Architectural Data Flow Analysis for Detecting Violations of Confidentiality Requirements
Creators: name: Seifermann, Stephan
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022
Subjects: software engineering
software architecture
security
access control
information flow control
encryption

description: Diese Arbeit präsentiert einen Ansatz zur systematischen Berücksichtigung von Vertraulichkeitsanforderungen in Softwarearchitekturen mittels Abbildung und Analyse von Datenflüssen. Die Stärkung von Datenschutzregularien, wie bspw. durch die europäische Datenschutzgrundverordnung (DSGVO), und die Reaktionen der Bevölkerung auf Datenskandale, wie bspw. den Skandal um Cambridge Analytica, haben gezeigt, dass die Wahrung von Vertraulichkeit für Organisationen von essentieller Bedeutung ist. Um Vertraulichkeit zu wahren, muss diese während des gesamten Softwareentwicklungsprozesses berücksichtigt werden. Frühe Entwicklungsphasen benötigen hier insbesondere große Beachtung, weil ein beträchtlicher Anteil an späteren Problemen auf Fehler in diesen frühen Entwicklungsphasen zurückzuführen ist. Hinzu kommt, dass der Aufwand zum Beseitigen von Fehlern aus der Softwarearchitektur in späteren Entwicklungsphasen überproportional steigt. Um Verletzungen von Vertraulichkeitsanforderungen zu erkennen, werden in früheren Entwicklungsphasen häufig datenorientierte Dokumentationen der Softwaresysteme verwendet. Dies kommt daher, dass die Untersuchung einer solchen Verletzung häufig erfordert, Datenflüssen zu folgen. Datenflussdiagramme (DFDs) werden gerne genutzt, um Sicherheit im Allgemeinen und Vertraulichkeit im Speziellen zu untersuchen. Allerdings sind reine DFDs noch nicht ausreichend, um darauf aufbauende Analysen zu formalisieren und zu automatisieren. Stattdessen müssen DFDs oder auch andere Architekturbeschreibungssprachen (ADLs) erweitert werden, um die zur Untersuchung von Vertraulichkeit notwendigen Informationen repräsentieren zu können. Solche Erweiterungen unterstützen häufig nur Vertraulichkeitsanforderungen für genau einen Vertraulichkeitsmechanismus wie etwa Zugriffskontrolle. Eine Kombination von Mechanismen unterstützen solche auf einen einzigen Zweck fokussierten Erweiterungen nicht, was deren Ausdrucksmächtigkeit einschränkt. Möchte ein Softwarearchitekt oder eine Softwarearchitektin den eingesetzten Vertraulichkeitsmechanismus wechseln, muss er oder sie auch die ADL wechseln, was mit hohem Aufwand für das erneute Modellieren der Softwarearchitektur einhergeht. Darüber hinaus bieten viele Analyseansätze keine Integration in bestehende ADLs und Entwicklungsprozesse. Ein systematischer Einsatz eines solchen Ansatzes wird dadurch deutlich erschwert. Existierende, datenorientierte Ansätze bauen entweder stark auf manuelle Aktivitäten und hohe Expertise oder unterstützen nicht die gleichzeitige Repräsentation von Zugriffs- und Informationsflusskontrolle, sowie Verschlüsselung im selben Artefakt zur Architekturspezifikation. Weil die genannten Vertraulichkeitsmechanismen am verbreitetsten sind, ist es wahrscheinlich, dass Softwarearchitekten und Softwarearchitektinnen an der Nutzung all dieser Mechanismen interessiert sind. Die erwähnten, manuellen Tätigkeiten umfassen u.a. die Identifikation von Verletzungen mittels Inspektionen und das Nachverfolgen von Daten durch das System. Beide Tätigkeiten benötigen ein beträchtliches Maß an Erfahrung im Bereich Vertraulichkeit. Wir adressieren in dieser Arbeit die zuvor genannten Probleme mittels vier Beiträgen: Zuerst präsentieren wir eine Erweiterung der DFD-Syntax, durch die die zur Untersuchung von Zugriffs- und Informationsflusskontrolle, sowie Verschlüsselung notwendigen Informationen mittels Eigenschaften und Verhaltensbeschreibungen innerhalb des selben Artefakts zur Architekturspezifikation ausgedrückt werden können. Zweitens stellen wir eine Semantik dieser erweiterten DFD-Syntax vor, die das Verhalten von DFDs über die Ausbreitung von Attributen (engl.: label propagation) formalisiert und damit eine automatisierte Rückverfolgung von Daten ermöglicht. Drittens präsentieren wir Analysedefinitionen, die basierend auf der DFD-Syntax und -Semantik Verletzungen von Vertraulichkeitsanforderungen identifizieren kann. Die unterstützten Vertraulichkeitsanforderungen decken die wichtigsten Varianten von Zugriffs- und Informationsflusskontrolle, sowie Verschlüsselung ab. Viertens stellen wir einen Leitfaden zur Integration des Rahmenwerks für datenorientierte Analysen in bestehende ADLs und deren zugehörige Entwicklungsprozesse vor. Das Rahmenwerk besteht aus den vorherigen drei Beiträgen. Die Validierung der Ausdrucksmächtigkeit, der Ergebnisqualität und des Modellierungsaufwands unserer Beiträge erfolgt fallstudienbasiert auf siebzehn Fallstudiensystemen. Die Fallstudiensysteme stammen größtenteils aus verwandten Arbeiten und decken fünf Arten von Zugriffskontrollanforderungen, vier Arten von Informationsflussanforderungen, zwei Arten von Verschlüsselung und Anforderungen einer Kombination beider Vertraulichkeitsmechanismen ab. Wir haben die Ausdrucksmächtigkeit der DFD-Syntax, sowie der mittels des Integrationsleitfadens erstellten ADLs validiert und konnten alle außer ein Fallstudiensystem repräsentieren. Wir konnten außerdem die Vertraulichkeitsanforderungen von sechzehn Fallstudiensystemen mittels unserer Analysedefinitionen repräsentieren. Die DFD-basierten, sowie die ADL-basierten Analysen lieferten die erwarteten Ergebnisse, was eine hohe Ergebnisqualität bedeutet. Den Modellierungsaufwand in den erweiterten ADLs validierten wir sowohl für das Hinzufügen, als auch das Wechseln eines Vertraulichkeitsmechanismus bei einer bestehenden Softwarearchitektur. In beiden Validierungen konnten wir zeigen, dass die ADL-Integrationen Modellierungsaufwand einsparen, indem beträchtliche Teile bestehender Softwarearchitekturen wiederverwendet werden können. Von unseren Beiträgen profitieren Softwarearchitekten durch gesteigerte Flexibilität bei der Auswahl von Vertraulichkeitsmechanismen, sowie beim Wechsel zwischen diesen Mechanismen. Die frühe Identifikation von Vertraulichkeitsverletzungen verringert darüber hinaus den Aufwand zum Beheben der zugrundeliegenden Probleme.