Лекция 2. Понятие «система» и его применение в сфере информационной безопасности

Система появляется тогда, когда между элементами множеств появляются отношения. Множество это ещё не система. Существуют различные способы задания систем.

Первый, наиболее распространенный, когда сложный объект, явление или процесс расчленяется на множество составных элементов и между ними выявляются системообразующие межэлементные связи и отношения, придающие этому множеству целостность.

Другой способ - это представление не всего исследуемого объекта, явления, или процесса как системы, а только лишь его отдельных сторон-аспектов, граней-разрезов, которые считаются существенными для исследуемой проблемы. В этом случае каждая система в одном и том же объекте выражает лишь определенную грань его сущности. Например, единый объект государство имеет много различных граней, которые составляю военную систему, политическую, экономическую, образовательную, научную, культурную и др. Такое применение понятия системы позволяет досконально и цельно изучать разные аспекты или грани единого объекта. Эти системы взаимосвязаны между собой, а при необходимости целиком рассмотреть сложный объект как общую систему, в котором уже выделены системы соответственно его разным граням, их можно представить как подсистемы общей системы.

Еще один способ выделения систем в сложном объекте без его расчленения на части. Гранями там служат существенные процессы, протекающие в сложном объекте, а системы принимают участие в этих процессах. Например, могут выделяться процессы сохранения устойчивости колебаний между объединением и разъединением, процессы изменения уровня организованности, процессы эволюции.

Таким образом, при структурировании сложного объекта в целях его анализа можно выделить в нем подсистемы или элементы как путем расчленения на части, так и путем выделения его различных граней или аспектов.

Под системой обычно понимают совокупность взаимосвязанных элементов, объединенных единством цели (или назначения) и функциональной целостностью. Любая система образуется в результате взаимодействия составляющих ее элементов, причем это взаимодействие придает системе новые свойства, отсутствовавшие у отдельно взятых элементов.

Система – греч. systema – целое, составленное из частей; соединение – множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, образующие определенную целостность, единство.

Элемент — это некоторый объект (материальный, энергетический, информационный), обладающий рядом важных свойств, реализующий определенную функцию системы, внутренняя структура которого не рассматривается.

Элемент – конечный предел членения системы с точки зрения решения конкретной задачи и поставленной цели.

Подсистема – представляет компоненты последовательного вычленения совокупностей взаимосвязанных элементов системы, способных выполнять относительно независимые функции, достигать подцелей, направленных на достижение общей цели системы.

Как правило, объединение элементов в систему осуществляется в результате формирования согласованного взаимодействия (сложения усилий) в нечто новое, обладающее интегративным качеством, которым эти элементы до объединения не обладали. Функциональная целостность системы характеризует завершенность ее внутреннего строения. Именно система выступает как нечто целое относительно окружающей среды: при возмущающем воздействии внешней среды проявляются внутренние связи между ее элементами, и чем эти связи сильнее, тем устойчивее система к внешним возмущениям. Другими словами, совокупность взаимосвязанных структурных элементов образует систему только в том случае, когда отношения между элементами порождают новое, особое качество целостности, называемое системным.

Состояние – мгновенное отражение системы, определяемое через характеристики входных воздействий, выходных сигналов и ее элементов.

Поведение – способность системы переходить из одного состояния в другое.

Равновесие – способность системы в отсутствии внешних возмущающих воздействий сохранять свое состояние сколь угодно долго.

Устойчивость – способность системы возвращаться в состояние равновесия после выведения ее из этого состояния внешними возмущающими воздействиями.

Основной общий признак, который присутствует практически во всех определениях и теоретических моделях понятия «система», — это целостность совокупности элементов системы. Этот признак стремятся явно или хотя бы неявно выразить во всех определениях понятия системы.

Целостность - качество, которое проявляется в сохранении состояния и строения системы, сложных связей между её элементами.

В совокупности это отражает:

1) Элементный состав

2. Наличие связей

3. Инвариантность во времени.

Не все отношения придают элементам целостность, те которые придают, называются системообразующими. В качестве признаков характеризующих целостность системы используют:

1) Единство цели

2. Функциональное назначение

3. Наличие окружающей среды, с которой взаимодействует система

Под целостностью понимают принципиальную несводимость свойств системы к сумме свойств, её составляющих. Однако средства, которыми пытаются выразить целостность, бывают различными.

Целостность проявляется в том, что свойства системы не являются суммой свойств элементов и в то же время зависят от свойств составляющих элементов; новые взаимоотношения системы как целого с внешней средой отличны от взаимодействия с ней отдельных элементов; цель может быть определена путем изучения свойств системы как целого.

Нередко к нарушению целостности и прочих свойств системы приводит ресурсная диспропорция (2.1). Такое возможно при наличии подмножеств A₁(R₁) A(R) и A₂(R₂) A(R) мощностью N₁ и N₂ соответственно, для которых удельная ресурсообеспеченность существенно разнится

. (2.1)

Понятно, что не всякое отношение придает множеству элементов целостность. Поэтому выделяют специальные отношения, которые называются системообразующими.

В качестве признаков, которые характеризуют целостность систем, объединяют ее, используют такие, как единство цели, функциональное назначение, определенные функции, наличие окружающей среды (мира вне системы), с которой система взаимодействует как целое.

Важным средством характеристики системы являются ее свойства. При этом интересны именно те свойства, которые отличают её как целостность и которые не сводятся только к сумме свойств её элементов. Такие свойства называются интегративными.

Свойство – сторона объекта, обуславливающая его отличие от других объектов или сходство с ними и проявляющаяся при его функционировании.

Качество – совокупность свойств системы.

Характеристика – то, что отражает некоторое свойство.

Свойства системы как целого определяются не только свойствами его отдельных элементов, но и свойствами структуры системы. Для многих типов систем термин «структура» означает: пространственное расположение всех ее элементов, совокупность устойчивых межэлементных связей и отношений элементов, внутреннее устройство, а также закон взаимодействия и взаимосвязи. Иногда понятие структуры отождествляют с понятием организации системы. В простейшем случае структура системы представляется как совокупность всех элементов, связей между этими элементами и отношений между ними.

Целостность представляет собой многоаспектное явление. Одна из важнейших составляющих целостности — интегрированность — обеспечивает сплоченность частей в целое, причем в результате такой сплоченности свойства частей модифицируются и проявляются как качественно иные свойства, характерные для наличной целостности и отличные от свойств отдельных элементов (в некоторых источниках используют термин «эмерджентность»). Интегрированность проявляется также в функциональной ориентированности взаимодействий элементов системы на сохранение и развитие целостности путем снятия актуальных противоречий системы.

Интегративность определяет причины и условия формирования целостности системы, ее сохранения в условиях неоднородности и противоречивости элементов системы, внешней среды.

Иерархичность – свойство системы, вытекающее из свойств целостности и бесконечности и означающее, что каждый ее элемент может, в свою очередь, рассматриваться как целостная система, а сама система – как компонент более широкой системы.

Существенным признаком целостности является относительная обособленность системы от окружающей среды, т. е. наличие у системы некоей внешней границы (отделяющей ее от среды), которая обусловлена функциональной выделенностью системы из среды, причем контакты со средой осуществляются избирательно, что позволяет обмениваться со средой веществом, энергией и информацией, не смешиваясь со средой и сохраняя качественную индивидуальность системы. Под средой понимается множество объектов вне данной системы. Часто выделяют ближнюю среду — подмножество объектов, оказывающих существенное влияние на систему и/или испытывающих ее воздействие.

Чем выше взаимосогласованность действия элементов в системе, тем выше её организованность и тем больше превышает потенциал системы.

Из сказанного следует, что для достижения высокого потенциала (научного, экономического, образовательного, военного) целостной системы (государства, академии, военного ведомства, министерства) необходимы постановка четкой цели организация взаимосогласованного взаимодействия составных элементов, иначе будут отсутствовать интегративное качество системы и сама система, в правильном ее понимании.

Классификация систем

Известно, что классификацией называется распределение некоторой совокупности объектов на классы по наиболее существенным признакам. Признак или их совокупность, по которым объекты объединяются в классы, являются основанием классификации. Класс — это совокупность объектов, обладающих некоторыми признаками общности

Анализ литературы позволяет сделать вывод об отсутствии однозначной системы классификации систем, поэтому постараемся построить некоторую упрощенную схему. (рис. 2.1).

Рис.2.1 Классификация систем

Многообразие систем весьма велико и признаков для их классификации тоже множество. Среди признаков классификации систем на первое место выдвигается субстанциональный признак, но которому выделяют четыре класса систем:

1. Искусственные системы - это системы, созданные человеком. Диапазон их реализаций очень широк: от простейших механизмов до сложных производственных комплексов в технике; от лаборатории, кафедры, института, воинского подразделения до министерства и Совета министров в организационных структурах.

2. Естественные системы - это системы, объективно существующие в действительности, в живой и неживой природе и обществе: атом, молекула, клетка, организм, популяция, общество, вселенная и т.п.

3. Идеальные и концептуальные системы - это системы, которые выражают образцовую действительность или образцовый мир. Они часто бывают целью, в большинстве случаев недостижимой, к которой должна стремиться реальная система. Примером идеальной системы может служить картина, возникшая в голове человека от восприятия литературного или музыкального произведений, научной теории и т.п.

4. Виртуальные системы - это не существующие в действительности модельные или мыслительные представления реальных объектов, явлений, процессов, являющиеся изоморфными к ним. Виртуальные системы могут быть не идеальными.

Кроме указанных, на практике различные системы условно делят на целесориентированные, имеющие чёткие цели, и ценностноориентировнные. которые ориентированы, в первую очередь, на определенные ценности, а не цели.

По характеру своего поведения и, следовательно, по типу действующих в системе законов различают системы активные, в которых, в основном, внутренние законы определяют функционирование системы, а воздействие окружающей среды на систему несущественно, и системы реактивные, у которых функционирование определяется, главным образом, воздействием окружающей среды. Можно считать, что по своему поведению реактивные системы более открытые, чем активные системы.

С точки зрения поведения различаются также системы неразвивающиеся (стабильные) и развивающиеся: в последних выделяются самоорганизующиеся и саморазвивающиеся.

Деление систем на материальные (реальные) и абстрактные позволяет различать реальные системы (объекты, явления, процессы) и системы, являющиеся определенными отображениями (моделями) реальных объектов.

Среди всего многообразия материальных систем существуют естественные и искусственные системы (в некоторых случаях специально выделяют смешанные).

Естественные системы представляют собой совокупность объектов природы, а искусственные системы — совокупность социально-экономических или технических объектов.

Искусственные системы, как правило, отличаются от природных наличием определенных целей функционирования (назначением) и наличием управления (т. е. предполагается наличие объекта и субъекта управления).

Естественные системы, в свою очередь, можно подразделить на астрокосмические и планетарные, физические, химические и биологические.

Искусственные системы могут быть классифицированы по нескольким признакам, главным из которых является роль человека в системе. По этому признаку можно выделить два класса систем: технические и организационно-экономические. В основе функционирования технических систем лежат процессы, совершаемые машинами, а в основе функционирования организационно-экономических систем — процессы, совершаемые человекомашинными комплексами (хотя некоторые специалисты предпочитают в этом случае термин «организационно-технические системы»).

Деление систем на простые, сложные и большие подчеркивает, что в системном анализе рассматриваются не любые, а именно сложные системы большого масштаба. При этом выделяют структурную и функциональную (вычислительную) сложность.

Общепризнанной границой, разделяющей простые, большие и сложные системы, нет. Однако отмечается, что термин «большая система» характеризует только одну черту сложности — размерность системы. Кроме этого, сложные системы характеризуются как минимум двумя дополнительными признаками: свойством устойчивости и функциональной анизотропностью — неравноценностью элементов и связей системы, организационной разносо-противляемостью и разночувствительностью к воздействиям, асимметричностью потенциальных возможностей осуществления функциональных и дисфункциональных изменен

Сложные системы обладают свойством устойчивости — способностью сохранять частичную работоспособность (эффективность) при отказе отдельных элементов или подсистем. Оно объясняется функциональной избыточностью сложной системы и проявляется в изменении степени деградации выполняемых функций, зависящей от глубины возмущающих воздействий. Простая система может находиться не более чем в двух состояниях: полной работоспособности (исправном) и полного отказа (неисправном).

В составе сложных систем, кроме значительного количества элементов, присутствуют многочисленные и разные по типу (неоднородные) связи между элементами. Основными типами считаются следующие виды связей: структурные (в том числе иерархические), функциональные, каузальные (причинно-следственные, отношения истинности), информационные, пространственно-временные. По этому признаку будем отличать сложные.

Считается, что структурная сложность системы должна быть пропорциональна объему информации, необходимой для ее описания (снятия неопределенности). В этом случае общее количество информации о системе S, в которой априорная вероятность появления j-го свойства равна р(у_j), определяется известным соотношением для количества информации Это энтропийный подход к дескриптивной (описательной) сложности.

Одним из способов описания такой сложности является оценка числа элементов, входящих в cиcтему (переменных, состояний, компонентов), и разнообразия взаимозависимостей между ними. Для оценки сложности функционирования систем применяется алгоритмический подход. Он основан на определении ресурсов (время счета или используемая память), используемых в системе при решении некоторого класса задач. Например, если функция времени вычислений является полиномиальной функцией от входных данных, то мы имеем дело с полиномиальным по времени, или «легким», алгоритмом.

Для материальной (реальной) системы может быть построено множество систем — моделей, различаемых по цели моделирования, по требуемой степени детализации и по другим признакам.

Логические системы есть результат дедуктивного или индуктивного представления материальных систем. Их можно рассматривать как системы понятий и определений (совокупность представлений) о структуре, об основных закономерностях состояний и о динамике материальных систем.

Символические системы представляют собой формализацию логических систем, они подразделяются на три класса:

• статические математические системы или модели, которые описывают объект в какой-либо момент времени;

• динамические математические системы или модели отражают поведение объекта во времени;

• находящиеся в неустойчивом положении между статикой и динамикой, которые при одних воздействиях ведут себя как статические, а при других воздействиях — как динамические.

Цели системы, показатели и критерии

Одной из важнейших характеристик систем, особенно искусственных, является целеориентированный характер их деятельности. В Большом энциклопедическом словаре цель определяется как идеальное, мысленное предвосхищение результата деятельности. В БСЭ цель определяется как «заранее мыслимый результат созидательной деятельности человека».

Цель — это субъективный образ (абстрактная модель) несуществующего, но желаемого состояния. Цель может задаваться требованиями к показателям результативности, ресурсоемко-сти, оперативности функционирования системы либо к траектории достижения заданного результата.

Несоответствие между существующим и требуемым (целевым) состоянием системы при определенном состоянии внеш- ней среды (например, неудовлетворенности, неэффективности) называется проблемной ситуацией.

В качестве примера различных видов целей рассмотрим приведенную в классификацию (рис. 2.2).

Рис. .2.2. Классификация целей

Конечные цели характеризуют вполне определенный результат, который может быть получен в заданном времени и пространстве. В этом случае цель можно задать в виде желаемых значений (или области желаемых значений) параметров состояния системы. Таким образом, конечная цель может быть представлена как некоторая точка (или область) в пространстве состояний.

Бесконечные цели определяют, как правило, общее направление деятельности. Бесконечная цель может задаваться как вектор в пространстве состояний системы, например в виде функций максимизации или минимизации параметров состояния.

Выбор того или иного класса целей зависит от характера решаемой проблемы. Очевидно, что при определении целей необходимо исходить из общественных интересов системы. При этом формулировка целей может выражаться как в качественной, так и в количественной форме, должна быть четкой и компактной, носить повелительный характер.

По отношению к состоянию целей система может находиться в двух режимах: функционирования и развития. В первом случае считается, что система полностью удовлетворяет потребности внешней среды и процесс перехода ее и ее отдельных элементов из состояния в состояние происходит при постоянстве заданных целей. Во втором случае считается, что система в некоторый момент времени перестает удовлетворять потребностям внешней среды и требуется корректировка прежних целевых установок.

Учитывая, что практически все системы относятся к классу многопродуктовых (многоцелевых) систем, следует рассматривать простые (частные) цели системы и сложные (комплексные) цели.

Формирование целей является комплексным и сложным процессом. Одна из причин подобных трудностей состоит том, что между целью (абстрактной и конечной моделью) и реальной системой нет и не может быть однозначного соот-зетствия: для достижения заданной цели могут быть избраны разные средства — системы; с другой стороны, заданную реальную систему можно использовать и для других целей, прямо не предусмотренных при ее создании

Еще более осторожно, тщательно, продуманно, осознанно следует подходить к формулировке целей еще не существующих, а только проектируемых систем. Известны случаи, когда созданная система полностью отвечала поставленным целям, и совершенно не удовлетворяла тех, кто эти цели формулировал.

Условия, требования — базовые целеполагающие формулировки, выражающие в общем виде правила поведения системы.

Показатель, параметр — характеристика, отражающая то или иное свойство системы, а также целевую направленность процесса (операции), реализуемого системой.

Критерий — количественный или порядковый показатель, на основании которого производится оценка, определение, классификация систем. Это также своего рода мера близости к цели, отождествляемая с показателем эффективности системы. От критериев требуется как можно большее сходство с целями, для того чтобы оптимизация решения в системе выбранных критериев соответствовала максимальному приближению к цели.

Структура системы

Как было сказано выше, система обладает свойствами, новыми по отношению к свойствам ее структурных элементов, причем эти новые свойства обусловлены не только свойствами самих структурных элементов данной системы, но и зависят от их взаимодействия как с другими элементами, так и во многих случаях с внешней средой. Поэтому нельзя изучить закономерности поведения самой системы, изучая только закономерности поведения ее элементов, так как свойства конкретной системы во многом задаются извне, то есть во многом определяются окружающей средой.

Совокупность элементов системы образует ее компонентный состав. А совокупность образующих систему элементов и связей между ними — структуру, в которой существенную роль играют связи — виды отношений между элементами, которые проявляются как некоторые взаимоотношения. Так, изменяя связи при сохранении элементов, можно получить другую систему, обладающую новыми свойствами или реализующую другой закон функционирования.

Структура – построение системы, отражающее наиболее существенные взаимосвязи между элементами и их группами (подсистемами), которые мало меняются при изменениях в системе и обеспечивают устойчивое существование системы и ее основных свойств.

Физическая структура – это схема связей физических элементов системы.

Логическая структура определяет принципы установления связей, алгоритмы организации, функционирования процессов и управления ими.

Топологическая структура – обобщенная геометрическая модель физической структуры.

Конфигурация системы - конкретный состав организационно-технических, программно-аппаратных, морально-этических и других средств и схема их связей.

Связь – компонент, обеспечивающий возникновение и сохранение структуры и целостных свойств системы и характеризующий как строение (статику), таки функционирование (динамику) системы. Степень связности элементов определяет устойчивость системы. Если каждому элементу a_i поставить в соответствие переменные его состояния X_i, то взаимозависимость компонентов А можно охарактеризовать матрицей коэффициентов чувствительности (2.2).

(2.2)

Близость к нулю отдельных элементов строк (столбцов) в вышеуказанной матрице (2.2) свидетельствует о наличии слабосвязных зон в структуре системы. Они и являются ядрами для возникновения угроз утраты данных зон для системы (требуют особого внимания с точки зрения обеспечения целостности и организованности системы).

Уровень организованности и упорядоченности системы оценивают величиной

К₀ = 1 - , (2.3)

где Н_реал – реальное или текущее значение энтропии (неопределенности) системы, Н_max – максимально возможная энтропия или неопределенность по структуре и функциям системы.

Энтропия – от греческого entropia – поворот, превращение, мера неоднозначности (вероятности пребывания системы в данном состоянии).

Если система (1.9) полностью детерминирована и организована, то К₀=1 и Н_реал=0. Если же система полностью дезорганизована, то К₀=0 и Н_реал=Н_max.

Организованность системы, как правило, предусматривает иерархичность ее структуры (подчиненность низших уровней высшим). В зависимости от состояния системы следует перераспределять функции и полномочия между уровнями ее иерархии. От этого зависит ее эффективность и целостность.

В целом структура является материальным носителем целевой деятельности по ликвидации проблемной ситуации, и от ее эффективности во многом зависит конечный результат этой деятельности. При выборе варианта структуры целесообразно использовать некоторые обобщенные показатели эффективности.

Оперативность оценивается временем реакции системы на воздействие внешней среды либо скоростью ее изменения и зависит в основном от общей схемы соединения элементов и их расположения.

Централизация определяет возможности выполнения одним из элементов системы руководящих функций. Численно централизация определяется средним числом связей центрального (руководящего) элемента со всеми остальными.

Периферийность характеризует пространственные свойства структур. Численно периферийность определяется показателем центра тяжести структуры, при этом в качестве единичной оценки меры связности выступает «относительный вес» элемента структуры.

Живучесть системы определяет ее способность сохранять значения показателей при повреждении части системы. Этот показатель может характеризоваться относительным числом элементов (или связей), при уничтожении которых остальные показатели не выходят за допустимые пределы.

Все структурные схемы имеют нечто общее, и это побудило математиков рассматривать их как особый объект математических исследований. Для этого пришлось абстрагироваться от содержательной стороны структуры, оставив в рассматриваемой модели только общее для каждой схемы

Функции системы

В системном анализе применительно к искусственным системам отождествляют функцию как способ или средство достижения цели, а функционирование системы — как действия, предпринимаемые для этого.

В процессе развития системного анализа все большее внимание стало уделяться исследованию механизмов функционирования искусственных систем, а также изучению условий, нарушающих их нормальную деятельность. Механизм изучения включает исследование функций системы, определение связей функции с множеством взаимодействующих элементов, а на более высоком уровне — рассмотрение структуры системы не как отношения (взаимосвязь, взаимодействие), а как определенным образом упорядоченное расположение одних элементов относительно других (отношения между отношениями).

Так, один из принципов проектирования искусственной системы состоит в ее представлении совокупностью взаимосвязанных функций, реализация которых обеспечивает достижение нужного эффекта, в минимальные сроки и при минимальных трудовых, финансовых и материальных затратах, с минимальным ущербом окружающей среды и т. д. Он предполагает исследование системы, с одной стороны, как единого целого, а с другой — как части более крупной системы, в которой анализируемый объект находится с остальными системами в определенных отношениях. Таким образом, принципы системного анализа охватывают характеристики объекта и предмета в пространстве и во времени.