Architectural Access Control Policy Refinement and Verification under Uncertainty

In our connected world, confidentiality is a central quality requirement. A commonly used mechanism to meet confidentiality requirements is access control. However, access control policies are usually not defined on the architectural abstraction level and are imprecise during design time due to the high degree of uncertainty. This impedes early considerations of confidentiality as implied by "Privacy by Design". We propose an approach to refine and verify access control policies while handling uncertainty that fills the gap between high-level confidentiality requirements and low-level access control

Architectural Attack Propagation Analysis for Identifying Confidentiality Issues

Exchanging data between different systems enables us to build new smart services and digitise various areas of our daily life. This digitalisation leads to more efficient usage of resources, and an increased monetary value. However, the connection of different systems also increases the number of potential vulnerabilities. The vulnerabilities on their own might be harmless, but attackers could build attack paths based on the combination of different vulnerabilities. Additionally, attackers might exploit existing access control policies to further propagate through the system. For analysing this dependency between vulnerabilities and access control policies, we extended an architecture description language (ADL) to model access control policies and specify vulnerabilities. We developed an attack propagation analysis operating on the extended ADL, which can help to determine confidentiality violations in a system. We evaluated our approach by analysing the accuracy and the effort compared to a manual analysis using different scenarios in three case studies. The results indicate that our analysis is capable of identifying attack paths and reducing the effort compared to manual detection

Architectural Attack Propagation Analysis for Identifying Confidentiality Issues

Exchanging data between different systems enables us to build new smart services and digitise various areas of our daily life. This digitalisation leads to more efficient usage of resources, and an increased monetary value. However, the connection of different systems also increases the number of potential vulnerabilities. The vulnerabilities on their own might be harmless, but attackers could build attack paths based on the combination of different vulnerabilities. Additionally, attackers might exploit existing access control policies to further propagate through the system. For analysing this dependency between vulnerabilities and access control policies, we extended an architecture description language (ADL) to model access control policies and specify vulnerabilities. We developed an attack propagation analysis operating on the extended ADL, which can help to determine confidentiality violations in a system. We evaluated our approach by analysing the accuracy and the effort compared to a manual analysis using different scenarios in three case studies. The results indicate that our analysis is capable of identifying attack paths and reducing the effort compared to manual detection

Design Space Evaluation for Confidentiality under Architectural Uncertainty

In den frühen Phasen der Entwicklung einer Softwarearchitektur sind viele Eigenschaften des finalen Systems noch unbekannt und schwer zu ermitteln. Es kann mehrere mögliche Softwarearchitekturen geben, aber es ist ungewiss, welche Architektur die beste Entscheidung ist. Softwarearchitekten können Entwurfsraumerkundung (engl. Design Space Exploration) nutzen, um Qualitätsmetriken einzelner Architekturkandidaten zu ermitteln und den optimalen Kandidaten zu wählen. Entwurfsraumerkundung ist ein ressourcenintensiver Prozess. Ein Architekturkandidat kann bestimmte Eigenschaften aufweisen, die es direkt von weiterer Erwägung als optimalen Kandidaten ausschließt, unabhängig von seinen Qualitätsmetriken. Ein Beispiel solcher Eigenschaften sind Vertraulichkeitsverletzungen, die durch die Nutzung bestimmter Komponenten oder Kombinationen von Komponenten in einer Architektur eingeführt werden. Sollten diese Eigenschaften frühzeitig identifiziert werden können, kann die Ermittlung der Qualitätsmetriken des Architekturkandidaten übersprungen werden und der Kandidat verworfen werden. Dies kann wertvolle Ressourcen einsparen. Zurzeit können solche Analysen wie die Vertraulichkeitsanalyse nur getrennt von dem Entwurfsraumerkundungsprozess durchgeführt werden. Zunächst werden optimale Kandidaten ermittelt, und später erst einzeln analysiert. Unser Ansatz erweitert PerOpteryx um einen zusätzlichen Filter, der es erlaubt existierende generische Analysen auf Architekturkandidaten im Entwurfsraumerkundungsprozess durchzuführen. Dadurch wird das frühzeitige Verwerfen von ungeeigneten Kandidaten vor der Ermittlung von Qualitätsmetriken ermöglicht. Wir nutzen diesen Filter um eine Vertraulichkeitsanalyse in den Entwurfsraumerkundungsprozess zu integrieren, und stellen weitere Beispielanalysen bereit, die in dem Filter genutzt werden können. Wir evaluieren unseren Ansatz indem wir PerOpteryx mit unserem Filter auf Fallstudien ausführen. Unsere Ergebnisse deuten an, dass unser Filter wie erwartet funktioniert und Architekturkandidaten analysieren und verwerfen kann, und die Ermittlung von Qualitätseigenschaften für ungeeignete Kandidaten überspringt

Architecture-based Evolution of Dependable Software-intensive Systems

This cumulative habilitation thesis, proposes concepts for (i) modelling and analysing dependability based on architectural models of software-intensive systems early in development, (ii) decomposition and composition of modelling languages and analysis techniques to enable more flexibility in evolution, and (iii) bridging the divergent levels of abstraction between data of the operation phase, architectural models and source code of the development phase

Detecting Violations of Access Control and Information Flow Policies in Data Flow Diagrams

The security of software-intensive systems is frequently attacked. High fines or loss in reputation are potential consequences of not maintaining confidentiality, which is an important security objective. Detecting confidentiality issues in early software designs enables cost-efficient fixes. A Data Flow Diagram (DFD) is a modeling notation, which focuses on essential, functional aspects of such early software designs. Existing confidentiality analyses on DFDs support either information flow control or access control, which are the most common confidentiality mechanisms. Combining both mechanisms can be beneficial but existing DFD analyses do not support this. This lack of expressiveness requires designers to switch modeling languages to consider both mechanisms, which can lead to inconsistencies. In this article, we present an extended DFD syntax that supports modeling both, information flow and access control, in the same language. This improves expressiveness compared to related work and avoids inconsistencies. We define the semantics of extended DFDs by clauses in first-order logic. A logic program made of these clauses enables the automated detection of confidentiality violations by querying it. We evaluate the expressiveness of the syntax in a case study. We attempt to model nine information flow cases and six access control cases. We successfully modeled fourteen out of these fifteen cases, which indicates good expressiveness. We evaluate the reusability of models when switching confidentiality mechanisms by comparing the cases that share the same system design, which are three pairs of cases. We successfully show improved reusability compared to the state of the art. We evaluated the accuracy of confidentiality analyses by executing them for the fourteen cases that we could model. We experienced good accuracy

Architectural Alignment of Access Control Requirements Extracted from Business Processes

Business processes and information systems evolve constantly and affect each other in non-trivial ways. Aligning security requirements between both is a challenging task. This work presents an automated approach to extract access control requirements from business processes with the purpose of transforming them into a) access permissions for role-based access control and b) architectural data flow constraints to identify violations of access control in enterprise application architectures

Architectural Alignment of Access Control Requirements Extracted from Business Processes

Geschäftsprozesse und IT-Systeme sind einer ständigen Evolution unterworfen und beeinflussen sich in hohem Maße gegenseitig. Dies führt zu der Herausforderung, Sicherheitsaspekte innerhalb von Geschäftsprozessen und Enterprise Application Architectures (EAAs) in Einklang zu bringen. Im Besonderen gilt dies für Zugriffskontrollanforderungen, welche sowohl in der IT-Sicherheit als auch im Datenschutz einen hohen Stellenwert haben. Die folgenden drei Ziele der Geschäftsebene verdeutlichen die Bedeutung von Zugriffskontrollanforderungen: $1)$ Identifikation und Schutz von kritischen und schützenswerten Daten und Assets. $2)$ Einführung einer organisationsweiten IT-Sicherheit zum Schutz vor cyberkriminellen Attacken. $3)$ Einhaltung der zunehmenden Flut an Gesetzen, welche die IT-Sicherheit und den Datenschutz betreffen. Alle drei Ziele sind in einem hohen Maß mit Zugriffskontrollanforderungen auf Seiten der Geschäftsebene verbunden. Aufgrund der Fülle und Komplexität stellt die vollständige und korrekte Umsetzung dieser Zugriffskontrollanforderungen eine Herausforderung für die IT dar. Hierfür muss das Wissen von der Geschäftsebene hin zur IT übertragen werden. Die unterschiedlichen Terminologien innerhalb der Fachdomänen erschweren diesen Prozess. Zusätzlich beeinflussen die Größe von Unternehmen, die Komplexität von EAAs sowie die Verflechtung zwischen EAAs und Geschäftsprozessen die Fehleranfälligkeit im Entwurfsprozess von Zugriffsberechtigungen und EAAs. Dieser Zusammenhang führt zu einer Diskrepanz zwischen ihnen und den Geschäftsprozessen und wird durch den Umstand der immer wiederkehrenden Anpassungen aufgrund von Evolutionen der Geschäftsprozesse und IT-Systeme verstärkt. Bisherige Arbeiten, die auf Erweiterungen von Modellierungssprachen setzen, fordern einen hohen Aufwand von Unternehmen, um vorhandene Modelle zu erweitern und die Erweiterungen zu pflegen. Andere Arbeiten setzen auf manuelle Prozesse. Diese erfordern viel Aufwand, skalieren nicht und sind bei komplexen Systemen fehleranfällig. Ziel meiner Arbeit ist es, zu untersuchen, wie Zugriffskontrollanforderungen zwischen der Geschäftsebene und der IT mit möglichst geringem Mehraufwand für Unternehmen angeglichen werden können. Im Speziellen erforsche ich, wie Zugriffskontrollanforderungen der Geschäftsebene, extrahiert aus Geschäftsprozessen, automatisiert in Zugriffsberechtigungen für Systeme der rollenbasierten Zugriffskontrolle (RBAC) überführt werden können und wie die EAA zur Entwurfszeit auf die Einhaltung der extrahierten Zugriffskontrollanforderungen überprüft werden kann. Hierdurch werden Sicherheitsexperten beim Entwerfen von Zugriffsberechtigungen für RBAC Systeme unterstützt und die Komplexität verringert. Weiterhin werden Enterprise-Architekten in die Lage versetzt, die EAA zur Entwurfszeit auf Datenflüsse von Services zu untersuchen, welche gegen die geschäftsseitige Zugriffskontrollanforderungen verstoßen und diese Fehler zu beheben. Die Kernbeiträge meiner Arbeit lassen sich wie folgt zusammenfassen: $\textbf{I)}$ Ein Ansatz zur automatisierten Extraktion von geschäftsseitigen Zugriffskontrollanforderungen aus Geschäftsprozessen mit anschließender Generierung eines initialen Rollenmodells für RBAC. $\textbf{II)}$ Ein Ansatz zum automatisierten Erstellen von architekturellen Datenfluss-Bedingungen aus Zugriffskontrollanforderungen zur Identifikation von verbotenen Datenflüssen in Services von IT-Systemen der EAA. $\textbf{III)}$ Eine Prozessmodell für Unternehmen über die Einsatzmöglichkeiten der Ansätze innerhalb verschiedener Evolutionsszenarien. $\textbf{IV)}$ Ein Modell zur Verknüpfung relevanter Elemente aus Geschäftsprozessen, RBAC und EAAs im Hinblick auf die Zugriffskontrolle. Dieses wird automatisiert durch die Ansätze erstellt und dient unter anderem zur Dokumentation von Entwurfsentscheidungen, zur Verbesserung des Verständnisses von Modellen aus anderen Domänen und zur Unterstützung des Enterprise-Architekten bei der Auflösung von Fehlern innerhalb der EAA. Die Anwendbarkeit der Ansätze wurden in zwei Fallstudien untersucht. Die erste Studie ist eine Real-Welt-Studie, entstanden durch eine Kooperation mit einer staatlichen Kunsthalle, welche ihre IT-Systeme überarbeitet. Eine weitere Fallstudie wurde auf Basis von Common Component Modeling Example (CoCoME) durchgeführt. CoCoME ist eine durch die Wissenschaftsgemeinde entwickelte Fallstudie einer realistischen Großmarkt-Handelskette, welche speziell für die Erforschung von Software-Modellierung entwickelt wurde und um Evolutinsszenarien ergänzt wurde. Aufgrund verschiedener gesetzlicher Regularien an die IT-Sicherheit und den Datenschutz sowie dem Fluss von sensiblen Daten eignen sich beide Fallstudien für die Untersuchung von Zugriffskontrollanforderungen. Beide Fallstudien wurden anhand der Goal Question Metric-Methode durchgeführt. Es wurden Validierungsziele definiert. Aus diesen wurden systematisch wissenschaftliche Fragen abgleitet, für welche anschließend Metriken aufgestellt wurden, um sie zu untersuchen. Die folgenden Aspekte wurden untersucht: $\bullet$ Qualität der generierten Zugriffsberechtigungen. $\bullet$ Qualität der Identifikation von fehlerhaften Datenflüssen in Services der EAA. $\bullet$ Vollständigkeit und Korrektheit des generierten Modells zur Nachverfolgbarkeit von Zugriffskontrollanforderungen über Modelle hinweg. $\bullet$ Eignung der Ansätze in Evolutionsszenarien von Geschäftsprozessen und EAAs. Am Ende dieser Arbeit wird ein Ausblick gegeben, wie sich die vorgestellten Ansätze dieser Arbeit erweitern lassen. Dabei wird unter anderem darauf eingegangen, wie das Modell zur Verknüpfung relevanter Elemente aus Geschäftsprozessen, RBAC und EAAs im Hinblick auf die Zugriffskontrolle, um Elemente aus weiteren Modellen der IT und der Geschäftsebene, erweitert werden kann. Weiterhin wird erörtert wie die Ansätze der Arbeit mit zusätzlichen Eingabeinformationen angereichert werden können und wie die extrahierten Zugriffskontrollanforderungen in weiteren Domänenmodellen der IT und der Geschäftsebene eingesetzt werden können