Software Security Design for Cyber-Physical Systems
Software Security Design für Cyber-Physische Systeme
Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-173446
- Cyber-physical systems (CPS) security, as a prevalent concern in all
digital industries, must be implemented on different levels of
abstraction. For example, the development of top-down approaches,
e.g., security models and software architectures is equivalent in
importance to the development of bottom-up solutions like the design
of new protocols and languages. This thesis combines research in the
field of CPS security from both approaches and contributes to the
security models of the two lighthouse examples automotive software
engineering and general password security.
Most existing countermeasures against cyberattacks, e.g., the use of message
cryptography, concentrateCyber-physical systems (CPS) security, as a prevalent concern in all
digital industries, must be implemented on different levels of
abstraction. For example, the development of top-down approaches,
e.g., security models and software architectures is equivalent in
importance to the development of bottom-up solutions like the design
of new protocols and languages. This thesis combines research in the
field of CPS security from both approaches and contributes to the
security models of the two lighthouse examples automotive software
engineering and general password security.
Most existing countermeasures against cyberattacks, e.g., the use of message
cryptography, concentrate on concrete attacks and do not consider the
complexity of the various access options offered by modern cyber-physical systems. This is
mainly due to a solution-oriented approach to security problems. The
model-based technique SAM (Security Abstraction Model) adds to the early
phases of (automotive) software architecture development by explicitly
documenting attacks and managing them with the appropriate security
countermeasures. It additionally establishes the basis for comprehensive
security analysis techniques, e.g., already available attack assessment
methods. SAM thus contributes to an early, problem-oriented and
solution-ignorant understanding combining key stakeholder knowledge. This
thesis provides a detailed overview of SAM and the resulting analyses of our
evaluation show that SAM puts the security-by-design principle into practice
by enabling collaboration between automotive system engineers, system
architects and security experts. The application of SAM aims to reduce costs,
improve overall quality and gain competitive advantages. Based on our
evaluation results, SAM is highly suitable, comprehensible and complete to be
used in the industry.
The bottom-up approach focuses on the area of password hardening encryption
(PHE) services as introduced by Lai et al.~at USENIX 2018. PHE is a password-based
key derivation protocol that involves an oblivious external crypto service
for key derivation. The security of PHE protects against offline brute-force
attacks, even when the attacker has full access to the data server.
The obvious evolution of PHE is the extension of the protocol to use multiple
rate-limiters (guardians) to mitigate the single point of failure introduced by
the original scheme.
In the second part of this thesis, a general overview of the motivation and
use cases of PHE is given, along with a new formalization of the protocol to
help the mentioned scalability and availability issues. Moreover, an implementation
of the resulting threshold-based protocol is briefly explained and evaluated. Our
implementation is furthermore tested and evaluated in a novel use case featuring
password hardened encrypted email.…
- Die IT-Sicherheit von Cyber-Physical Systems (CPS), als ein vorherrschendes
Anliegen in allen digitalen Industrien, muss auf verschiedenen
Abstraktionsebenen implementiert werden. Beispielsweise ist die Entwicklung
von Top-Down-Ansätzen anhand von Sicherheitsmodellen und
Software-Architekturen gleichwertig mit der Entwicklung von
Bottom-up-Lösungen, sowie dem Design von neuen Protokollen und Sprachen. Diese
Arbeit kombiniert die Forschung auf dem Bereich der CPS-Sicherheit aus beiden
Ansätzen und trägt zu den Sicherheitsmodellen der beiden Leuchtturmbeispiele
Automotive Software Engineering und allgemeiner Passwortsicherheit bei.
Die meisten bestehenden Gegenmaßnahmen gegenDie IT-Sicherheit von Cyber-Physical Systems (CPS), als ein vorherrschendes
Anliegen in allen digitalen Industrien, muss auf verschiedenen
Abstraktionsebenen implementiert werden. Beispielsweise ist die Entwicklung
von Top-Down-Ansätzen anhand von Sicherheitsmodellen und
Software-Architekturen gleichwertig mit der Entwicklung von
Bottom-up-Lösungen, sowie dem Design von neuen Protokollen und Sprachen. Diese
Arbeit kombiniert die Forschung auf dem Bereich der CPS-Sicherheit aus beiden
Ansätzen und trägt zu den Sicherheitsmodellen der beiden Leuchtturmbeispiele
Automotive Software Engineering und allgemeiner Passwortsicherheit bei.
Die meisten bestehenden Gegenmaßnahmen gegen Cyber-Angriffe, z.B. der Einsatz
von Kryptographie, konzentrieren sich auf konkrete Angriffe und
berücksichtigen nicht die Komplexität der verschiedenen
Zugriffsmöglichkeiten, die moderne Cyber-Physical Systems bieten. Dies liegt
vor allem an einer lösungsorientierten Herangehensweise an
Sicherheitsprobleme. Die modellbasierte Technik SAM (Security Abstraction
Model) ergänzt die frühen Phasen der (automobilen)
Software-Architekturentwicklung, indem Angriffe explizit dokumentiert werden
und entspre-\\chende Sicherheits-Gegenmaßnahmen abgeleitet werden können. Es schafft
zusätzlich die Basis für umfassende Sicherheitsanalysetechniken, z.B. bereits
verfügbare Angriffsbewertungs-Methoden. SAM trägt somit zu einem frühen,
problem- und lösungsorientiertem Verständnis bei, das wichtiges
Stakeholder-Wissen kombiniert. Diese Arbeit gibt einen detaillierten
Überblick über SAM und die daraus resultierenden Analysen unserer
Evaluation zeigen, dass SAM das Prinzip Security-by-Design in die Praxis
umsetzt, indem es die Zusammenarbeit zwischen Automobilsystemingenieuren,
Systemarchitekten und Sicherheitsexperten ermöglicht. Die Anwendung von SAM
zielt darauf ab, Kosten zu reduzieren, die Gesamtqualität zu verbessern und
Wettbewerbsvorteile zu schaffen. Basierend auf den Evaluationsergebnissen ist
SAM dafür geeignet, um in der Industrie eingesetzt zu werden.
Der Bottom-up-Ansatz konzentriert sich auf den Bereich der Password Hardening
Encryption (PHE) Services, wie sie von Lai et al.~auf der USENIX 2018
vorgestellt wurden. PHE ist ein passwortbasiertes
Schlüsselableitungsprotokoll, das einen verdeckten externen Kryptodienst für
die Schlüsselableitung verwendet. Die Sicherheit von PHE schützt vor
Offline-Brute-Force Angriffen, selbst wenn der Angreifer vollen Zugriff auf
den Datenserver hat. Die naheliegendste Weiterentwicklung von PHE ist die
Erweiterung des Protokolls zur Verwendung mehrerer Rate-Limiter (Guardians),
um den Single Point of Failure des ursprünglichen Schemas zu eliminieren. Im
zweiten Teil dieser Arbeit wird ein allgemeiner Überblick über die Motivation
und Anwendungsfälle von PHE gegeben, zusammen mit einer neuen Formalisierung
des Protokolls, um die erwähnten Probleme der Skalierbarkeit und
Verfügbarkeit zu lösen. Außerdem wird eine Implementierung des resultierenden
threshold-basierten Protokolls kurz erläutert und evaluiert. Die
Implementierung wird darüber hinaus in einem neuartigen Anwendungsfall
PHEmail dargestellt.…
Author: | Markus Zoppelt |
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Persistent identifiers - URN: | urn:nbn:de:bvb:29-opus4-173446 |
Referee: | Dominique Schröder, Ramin Tavakoli Kolagari, Felix Freiling, Georg Fischer |
Advisor: | Dominique Schröder, Ramin Tavakoli Kolagari |
Document Type: | Doctoral Thesis |
Language: | English |
Year of publication: | 2021 |
Date of online publication (Embargo Date): | 2021/10/07 |
Publishing Institution: | Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) |
Granting institution: | Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät |
Acceptance date of the thesis: | 2021/10/06 |
Release Date: | 2021/10/11 |
Length/size: | 93 |
Institutes: | Technische Fakultät / Department Informatik |
Dewey Decimal Classification: | 0 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke / 00 Informatik, Wissen, Systeme / 000 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke |
open_access (DINI-Set): | open_access |
Licence (German): |