ранее накопленного опыта подобных систем в виде информационных полей НС нижнего и верхнего уровней СЗИ,

-     способность к кластеризации (расширению классификации) угроз - адаптация информационного поля НС нижнего уровня СЗИ,

-     коррекция жизненного опыта СЗИ - адаптация информационного поля НС верхнего уровней СЗИ,

-     возможность анализа, коррекции и переноса (наследование) информации в СЗИ других информационных систем;

·                    биосистемной аналогии в основных процессах, протекающих в интеллектуальных ИС (табл. 2):

 

Таблица 2

Процессы	Функции биосистемы	Функции системы ИТ
Зарождение	Формирование биосистемы в виде иерархии подсистем, наследующей опыт предыдущих поколений и способной к адаптации и развитию	Создание в вычислительной среде путем программного задания свойств (наследование) иерархии функциональных устройств, способных через адаптацию к дальнейшему развитию; формирование информационных полей системы ИТ
Адаптация	Процесс приобретения жизненного опыта: распознание своих и чужих, выбор поведения в изменяющейся среде	При изменении поля угроз решается задача кластеризации угроз и адаптируется система ИT и информационные поля СЗИ
Развитие	Накопление опыта в НС нервной системы за счет информации, поступающей через рецепторы	Коррекция информационных полей иммунного и рецепторного уровней СЗИ, сформированных в процессе зарождения системы ИТ
Наследование	Надежная передача генетического кода и  информации жизненного опыта в поколениях биосистем	Передача информационных полей иммунного и рецепторного уровней СЗИ, сформированных на этапах жизненного цикла системы ИТ, в новые версии системы

 

-     зарождение ИС сопровождается формированием иерархии информационных полей НС как самой системы, так и адаптивной защиты; в последнем случае формируется информационное поле классификации известных угроз (нижний, иммунный уровень иерархии СЗИ) и информационное поле жизненного опыта (верхний, рецепторный уровень иерархии СЗИ),

-     наследование позволяет иерархию информационных полей как самой информационной системы, так и адаптивной интеллектуальной СЗИ передавать при начальной настройке создаваемой системы,

-     адаптация ИС связана, с одной стороны с изменением функций, выполняемых системой, с другой стороны, - с изменениями условий эксплуатации и расширения множества угроз; в последнем случае производится коррекция информационных полей вначале иммунного, а затем и рецепторного уровней интеллектуальной СЗИ, полученных в процессе наследования или сформированных в процессе зарождения информационной системы,

-     развитие ИС происходит в результате целенаправленной адаптации в процессе обучения, сопровождается коррекцией информационных полей и накоплением опыта.

 

Механизмы иммунной защиты в адаптивной защите ИС.

 

Биологическим системам свойственна иерархическая организация системы защиты информации [1, 6]. Биосистемная аналогия в структуре защиты информационных систем базируется на иерархии СЗИ: механизмах иммунной защиты и механизмах накопления опыта в информационных полях нейронных сетей нервной системы.

Орган естественной иммунной системы - лимфоидная ткань, в ко­торой клеточными популяциями являются антигенпредставляющие клетки (АПК) и лимфоциты [6]. Иммунная защита, осуществляемая клетками иммунной систе­мы, включает: 1) факто­ры естественной резистентности, действующие непродолжительный период времени (до 4-х часов) и осуществляемые лимфоидными клетками; 2) антиген-специфическое звено, действующее после процесса размножения лимфоцитов и их дифференцировкой в эффекторные клетки.

 

Механизмы иммунной защиты в биосистемах.

Лимфоидная ткань распределена по организму в виде иерархии органов иммунной системы (рис. 1) [165]: цент­ральных (костный мозг, тимус), периферических (лимфатические узлы, селезенка, миндалины, аппендикс, кровь, лимфа и др.), где развиваются и функционируют лимфоциты.

 

Рис. 1.

Органы иммунной системы: В - В-клетки; Т - Т-клетки; М - макрофаги; Г – гранулоциты.

 

Лимфоци­ты играют главную роль в процессах иммунитета: распознавании антигена; формировании реакций клеточного и гуморального типов, на­правленных на устранение антигена; запоминании структуры антигена.

Лимфоциты происходят от кроветворных стволовых клеток, которые ло­кализуются в костном мозге, где происходит развитие В-лимфоцитов. Развитие Т-лимфоцитов осуществляется в тимусе, куда из костного мозга мигрируют их предшественники. Особенность ЕИС - циркуляция и взаимодействие клеток иммунной системы.

Неспецифический иммунитет включает факторы естественной резистентности и раннего индуцибельного ответа.

Естественная ре­зистентность проявляется сразу после внедрения микроба, используя клеточные и гуморальные факторы. Гуморальные факторы отмечают микробы и способствуют их поглощению. Клетками, поглощающими отмеченные микробы являются тканевые макрофаги, которые активируются и синтезируют рас­творимые молекулы - цитокины.

Второй эшелон защиты организма - ранний индуцибельный ответ действует 96 часов, пока не запускаются факторы специфического иммунитета. В нем также можно выделить клеточные факторы: макрофаги, нейтрофилы и естественные киллерные клетки (ЕКК); гуморальные факторы:  ци­токины и белки острой фазы (БОФ), продуцируемые под влиянием цитокинов.

 Макрофаги вырабатывают цитокины, которые активируют новые популяции кле­ток, мигрирующих в воспалительный очаг. Клеточные популяции также продуцируют цитокины, вовлекая в процесс защиты новые клетки. При разрушении микроба образуются микробные пептиды, которые макрофаг представляет Т-лимфоцитам. Действие цитокинов определяет МЗ вначале инфек­ционного процесса. Активированные фагоциты имеют большую активность к клет­кам, инфицированным возбудителем, и поглощают микробы.

Нейтрофилы защищают организм от внеклеточных бактерий, реализуя 2 функции: убивают бактерии; генерируют цитокины, активирующие клетки, прибывающие в очаг воспаления. ЕКК защищают организм от внутриклеточных микро­бов, обладая активностью по отношению к опухолевым клеткам и клеткам, инфи­цированным внутриклеточными микробами.

Специфический иммунитет - приобретенный иммунный ответ. Способность распознавать антиген обеспечивается АГ-распознающими рецепторами. АГ-распознающий рецептор лимфоцитов - несколько полипептидных цепей, закрепленных на  мембране и направленных наружу вариабельным (V) участком, который уникален для каждого ре­цептора. V- участок двух полипептидных цепей об­разуют АГ-связывающий участок.

На поверхности лимфоцита содержатся рецепторы, идентичные по структуре V-участка, специфичного в отношении антигена. Специ­фичность обеспечивается комплементарностью V-участка рецепто­ра и антигена.

Рецеп­торы В-клеток (BCR) - молекулы иммуноглобулинов, содержащих по две тяжелые - Н и легкие – L цепи; потомки В-кле­ток вырабатывают антитела, которые являются рас­творимой формой рецептора с тем же V-участком.

Рецепторы Т-клеток (TCR) бывают двух типов, каждый из которых содержит две полипептидные цепи - ab- и gd-рецепторы.

Иммуноглобулины и gd-рецепторы распознают АГ вне связи с другими молекулами. Т-клеточный ab-рецептор распознает антиген, встроенный в состав мемб­ранных молекул - продуктов главного комплекса гистосовместимости (МНС - Major Histocompatibility Complex). То есть Т-лимфоциты ab-типа распознают «измененное свое».

Разнообразие АГ-связывающих рецепторов определяется V-генами. Число V-генов в полипептидной цепи рецептора не превышает 100. Однако в процессе созревания В- и Т-клеток происходит перестройка V-генов, в результате которой число вариантов достигает 10¹¹ -10¹² [6]. Перестройка V-генов включает изъятие части генетического материала, случайную стыковку свободных концов ДНК, и т. д. Каждый лимфоцит имеет уникальные рецепторы и может рас­познать только один АГ, а всю совокупность АГ способна распознать популяция лимфоцитов в целом.

«Первичный антигенраспознающий репертуар» лимфоцитов - полный набор рецепторов, формирующийся при созрева­нии лимфоцитов. Репертуар нуждает­ся в корректировке, т. к. среди рецепторов много потенциально опасных, распознающих клетки организма-хозяина. Корректировка репертуара осуще­ствляется путем селекции клонов лимфоцитов.

Положительная селекция под­держивает клоны, способные распознать собственные молекулы МНС, комплексированные с любыми АГ. Поддержка клона обеспечива­ет выживание и размножение клетки. Отрицательная селекция состоит в «выбраковке» потенциально аутоагрессивных клонов.

«Вторичный антигенраспознающий репертуар» лимфоцитов - выжившие после селекции клоны Т-лимфоцитов, способные распознавать чужие АГ.

Взаимодействие АГ с рецептором не обеспечивает надежный контакт и активацию лимфоцитов, а лишь «отмечает» клоны, которые д. б. вовлечены в иммунный ответ.

Основные события, связанные с активацией и последующей пролиферацией В-лимфоцитов, происходят в фолликулах лимфоидных органов - местах сосредоточе­ния В-клеток. В фолликулы при воздействии АГ мигрируют Т-лимфоциты, и в них формируются центры размноже­ния. Стимулированные антигеном В-лимфоциты интенсивно делятся, в ре­зультате на поверхности клеток появляются иммуноглобулины класса lgG, а в V-генах на не­сколько порядков повышается частота мутаций. Если мутации приво­дят к ослаблению сродства рецептора к антигену, клоны гибнут. Наоборот, в случае повышения сродства рецептора к антигену клоны выживают, получают преимущества в пролиферации, дифференциру­ются в плазматические клетки и секретируют антитела (АТ).

При иммунном от­вете изменяется структура ЕИС, что за­трудняет реакцию в случае атаки других АГ. Существуют механизмы обратного развития им­мунного ответа (иммуносупрессии), направленные на восстановление структуры им­мунной системы. При этом прекращается вовлечение в реакцию новых клеток в связи с устранением АГ-стимула. Ингибирующий сигнал пе­редается в клетки (В-лимфоциты, макрофаги и т. д.). При избытке комплексов АГ-АТ активность клеток подавляется. Супрессорные Т-лимфоциты также подавляют иммунный ответ. В итоге ЕИС возвращается в состояние, близкое к исходному, формируя клетки иммунологической памяти.

Иммунологическая память обеспечивает более быструю и эффек­тивную защиту при повторном поступлении чужого АГ. Развитие иммунологической памяти реализуется путем дифференцировки клеток памяти (рис. 2) [6]. Развитие клеток па­мяти происходит из клеток-предшественников при первичном иммунном ответе. В-клетки памяти представляют особую линию дифференцировки В-лим­фоцитов, а Т-клетки памяти – это Т-лимфоциты, способные к продолжительному выжи­ванию.

 

Рис.2.

Образование В- и Т- клеток памяти.

 

Каждый клон лимфоцитов, контактировавших с АГ, содержит больше клеток, чем аналогичные клоны «на­ивных» лимфоцитов, что способствует быстрому развитию ответа при вто­ричном контакте с антигеном, а рецепторы В-клеток памяти обла­дают высоким сродством к антигену.

Формируется двойственность клональной лимфоидной структуры [165]:

§                    сохраняется набор клонов лимфоцитов, специфичных ко всем АГ, включая, отсутствующие в природе,

§                    для конкретной среды оби­тания создается «библиотека» клонов, которая адаптируется под влиянием контактов с окружающими патогенами.

Хоминг: клетки памяти, как правило, возвращаются в лимфоидные структу­ры, где они сформировались (впервые контактировали с антигеном).

Клетки памяти распознают АГ, ранее проникавшие (в том числе повторно) в организм. Так как эти АГ постоянно присутствуют в среде обита­ния, клетки памяти, специфичные к антигенам, возникают в первые годы жизни организма. Этот на­бор клонов актуален для защиты от внешней агрессии.

Два набора клонов отличаются по темпу и механизму обновления. «Наивные» лимфоциты диффе­ренцируются из костномозговых предшественников и проходят весь путь дифференцировки. Клетки па­мяти, с одной стороны, живут дольше, а с другой, приобре­тают автономность, обусловленную способностью к самоподдержанию.

Структура иммунной системы по мере накопления опыта отражения агрессии (с возрастом) изменяется и отклоняется от исходной структуры ЕИС. Популяция лимфоцитов взрослого человека на 40-50% состоит из клеток, ранее контактировавших с АГ. По мере противодействия АГ происхо­дит «актуализация» структуры ЕИС за счет форми­рования клонов клеток памяти из лимфоцитов, распознающих АГ, регулярно попадающих в организм.

Таким образом, согласно биосистемной аналогии большинство средств обеспечения безопасности ИС использует иммунные механизмы, такие как: классификация объектов по критерию «свой/чужой», нейтрализация объектов, классифицированных как «чужой», формирование и расширение базы  знаний об объектах, классифицированных как «чужой».

Из изложенного также следует, что для биологических систем характерно наличие свойства «защищенность» в отношении критических информационных ресурсов и процессов, а также свойства «жизнеспособность» (конкурентоспособность) в динамично изменяющейся среде.

Аналогично для обеспечения конкурентоспособности сложных ИС, предназначенных, прежде всего для критических сфер применения, свойство защищенности играет первостепенную роль. Сложность и неоднозначность подходов к оценке свойства защищенности ИС вытекает из результатов анализа, нашедших отражение в статье.

 

Литература.

 

1.                  Нестерук Г. Ф., Осовецкий Л. Г., Харченко А. Ф. Информационная безопасность и интеллектуальные средства защиты информационных ресурсов. (Иммунология систем информационных технологий). – СПб.: Изд-во СПбГУЭФ, 2003.

2.                  Ивахненко А. Г. Принятие решений на основе самоорганизации. – М.: Сов. радио, 1976. 280 с.

3.                  Лобашев М. Е. Генетика. – Л.: Изд-во ленинградского университета, 1969.

4.                  Осовецкий Л. Г., Нестерук Г. Ф., Бормотов В. М. К вопросу иммунологии сложных информационных систем // Изв. вузов. Приборостроение. 2003. Т.46, № 7. С. 34 - 40.

5.                  Советский энциклопедический словарь / Гл. ред. А. М. Прохоров. - 3-е изд. – М.: Сов. энциклопедия, 1984.

6.                  Хаитов Р. М. Физиология иммунной системы. – М.: ВИНИТИ РАН, 2001.

7.                  Мелик-Гайназян И. В. Информационные процессы и реальность. М.: Наука. 1998. -192 с.

 

Поступила в редакцию 07.05.2008 г.