Requirements Engineering of Context-Aware Applications

Context-aware computing envisions a new generation of smart applications that have the ability to perpetually sense the user’s context and use these data to make adaptation decision in response to changes in the user’s context so as to provide timely and personalized services anytime and anywhere. Unlike the traditional distribution systems where the network topology is fixed and wired, context-aware computing systems are mostly based on wireless communication due to the mobility of the network nodes; hence the network topology is not fixed but changes dynamically in an unpredictable manner as nodes join and the leave network, in addition to the fact that wireless communication is unstable. These factors make the design and development of context-aware computing systems much more challenging, as the system requirements change depending on the context of use. The Unified Modelling Language (UML) is a graphical language commonly used to specify, visualize, construct, and document the artefacts of software-intensive systems. However, UML is an all-purpose modelling language and does not have notations to distinguish context-awareness requirements from other system requirements. This is critical for the specification, visualization, construction and documentation of context-aware computing systems because context-awareness requirements are highly important in these systems. This thesis proposes an extension of UML diagrams to cater for the specification, visualization, construction and documentation of context-aware computing systems where new notations are introduced to model context-awareness requirements distinctively from other system requirements. The contributions of this work can be summarized as follows: (i) A context-aware use case diagram is a new notion which merges into a single diagram the traditional use case diagram (that describes the functions of an application) and the use context diagram, which specifies the context information upon which the behaviours of these functions depend. (ii) A Novel notion known as a context-aware activity diagram is presented, which extends the traditional UML activity diagrams to enable the representation of context objects, context constraints and adaptation activities. Context constraints express conditions upon context object attributes that trigger adaptation activities; adaptation activities are activities that must be performed in response to specific changes in the system’s context. (iii) A novel notion known as the context-aware class diagram is presented, which extends the traditional UML class diagrams to enable the representation of context information that affect the behaviours of a class. A new relationship, called utilisation, between a UML class and a context class is used to model context objects; meaning that the behaviours of the UML class depend upon the context information represented by the context class. Hence a context-aware class diagram is a rich and expressive language that distinctively depicts both the structure of classes and that of the contexts upon which they depend. The pragmatics of the proposed approach are demonstrated using two real-world case studies

Enhancement of Use Case Diagram to Capture Authorization Requirements

Security requirements needs to be integrated into the earliest stages of the software development life cycle, and propagated throughout its various phases. Therefore, it is beneficial to have secure development integrated with industry standard methodologies and notations. One of the tool often used in capturing software requirements is use case. Although use case diagrams visually represent the behavioral requirements of a proposed software system, they are not sufficient to represent existing access control policies. At best, use case diagram shows some access control by stating the roles that actors are permitted to invoke. This paper enhanced previous attempts by several scientists to enrich the use case diagram in order to capture more access control polices. This introduction fell in the effort to provide more tools and notations to think and embed security requirements in the early stage of the life cycle

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