Supporting Designers to handle Topology Aware Adaptive Security

100 Pages·2015·7.11 MB·English

by  John Smith

Politecnico di Milano
Facoltà di Ingegneria dell’Informazione
Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Informatica
Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria
Tesi di Laurea
Towards a Development Environment for Secure
CyberPhysical Spaces
Relatore: Prof. Carlo GHEZZI
Correlatore: Prof. Bashar NUSEIBEH
Laureando: Edoardo PASI
Matr. n. 805753
Anno Accademico 2014-2015
Quaand la roesa se spalanca la desmentega i so spenn
Davide Van De Sfroos
Ringraziamenti
Desidero ringraziare il mio relatore Carlo Ghezzi che mi ha trasmesso la passione per
l’ingegneriadelsoftware,intesanelsuosensopiùampiocioècomericercadellaperfezione,
del modo migliore di fare una certa cosa. Forse ancora più importante è un esempio di
come si possa raggiungere risultati importanti e mantenere un atteggiamento cortese e
disponibile.
Un importante ringraziamento va alla mia famiglia che mi ha sempre supportato (sop-
portato) e che ha reso possibile il mio percorso fino a qua: dai primi istanti di vita,
durante tutto il mio i percorso scolastico e universitario, fino alla redazione di questa
tesi (che sono dispensati dal leggere, a eccezione di questa pagina). Ogni membro della
mia frastagliata famiglia in qualche modo ha contribuito a formare la persona che sono
e che ero sei mesi fa quando è iniziato questo lavoro, e quindi anche a loro va il merito
di questa tesi che oggi vede la luce.
Un grazie particolare va ai miei amici che da sempre sono stati la naturale estensione
della mia famiglia: in ordine cronologico, per quanto possibile, ricorderei Edo, il mio
omonimo: compagno di mille avventure e sventure, che, come la mia famiglia naturale,
misopportadamoltiannieancoranondàcennidicedimento; ricordoAle, oraaservizio
del PIME, un tempo infaticabile atleta, ma più importante amico fidato ed esempio di
valori pressoché introvabili come l’amicizia ad ogni costo verso tutto e tutti. Di grande
importanza, e ormai alla prova da tempo, sono anche Andrea, dal quale ho cercato di
imitare l’ottimismo che rasenta la sfacciataggine (atteggiamento da non sottovalutare
durante la ricerca), e Alice: forse fra i miei amici la persona che più bonariamente i miei
difetti. Non posso proprio dedicare tutto lo spazio che meriterebbero agli altri amici di
Rogoredocitosoltanto: Samuel(cheringrazioperglienormisforziattiacapirecosafosse
o non fosse una Macchina di Turing), Sara, Alessandro, Arianna, Carolina, Riccardo (di
cui però ricordo almeno i baffi proverbiali).
NonsipossonopropriodimenticaregliamicidelPIME,sorprendentiespeciali,meritereb-
bero una piccola tesi o una piccola enciclopedia (ciascuno proprio intendo); a causa loro
ho sacrificato molto tempo, spesso sottratto agli esami (una volta persino alla tesi, devo
iii
confessare), ma di cui non rimpiango neanche un minuto perché la loro compagnia mi ha
sempre ricaricato e consentito di recuperare persino quel tempo apparentemente perso.
Non volendo relegare nessuno di loro ad amico di serie B evito di ricordare nomi par-
ticolari, a eccezione di Rita che ha minacciato di togliermi dagli amici di Facebook in
caso contrario e a Lollo che devo necessariamente citare in merito a profonde discussioni
sull’ingegneria del software. Un abbraccio a tutti gli amici-pime che non ho citato ma
che prometto di ringraziare di persona.
Il viaggio fra le persone a cui sono grato continua con gli amici del Politecnico. Primo fra
tutti Claudio, che è stato, ed è tuttora, un prezioso esempio di come si possa coltivare la
passione per l’informatica senza diventare dei sociopatici e trascurare le cose belle della
vita. ConClaudiohocondivisofrustrazioniefallimentichepianpianosisonotrasformati
in soddisfazioni e successi (non sempre, ma diciamo spesso), mal di testa incurabili
di fronte a lavagne fitte di informazioni incomprensibili, che provavamo a decifrare (di
nuovo, non sempre, ma spesso, con successo). Non posso fare a meno di ricordare e
persino ringraziare Walter, cocciuto avversario di mille discussioni, ma in fondo amico
leale. Devo almeno citare Dave che, come un relatore in miniatura, mi ha insegnato la
passione per il buon codice e per Skyrim. Infine un grazie ad Ema (secure-Ema), a Rufy,
e a Teto-Tomma.
Last, but not list (off course!) a special thank to the LERO team. I want to start with
Bashar that made this work possible, being my co-supervisor with Carlo, hosting me
in his research group and making me feel like home and in a confortable environment.
As Carlo, also Bashar is an example of a person that had reached some important goals
withoutlousingpolitenessnorthesmile. AspecialthankstoLiliana,fordifferentreasons,
personal and technical; as Bashar and the rest of LERO team, she made me feel welcome
since the very first day I arrived in Limerick. Moreover, Liliana helped me quite a lot
during the implementation of the tool we realized, her technical advices were precious
and I am really grateful. A great thank also to the rest of the LERO team I spent time
with, namely: Sorren, Fayola, Marco.
Extended Abstract (in Italian)
Introduzione
Questo lavoro di tesi nasce all’interno di un progetto nell’ambito della sicurezza che coin-
volge il Politecnico di Milano, in particolare il Dipartimento di Elettronica Informazione
eBioingegneria, elaLimerickUniversity, inparticolareilCentrodiRicercaIrlandeseper
l’Ingegneria del Software (LERO). Il gruppo di ricerca con cui ho avuto l’opportunità di
collaborare si è occupato della sfida di ingegnerizzare sistemi critici dal punto di vista
della sicurezza in grado di adattarsi alle modifiche che avvengono al loro interno, detti
sistemi di sicurezza adattativi. Di grande importanza in questi sistemi è la nozione di
topologia dell’edificio, della descrizione degli ambienti che lo compongono, delle relazioni
di prossimità e raggiungibilità fra questi, delle risorse e degli agenti che si trovano in
questi spazi. Si parla in questo caso di “Topology Aware Adaptive Systems” cioè sistemi
che sono consci della loro topologia e in grado di adattarsi per soddisfare determinati
requisiti di sicurezza.
In alcuni ambienti il problema della sicurezza è intrinsecamente critico, basti pensare ad
edifici come: aeroporti, ospedali, banche, edifici governativi etc. La domanda da cui è
scaturito questo lavoro di tesi è stata: “Esistono tecniche, in industria o in letteratura
scientifica, per affrontare in modo formale e sistematico il problema della sicurezza a
partire dalla prime fasi del progetto di un edificio?”. Per rispondere a questa domanda
abbiamo effettuato sia un’analisi della letteratura scientifica, per cercare di capire come,
chiprogettaedifici,siponeversoilproblemadellasicurezza,siaun’analisidiapplicazioni
commerciali a supporto della sicurezza in ambienti fisici.
L’obiettivo che ci siamo proposti e da cui è cominciato il lavoro che poi ha portato alla
realizzazione di questa tesi, è stato quello di realizzare un software che permettesse, da
un lato di iniziare il progetto di un edificio e controllare fin da subito il soddisfacimento
di alcuni requisiti di sicurezza, dall’altro di consentire ad amministratori di sicurezza, di
controllare lo stato e la posizione di risorse e agenti in un edificio e di scoprire e prevenire
eventuali violazioni della sicurezza a fronte di particolari requisiti.
v
La nostra ricerca è iniziata indagando quale fosse lo state dell’arte per quanto riguarda
la rappresentazione di edifici, ciò ci ha portati a BIM (Building Information Modelling),
una tecnologia molto utilizzata in architettura e in ingegneria delle costruzioni. BIM
consentedicrearemodelliincuilasemanticadiognipartedell’edificioèbenformalizzata.
Questa ricchezza semantica è stata sfruttata in diversi lavori in ambito accademico che
hanno dimostrato come sia possibile sfruttare modelli BIM per trarre vantaggio, dal
punto di vista della sicurezza, nella progettazione di edifici e nel loro monitoraggio.
Una fase successiva della nostra ricerca è stata l’analisi di rassegna di software esistente
che supportasse la gestione della sicurezza fisica; esistono applicazioni commerciali sia
per valutare il grado di difesa offerto da un edificio che per monitorare la situazione al
suo interno: permettono cioè di raccogliere, in un’unica interfaccia, dati provenienti da
strumenti diversi e di fornire una sorta di cruscotto utile alla sorveglianza.
Questaricercacihaportatoaconcluderecheunsoftwarecomequellochecieravamoposti
direalizzarenoncostituisceun’ideaeccessivamenteparticolare, maallostessotemponon
esiste nulla che soddisfi pienamente gli obiettivi da noi individuati. Arrivati a questa
conclusione abbiamo iniziato la progettazione del software che abbiamo chiamato Ma-
raudersWare. In questo lavoro di tesi presentiamo il tool che abbiamo realizzato, dai
requisiti all’implementazione, infine offriamo una dimostrazione di un suo possibile uso.
Struttura della tesi
Questo lavoro di tesi è diviso in quattro parti: Introduzione, Nozioni Preliminari, Design
e Implementazione di MaraudersWare, Conclusioni e Sviluppi Futuri. Dopo una breve
introduzione al problema, nella parte Nozioni Preliminari presentiamo quegli ambiti di
ricerca che hanno fatto da sfondo al nostro lavoro.
Partiamo da Sicurezza Adattativa (capitolo 2) che è l’ambito in cui a lungo ha lavorato il
gruppo di ricerca di cui ho fatto parte, continuiamo con Modelli di Spazi (capitolo 3) in
cui esponiamo alcuni formalismi per rappresentare ambienti a diversi livelli di dettaglio:
CityGMLeBIM.Nelcapitolo4, RappresentazionediSpazi, affrontiamodinuovoiltema
della rappresentazione di ambiente ma sotto un altro punto di vista: ci concentriamo su
formalismi più vicini all’informatica e pensati per ragionare sugli spazi, alcuni (come i
Bigrafi) in maniera sofisticata permettendo anche di ragionare su connessioni digitali. Il
capitolo successivo, Lavori Correlati, presenta dapprima alcune pubblicazioni di ricerca
in cui gli autori, in modi diversi, mostrano come si possa sfruttare la ricchezza semantica
offerta da BIM per migliorare la sicurezza complessiva di un edificio; successivamente
vengono recensiti alcuni software per la gestione della sicurezza fisica, alcuni per la va-
lutazione della stessa in un edificio, altri per il controllo centralizzato dello stato delle
risorse.
La terza parte presenta l’Analisi dei Requisiti (capitolo 6), l’ Implementazione (capi-
tolo 7) di MaraudersWare, una sua Dimostrazione di Utilizzo (capitolo 8) e una Va-
lutazione (capitolo 9). Nel capitolo 6 consideriamo i requisiti funzionali del tool che
abbiamo realizzato fra cui, per esempio, il fatto che sia in grado di importare almeno
parte della struttura di un edificio da un file BIM, identifichiamo alcuni oggetti che ab-
biamo ritenuto rilevanti per le analisi di sicurezza (Telecamere, Personal Computer etc.)
e mostriamo alcuni possibili scenari d’uso. Il capitolo 7 è dedicato all’implementazione
e, dopo aver brevemente introdotto il programma free e open source che abbiamo es-
teso, espone l’architettura generale e le funzionalità del prototipo da noi realizzato. Il
capitolo 8 considera un semplice scenario e mostra l’applicazione di MaraudersWare per
prevenire una violazione della sicurezza. Il capitolo Valutazione presenta pro e contro
del nostro contributo: riscontri positivi da parte dell’unità di business di una compagnia
che collabora con il LERO e aspetti negative ovvero limitazioni del nostro lavoro, queste
riguardano l’ancora immatura compatibilità verso IFC: lo standard di interscambio di
progetti BIM.
Nell’ultima parte, Conclusioni e Sviluppi Futuri, dapprima riassumiamo quanto visto nel
corsodellatesiesuccessivamenteesponiamopossibilisviluppifuturicomeilsuperamento
di alcune delle limitazioni o l’ampliamento dell’interfaccia utente di MaraudersWare.
Abstract
Some environments are inherently security-sensitive. We can think for instance of: air-
ports, hospitals, power plants, military sites and so on. In this thesis we consider the
challenge of engineering the design of these kinds of spaces in order to keep security
into account from the very first steps of the life-cycle of a physical space: that is from
its design. Our approach to the problem starts from the idea that security should be
taken into account since the very beginning in the design of a space. For example, we
must be able to assume at design time that a space layout does not allow for violation
of security requirements. Because we are interested in adaptive security, we also want to
be able to take into account potential changes that may occur later and ensure that the
system can react (adapt) automatically to continue to satisfy security requirements. To
do so the systems have to be topology aware and for this reason we talk about Topology
Aware Adaptive Systems. We have performed a literature analysis to discover different
techniques to represent and ways to intend topology. In particular, we focused on the
Building Information Modelling (BIM): the de-facto approach for modelling buildings in
thearchitecturefield. Inthisworkwepresentaproofofconcepttool, whichaimsatsup-
porting designers in the beginning of the building project and security administrators to
monitor agents and resources inside the building and to discover in advance and prevent
security violations. The proposed tool is developed starting from a pre-existing open
source software for interior design, which was extended to model security relevant fea-
turesandaspects. Moreover,interoperabilitywithexistingarchitecturaltoolsisachieved
throughBuildingInformationModel(BIM)andIFCindustryspecificationssupport. Se-
curity Analysis is performed via integration with a Threat Analysis tool developed in
our research group.
Keywords: security, topology, aware, adaptive, BIM, design
viii
Contents
Extended Abstract (in Italian) v
Contents ix
List of Figures xii
List of Tables xiv
I Introduction 1
1 Introduction 2
1.1 The Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 The Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 Thesis Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
II Background 7
2 Adaptive Security 8
2.1 Self-adaptive Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.1 Self-adaptive Security Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Topology of Spaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.1 Physical Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.2 Digital Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3 Topology Representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3.1 Graphs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3.2 Ambient Calculus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3.3 Bigraphs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3 Spatial data models 12
3.1 CityGML . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.2 Building Information Modelling (BIM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2.1 Historical rationale for BIM: Traditional CAD Limitations . . . . . 14
3.3 Smart Objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.4 BIM Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.5 User Adoption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.6 BIM Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.6.1 Autodesk Revit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
ix
Contents x
3.6.2 GraphiSoft ArchiCAD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.7 Interoperability and need for Open standards . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.7.1 Green Building XML . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.7.2 Industry Foundation Classes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.8 Industry Foundation Classes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.8.1 Standard Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.8.2 IFC Data Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.8.3 Visually Explore Ifc Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4 Representing Spaces 25
4.1 Graphs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.2 Bigraphs and Bigraphical Reactive Systems (BRS) . . . . . . . . . . . . . 26
4.3 Ambient Calculus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.3.1 Syntax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.4 BiAgents. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.5 Security Process Algebra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.6 Portunes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
5 Related Work 33
5.1 Spaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
5.1.1 Deriving graphs from BIM models . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
5.2 Ifc BIMs and Security . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.2.1 Penetration Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.2.2 Placing CCTV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.2.3 Intrusion detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.2.4 Access Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.3 Physical Security Assessment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5.4 Physical Security Information Managing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
III Design and Implementation of MaraudersWare 43
6 Requirement Analysis 44
6.1 Introduction and Starting Point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
6.2 Vision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
6.2.1 Supporting BIM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
6.3 Functional Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
6.4 Use cases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
6.5 Security Relevant Objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
6.6 Communication Between Modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6.7 Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.7.1 Designer check Security of his preliminary scratch . . . . . . . . . . 53
6.7.2 Security Administrator is informed of Possible Security Violation . 53
7 Implementation 55
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
7.2 SweeHome3d: A starting point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
7.2.1 User Perspective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56