Formal modeling and quantitative analysis of security using attack- defense trees

par Wojciech Widel

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Gildas Avoine.

Le président du jury était Sophie Pinchinat.

Le jury était composé de Gildas Avoine, Sophie Pinchinat, Mathias Ekstedt, Sjouke Mauw, Barbara Fila-Kordy, Heiko Mantel, Saša Radomirović.

Les rapporteurs étaient Mathias Ekstedt, Sjouke Mauw.

  • Titre traduit

    Modélisation formelle et analyse quantitative de la sécurité à l'aide d'arbres d'attaque et de défense


  • Résumé

    L'analyse de risque est un processus très complexe. Elle nécessite une représentation rigoureuse et une évaluation approfondie des menaces et de leur contre-mesures. Cette thèse porte sur la modélisation formelle de la sécurité à l'aide d'arbres d'attaque et de défense. Ces derniers servent à représenter et à quantifier les attaques potentielles afin de mieux comprendre les enjeux de sécurité auxquels le système analysé peut être confronté. Ils permettent donc de guider un expert dans le choix des contre-mesures à implémenter pour sécuriser son système. - Le développement d'une méthodologie basée sur la dominance de Pareto et permettant de prendre en compte plusieurs aspects quantitatifs simultanément (e.g., coût, temps, probabilité, difficulté, etc.) lors d'une analyse de risques. - La conception d'une technique, utilisant les méthodes de programmation linéaire, pour sélectionner un ensemble de contre-mesures optimal, en tenant compte du budget destiné à la protection du système analysé. C'est une technique générique qui peut être appliquée à plusieurs problèmes d'optimisation, par exemple, la maximisation de la couverture de surface d'attaque, Les principales contributions de cette thèse sont les ou encore la maximisation du investissement de suivantes : l'attaquant. - L'enrichissement du modèle des arbres d'attaque et de défense permettant d'analyser des scénarios de Pour garantir leur applicabilité pratique, le modèle et sécurité réels. Nous avons notamment développé les les algorithmes mathématiques développés ont été fondements théoriques et les algorithmes d'évaluation implémentés dans un outil informatique à source quantitative pour le modèle où une action de ouverte et accès gratuit. Tous les résultats ont l'attaquant peut contribuer à plusieurs attaques et où également été validés lors d'une étude pratique une contre-mesure peut prévenir plusieurs menaces. portant sur un scénario industriel d'altération de compteurs de consommation d'électricité.


  • Résumé

    Risk analysis is a very complex process. It requires rigorous representation and in-depth assessment of threats and countermeasures. This thesis focuses on the formal modelling of security using attack and defence trees. These are used to represent and quantify potential attacks in order to better understand the security issues that the analyzed system may face. They therefore make it possible to guide an expert in the choice of countermeasures to be implemented to secure their system. The main contributions of this thesis are as follows: - The enrichment of the attack and defence tree model allowing the analysis of real security scenarios. In particular, we have developed the theoretical foundations and quantitative evaluation algorithms for the model where an attacker's action can contribute to several attacks and a countermeasure can prevent several threats. - The development of a methodology based on Pareto dominance and allowing several quantitative aspects to be taken into account simultaneously (e.g., cost, time, probability, difficulty, etc.) during a risk analysis. - The design of a technique, using linear programming methods, for selecting an optimal set of countermeasures, taking into account the budget available for protecting the analyzed system. It is a generic technique that can be applied to several optimization problems, for example, maximizing the attack surface coverage, or maximizing the attacker's investment. To ensure their practical applicability, the model and mathematical algorithms developed were implemented in a freely available open source tool. All the results were also validated with a practical study on an industrial scenario of alteration of electricity consumption meters.


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