Онтологическая модель для анализа защищённости систем Интернета вещей
Ключевые слова:
онтология, Интернет вещей, угроза, структурно-функциональная характеристика, информационная безопасностьАннотация
В статье рассматривается задача комплексного анализа защищённости систем Интернета вещей. Актуальность работы обусловлена ростом сложности и гетерогенности систем Интернета вещей, а также необходимостью масштабируемой оценки их защищённости с учётом архитектурных и функциональных особенностей. На основе анализа архитектуры систем Интернета вещей разработана многоуровневая онтологическая модель, объединяющая предметную область Интернета вещей и информационной безопасности, дополненная учётом функциональной роли компонентов системы, типов передаваемых сообщений и целей системы, что позволяет отобразить зависимость критичности компонента от выполняемой функции и влияние угрозы на нарушение целевой функции системы. На основе модели предложен механизм вывода угроз, выявляющий каскадный эффект распространения деструктивного воздействия по топологическому вектору и функциональному вектору. В отличие от подходов, рассматривающих угрозу исключительно через факт первичной компрометации элемента, новизна заключается в том, что глубина и последствия угрозы определяются не начальной компрометацией, а структурно-семантическими характеристиками межкомпонентных связей, задающих развитие каскадного эффекта. Онтология интегрирована с внешними репозиториями знаний (CVE, RVD, CAPEC, CWE, БДУ ФСТЭК) посредством ETL-процесса, а вывод скрытых связей автоматизирован с помощью SWRL-правил в среде Protege. Практическая апробация модели выполнена на экспериментальном стенде «Умная лаборатория». Результатом работы является реализованная онтологическая модель, обеспечивающая автоматическое выявление угроз безопасности для систем Интернета вещей. Оценка качества модели по методике OntoMod показала расширение семантического покрытия предметной области в 3 раза и снижение структурной сложности в 1,5-2,4 раза по сравнению с рассмотренными аналогами. Сформулирован вывод о применимости предложенного онтологического подхода для оперативной поддержки принятия решений операторами и проектировщиками распределенных сетей Интернета вещей.
Литература
1. Doynikova E., Novikova E., Murenin I., et. al. Security Measuring System for IoT Devices // Lecture Notes in Computer Science. Springer. 2022. vol. 13106. pp. 256–275.
2. ISO/IEC 30141:2024. Internet of Things (IoT) – Reference architecture: international standard // Geneva: ISO. 2024. 61 p.
3. Parsons E., Panaousis E., Loukas G., Sakellari G. Survey on Cyber Risk Management for the Internet of Things // Applied Sciences. 2023. vol. 13. no. 15. pp. 1–44.
4. Salayma M. Risk and threat mitigation techniques in internet of things (IoT) environments: a survey // Frontiers in the Internet of Things. 2023. vol. 2. pp. 1–22.
5. Dione D., Seck B., Diop I., et. al. Hardware Security for IoT in the Quantum Era: Survey and Challenges // Journal of Information Security. 2023. vol. 14. pp. 227–249.
6. ГОСТ Р 70924-2023. Информационные технологии. Интернет вещей. Типовая архитектура. Издание официальное // М.: Российский институт стандартизации. 2024.
7. Gupta H., Bharti A. Fog Computing & IoT: Overview, Architecture and Applications // International Journal of Advanced Research in Computer and Communication Engineering. 2018. vol. 7. pp. 30–34.
8. Zahoor S., Sofi S. Internet of Things: A Review of Functionality, Applications, Architectures and Challenges // Journal of the University of Shanghai for Science and Technology. 2021. vol. 23. no. 9. pp. 1216–1224.
9. Herzog A., Shahmehri N., Duma C. An Ontology of Information Security // International Journal of Information Security and Privacy. 2007. vol. 1. no. 4. pp. 1–23.
10. Moller D.P.F. Cybersecurity Ontology // Cybersecurity in Digital Transformation. Springer. 2020. pp. 79–96.
11. Lee J., Moon D., Kim I., Lee Y. A semantic approach to improving machine readability of a large-scale attack graph // The Journal of Supercomputing. 2019. vol. 75. pp. 3028–3045.
12. Falodiya K., Das M.L. Security Vulnerability Analysis using Ontology-based Attack Graphs // Proceedings of the IEEE India Council International Conference. 2017. pp. 1–5.
13. Saint-Hilaire K., Neal C., Cuppens F., et. al. A real-time automated attack-defense graph generation approach // Journal of Information Security and Applications. 2025. vol. 94. pp. 1–22.
14. Qaswar F., Rahmah M., Raza M., et. al. Applications of Ontology in the Internet of Things: A Systematic Analysis // Electronics. 2023. vol. 12. no. 1. pp. 1–30.
15. Jarwar M., Watson J., Ani U., Chalmers S. Industrial Internet of Things Security Modelling using Ontological Methods // Proceedings of the ACM Workshop on Secure and Trustworthy Cyber-Physical Systems. 2022. pp. 163–170.
16. Bhole M., Kastner W., Sauter T. Towards Unveiling Vulnerabilities and Securing IoT Devices: An Ontology-Based Approach // Proceedings of the IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation. 2024. pp. 1–8.
17. Lavrova D.S., Vasilev Y.S. An ontological model of the domain of applications for the Internet of Things in analyzing information security // Automatic Control and Computer Sciences. 2017. vol. 51. no. 8. pp. 817–823.
18. Zegzhda D.P., Lavrova D.S. Approach to Internet of Things detection of security incidents using SIEM technology // Интеллектуальные технологии на транспорте. 2017. №1. pp. 35–41.
19. Nazir A., Sholla S., Bashir A. An Ontology based Approach for Context-Aware Security in the Internet of Things (IoT) // International Journal of Wireless and Microwave Technologies (IJWMT). 2021. vol. 11. no. 1. pp. 28–46.
20. SAREF: Smart Applications REFerence ontology: v. 3.1.1 // European Telecommunications Standards Institute. URL: https://saref.etsi.org/core/v3.1.1/ (дата обращения: 05.02.2026).
21. Web of Things (WoT) Security Ontology // World Wide Web Consortium (W3C). URL: https://www.w3.org/2019/wot/security (дата обращения: 05.02.2026).
22. Федорченко Е.В., Новикова Е.С., Котенко И.В., Гайфулина Д.А., Тушканова О.Н. Левшун Д.С., Мелешко А.В., Муренин И.Н., Коломеец М.В. Система измерения защищенности информации и персональных данных для устройств интернета вещей // Вопросы кибербезопасности. 2022. №5. С. 28–46.
23. Kotenko I., Fedorchenko A., Doynikova E., Chechulin A. An Ontology-based Storage of Security Information // Information Technology and Control. 2018. vol. 47. no. 4. pp. 1–13.
24. Fedorchenko E.V., Kryukov R.O., Kotenko I.V., et. al. Security assessment based on attack graphs using NVD and MITRE ATT & CK database for heterogeneous infrastructures // Information and Control Systems. 2024. no. 2(129). pp. 39–50.
25. Makhdoom I., Abolhasan M., et. al. Anatomy of Threats to the Internet of Things // IEEE Communications Surveys & Tutorials. 2019. vol. 21. no. 2. pp. 1636–1675.
26. Yaacoub J.P.A., Noura H.N., Salman O., Chehab A. Robotics cyber security: vulnerabilities, attacks, countermeasures, and recommendations // International Journal of Information Security. 2022. vol. 21. pp. 115–158.
27. Mishura M. CyberSecOnto-IoT: онтология кибербезопасности Интернета вещей // GitHub. URL: https://github.com/MashaMishura/CyberSecOnto-IoT.git (дата обращения 05.02.2026).
28. Приказ Министерства цифрового развития, связи и массовых коммуникаций РФ от 29 марта 2019 г. №113 «Об утверждении Концепции построения и развития узкополосных беспроводных сетей связи «Интернета вещей» на территории Российской Федерации». URL: https://docs.cntd.ru/document/554066760 (дата обращения 05.02.2026).
29. ISO/IEC 27400:2022. Cybersecurity – IoT security and privacy – Guidelines: international standard // Geneva: ISO. 2022.
30. NISTIR 8228. Considerations for Managing Internet of Things (IoT) Cybersecurity and Privacy Risks // NIST. 2019.
31. NISTIR 8259A. IoT Device Cybersecurity Capability Core Baseline / National Institute of Standards and Technology // NIST. 2020.
32. Федеральный закон Российской Федерации от 26 июля 2017 г. №187 «О безопасности критической информационной инфраструктуры Российской Федерации». https://docs.cntd.ru/document/436752114 (дата обращения 05.02.2026).
33. ETSI TS 103 264 V3.1.1 (2020-02). SmartM2M; Smart Applications; Reference Ontology and oneM2M Mapping: Technical Specification // European Telecommunications Standards Institute. Sophia Antipolis: ETSI. 2020. 78 p.
34. CVE: Common Vulnerabilities and Exposures // The MITRE Corporation. URL: https://cve.mitre.org/ (дата обращения: 05.02.2026).
35. RVD: Robotics Vulnerability Database // Alias Robotics. URL: https://github.com/aliasrobotics/RVD (дата обращения: 05.02.2026).
36. CVSS v3.0 specification document // FIRST. URL: https://www.first.org/cvss/specification-document (дата обращения: 05.02.2026).
37. Методика оценки уровня критичности уязвимостей программных, программно-аппаратных средств: методический документ: утвержден ФСТЭК России 30 июня 2025 г. URL: https://fstec.ru/dokumenty/vse-dokumenty/spetsialnye-normativnye-dokumenty/metodicheskij-dokument-ot-30-iyunya-2025-g (дата обращения: 05.02.2026).
38. CAPEC – Common Attack Pattern Enumeration and Classification // The MITRE Corporation. URL: https://capec.mitre.org/ (дата обращения: 05.02.2026).
39. Методика оценки угроз безопасности информации: методический документ: утвержден ФСТЭК России 5 февраля 2021 г. URL: https://fstec.ru/dokumenty/vse-dokumenty/spetsialnye-normativnye-dokumenty/metodicheskij-dokument-ot-5-fevralya-2021-g (дата обращения: 05.02.2026).
40. Wu C.K. Architectures and security measures // Internet of Things security. Springer. 2021. pp. 13–26.
41. Dubey A., Yadav S. Basics of Internet of Things // International Journal of Scientific Research in Engineering and Management (IJSREM). 2024. vol. 8. no. 10. pp. 1–6.
42. Blinowski G., Piotrowski P. CVE based classification of vulnerable IoT systems // arXiv preprint arXiv:2006.16640. 2020.
43. Afroze M., Reena J. A Survey Study on IoT Application and its Attacks // International Research Journal on Advanced Engineering Hub (IRJAEH). vol. 2. no. 02. pp. 80–86.
44. Alam M., Khan I. Cyber Physical Attacks and IoT // Intelligent Cyber-Physical Systems Security for Industry 4.0. 2022. pp. 79–104.
45. Банк данных угроз безопасности информации. URL: https://bdu.fstec.ru/threat (дата обращения: 07.02.2026).
46. Дойникова Е.В., Котенко И.В. Оценивание защищённости и выбор контрмер для управления кибербезопасностью // М.: Российская академия наук, 2021. 184 с.
47. ENISA Threat Landscape 2024 // European Union Agency for Cybersecurity. Athens: ENISA. 2024. 112 p.
48. Best Practice Guidelines // IoT Security Foundation. URL: https://iotsecurityfoundation.org/best-practice-guidelines/ (дата обращения: 07.02.2026).
49. Kaspersky IoT Threat Data Feed. URL: https://www.kaspersky.ru/iot-threat-data-feed (дата обращения: 07.02.2026).
50. Protege. URL: http://protege.stanford.edu/ (дата обращения: 07.02.2026).
51. Common Platform Enumeration (CPE) // National Institute of Standards and Technology. URL: https://nvd.nist.gov/products/cpe (дата обращения: 07.02.2026).
52. National Vulnerability Database (NVD) // National Institute of Standards and Technology. URL: https://nvd.nist.gov (дата обращения: 07.02.2026).
53. Kumar S., Baliyan N. Semantic Web-Based Systems // SpringerBriefs in Computer Science. Springer. 2018. pp. 19–50.
54. Банк данных угроз ФСТЭК России. Формирование перечня угроз. URL: https://bdu.fstec.ru/threat-section/shaper-threats (дата обращения: 26.05.2026).
2. ISO/IEC 30141:2024. Internet of Things (IoT) – Reference architecture: international standard // Geneva: ISO. 2024. 61 p.
3. Parsons E., Panaousis E., Loukas G., Sakellari G. Survey on Cyber Risk Management for the Internet of Things // Applied Sciences. 2023. vol. 13. no. 15. pp. 1–44.
4. Salayma M. Risk and threat mitigation techniques in internet of things (IoT) environments: a survey // Frontiers in the Internet of Things. 2023. vol. 2. pp. 1–22.
5. Dione D., Seck B., Diop I., et. al. Hardware Security for IoT in the Quantum Era: Survey and Challenges // Journal of Information Security. 2023. vol. 14. pp. 227–249.
6. ГОСТ Р 70924-2023. Информационные технологии. Интернет вещей. Типовая архитектура. Издание официальное // М.: Российский институт стандартизации. 2024.
7. Gupta H., Bharti A. Fog Computing & IoT: Overview, Architecture and Applications // International Journal of Advanced Research in Computer and Communication Engineering. 2018. vol. 7. pp. 30–34.
8. Zahoor S., Sofi S. Internet of Things: A Review of Functionality, Applications, Architectures and Challenges // Journal of the University of Shanghai for Science and Technology. 2021. vol. 23. no. 9. pp. 1216–1224.
9. Herzog A., Shahmehri N., Duma C. An Ontology of Information Security // International Journal of Information Security and Privacy. 2007. vol. 1. no. 4. pp. 1–23.
10. Moller D.P.F. Cybersecurity Ontology // Cybersecurity in Digital Transformation. Springer. 2020. pp. 79–96.
11. Lee J., Moon D., Kim I., Lee Y. A semantic approach to improving machine readability of a large-scale attack graph // The Journal of Supercomputing. 2019. vol. 75. pp. 3028–3045.
12. Falodiya K., Das M.L. Security Vulnerability Analysis using Ontology-based Attack Graphs // Proceedings of the IEEE India Council International Conference. 2017. pp. 1–5.
13. Saint-Hilaire K., Neal C., Cuppens F., et. al. A real-time automated attack-defense graph generation approach // Journal of Information Security and Applications. 2025. vol. 94. pp. 1–22.
14. Qaswar F., Rahmah M., Raza M., et. al. Applications of Ontology in the Internet of Things: A Systematic Analysis // Electronics. 2023. vol. 12. no. 1. pp. 1–30.
15. Jarwar M., Watson J., Ani U., Chalmers S. Industrial Internet of Things Security Modelling using Ontological Methods // Proceedings of the ACM Workshop on Secure and Trustworthy Cyber-Physical Systems. 2022. pp. 163–170.
16. Bhole M., Kastner W., Sauter T. Towards Unveiling Vulnerabilities and Securing IoT Devices: An Ontology-Based Approach // Proceedings of the IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation. 2024. pp. 1–8.
17. Lavrova D.S., Vasilev Y.S. An ontological model of the domain of applications for the Internet of Things in analyzing information security // Automatic Control and Computer Sciences. 2017. vol. 51. no. 8. pp. 817–823.
18. Zegzhda D.P., Lavrova D.S. Approach to Internet of Things detection of security incidents using SIEM technology // Интеллектуальные технологии на транспорте. 2017. №1. pp. 35–41.
19. Nazir A., Sholla S., Bashir A. An Ontology based Approach for Context-Aware Security in the Internet of Things (IoT) // International Journal of Wireless and Microwave Technologies (IJWMT). 2021. vol. 11. no. 1. pp. 28–46.
20. SAREF: Smart Applications REFerence ontology: v. 3.1.1 // European Telecommunications Standards Institute. URL: https://saref.etsi.org/core/v3.1.1/ (дата обращения: 05.02.2026).
21. Web of Things (WoT) Security Ontology // World Wide Web Consortium (W3C). URL: https://www.w3.org/2019/wot/security (дата обращения: 05.02.2026).
22. Федорченко Е.В., Новикова Е.С., Котенко И.В., Гайфулина Д.А., Тушканова О.Н. Левшун Д.С., Мелешко А.В., Муренин И.Н., Коломеец М.В. Система измерения защищенности информации и персональных данных для устройств интернета вещей // Вопросы кибербезопасности. 2022. №5. С. 28–46.
23. Kotenko I., Fedorchenko A., Doynikova E., Chechulin A. An Ontology-based Storage of Security Information // Information Technology and Control. 2018. vol. 47. no. 4. pp. 1–13.
24. Fedorchenko E.V., Kryukov R.O., Kotenko I.V., et. al. Security assessment based on attack graphs using NVD and MITRE ATT & CK database for heterogeneous infrastructures // Information and Control Systems. 2024. no. 2(129). pp. 39–50.
25. Makhdoom I., Abolhasan M., et. al. Anatomy of Threats to the Internet of Things // IEEE Communications Surveys & Tutorials. 2019. vol. 21. no. 2. pp. 1636–1675.
26. Yaacoub J.P.A., Noura H.N., Salman O., Chehab A. Robotics cyber security: vulnerabilities, attacks, countermeasures, and recommendations // International Journal of Information Security. 2022. vol. 21. pp. 115–158.
27. Mishura M. CyberSecOnto-IoT: онтология кибербезопасности Интернета вещей // GitHub. URL: https://github.com/MashaMishura/CyberSecOnto-IoT.git (дата обращения 05.02.2026).
28. Приказ Министерства цифрового развития, связи и массовых коммуникаций РФ от 29 марта 2019 г. №113 «Об утверждении Концепции построения и развития узкополосных беспроводных сетей связи «Интернета вещей» на территории Российской Федерации». URL: https://docs.cntd.ru/document/554066760 (дата обращения 05.02.2026).
29. ISO/IEC 27400:2022. Cybersecurity – IoT security and privacy – Guidelines: international standard // Geneva: ISO. 2022.
30. NISTIR 8228. Considerations for Managing Internet of Things (IoT) Cybersecurity and Privacy Risks // NIST. 2019.
31. NISTIR 8259A. IoT Device Cybersecurity Capability Core Baseline / National Institute of Standards and Technology // NIST. 2020.
32. Федеральный закон Российской Федерации от 26 июля 2017 г. №187 «О безопасности критической информационной инфраструктуры Российской Федерации». https://docs.cntd.ru/document/436752114 (дата обращения 05.02.2026).
33. ETSI TS 103 264 V3.1.1 (2020-02). SmartM2M; Smart Applications; Reference Ontology and oneM2M Mapping: Technical Specification // European Telecommunications Standards Institute. Sophia Antipolis: ETSI. 2020. 78 p.
34. CVE: Common Vulnerabilities and Exposures // The MITRE Corporation. URL: https://cve.mitre.org/ (дата обращения: 05.02.2026).
35. RVD: Robotics Vulnerability Database // Alias Robotics. URL: https://github.com/aliasrobotics/RVD (дата обращения: 05.02.2026).
36. CVSS v3.0 specification document // FIRST. URL: https://www.first.org/cvss/specification-document (дата обращения: 05.02.2026).
37. Методика оценки уровня критичности уязвимостей программных, программно-аппаратных средств: методический документ: утвержден ФСТЭК России 30 июня 2025 г. URL: https://fstec.ru/dokumenty/vse-dokumenty/spetsialnye-normativnye-dokumenty/metodicheskij-dokument-ot-30-iyunya-2025-g (дата обращения: 05.02.2026).
38. CAPEC – Common Attack Pattern Enumeration and Classification // The MITRE Corporation. URL: https://capec.mitre.org/ (дата обращения: 05.02.2026).
39. Методика оценки угроз безопасности информации: методический документ: утвержден ФСТЭК России 5 февраля 2021 г. URL: https://fstec.ru/dokumenty/vse-dokumenty/spetsialnye-normativnye-dokumenty/metodicheskij-dokument-ot-5-fevralya-2021-g (дата обращения: 05.02.2026).
40. Wu C.K. Architectures and security measures // Internet of Things security. Springer. 2021. pp. 13–26.
41. Dubey A., Yadav S. Basics of Internet of Things // International Journal of Scientific Research in Engineering and Management (IJSREM). 2024. vol. 8. no. 10. pp. 1–6.
42. Blinowski G., Piotrowski P. CVE based classification of vulnerable IoT systems // arXiv preprint arXiv:2006.16640. 2020.
43. Afroze M., Reena J. A Survey Study on IoT Application and its Attacks // International Research Journal on Advanced Engineering Hub (IRJAEH). vol. 2. no. 02. pp. 80–86.
44. Alam M., Khan I. Cyber Physical Attacks and IoT // Intelligent Cyber-Physical Systems Security for Industry 4.0. 2022. pp. 79–104.
45. Банк данных угроз безопасности информации. URL: https://bdu.fstec.ru/threat (дата обращения: 07.02.2026).
46. Дойникова Е.В., Котенко И.В. Оценивание защищённости и выбор контрмер для управления кибербезопасностью // М.: Российская академия наук, 2021. 184 с.
47. ENISA Threat Landscape 2024 // European Union Agency for Cybersecurity. Athens: ENISA. 2024. 112 p.
48. Best Practice Guidelines // IoT Security Foundation. URL: https://iotsecurityfoundation.org/best-practice-guidelines/ (дата обращения: 07.02.2026).
49. Kaspersky IoT Threat Data Feed. URL: https://www.kaspersky.ru/iot-threat-data-feed (дата обращения: 07.02.2026).
50. Protege. URL: http://protege.stanford.edu/ (дата обращения: 07.02.2026).
51. Common Platform Enumeration (CPE) // National Institute of Standards and Technology. URL: https://nvd.nist.gov/products/cpe (дата обращения: 07.02.2026).
52. National Vulnerability Database (NVD) // National Institute of Standards and Technology. URL: https://nvd.nist.gov (дата обращения: 07.02.2026).
53. Kumar S., Baliyan N. Semantic Web-Based Systems // SpringerBriefs in Computer Science. Springer. 2018. pp. 19–50.
54. Банк данных угроз ФСТЭК России. Формирование перечня угроз. URL: https://bdu.fstec.ru/threat-section/shaper-threats (дата обращения: 26.05.2026).
Опубликован
2026-10-02
Как цитировать
Фирсова, М. Г. (2026). Онтологическая модель для анализа защищённости систем Интернета вещей. Информатика и автоматизация, 25(5), 1520-1568. https://doi.org/10.15622/ia.25.5.8
Раздел
Информационная безопасность
Copyright (c) Мария Геннадьевна Фирсова
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
Авторы, которые публикуются в данном журнале, соглашаются со следующими условиями: Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и передают журналу право первой публикации вместе с работой, одновременно лицензируя ее на условиях Creative Commons Attribution License, которая позволяет другим распространять данную работу с обязательным указанием авторства данной работы и ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале. Авторы сохраняют право заключать отдельные, дополнительные контрактные соглашения на неэксклюзивное распространение версии работы, опубликованной этим журналом (например, разместить ее в университетском хранилище или опубликовать ее в книге), со ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале. Авторам разрешается размещать их работу в сети Интернет (например, в университетском хранилище или на их персональном веб-сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению, а также к большему количеству ссылок на данную опубликованную работу (Смотри The Effect of Open Access).