Models of Reliability of Fault-Tolerant Software Under Cyber-Attacks

This paper offers a new approach to modelling the effect of cyber-attacks on reliability of software used in industrial control applications. The model is based on the view that successful cyber-attacks introduce failure regions, which are not present in non-compromised software. The model is then extended to cover a fault tolerant architecture, such as the 1-out-of-2 software, popular for building industrial protection systems. The model is used to study the effectiveness of software maintenance policies such as patching and "cleansing" ("proactive recovery") under different adversary models ranging from independent attacks to sophisticated synchronized attacks on the channels. We demonstrate that the effect of attacks on reliability of diverse software significantly depends on the adversary model. Under synchronized attacks system reliability may be more than an order of magnitude worse than under independent attacks on the channels. These findings, although not surprising, highlight the importance of using an adequate adversary model in the assessment of how effective various cyber-security controls are

A Game Theoretic approach based virtual machine migration for cloud environment security

In cloud computing environment, static configurations can provide for the attackers an environment too easy for exploitation and discovering the network vulnerabilities in order to compromise the network and launching intrusions; while dynamic reconfiguration seeks to develop a virtual machine (VM) migration over the cloud by applying unpredictability of network configuration’s change, and thus improving the system security. In this work a novel approach that performs proactive and reactive measures to ensure a high availability and to minimize the attack surface using VM migration is proposed. This interaction between attack and defense systems was formulated as game model. As result, we have calculated the Nash equilibrium and the utilities for the both attacker and defender, evaluate the parameters which can maximize the defender’s utility when the VM migration was planned and identify the potential attack paths. Therefore, the effectiveness of the game model was validated by some numerical results that determine optimal migration strategies in order to ensure the security of the system

Survivability modeling for cyber-physical systems subject to data corruption

Cyber-physical critical infrastructures are created when traditional physical infrastructure is supplemented with advanced monitoring, control, computing, and communication capability. More intelligent decision support and improved efficacy, dependability, and security are expected. Quantitative models and evaluation methods are required for determining the extent to which a cyber-physical infrastructure improves on its physical predecessors. It is essential that these models reflect both cyber and physical aspects of operation and failure. In this dissertation, we propose quantitative models for dependability attributes, in particular, survivability, of cyber-physical systems. Any malfunction or security breach, whether cyber or physical, that causes the system operation to depart from specifications will affect these dependability attributes. Our focus is on data corruption, which compromises decision support -- the fundamental role played by cyber infrastructure. The first research contribution of this work is a Petri net model for information exchange in cyber-physical systems, which facilitates i) evaluation of the extent of data corruption at a given time, and ii) illuminates the service degradation caused by propagation of corrupt data through the cyber infrastructure. In the second research contribution, we propose metrics and an evaluation method for survivability, which captures the extent of functionality retained by a system after a disruptive event. We illustrate the application of our methods through case studies on smart grids, intelligent water distribution networks, and intelligent transportation systems. Data, cyber infrastructure, and intelligent control are part and parcel of nearly every critical infrastructure that underpins daily life in developed countries. Our work provides means for quantifying and predicting the service degradation caused when cyber infrastructure fails to serve its intended purpose. It can also serve as the foundation for efforts to fortify critical systems and mitigate inevitable failures --Abstract, page iii

Data Mining

The availability of big data due to computerization and automation has generated an urgent need for new techniques to analyze and convert big data into useful information and knowledge. Data mining is a promising and leading-edge technology for mining large volumes of data, looking for hidden information, and aiding knowledge discovery. It can be used for characterization, classification, discrimination, anomaly detection, association, clustering, trend or evolution prediction, and much more in fields such as science, medicine, economics, engineering, computers, and even business analytics. This book presents basic concepts, ideas, and research in data mining

Modeling the Artificial Immune System to the Human Immune System with the Use of Agents

The purpose of this study is to provide a model and a work frame to approximate the artificial immune system to the human immune system with the use of agents to counter malicious software (malware). The artificial immune system components are commercial off-the-shelf products that are managed by the agent that coordinate and synchronize their activity. The behavior of the agent is a simulation of the B-cells in the Human Immune System in the encapsulation, analysis and digestion of the antigen. The proposed architecture can be implemented in almost certainty based on the use of the commercial off-the-shelf products (COTS). The agent can be constructed to perform the required functionality with the help of the sandbox tools that provide the encapsulation. Anomaly detectors provide the knowledge of any process' action that is considered abnormal, hence, a possible malware. The Antivirus applications provide the digestion of the antigen, where known malware is handled directly, while unknown malware is analyzed by signature extraction, then handled by the antivirus. Other components such as intrusion detection (ID) applications perform the defenses at the entrances to the system (communication channels) and the firewall applications provide the prevention of the spread of the antigen and quarantining it in the infected node. The implementation of the model will provide a parallel self-healing system against antigens along side the applications and hardware self-healing systems.Computer Science Departmen

Security for Service-Oriented On-Demand Grid Computing

Grid Computing ist mittlerweile zu einem etablierten Standard für das verteilte Höchstleistungsrechnen geworden. Während die erste Generation von Grid Middleware-Systemen noch mit proprietären Schnittstellen gearbeitet hat, wurde durch die Einführung von service-orientierten Standards wie WSDL und SOAP durch die Open Grid Services Architecture (OGSA) die Interoperabilität von Grids signifikant erhöht. Dies hat den Weg für mehrere nationale und internationale Grid-Projekten bereitet, in denen eine groß e Anzahl von akademischen und eine wachsende Anzahl von industriellen Anwendungen im Grid ausgeführt werden, die die bedarfsgesteuerte (on-demand) Provisionierung und Nutzung von Ressourcen erfordern. Bedarfsgesteuerte Grids zeichnen sich dadurch aus, dass sowohl die Software, als auch die Benutzer einer starken Fluktuation unterliegen. Weiterhin sind sowohl die Software, als auch die Daten, auf denen operiert wird, meist proprietär und haben einen hohen finanziellen Wert. Dies steht in starkem Kontrast zu den heutigen Grid-Anwendungen im akademischen Umfeld, die meist offen im Quellcode vorliegen bzw. frei verfügbar sind. Um den Ansprüchen einer bedarfsgesteuerten Grid-Nutzung gerecht zu werden, muss das Grid administrative Komponenten anbieten, mit denen Anwender autonom Software installieren können, selbst wenn diese Root-Rechte benötigen. Zur gleichen Zeit muss die Sicherheit des Grids erhöht werden, um Software, Daten und Meta-Daten der kommerziellen Anwender zu schützen. Dies würde es dem Grid auch erlauben als Basistechnologie für das gerade entstehende Gebiet des Cloud Computings zu dienen, wo ähnliche Anforderungen existieren. Wie es bei den meisten komplexen IT-Systemen der Fall ist, sind auch in traditionellen Grid Middlewares Schwachstellen zu finden, die durch die geforderten Erweiterungen der administrativen Möglichkeiten potentiell zu einem noch größ erem Problem werden. Die Schwachstellen in der Grid Middleware öffnen einen homogenen Angriffsvektor auf die ansonsten heterogenen und meist privaten Cluster-Umgebungen. Hinzu kommt, dass anders als bei den privaten Cluster-Umgebungen und kleinen akademischen Grid-Projekten die angestrebten groß en und offenen Grid-Landschaften die Administratoren mit gänzlich unbekannten Benutzern und Verhaltenstrukturen konfrontieren. Dies macht das Erkennen von böswilligem Verhalten um ein Vielfaches schwerer. Als Konsequenz werden Grid-Systeme ein immer attraktivere Ziele für Angreifer, da standardisierte Zugriffsmöglichkeiten Angriffe auf eine groß e Anzahl von Maschinen und Daten von potentiell hohem finanziellen Wert ermöglichen. Während die Rechenkapazität, die Bandbreite und der Speicherplatz an sich schon attraktive Ziele darstellen können, sind die im Grid enthaltene Software und die gespeicherten Daten viel kritischere Ressourcen. Modelldaten für die neuesten Crash-Test Simulationen, eine industrielle Fluid-Simulation, oder Rechnungsdaten von Kunden haben einen beträchtlichen Wert und müssen geschützt werden. Wenn ein Grid-Anbieter nicht für die Sicherheit von Software, Daten und Meta-Daten sorgen kann, wird die industrielle Verbreitung der offenen Grid-Technologie nicht stattfinden. Die Notwendigkeit von strikten Sicherheitsmechanismen muss mit der diametral entgegengesetzten Forderung nach einfacher und schneller Integration von neuer Software und neuen Kunden in Einklang gebracht werden. In dieser Arbeit werden neue Ansätze zur Verbesserung der Sicherheit und Nutzbarkeit von service-orientiertem bedarfsgesteuertem Grid Computing vorgestellt. Sie ermöglichen eine autonome und sichere Installation und Nutzung von komplexer, service-orientierter und traditioneller Software auf gemeinsam genutzen Ressourcen. Neue Sicherheitsmechanismen schützen Software, Daten und Meta-Daten der Anwender vor anderen Anwendern und vor externen Angreifern. Das System basiert auf Betriebssystemvirtualisierungstechnologien und bietet dynamische Erstellungs- und Installationsfunktionalitäten für virtuelle Images in einer sicheren Umgebung, in der automatisierte Mechanismen anwenderspezifische Firewall-Regeln setzen, um anwenderbezogene Netzwerkpartitionen zu erschaffen. Die Grid-Umgebung wird selbst in mehrere Bereiche unterteilt, damit die Kompromittierung von einzelnen Komponenten nicht so leicht zu einer Gefährdung des gesamten Systems führen kann. Die Grid-Headnode und der Image-Erzeugungsserver werden jeweils in einzelne Bereiche dieser demilitarisierten Zone positioniert. Um die sichere Anbindung von existierenden Geschäftsanwendungen zu ermöglichen, werden der BPEL-Standard (Business Process Execution Language) und eine Workflow-Ausführungseinheit um Grid-Sicherheitskonzepte erweitert. Die Erweiterung erlaubt eine nahtlose Integration von geschützten Grid Services mit existierenden Web Services. Die Workflow-Ausführungseinheit bietet die Erzeugung und die Erneuerung (im Falle von lange laufenden Anwendungen) von Proxy-Zertifikaten. Der Ansatz ermöglicht die sichere gemeinsame Ausführung von neuen, fein-granularen, service-orientierten Grid Anwendungen zusammen mit traditionellen Batch- und Job-Farming Anwendungen. Dies wird durch die Integration des vorgestellten Grid Sandboxing-Systems in existierende Cluster Scheduling Systeme erreicht. Eine innovative Server-Rotationsstrategie sorgt für weitere Sicherheit für den Grid Headnode Server, in dem transparent das virtuelle Server Image erneuert wird und damit auch unbekannte und unentdeckte Angriffe neutralisiert werden. Um die Angriffe, die nicht verhindert werden konnten, zu erkennen, wird ein neuartiges Intrusion Detection System vorgestellt, das auf Basis von Datenstrom-Datenbanksystemen funktioniert. Als letzte Neuerung dieser Arbeit wird eine Erweiterung des modellgetriebenen Softwareentwicklungsprozesses eingeführt, die eine automatisierte Generierung von sicheren Grid Services ermöglicht, um die komplexe und damit unsichere manuelle Erstellung von Grid Services zu ersetzen. Eine prototypische Implementierung der Konzepte wird auf Basis des Globus Toolkits 4, der Sun Grid Engine und der ActiveBPEL Engine vorgestellt. Die modellgetriebene Entwicklungsumgebung wurde in Eclipse für das Globus Toolkit 4 realisiert. Experimentelle Resultate und eine Evaluation der kritischen Komponenten des vorgestellten neuen Grids werden präsentiert. Die vorgestellten Sicherheitsmechanismem sollen die nächste Phase der Evolution des Grid Computing in einer sicheren Umgebung ermöglichen

Exploiting cloud utility models for profit and ruin

A key characteristic that has led to the early adoption of public cloud computing is the utility pricing model that governs the cost of compute resources consumed. Similar to public utilities like gas and electricity, cloud consumers only pay for the resources they consume and only for the time they are utilized. As a result and pursuant to a Cloud Service Provider\u27s (CSP) Terms of Agreement, cloud consumers are responsible for all computational costs incurred within and in support of their rented computing environments whether these resources were consumed in good faith or not. While initial threat modeling and security research on the public cloud model has primarily focused on the confidentiality and integrity of data transferred, processed, and stored in the cloud, little attention has been paid to the external threat sources that have the capability to affect the financial viability of cloud-hosted services. Bounded by a utility pricing model, Internet-facing web resources hosted in the cloud are vulnerable to Fraudulent Resource Consumption (FRC) attacks. Unlike an application-layer DDoS attack that consumes resources with the goal of disrupting short-term availability, a FRC attack is a considerably more subtle attack that instead targets the utility model over an extended time period. By fraudulently consuming web resources in sufficient volume (i.e. data transferred out of the cloud), an attacker is able to inflict significant fraudulent charges to the victim. This work introduces and thoroughly describes the FRC attack and discusses why current application-layer DDoS mitigation schemes are not applicable to a more subtle attack. The work goes on to propose three detection metrics that together form the criteria for detecting a FRC attack from that of normal web activity and an attribution methodology capable of accurately identifying FRC attack clients. Experimental results based on plausible and challenging attack scenarios show that an attacker, without knowledge of the training web log, has a difficult time mimicking the self-similar and consistent request semantics of normal web activity necessary to carryout a successful FRC attack