Architectural Uncertainty Analysis for Access Control Scenarios in Industry 4.0

Industrie 4.0-Systeme zeichnen sich durch ihre hohe Komplexität, Konnektivität und ihren hohen Datenaustausch aus. Aufgrund dieser Eigenschaften ist es entscheidend, eine Vertraulichkeit der Daten sicher zu stellen. Ein häufig verwendetes Verfahren zum Sicherstellen von Vertraulichkeit ist das Verwenden von Zugriffskontrolle. Basierend auf modellierter Softwarearchitektur, kann eine Zugriffskontrolle bereits während der Entwurfszeit konzeptionell auf das System angewendet werden. Dies ermöglicht es, potentielle Vertraulichkeitsprobleme bereits früh zu identifizieren und bietet die Möglichkeit, die Auswirkungen von Was-wäre-wenn-Szenarien auf die Vertraulichkeit zu analysieren, bevor entsprechende Änderungen umgesetzt werden. ... mehrUngewissheiten der Systemumgebung, die sich aus Unklarheiten in den frühen Phasen der Entwicklung oder der abstrakten Sicht des Softwarearchitekturmodells ergeben, können sich jedoch direkt auf bestehende Zugriffskontrollrichtlinien auswirken und zu einer reduzierten Vertraulichkeit führen. Um dies abzuschwächen, ist es wichtig, Ungewissheiten zu identifizieren und zu behandeln.
In dieser Arbeit stellen wir unseren Ansatz zum Umgang mit Ungewissheiten der Zugriffskontrolle während der Entwurfszeit vor. Wir erstellen eine Charakterisierung von Ungewissheiten in der Zugriffskontrolle auf der Architekturebene, um ein besseres Verständnis über die existierenden Arten von Ungewissheiten zu erhalten. Darauf basierend definieren wir ein Konzept des Vertrauens in die Gültigkeit von Eigenschaften der Zugriffskontrolle. Dieses Konzept bietet die Möglichkeit mit Ungewissheiten umzugehen, die bereits in Publikationen zu Zugriffskontrollmodellen beschrieben wurden. Das Konzept des Vertrauens ist eine Zusammensetzung von Umgebungsfaktoren, die die Gültigkeit von und folglich das Vertrauen in Zugriffskontrolleigenschaften beeinflussen. Um Umgebungsfaktoren zu kombinieren und so Vertrauenswerte von Zugriffskontrolleigenschaften zu erhalten, nutzen wir Fuzzy-Inferenzsysteme. Diese erhaltenen Vertrauenswerte werden von einem Analyseprozess mit in Betracht gezogen, um Probleme zu identifizieren, die aus einem Mangel an Vertrauen entstehen.
Wir erweitern einen bestehenden Ansatz zur Analyse von Informationsfluss und Zugriffskontrolle zur Entwurfszeit, basierend auf Datenflussdiagrammen. Das Wissen, welches wir mit unserem Konzept des Vertrauens hinzufügen, soll Softwarearchitekten die Möglichkeit geben, die Qualität ihrer Modelle zu erhöhen und Anforderungen an die Zugriffskontrolle ihrer Systeme bereits in frühen Phasen der Softwareentwicklung, unter Berücksichtigung von Ungewissheiten zu verifizieren.
Die Anwendbarkeit unseres Ansatzes evaluieren wir anhand der Verfügbarkeit der notwendigen Daten in verschiedenen Phasen der Softwareentwicklung, sowie des potenziellen Mehrwerts für bestehende Systeme. Wir messen die Genauigkeit der Analyse beim Identifizieren von Problemen und die Skalierbarkeit hinsichtlich der Ausführungszeit, wenn verschiedene Modellaspekte individuell vergrößert werden.

Industry 4.0 systems are characterized by their high complexity, connectivity and data exchange. Due to these characteristics, it is critical to ensure confidentiality of data. An often-used mechanism to ensure confidentiality is the use of access control. Based on software architecture modeling, access control can conceptually be applied during design time of the system, which enables early identification of potential confidentiality issues and the ability to analyze the impact of what-if scenarios on confidentiality before deploying changes. However, uncertainties of the systems environment, which result from the abstract view of the software architecture model, or ambiguity in the early stages of development can have an direct effect on existing access control policies, which might result in reduced confidentiality. ... mehrTo mitigate their effect on access control, it is important to identify and handle these uncertainties.
In this thesis, we present our approach to handle uncertainty in access control during design time. We define a characterization of uncertainties in access control on the architectural level to provide a better understanding and overview of the kinds of uncertainty that are present. We describe a concept of trust in the validity of access control properties, as a way to handle uncertainty, that has been described in publications defining or extending access control models. The concept of trust is a composition of environmental factors that impact the validity of and consequently trust in access control properties. We propose the use of fuzzy inference systems as a way of defining how environmental factors are combined to calculate trust values for each individual access control property. These trust values are than used by an analysis process to identify issues which can result from a lack of trust.
We extend an existing data flow diagram approach to design time information flow and access control analysis with our concept of trust. Our approach of adding knowledge to a software architecture model and providing a way to analyze model instances for access control violations shall enable software architects to increase the quality of models and further verify access control requirements under uncertainty, in early stages of the software development.
We evaluate the applicability based on the availability of necessary data during different phases of development and the potential value that can be added to existing systems. We also measure the accuracy of the analysis in identifying issues and the scalability regarding the execution time, when individually scaling the model aspects we add as part of our approach.