Ученые из Тихоокеанской Северо-Западной национальной лаборатории Министерства энергетики показали, что алгоритмы, лежащие в основе поиска в Интернете, могут помочь защитить такие объекты, как электросеть, водоочистные сооружения, предприятия пищевой промышленности и больницы.

"Это ресурс для людей, которые пытаются защитить важную сеть от такой угрозы, как кибератака, и им необходимо определить приоритеты, какие структуры наиболее важны для защиты", - сказал математик Билл Кей, руководивший работой.

Новое исследование, опубликованное недавно в журнале Homeland Security Affairs, основано на алгоритме Google PageRank, предназначенном для рекомендации наиболее релевантных веб-сайтов людям, ищущим информацию в Интернете. Чтобы ранжировать результаты поиска, формула учитывает такие факторы, как количество влиятельных веб-сайтов, указывающих на данную страницу, а затем на сколько влиятельных сайтов указывает сама страница.

Команда Кея применила те же принципы к таким сооружениям, как электросеть для обеспечения подачи электроэнергии, очистные сооружения для поддержания чистоты нашей воды и больницы для лечения больных и травмированных. Исследователи называют эту сеть объектов "критической инфраструктурой" - структурами, которые в случае повреждения или разрушения могут угрожать общественной или национальной безопасности.

Остановка каскада сбоев

Задача для таких исследователей, как Кей: среди множества десятков тысяч важных объектов в такой стране, как Соединенные Штаты, помочь планировщикам определить приоритеты, какие сооружения наиболее важны для защиты. Каковы могут быть наиболее вероятные цели противника? Какие объекты с наибольшей вероятностью передадут сбой в другие структуры, и как защитники могут остановить этот сбой как можно быстрее?

"Не все инфраструктурные активы одинаковы", - сказал Кей. "Если неисправность распространяется, я хочу знать, что произойдет, если вывести из строя конкретную часть оборудования - насколько масштабными будут последствия?

"Ключевым моментом здесь является выявление систем, влияние которых распространяется в обоих направлениях, - сказал Кей, - выявление систем, на которые влияет множество других систем, но которые также влияют на многие другие. Это все равно что знать, кто такие так называемые популярные дети в старшей школе и особенно те, кто популярен среди других популярных детей".

Многое может произойти быстро. Например, если заблудившаяся белка выведет из строя электроподстанцию, насосы на станции очистки воды могут остановиться. Это может поставить под угрозу водоснабжение близлежащей больницы или атомной электростанции, которая нуждается в воде для охлаждения. Конечно, у чиновников есть надежные системы резервного копирования, и частью их планирования является знание того, как предотвратить такой каскад сбоев как можно быстрее.

Команда Кея начала с адаптации существующего алгоритма PageRank: вместо того, чтобы рассматривать взаимодействия между веб-страницами, ученые проанализировали взаимодействия между структурами. Какие объекты с наибольшей вероятностью подвергнутся нападению или выйдут из строя? И какие объекты окажут серьезное влияние на другие объекты, если они действительно выйдут из строя? Структуры, которые соответствовали обоим критериям, были признаны командой критически важными.

"Поскольку сбой распространяется по сети, есть две вещи, которые я хотел бы знать: какие вещи, скорее всего, выйдут из строя, и какие вещи, если они выйдут из строя, скорее всего, распространят сбой дальше", - сказал Кей, специализирующийся на графовых сетях.

Слои знаний

Команда не просто применила формулу PageRank, но и внесла изменения, позволяющие взвешивать множество потоков информации одновременно - это сродни одновременному выполнению десятков связанных поисковых запросов в Интернете, при этом все поисковые запросы взаимодействуют между собой. Команда называет это многоуровневым подходом.

"Чтобы представить себе многослойный алгоритм, представьте себе многослойный сэндвич - клубный сэндвич", - сказал соавтор Патрик Макки. "Одним из уровней может быть электрическая система. Другой - это транспорт. Другими могут быть нефтепроводы или больницы. Многие люди рассматривают эти аспекты инфраструктуры по отдельности; мы рассматриваем их все вместе и то, как они влияют друг на друга, что помогает определить, какие из них наиболее важны".

В ходе нескольких симуляций команда показала, что ее многоуровневый подход последовательно устраняет сбои быстрее, с меньшим количеством поврежденных структур, чем другие подходы, включая алгоритм прямого ранжирования страниц и другой подход, известный как "outdegree". Команда не определила точно, насколько это ограничит атаку по сравнению с другими методами, вместо этого рассматривая исследование как доказательство того, что этот подход стоит изучить.

"Хороший алгоритм для такого рода работы не всегда должен включать детальную динамику различных объектов, представляющих интерес. Часто для начала достаточно адекватно понять взаимоотношения между этими сущностями", - сказал Кей. "Это обеспечивает отправную точку и может стать очень полезным, как только эксперт-человек пополнит свои знания о рассматриваемой области".

Эта работа является частью портфолио проектов, возглавляемых исследователем PNNL Сэмом Чаттерджи, главным исследователем и главным специалистом по обработке данных. Он был профинансирован Агентством по кибербезопасности и защите инфраструктуры, чтобы обеспечить последовательный, воспроизводимый и оправданный анализ широкого спектра потенциальных сбоев.

"Эта работа представляет собой отличный пример того, как методы сетевой науки могут быть адаптированы для решения проблем, связанных с рисками и устойчивостью критической инфраструктуры", - сказал Чаттерджи.

В дополнение к Чаттерджи, Кей и Макки, бывший стажер Джейкоб Миллер также внес свой вклад в проект.