Buranello-Cafeo XML Access Control Using Static Analysis1 Analisi Verifica Programmi 2004/05 Alberto Buranello 802691 Fabio Cafeo801733.

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1 Buranello-Cafeo XML Access Control Using Static Analysis1 Analisi Verifica Programmi 2004/05 Alberto Buranello 802691 Fabio Cafeo801733

2 Buranello-Cafeo XML Access Control Using Static Analysis 2 Introduzione XML è un linguaggio che negli ultimi anni ha suscitato interesse negli ambienti di ricerca del W3C Lobiettivo più interessante è quello di utilizzare un documento XML come un vero e proprio database. Si rende quindi necessaria una adeguata politica di controllo degli accessi Esistono già dei linguaggi come XPath e XQuery il cui scopo è quello di interrogare correttamente file XML

3 Buranello-Cafeo XML Access Control Using Static Analysis 3 Controllo degli accessi I documenti XML devono essere efficienti ed espressivi: Facili per scrivere politiche di controllo degli accessi Garantiscono o negano laccesso ad un elemento o ad un attributo Entrambi questi requisiti appartengono ai database relazionali I documenti XML hanno la possibilità di gestire un numero infinito di path, quindi non esiste upper bound sullaltezza dellalbero degli elementi del documento Questo requisito è supportato da XPath Se gli elementi o attributi nei documenti XML sono caricati a run-time provocano un grosso problema nella gestione dei permessi daccesso. Infatti, si corre il rischio di avere prestazioni inaccettabili Lanalisi statica esamina questa politica a tempo di compilazione, cioè: Quando una query è creata piuttosto che quando è eseguita Nel caso il database venga aggiornato frequentemente sarà comunque necessaria la verifica a run-time

4 Buranello-Cafeo XML Access Control Using Static Analysis 4 Analisi Statica Si compone di due fasi: 1. Creiamo degli automi, da cui si possono ricostruire i paths agli elementi o attributi, seguendo questordine: Query automata: automa creato dalle queries Access control automata: si genera un automa che rappresenta le politiche di controllo degli accessi Schema automata: un terzo automa viene generato dagli schemi 2. Si confrontano questi automi applicando le seguenti regole in ordine: se lintersezione tra query automata e schema automata è inclusa nell access control automata, g li accessi attraverso le queries sono always-granted se lintersezione tra i tre automi è vuota, gli accessi attraverso le queries sono always-denied Altrimenti sono statically indeterminate

5 Buranello-Cafeo XML Access Control Using Static Analysis 5 Documenti XML Sono formati da elementi, attributi e nodi testuali. Linsieme di queste entità forma un albero Il contenuto di ciascun elemento è una sequenza di elementi o nodi testuali. Un elemento possiede un insieme di attributi, che hanno un nome e un valore Σ E Insieme dei tag nome Σ A Insieme dei tag attributo @ Sarà preposto ai simboli che si riferiscono a Σ A Esempio documento XML

6 Buranello-Cafeo XML Access Control Using Static Analysis 6 Schema Uno schema è una descrizione di documenti XML consentiti Esistono schema languages che permettono la scrittura degli schemi DTD, W3C XML Schema, RELAX NG Uno schema è una quintupla G=(N, Σ E, Σ A,S,P) N = insieme finito di non terminali S = è un sottoinsieme di Σ E x N P = è un insieme di produzioni X r A, X N, r è unespressione regolare su Σ E x N, A Σ A Linsieme delle regole di produzioni specifica le strutture degli elementi consentiti. Lo schema può essere ricorsivo allinfinito se non si impone alcun upper bound sullaltezza del documento

7 Buranello-Cafeo XML Access Control Using Static Analysis 7 Esempio di schema Si separano i non terminali (N) dai nomi elemento (Σ E ), poichè si permette agli elementi con nome uguale, di avere differenti percorsi subordinati W3C XML Schema e RELAX NG richiedono questa separazione

8 Buranello-Cafeo XML Access Control Using Static Analysis 8 XPath XPath da una espressione regolare permette di interrogare un documento Ad esempio, //foo[@bar = abc] Si trovano gli elementi foo in cui lattributo bar è uguale alla stringa data Dove [@bar=abc] è predicato (condizione aggiuntiva). Utilizza gli axes per rappresentare le dipendenze strutturali tra i nodi. XPath fornisce molti tipi di axes, ne considereremo solo tre: Descendant-or-self // Child / Attribute @ Permette alle condizioni su un elemento di avere ulteriori restrizioni

9 Buranello-Cafeo XML Access Control Using Static Analysis 9 XQuery XQuery è un altro linguaggio, per lXML, per interrogare un database e usa lXPath per individuare gli elementi o attributi LXQuery ha dei comandi che associano uno o più variabili con espressioni di XPath. La valutazione delle espressioni XPath crea delle ennuple Si possono imporre condizioni aggiuntive alle ennuple. Le ennuple che non soddisfano le condizioni vengono scartate; le rimanenti vengono valutate e si ritorna un valore od una sequenza di valori Comandi più importanti : FOR, LET, WHERE e RETURN crea una lista sulle coppie patologia-commento per il cancro-gastrico

10 Buranello-Cafeo XML Access Control Using Static Analysis 10 Sintassi della politica dei controlli degli accessi La politica dei controlli degli accessi è un insieme di regole per verificare gli accessi Ciascuna regola consiste : object (nodo target) viene usata unespressione XPath subject (utente o processo user) è specificato da un UserID. Ha un prefisso che indica il tipo di soggetto: +accesso garantito accesso negato action indica lazione da intraprendere: read, update, delete e create Si approfondirà solo laction read, poiché attualmente lXQuery non supporta altre azioni permission (garantito o negato) che significa il subject ha il permesso di compiere laction sullobject Si utilizza la seguente sintassi per la nostra politica di controllo degli accessi:

11 Buranello-Cafeo XML Access Control Using Static Analysis 11 Esempio Definiamo qui tre regole per il controllo degli accessi: Ogni regola è caratterizzata da un ruolo (Role) del soggetto richiedente Ad esempio, la seconda regola può essere letta così: Intern può leggere gli elementi /record Documento XML Regole

12 Buranello-Cafeo XML Access Control Using Static Analysis 12 Uso di XPath per il controllo degli accessi XPath fornisce un numero sufficiente di modi per riferirsi alle unità più piccole di una struttura di un documento (elemento, attributo, nodo testo, nodo elemento) Permette una scrittura di politica flessibile Ad esempio, garantisce laccesso ad un elemento, ma lo nega agli attributi dellelemento stesso Spesso accade che laccesso ad un certo nodo è determinato da un valore nel documento target Ad esempio, per un record medico, un paziente può leggere il proprio record, ma non quello di un altro paziente Role:Patient +R,/record[@patientId = $userid3]/diagnosis) Una politica dei controlli degli accessi fornisce un modo per rappresentare una restrizione necessaria sul record Si usa il termine value-based access control per riferirsi ad una politica in cui vengono usati predicati per le restrizioni aggiuntive

13 Buranello-Cafeo XML Access Control Using Static Analysis 13 Semantica della politica dei controlli degli accessi (1) Requisiti: Brevità: specifica la regola generale piuttosto che le regole su ogni singolo nodo Privilegi più piccoli: garantisce il minimo privilegio al soggetto richiedente Correttezza: fornisce il permesso o la negazione ad ogni richiesta daccesso Consistenza della negazione ai discendenti: quando un elemento è negato bisogna negare gli elementi e attributi subordinati In altre parole quando è permesso laccesso ad un nodo deve essere permesso laccesso a tutti gli elementi predecessori

14 Buranello-Cafeo XML Access Control Using Static Analysis 14 Semantica della politica dei controlli degli accessi (2) Definizione dei requisiti: 1. Una regola propaga i permessi ai discendenti della struttura del documento XML con +R o –R. Viceversa se la regola è con +r o –r vale solo sul nodo specificato 2. Una regola che nega il permesso al nodo prevale su qualsiasi altra che ne permette laccesso 3. Se non è applicata alcuna regola al nodo, per default si applica la negazione del permesso a quel nodo (-) Algoritmo per la generazione dei permessi daccesso: 1. Lalgoritmo raccoglie ogni regola di permesso con +r e segna con il simbolo + il nodo target riferito allespressione dellXPath. Se il nodo è di tipo elemento lalgoritmo segna + su tutti i nodi figli (nodi testo e commento) eccetto per gli elementi e attributi. Segna con + tutti i nodi discendenti se lazione è R 2. Lalgoritmo raccoglie le regole di negazione e segna con – il nodo target allo stesso modo. Quindi il simbolo - sovrascrive gli eventuali segni + 3. Lalgoritmo segna con - tutti i nodi che non sono marcati Queste operazioni sono eseguite per ogni soggetto ed azione indipendentemente Questo algoritmo non soddisfa sempre il requisito di Consistenza della negazione ai discendenti. Ad esempio, se una regola con +R è specificata su un certo nodo, su un nodo predecessore è specificato –R, la negazione degli accessi revoca il permesso di accesso della politica di scrittura

15 Buranello-Cafeo XML Access Control Using Static Analysis 15 Esempi Well differentiated adeno carcinoma This seems correct Role:Intern +R, /record -R, //comment La prima regola segna con + lintero albero La seconda regola marca gli elementi comment e i nodi testo subordinati con -, sovrascrivendo i + scritti precedentemente Gli elementi comment sono determinati come accesso negato Una regola che utilizza +R o –R può essere riscritta con luso di +r o –r (Sbj, +R, /a) è semanticamente equivalente a: (Sbj, +r, /a)(Sbj, +r, /a//*) (Sbj, +r, /a//@*) Luso di +R o –R permette la scrittura di una politica in maniera più concisa

16 Buranello-Cafeo XML Access Control Using Static Analysis 16 Controllo degli accessi a run-time In un documento XML, se esistono nodi con accesso negato lanalizzatore di query si comporta come se non esistessero nel documento Scenario: Quando è richiesto laccesso ad un nodo e ai suoi discendenti, il controllore dopo aver recuperato le politiche di accesso, decide se permettere o meno laccesso a ciascun nodo Una semplice implementazione di questo scenario può portare a scarse performance perché si ripetono le valutazioni per ciascun nodo

17 Buranello-Cafeo XML Access Control Using Static Analysis 17 Analisi Statica Passo 1: creazione dello schema automata dagli schemi Passo 2: creazione di access control automata dalle politiche di controllo degli accessi Passo 3: creazione di query automata dalle query XQuery Passo 4: confronto fra gli schemi ottenuti nei passi precedenti

18 Buranello-Cafeo XML Access Control Using Static Analysis 18 Automi non-deterministici a stati finiti Un automa M è definito con una quintupla (Ω, Q, Q init, Q fin, δ) è lalfabeto Q è un insieme finito di stati Q init è sottoinsieme di Q (stati iniziali) Q fin è sottoinsieme di Q (stati finali) δ è una funzione di transizione da Q x Ω a Q L(M) è linsieme delle stringhe accettate da M Gli automi si utilizzano per catturare le espressioni XPath.

19 Buranello-Cafeo XML Access Control Using Static Analysis 19 Espressioni XPath Inizialmente si crea una espressione regolare rimpiazzando / e // rispettivamente con e * dove denota la concatenazione di due insiemi regolari Poi, a partire dallespressione regolare si crea lautoma Lautoma così costruito accetta un path sse combacia con lespressione XPath Se unespressione XPath r contiene predicati, non si può catturarne le semantiche con gli automi. Perciò si costruisce la sovrastima (over-estimation automata) e la sottostima (under-estimation automata) M[r] Per costruire la sovrastima si assume che i predicati siano sempre soddisfatti, in altre parole, i predicati di r vengono tutti usati per costruire lautoma che accetterà anche cammini parziali Per costruire la sottostima si assume che i predicati non siano mai soddisfatti, in altre parole, M[r] è sempre linsieme vuoto

20 Buranello-Cafeo XML Access Control Using Static Analysis 20 Passo 1: Creazione dello schema automata Si considerano solo i paths permessi Definizione dello schema: Dove M G è lautoma dello schema G, δ è una funzione di transizione, tale che

21 Buranello-Cafeo XML Access Control Using Static Analysis 21 Esempio Schema automata Paths permessi

22 Buranello-Cafeo XML Access Control Using Static Analysis 22 Passo 2: Creazione di access control automata La politica di controllo degli accessi consiste in una serie di regole In questo passo, per ogni soggetto richiedente, vengono creati una coppia di automi: over-estimation access control under-estimation access control Questa coppia cattura tutti quei paths (ad elementi od attributi) che sono rappresentati nella politica di controllo degli accessi Inizialmente si sostituiscono +R, –R con +r, –r su tutti i nodi. Così le regole sono meno sintetiche e si ottengono tutti i possibili paths agli elementi r 1,..., r m indicano i permessi di accesso r 1,..., r m indicano le negazioni di accesso

23 Buranello-Cafeo XML Access Control Using Static Analysis 23 Passo 2: Creazione di access control automata (2) Se r 1,..., r m e r 1,..., r m non contengono predicati (possibili condizioni) Il principio adottato è che laccesso negato ha la precedenza Dato Γ schema, M Γ accetta i path di r ma non quelli negati da r Esempio nel caso del Role Intern visto in precedenza Altrimenti creiamo una sovrastima e una sottostima di M Γ

24 Buranello-Cafeo XML Access Control Using Static Analysis 24 Passo 3: Creazione di query automata Da unespressione XQuery, si estraggono le espressioni XPath Si distingue tra il comando RETURN e i comandi FOR,LET e WHERE Il primo ritorna i sottoalberi che includono gli elementi ed attributi subordinati I secondi esaminano gli elementi o attributi ma non i loro elementi subordinati Si crea il query automata M r per ciascuna espressione r estratta dallXPath Se r è presente in una clausola FOR-LET-WHERE di XQuery, definiamo per preservare da errori lanalisi statica Se r ricorre in una clausola RETURN, M r è un automa che accetta path sse qualche sotto-path si combina con r Di conseguenza

25 Buranello-Cafeo XML Access Control Using Static Analysis 25 Esempio (Passo 3) Well differentiated adeno carcinoma This seems correct 5-FU 500mg Is this sufficient? How was the operation? </record Dato r come /record//comment che è lultima espressione XPath che ricorre nella clausola return Allora M r accetta : /record/comment /record/comment/@type /record/comment/record /record/comment/diagnosis, …………… {for $r in document("medical_record")/record where $r/diagnosis/pathology/@type= "Gastric Cancer" return $r/diagnosis/pathology, $r//comment} XQuery

26 Buranello-Cafeo XML Access Control Using Static Analysis 26 Passo 4: Confronto fra automi Se non contiene predicati, lespressione r è sempre garantita se tutti i path sono accettati da M r e M G, formalmente: Se gli schemi non sono disponibili, si assume M G permetta tutti i paths e si controlla che Lespressione r è sempre negata se nessun path è accettato da tutti gli automi, formalmente: Quando gli schemi non sono disponibili, si controlla se: Il path r è staticamente indeterminato se non è sempre garantito nè sempre negato

27 Buranello-Cafeo XML Access Control Using Static Analysis 27 Passo 4 con i predicati Quando ci sono i predicati si usano sottostime e sovrastime Usiamo una sottostima M Γ se una query è sempre garantita o meno Allo stesso modo si usa una sovrastima per determinare se un path è sempre negato

28 Buranello-Cafeo XML Access Control Using Static Analysis 28 Ottimizzazione di query Se unespressione XPath r è sempre negata da unaltra espressione XQuery, è possibile rimpiazzare r con una lista vuota. Questa riscrittura rende non necessario un run-time checking nella politica di controllo degli accessi { for $r in document("medical_record")/record where $r/diagnosis/pathology/@type = "Gastric Cancer" return $r/diagnosis/pathology, $r//comment } { for $r in document("medical_record")/record where $r/diagnosis/pathology/@type="Gastric Cancer" return $r/diagnosis/pathology } Lanalisi statica per il ruolo Doctor ci dice che laccesso è sempre garantito dallespressione XPath, rendendo quindi non necessario il run-time checking Per il ruolo Intern, lanalisi statica ci avverte che lultima espressione XPath è sempre negata QUERYQUERY ottimizzazione

29 Buranello-Cafeo XML Access Control Using Static Analysis 29 Esempio su un caso reale (1) Mostriamo ora di quanto lanalisi statica migliori le prestazioni, utilizzando un esempio proposto dallXMark project Lo scenario è quello di una casa daste, in cui sono disponibili 20 query di esempio È disponibile anche una DTD in cui vi sono 77 tipi elemento Si scrive una politica daccesso riferita a 9 ruoli Ciascun role ha associato da 1 a 15 regole di controllo degli accessi Role name Significato 1MAmministratore 2MMGestore degli utenti 3IMGestore dei beni 4SVenditore 5BCompratore 6VVisitatore 7UB Compratore con accesso negato alle voci esterne 8US Venditore con accesso negato alle voci esterne 9UV Visitatore con accesso negato alle voci esterne Tabella dei ruoli

30 Buranello-Cafeo XML Access Control Using Static Analysis 30 Esempio su un caso reale (2) Definizione di una semplice politica degli accessi Ad esempio, al ruolo del venditore è possibile leggere il documento root (/). Questo permesso è garantito dalla prima riga (+R) e si propaga ai discendenti. Il compratore può leggere il contenuto della sua cartella creditcard e profile, ma non quelle di altri utenti. Da notare che la politica è value-based, cioè i predicati XPath appaiono nelle regole.

31 Buranello-Cafeo XML Access Control Using Static Analysis 31 Esempio su un caso reale (3) Costruiamo una tabella in cui, per ogni coppia query/role, si segna se lanalisi statica rende superfluo il controllo a run- time Eseguiamo questo esperimento su due casi: Con DTD Senza DTD

32 Buranello-Cafeo XML Access Control Using Static Analysis 32 Legenda G indica che tutte le espressioni dellXPath sono sempre permesse La query non contiene alcuna espressione XPath che richiede un controllo degli accessi a run-time D indica che almeno una delle espressioni XPath è negata La query contiene lespressione XPath che fallirà sempre il controllo degli accessi a run-time. In questo caso si riscriverà tale espressione come lista nulla, rendendo non necessario il controllo degli accessi a run-time - indica che lespressione XPath è staticamente indeterminata Non è possibile predire il risultato del controllo a run-time della query e verrà, quindi, eseguito Le due tabelle mostrano, rispettivamente: il 65% e il 40% delle coppie query/role non richiedono un controllo dellaccesso a run-time Il 25% e il 10% di queste coppie possono essere ottimizzate dalla riscrittura delle queries Possiamo concludere che quando non è disponibile un documento DTD, lanalisi statica può risultare significativa per lottimizzazione di queries Esempio su un caso reale (4)

33 33 Esempio su un caso reale (5): accesso ai nodi No access:, la query iniziale accede a questi nodi, ma la sua riscrittura no; questi nodi sono esentati dallaccesso Access without runtime access check: si evita il controllo degli accessi a run- time su questi nodi, i nodi vanno comunque letti Access with runtime access check: su questi nodi è richiesto il controllo degli accessi a run-time sia sulla query originale che su quella riscritta Il grafico mostra, per ciascun ruolo, il numero di nodi per le tre categorie Si osserva che il costo della valutazione delle query per M, MM, IM e V è ridotto in maniera significativa, poiché i nodi del terzo gruppo sono pochi Nel caso specifico di M si nota che non era richiesto nessun controllo degli accessi a runtime perché lamministratore ha laccesso a tutti i nodi

34 Buranello-Cafeo XML Access Control Using Static Analysis 34 Scalabilità dellanalisi statica Nel seguente test di scalabilità, si misurerà il tempo di esecuzione dellanalisi, su DTDs reali e con politiche casuali con insiemi grandi di regole Fasi: Inizializzazione: dove si computa nello schema automaton M G, poi si computa laccess control automaton M Γ per ogni ruolo della politica Analisi: si analizza staticamente lespressione XPath per ogni query, cioè si vuole determinare se laccesso è sempre permesso o negato Documenti DTDs usati: xmlspecv21.dtd (157 tipi elemento) da W3C XML Working Group HL7.dtd (621 tipi elemento) da Health Level Seven docbookx.dtd (393 tipi elemento) da OASIS DocBook technical committee Si utilizzeranno politiche di controllo degli accessi di grandezze variabili (da 1 a 500 regole per ruolo) Per ogni DTD, sono generate casualmente 10 politiche di controllo con luso di elementi attributi e elementi nome definite nella DTD stessa Per ogni DTD, si analizza staticamente una query con 12 espressioni XPath

35 Buranello-Cafeo XML Access Control Using Static Analysis 35 Test È stato eseguito su una macchina con processore Pentium 4 2.4 GHz, con 512 MB RAM, con sistema operativo basato su Linux Esempio di politica generata casualmente

36 Buranello-Cafeo XML Access Control Using Static Analysis 36 Risultati test (1) La figura mostra il tempo di esecuzione per la fase di inizializzazione Ogni punto indica il tempo richiesto per eseguire laccess control automaton per ogni ruolo nella politica generata casualmente Il run-time non tiene conto del tempo per computare lo schema automata (M G ) xmlspecv21.dtd (214), HL7.dtd (623), docbookx.dtd (501)

37 Buranello-Cafeo XML Access Control Using Static Analysis 37 Risultati test (2) Questa figura mostra il tempo di esecuzione per la fase di analisi Ogni punto indica il tempo medio richiesto per lanalisi di ogni espressione XPath della Query In entrambe le fasi, le prestazioni sono di gran lunga migliori nel caso di HL7.dtd piuttosto che negli altri casi. Questo perché gli altri due documenti contengono molte definizioni ricorsive e perciò risultano molto più complesse rispetto al primo

38 Buranello-Cafeo XML Access Control Using Static Analysis 38 Conclusioni Lo scopo di questo lavoro, è quello di alleggerire il controllo della politica degli accessi nei documenti XML, distribuendone il peso fra lanalisi statica e i controlli a run-time Lidea chiave è luso degli automi per rappresentare e confrontare: queries, politiche di controllo degli accessi e schemi Dal prototipo precedente si nota che: Lanalisi statica rende spesso superfluo il controllo a run- time e fornisce significative ottimizzazioni Il nostro prototipo è ben bilanciato quando gli schemi, le queries e le politiche di accesso sono molto grandi Si è sempre preso in considerazione un XQuery semplificato, ma nei casi reali, lXPath permette un arbitrario annidamento di espressioni FLWR ed anche query ricorsive Non è stato gestito nel nostro progetto la ricorsività delle queries che è stata completamente lasciata al controllo run- time

39 Buranello-Cafeo XML Access Control Using Static Analysis 39 Bibliografia Murata, Tozawa, Kudo, XML Access Control Using Static Analysis http://monetdb.cwi.nl/xml/ Health Level Seven, http://www.h17.orghttp://www.h17.org OASIS DocBook technical committee, http://www.oasis- open.org/committees/docbook http://www.oasis- open.org/committees/docbook W3C XML Working Group, http://www.w3.orghttp://www.w3.org