Efficient Data Flow Constraint Analysis

Aktuelle Entwicklungen in der Software-Technik zeigen einen Trend zur Dezentralisierung von Software-Systemen. Mit dem Einsatz von Techniken wie Cloud-Computing oder Micro-Services fließen immer mehr Daten über öffentliche Netzwerke oder über die Infrastruktur von Drittanbietern. Im Gegensatz dazu führen aktuelle gesetzliche Änderungen wie die Datenschutz-Grundverordnung dazu, dass es für Software-Entwickler immer wichtiger wird sicherzustellen, dass die Datenflüsse ihrer Software gesetzliche Beschränkungen einhalten. Um dies trotz der stetig wachsenden Komplexität von Software-Systemen zu ermöglichen wurden verschiedene modellbasierte Ansätze auf Architekturebene vorgeschlagen. ... mehrEin Nachteil der meisten Ansätze ist jedoch, dass sie oftmals keine voll automatisierte Analyse bezüglich der Verletzung von Datenflussbeschränkungen ermöglichen. Oft sind keine automatisierten Analysen möglich oder Analysen müssen individuell für jedes Szenario entwickelt werden.
Aus diesem Grund schlagen wir ein neues Metamodell zur Beschreibung der Datenflüssen von Softwaresystemen vor. Dieses Metamodell ist so entworfen, dass eine automatisierte Übersetzung von Instanzen in ein Programm der logischen Programmiersprache Prolog ermöglicht wird. Dieses Programm erlaubt dann die einfache Formulierung von Regeln zur automatisierten Prüfung der Einhaltung von Datenflussbeschränkungen. Ein wichtiger Aspekt für den Entwurf und die Implementierung unseres Ansatzes ist die Skalierbarkeit: Ziel ist es, sicherzustellen dass unser Ansatz effizient einsetzbar ist. Hierbei haben wir insbesondere Techniken zur Optimierung von Prolog Programmen entwickelt, deren Einsatzmöglichkeiten nicht nur auf unseren Ansatz beschränkt sind.
Desweiteren haben wir eine umfangreiche Evaluation unseres Ansatzes durchgeführt. Hierbei haben wir die Genauigkeit, Skalierbarkeit sowie die Generizität unseres Ansatzes untersucht. Wir haben gezeigt, dass unser Ansatz für mehrere Arten von Szenarien genau arbeitet und dabei eine gute Skalierbarkeit aufweist. Es hat sich herausgestellt, dass unsere vorgestellten Optimierungen in manchen Fällen sogar zu einer Reduktion von exponentieller zu konstanter Laufzeit führen können.

With recent trends such as cloud computing and micro services modern software systems become more and more decentralized. As a result more and more data processed by the systems flows across public networks and environments hosted by third parties. With recent legal regulations, such as the General Data Protection Regulations of the EU, it becomes even more important for software developers to ensure that all data flows of their software adhere to legal constraints. While several model-based approaches have been proposed for modeling data flows and related constraints on architecture level their automated analysis capabilities are limited. ... mehrIn many cases no automated analysis is available or an analysis has to be implemented on a per-scenario basis.
We therefore propose a novel meta-model for modeling data flows of software systems. Alongside we provide a translation transforming model instances to programs based on the logic programming language Prolog. This combination allows to easily define automated analyses of software systems regarding data flow constraint violations. For the design and implementation we ensure that our approach is efficient regarding the scalability. For this purpose we introduce several techniques for optimizing Prolog programs which are not only limited to our approach.
In addition we provide an extensive evaluation of our approach. Hereby we investigate the accuracy, the scalability and the genericness of our approach. We show that our approach is able to accurately analyse various types of scenarios while maintaining a good scalability. We show that our proposed Prolog optimizations are effective as they potentially reduce the run time from exponential to constant scaling in certain scenarios.