Generierung von effizienten Security-/Safety-Monitoren aus modellbasierten Beschreibungen

Computer werden heute zunehmend durch kleine Recheneinheiten mit Sensoren zur Erfassung der Außenwelt ergänzt. Diese Recheneinheiten kommunizieren untereinander und mit externen Einheiten, um Informationen weiterzugeben und sich untereinander abzustimmen. Hierdurch findet auch eine Öffnung von sicherheitskritischen eingebetteten Systemen nach außen statt. Die Systeme können nun entweder direkt oder indirekt über zusätzliche Einheiten angegriffen werden. Des Weiteren ist die auf eingebetteten Systemen eingesetzte Software durch beschränkte Ressourcen auf das Nötigste reduziert und bietet keine komplexen Sicherheitsmechanismen. Maßnahmen wie Testen von Software kann deren Fehlerfreiheit nicht sicherstellen. In realen Systemen ist zudem davon auszugehen, dass nicht bekannte Fehler existieren, die u.a. auch von Angreifern ausgenutzt werden können. Die Laufzeitüberwachung solcher Systeme hat sich als geeignet erwiesen, um auch unbekannte Angriffe und Fehler zu erkennen. Zur Spezifikation solcher Laufzeitmonitore über Beschreibungen (Signaturen) von erlaubtem und verbotenem Verhalten haben sich viele verschiedene Spezifikationssprachen herausgebildet. Diese basieren auf verschiedensten Modellierungskonzepten. Zur Generierung von Monitoren aus diesen Spezifikationen in Software und Hardware müssen für die unterschiedlichen Sprachen verschiedenste Codegeneratoren erstellt werden. Des Weiteren besitzen einige der gewöhnlich verwendeten einfach zu verstehenden Spezifikationssprachen keine formalisierte Syntax und Semantik. In dieser Arbeit wird zusammen mit [Pat14] der Model-based Security/Safety Monitor (MBSecMon)-Entwicklungsprozess vorgestellt. Dieser umfasst parallel zu dem eigentlichen Softwareentwicklungsprozess des zu überwachenden Systems die Spezifikation, die Generierung und die Einbindung von Laufzeitmonitoren. Ziel dieser Arbeit ist die Definition einer formal definierten Zwischensprache zur Repräsentation stark verschränkter nebenläufiger Kommunikationen. Zu ihrer Entwicklung werden Anforderungen basierend auf existierenden Arbeiten aufgestellt. Auf Grundlage dieser Anforderungen wird die Zwischensprache Monitor-Petrinetze (MPN) entworfen und formal definiert. Diese Zwischensprache unterstützt die Repräsentation von Signaturen, die in verschiedensten Spezifikationssprachen modelliert sind, und die Generierung von effizienten Laufzeitmonitoren für unterschiedliche Zielplattformen. Die MPNs sind ein auf Petrinetzen basierender Formalismus, der um Konzepte der Laufzeitüberwachung erweitert wurde. Es wird gezeigt, dass die MPN-Sprache alle ermittelten Anforderungen an eine solche Zwischensprache, bis auf ein Hierarchisierungskonzept für Ereignisse, das in dieser Arbeit nicht behandelt wird, erfüllt. Die MPN-Sprache wird in einem prototypischen Werkzeug zur Monitorgenerierung eingesetzt. Dieses unterstützt die MBSecMon-Spezifikationssprache [Pat14] als Eingabesprache und verwendet die MPN-Sprache als Zwischenrepräsentation zur Monitorgenerierung für verschiedenste Plattformen und Zielsprachen. Die generierten Monitore werden auf ihr Laufzeitverhalten und ihren Speicherverbrauch evaluiert. Es hat sich gezeigt, dass sich die MPN-Sprache trotz ihrer hohen Ausdrucksstärke zur einfachen Generierung effizienter Laufzeitmonitore für verschiedenste Plattformen und Zielsprachen eignet

Integriertes Management von Security-Frameworks

Security-Frameworks sind baukastenähnliche, zunächst abstrakte Konzepte, die aufeinander abgestimmte technische und organisatorische Maßnahmen zur Prävention, Detektion und Bearbeitung von Informationssicherheitsvorfällen bündeln. Anders als bei der Zusammenstellung eigener Sicherheitskonzepte aus einer Vielzahl punktueller Einzelmaßnahmen wird bei der Anwendung von Security-Frameworks das Ziel verfolgt, mit einem relativ geringen Aufwand auf bewährte Lösungsansätze zur Absicherung von komplexen IT-Diensten und IT-Architekturen zurückgreifen zu können. Die praktische Umsetzung eines Security-Frameworks erfordert seine szenarienspezifische Adaption und Implementierung, durch die insbesondere eine nahtlose Integration in die vorhandene Infrastruktur sichergestellt und die Basis für den nachhaltigen, effizienten Betrieb geschaffen werden müssen. Die vorliegende Arbeit behandelt das integrierte Management von Security-Frameworks. Im Kern ihrer Betrachtungen liegen folglich nicht individuelle Frameworkkonzepte, sondern Managementmethoden, -prozesse und -werkzeuge für den parallelen Einsatz mehrerer Frameworkinstanzen in komplexen organisationsweiten und -übergreifenden Szenarien. Ihre Schwerpunkte werden zum einen durch die derzeit sehr technische Ausprägung vieler Security-Frameworks und zum anderen durch die fehlende Betrachtung ihres Lebenszyklus über die szenarienspezifische Anpassung hinaus motiviert. Beide Aspekte wirken sich bislang inhibitorisch auf den praktischen Einsatz aus, da zur Umsetzung von Security-Frameworks immer noch ein erheblicher szenarienspezifischer konzeptioneller Aufwand erbracht werden muss. Nach der Diskussion der relevanten Grundlagen des Sicherheitsmanagements und der Einordnung von Security-Frameworks in Informationssicherheitsmanagementsysteme werden auf Basis ausgewählter konkreter Szenarien mehr als 50 Anforderungen an Security-Frameworks aus der Perspektive ihres Managements abgeleitet und begründet gewichtet. Die anschließende Anwendung dieses Anforderungskatalogs auf mehr als 75 aktuelle Security-Frameworks zeigt typische Stärken sowie Schwächen auf und motiviert neben konkreten Verbesserungsvorschlägen für Frameworkkonzepte die nachfolgend erarbeiteten, für Security-Frameworks spezifischen Managementmethoden. Als Bezugsbasis für alle eigenen Konzepte dient eine detaillierte Analyse des gesamten Lebenszyklus von Security-Frameworks, der zur grundlegenden Spezifikation von Managementaufgaben, Verantwortlichkeiten und Schnittstellen zu anderen Managementprozessen herangezogen wird. Darauf aufbauend werden an den Einsatz von Security-Frameworks angepasste Methoden und Prozesse u. a. für das Risikomanagement und ausgewählte Disziplinen des operativen Sicherheitsmanagements spezifiziert, eine Sicherheitsmanagementarchitektur für Security-Frameworks konzipiert, die prozessualen Schnittstellen am Beispiel von ISO/IEC 27001 und ITIL v3 umfassend ausgearbeitet und der Einsatz von IT-Sicherheitskennzahlen zur Beurteilung von Security-Frameworks demonstriert. Die praktische Anwendung dieser innovativen Methoden erfordert dedizierte Managementwerkzeuge, die im Anschluss im Detail konzipiert und in Form von Prototypen bzw. Simulationen umgesetzt, exemplifiziert und bewertet werden. Ein umfassendes Anwendungsbeispiel demonstriert die praktische, parallele Anwendung mehrerer Security-Frameworks und der spezifizierten Konzepte und Werkzeuge. Abschließend werden alle erreichten Ergebnisse kritisch beurteilt und ein Ausblick auf mögliche Weiterentwicklungen und offene Forschungsfragestellungen in verwandten Bereichen gegeben.Security frameworks at first are modular, abstract concepts that combine technical as well as organizational measures for the prevention, detection, and handling of information security incidents in a coordinated manner. Unlike the creation of scenario-specific security concepts from scratch, for which one has to choose from a plethora of individual measures, using security frameworks pursues the goal of reducing the required time and effort by applying proven solutions for securing complex IT services and IT architectures. The practical realization of a security framework requires its scenario-specific customization and implementation, which especially need to ensure its seamless integration into the existing infrastructure and provides the basis for sustained, efficient operations. This thesis highlights the integrated management of security frameworks. Therefore, it does not focus on individual security framework concepts, but on innovative management methods, processes, and tools for operating multiple security framework instances in complex enterprise-wide and inter-organizational scenarios. Its core contributions are motivated by the very technically oriented characteristics of current security frameworks on the one hand and by the lack of a holistic view on their life cycle that reaches beyond the customization phase on the other hand. These two aspects still inhibit the wide-spread practical application of security frameworks because still significant scenario-specific conceptual efforts have to be made in order to operate and manage the framework instances. After the discussion of the relevant fundamentals of security management and the classification of security frameworks into information security management systems, more than 50 management-specific requirements for security frameworks are derived from practical scenarios and get reasonably weighted. The application of the resulting criteria catalogue to more than 75 current security frameworks points out their typical strengths and weaknesses; besides improvement proposals for the analyzed security frameworks, it also motivates the security-framework-specific management methods that are developed afterwards. For each of the proposed concepts, a detailed analysis of the complete security framework life cycle serves as a reference base. It is also used to specify the basic management tasks, responsibilities, and interfaces to related management processes. Based on this life cycle specification, security-framework-specific management methods and processes, e. g., for risk management and for selected security operations tasks are specified, a security management architecture for security frameworks is designed, process-related interfaces based on ISO/IEC 27001 and ITIL v3 are elaborated, and the application of security metrics to quantitatively assess security frameworks is demonstrated. The practical application of the proposed innovative methods requires several dedicated management tools, which are devised in detail, implemented as prototypes or as simulations, exemplified, and evaluated. An extensive usage example demonstrates the practical application of multiple security frameworks in parallel based on the specified concepts and tools. Finally, all achieved results are critically assessed and an outlook to further research as well as open issues in related disciplines is given