izvestswsuИзвестия Юго-Западного государственного университетаProceedings of the Southwest State University2223-15602686-6757ЮЗГУ10.21869/2223-1560-2019-23-3-100-112izvestswsu-533Research ArticleИнформатика, вычислительная техника и управлениеComputer science, computer engineering and IT managmentВариант организации многопоточной обработки конфиденциальных данных на базе клеточных автоматовA version of Organization of Multithread Processing of Confidential Data on the Basis of Cellular AutomataМарухленкоА. Л.MarukhlenkoA. L.proxy33@mail.ruПлугатаревА. В.PlugatarevA. V.aplugatarev@bk.ruТаныгинМ. О.TanyginM. O.tanygin@yandex.ruМарухленкоЛ. О.MarukhlenkoL. O.leonid.marukhlenko@mail.ruБобынцевД. О.BobyntsevD. O.daniel8728@yandex.ruФГБОУ ВО «Юго-Западный государственный университет»Southwest State University201907092019233100112Copyright © Марухленко А.Л., Плугатарев А.В., Таныгин М.О., Марухленко Л.О., Бобынцев Д.О., 20192019Марухленко А.Л., Плугатарев А.В., Таныгин М.О., Марухленко Л.О., Бобынцев Д.О.Marukhlenko A.L., Plugatarev A.V., Tanygin M.O., Marukhlenko L.O., Bobyntsev D.O.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://izvestswsu.elpub.ru/jour/article/view/533

Цель исследования заключается в разработке системы многопоточной обработки на основе алгоритма шифрования с использованием клеточных автоматов и исследовании статистических показателей производительности в зависимости от аппаратной составляющей и величины входного блока, а также разработке рекомендаций для повышения криптоскойкости метода.

Методы

Методы. Рассмотрена математическая модель метода шифрования с использованием плавающего окна на базе клеточных автоматов [3]. Для исследования быстродействия процесса обработки конфиден-циальных данных разработан вариант организации структуры программного модуля с расширенным блоком настроечных параметров, определяющих размерность матрицы, строку активации битовой окрестности обрабатываемых элементов, число параллельных вычислений (тредов) и правило расшир-ения граничных элементов матрицы. Предложен метод формирования графической зависимости времени обработки от исходных параметров, область применения которого возможна как для обработки отдель-ных файлов, так и непрерывных потоков данных абонентов вычислительной сети.

Результаты

Результаты. Разработан криптографический модуль, реализующий метод шифрования на базе клеточ-ных автоматов, особенностью которого является многопоточный режим работы и динамическое управ-ление блоком исходных параметров. Сформулированы рекомендации по установке окрестности активных элементов матрицы и числу потоков с учетом архитектуры центрального процессора. Проведены экспериментальные исследования, подтверждающие полноту и корректность предложенных решений. Показана целесообразность использования высокоскоростных накопителей на жестком диске и сохранение результатов шифрования в асинхронном сегментированном режиме с привязкой результата к рабочему треду.

Заключение

Заключение. Предложенный вариант организации системы обработки конфиденциальной информации в виде программного модуля с учетом особенностей аппаратного обеспечения позволяет оптимизировать скорость обработки, а соблюдение рекомендаций по расширению окрестности при блочном преобразо-вании позволяет повысить криптостойкость алгоритма шифрования на базе клеточных автоматов с плавающим окном.

Рurpose of research is to develop a multithread processing system based on an encryption algorithm using cellular automata and to study statistical performance indicators depending on the hardware components and the size of the input block, and to develop recommendations for improving the cryptostrength of the method.

Methods

Methods. A mathematical model of the encryption method using a floating window based on cellular automata was considered [3]. To study the speed of confidential data processing, there was developed a variant of the organization of the structure of the software module with an extended block of setting parameters that determine the dimension of the matrix, the line of activation of the bit neighborhood of the processed elements, the number of parallel computations (threads) and the rule of expansion of the boundary elements of the matrix. A method for the development of the dependence curve of the processing time and inital parameters that can be applied both to process individual files and continuous network subscriber data flow, is proposed.

Results

Results. The cryptographic module implementing the encryption method on the basis of cellular automata, which specific feature is a multithread mode of operation and dynamic control of the block of initial parameters, was developed. Recommendations for setting the neighborhood of the active elements of the matrix and the number of threads taking into account the architecture of the CPU were formulated. Experimental studies were conducted to confirm the completeness and correctness of the proposed solutions. The expediency of using high-speed hard disk drives and saving the results of encryption in asynchronous segmented mode with working thread-bind results was revealed.

Conclusion

Conclusion. The proposed version of the organization of the confidential data processing system in the form of a software module, taking into account the features of the hardware, allows optimization of the processing speed, and the compliance with the recommendations for the expansion of the neighborhood in the block transformation can improve the cryptographic algorithm based on cellular automata with a floating window.

клеточный автоматшифрование данныхпараллельные вычислениякриптографиясистемный анализинформационная безопасностьcellular automatondata encryptionparallel computingcryptographysystem analysisinformation securityReferencesМарухленко А.Л., Мирзаханов П.С. Программный комплекс для моделирования процесса передачи и обработки сетевых потоков данных // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Управление, вычислительная техника, информатика. Медицинское приборостроение. 2012. № 2-3. С. 175-180.Marukhlenko A.L., Mirzakhanov P.S. Programmnyi kompleks dlya modelirovaniya protsessa peredachi i obrabotki setevykh potokov dannykh [A software package for modeling the process of transmitting and processing network data streams]. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta. Upravlenie, vychislitel'naya tekhnika, informatika. Meditsinskoe priborostroenie = Proceedings of the Southwest State University. Series: Control, Computing engineering, Information science. Medical instruments engineering, 2012, no. 2-3, pp. 175-180 (In Russ.).Программно-аппаратный комплекс «Токси+метео» для оценки последствий возможных аварий с учетом данных о текущих погодных условиях / А.А. Агапов, И.О. Хлобыстова, С.Л. Марухленко, А.Л. Марухленко, А.С. Софьин // Безопасность труда в промышленности. 2011. № 1. С. 22-25.Agapov A.A., Khlobystova I.O., Marukhlenko S.L., Marukhlenko A.L., Sofin A.S. Programmno-apparatnyi kompleks «Toksi+meteo» dlya otsenki posledstvii vozmozhnykh avarii s uchetom dannykh o tekushchikh pogodnykh usloviyakh [Hardware and software complex “Toxi + meteo” for assessing the consequences of possible accidents taking into account data on current weather conditions]. Bezopasnost' truda v promyshlennosti =Labor safety in industry, 2011, no. 1, pp. 22-25 (In Russ.).Марухленко А.Л., Плугатарев А.В., Марухленко Л.О., Ефремов М.А. Комплексная оценка информационной безопасности объекта с применением математической модели для расчета показателей риска // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Управление, вычислительная техника, информатика. Медицин-ское приборостроение. 2018. Т. 8. № 4 (29). С. 34-40.Marukhlenko A.L., Plugatarev A.V., Marukhlenko L.O., Efremov M.A. Kompleksnaya otsenka informatsionnoi bezopasnosti ob"ekta s primeneniem matematicheskoi modeli dlya rascheta pokazatelei riska [A comprehensive assessment of the information security of an object using a mathematical model for calculating risk indicators]. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta. Upravlenie, vychislitel'naya tekhnika, informatika. Meditsinskoe priborostroenie = Proceedings of the Southwest State University. Series: Control, Computing engineering, Information science. Medical instruments engineering, 2018, vol. 8. no. 4 (29), pp. 34-40 (In Russ.).Dr. Allen Harper, Daniel Regalado, Ryan Linn, Stephen Sims, Branko Spasojevic, Linda Martinez, Michael Baucom, Chris Eagle, The late Shon Harris. Gray Hat Hacking: The Ethical Hacker’s Handbook, Fifth Edition. – McGraw-Hill Education, 2018. 640 c.Dr. Allen Harper, Daniel Regalado, Ryan Linn, Stephen Sims, Branko Spasojevic, Linda Martinez, Michael Baucom, Chris Eagle, The late Shon Harris. Gray Hat Hacking: The Ethical Hacker’s Handbook, Fifth Edition, McGraw-Hill Education, 2018, 640 p.Борзов Д.Б., Чеснокова Е.О., Марухленко А.Л., Аль-Ашвал М.М.Я. Устройство поиска нижней оценки размещения в полносвязных матричных системах при двунаправленной передаче информации // патент на изобретение RUS 2421805 24.11.2008.Borzov D.B., Chesnokova E.O., Marukhlenko A.L., Al-Ashval M.M.Ya. Ustroistvo poiska nizhnei otsenki razmeshcheniya v polnosvyaznykh matrichnykh sistemakh pri dvuna-pravlennoi peredache informatsii. patent na izobretenie [Search device for lower estimation of placement in fully connected matrix systems with bi-directional transmission of information]. Patent for invention RUS 2421805 11.24.2008. (In Russ.).Программный модуль для оценки криптостойкости симметричных методов шифрования с использованием параллельных вычислений / В.П. Добрица, А.Л. Марухленко, Л.О. Марухленко, А.В. Плугатарев // Инфокоммуникации и космические технологии: состояние, проблемы и пути решения: сборник научных статей по материалам II Всероссийской научно-практической конференции. Курск, 2018. С. 33-38.Dobritsa V.P., Marukhlenko A.L., Marukhlenko L.O., Plugatarev A.V. [A software module for assessing the cryptographic strength of symmetric encryption methods using parallel computing]. Infokommunikatsii i kosmicheskie tekhno-logii: sostoyanie, problemy i puti resheniya. Sbornik nauchnykh statei po materialam II Vserossiiskoi nauchno-prakticheskoi konferentsii. [Infocommunications and space technologies: state, problems and solutions. The collection of scientific articles based on the materials of the II All-Russian scientific and practical conference]. Kursk, 2018, pp. 33-38 (In Russ.).Анализ потенциальных уязвимостей и современных методов защиты многопользовательских ресурсов / М.О. Таныгин, А.Л. Марухленко, Л.О. Марухленко, Е.Е. Конорева // Инфокоммуникации и космические технологии: состояние, проблемы и пути решения: сборник научных статей по материалам II Всероссийской научно-практической конференции. Курск, 2018. С. 136-140.Tanygin M.O., Marukhlenko A.L., Marukhlenko L.O., Konoreva E.E. [Analysis of potential vulnerabilities and modern methods of protecting multi-user resources]. Infokommunikatsii i kosmicheskie tekhnologii: sostoyanie, problemy i puti resheniya. Sbornik nauchnykh statei po materialam II Vserossiiskoi nauchno-prakticheskoi konferentsii. [Infocommunications and space technologies: state, problems and solutions. The collection of scientific articles based on the materials of the II All-Russian scientific and practical conference]. Kursk, 2018, pp. 136-140 (In Russ.).Технология и программная реализация программного модуля для локализации потенциально опасных объектов на графической подложке с использованием нейронных сетей / М.О. Таныгин, А.Л. Марухленк., Л.О. Марухленко, А.Н. Романов // Инфокоммуникации и космические технологии: состояние, проблемы и пути решения: сборник научных статей по материалам II Всероссийской научно-практической конференции. Курск, 2018. С. 23-28.Tanygin M.O., Marukhlenko A.L., Marukhlenko L.O., Romanov A.N. [Technology and software implementation of a software module for localizing potentially dangerous objects on a graphic substrate using neural networks]. Infokommunikatsii i kosmicheskie tekhnologii: sostoyanie, problemy i puti resheniya. Sbornik nauchnykh statei po materialam II Vserossiiskoi nauchno-prakticheskoi konferentsii. [Infocommunications and space technologies: status, problems and solutions. The collection of scientific articles based on the materials of the II All-Russian scientific and practical conference]. Kursk, 2018, pp. 23-28 (In Russ.).Администрирование информационных систем / Д.О. Бобынцев, Л.А. Лисицин, А.Л. Марухленко, С.А. Кужелева. Курск, 2019. 201 с.Bobyntsev D.O., Lisitsin L.A., Marukhlenko A.L., Kuzheleva S.A. Administrirovanie informatsionnykh sistem. Kursk, 2019. 201 p. (In Russ.).Асютиков А.А., Добрица В.П. Шифрование клеточным автоматом на разбиении по принципу плавающего окна // Инфокоммуникации и космические технологии: состояние, проблемы и пути решения: сборник научных статей по материалам II Всероссийской научно-практической конференции. Курск, 2018. С. 45-50.Asyutikov A.A., Dobritsa V.P. [Encryption with a cellular machine on a partition by the principle of a floating window]. Infokommunikatsii i kosmicheskie tekhnologii: sostoyanie, problemy i puti resheniya. Sbornik nauchnykh statei po materialam II Vserossiiskoi nauchno-prakticheskoi konferentsii. [Infocommunications and space technologies: state, problems and solutions. The collection of scientific articles based on the materials of the II All-Russian scientific and practical conference]. Kursk, 2018, pp. 45-50 (In Russ.).Безопасность информационных систем / А.Л. Марухленко, М.О. Таныгин, М.А. Ефремов, А.Г. Спеваков; Юго-Зап. гос.ун-т. Курск, 2019. 210 с.Marukhlenko A.L., Tanygin M.O., Efremov M.A., Spevakov A.G. Bezopasnost' informatsionnykh sistem [Security of information systems]. Kursk, 2019, 210 p. (In Russ.).Разработка защищенных корпоративных систем на базе клиент-серверной технологии / М.А. Ефремов, Ю.А. Халин, А.Л. Марухленко, Л.О. Марухленко; Юго-Зап. гос.ун-т. Курск, 2018. 176 с.Efremov M.A., Khalin Y.A., Marukhlenko A.L., Marukhlenko L.O. Razrabotka zashchishchennykh korporativnykh sistem na baze klient-servernoi tekhnologii [Development of secure corporate systems based on client-server technology]. Kursk, 2018. 176 p. (In Russ.).Комплексная оценка информационной безопасности объекта с применением математической модели для расчета показателей риска / М.А. Ефремов, А.Л. Марух-ленко, А.В. Плугатарев, Л.О. Марухленко // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Управление, вычислительная техника, информатика. Медицинское приборостроение. 2018. Т. 8. № 4 (29). С. 34-40.Efremov M.A., Marukhlenko A.L., Plugatarev A.V., Marukhlenko L.O. Kompleksnaya otsenka informatsionnoi bezopasnosti ob"ekta s primeneniem matematicheskoi modeli dlya rascheta pokazatelei riska [A comprehensive assessment of the information security of an object using a mathematical model for calculating risk indicators]. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta. Upravlenie, vychislitel'naya tekhnika, informatika. Meditsinskoe priborostroenie = Proceedings of the Southwest State University. Series: Control, Computing engineering, Information science. Medical instruments engineering. 2018, vol. 8, no. 4 (29), pp. 34-40 (In Russ.).Вариант обеспечения информационной безопасности за счет повышения отказоустойчивости работы аппаратного межсетевого экрана / Л.О. Марухленко, А.Л. Ма-рухленко, К.М. Керимбаева, А.А. Шамина // Инфокоммуникации и космические технологии: состояние, проблемы и пути решения: сборник научных статей по материалам II Всероссийской научно-практической конференции. Курск, 2018. С. 10-14.Marukhlenko L.O., Marukhlenko A.L., Kerimbaeva K.M., Shamina A.A. [Variant of ensuring information security by increasing the fault tolerance of the hardware firewall]. Infokommunikatsii i kosmicheskie tekhnologii: sostoyanie, problemy i puti resheniya. Sbornik nauchnykh statei po materialam II Vserossiiskoi nauchno-prakticheskoi konferentsii. [Infocommunications and space technologies: state, problems and solutions The collection of scientific articles based on the materials of the II All-Russian scientific and practical conference]. Kursk, 2018, pp. 10-14 (In Russ.).Установление доверительного канала обмена данными между источником и приёмником информации с помощью модифицированного метода одноразовых паролей / М.О. Таныгин, Х.Я. Алшаиа, В.А. Алтухова, А.Л. Марухленко // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Управление, вычислительная техника, информатика. Медицинское приборостроение. 2018. Т. 8. № 4 (29). С. 63-71.Tanygin M.O., Alshaya Kh.Ya., Altukhova V.A., Marukhlenko A.L. Ustanovlenie doveritel'nogo kanala obmena dannymi mezhdu istochnikom i priemnikom informatsii s pomoshch'yu modifitsirovannogo metoda odnorazovykh parolei [Establishing a confidence channel for exchanging data between a source and a receiver of information using the modified one-time password method]. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta. Upravlenie, vychislitel'naya tekhnika, informatika. Meditsinskoe priborostroenie = Proceedings of the Southwest State University. Series: Control, Computing engineering, Information science. Medical instruments engineering, 2018, vol. 8, no. 4 (29), pp. 63-71 (In Russ.).Организация системы сетевого мониторинга и оценки состояния информационной безопасности объекта / А.Л. Марухленко, К.Д. Селезнёв, М.О. Таныгин, Л.О. Марухленко // Известия Юго-Западного государственного университета. 2019. 23(1): C. 118-129. https://doi.org/10.21869/2223-1560-2019-23-1-118-129.Marukhlenko A.L., Seleznev K.D., Tanygin M.O., Marukhlenko L.O. Organizatsiya sistemy setevogo monitoringa i otsenki sostoyaniya informatsionnoi bezopasnosti ob"ekta [Organization of a network monitoring system and an assessment of the state of information security of an object]. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta = Proceedings of the Southwest State University. 2019; 23 (1): 118-129 (In Russ.). https:// doi.org/10.21869/2223-1560-2019-23-1-118-129.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.