[論文レビュー] On the Workflow Satisfiability Problem with Class-Independent Constraints

Jason Crampton, Andrei Gagarin+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2015

Access Control and Trust参考文献 9被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、グループベースのアクセス制御をワークフローにモデル化するための、ユーザ独立制約の一般化であるクラス独立（CI）制約を導入する。CI制約下でのワークフロー満たし問題（WSP）に対して、固定パラメータ可 tractable（FPT）なアルゴリズムを提示し、実験により、特に満たせないケースにおいてSAT4Jを上回ることを示した。また、多様なワークロードにおいて高い効率性と完全性を維持している。

ABSTRACT

A workflow specification defines sets of steps and users. An authorization policy determines for each user a subset of steps the user is allowed to perform. Other security requirements, such as separation-of-duty, impose constraints on which subsets of users may perform certain subsets of steps. The \emph{workflow satisfiability problem} (WSP) is the problem of determining whether there exists an assignment of users to workflow steps that satisfies all such authorizations and constraints. An algorithm for solving WSP is important, both as a static analysis tool for workflow specifications, and for the construction of run-time reference monitors for workflow management systems. Given the computational difficulty of WSP, it is important, particularly for the second application, that such algorithms are as efficient as possible. We introduce class-independent constraints, enabling us to model scenarios where the set of users is partitioned into groups, and the identities of the user groups are irrelevant to the satisfaction of the constraint. We prove that solving WSP is fixed-parameter tractable (FPT) for this class of constraints and develop an FPT algorithm that is useful in practice. We compare the performance of the FPT algorithm with that of SAT4J (a pseudo-Boolean SAT solver) in computational experiments, which show that our algorithm significantly outperforms SAT4J for many instances of WSP. User-independent constraints, a large class of constraints including many practical ones, are a special case of class-independent constraints for which WSP was proved to be FPT (Cohen {\em et al.}, J. Artif. Intel. Res. 2014). Thus our results considerably extend our knowledge of the fixed-parameter tractability of WSP.

研究の動機と目的

• 個々のユーザではなくユーザグループを含む現実世界のワークフローアクセス制御要件に対応すること。
• ユーザ独立（UI）制約に限らない、より広範な実用的制約のクラスにまで、ワークフロー満たし問題（WSP）の固定パラメータ可 tractability（FPT）を拡張すること。
• 実際の応用において、クラス独立（CI）制約を伴うWSPを効率的に解くFPTアルゴリズムを設計・実装すること。
• 提案されたアルゴリズムの性能を、ランダムに生成された多数のWSPインスタンスに対してSAT4Jと比較して評価すること。

提案手法

• 制約が個々のIDではなくグループメンバーシップに依存するクラス独立（CI）制約を導入し、ユーザ独立（UI）制約を一般化する。
• 先行研究におけるUI制約のパターンベースアプローチをCI制約に適応し、CI制約付きWSPに対するFPTアルゴリズムを可能にする。
• 承認ポリシーとCI制約の下で有効なユーザ割り当てを体系的に探索するパターンベースアルゴリズム（PBA4CI）を開発する。
• 無効な割り当てを早期に除外する探索戦略を採用し、探索空間を削減しながら完全性を保証する。
• パターン列挙と制約伝播を組み合わせたハイブリッドアプローチを用い、効率性を向上させる。
• ステップ数（k ∈ {20,25,30}）と制約密度にばらつきを持つ210個のランダムに生成されたWSPインスタンスに対して、広範な実験を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ユーザ独立制約の概念を、グループベースのアクセス制御をモデル化するために一般化できるか？
• RQ2 制約がクラス独立（CI）である場合、ワークフロー満たし問題（WSP）は固定パラメータ可 tractable（FPT）か？
• RQ3 CI制約付きWSPに対するFPTアルゴリズムの性能は、実用的インスタンスにおいてSAT4Jと比べてどうか？
• RQ4 提案されたFPTアルゴリズムは、満たせないインスタンスを含む、満たせない・満たせる両方のインスタンスにおいて、効率性と完全性を維持できるか？

主な発見

• 提案されたFPTアルゴリズム（PBA4CI）は210インスタンスすべてを正しく解いたが、SAT4Jは約40％のインスタンス（主に満たせないケース）で失敗した。
• PBA4CIは97.6％のインスタンスで平均CPU時間においてSAT4Jを上回った。SAT4Jが速かったのは210インスタンス中5つ（2.4％）のみで、いずれも軽度に制約がかかるケースであった。
• k=30ステップの場合、SAT4Jは65％以上のインスタンスで結論に到達できなかったが、PBA4CIはすべてのインスタンスを解いた。これは、難易度の高い問題において優れたロバストネスを示している。
• PBA4CIは満たせないインスタンスに対してより効率的である一方、SAT4Jは満たせるインスタンスに対して優れている。これは、探索戦略の挙動に差があることを示している。
• 制約密度が高くなるほどアルゴリズムの性能が向上し、k値が30に達するまで効果的にスケーリングすることを確認した。
• FPTアルゴリズムと実験データは公開されており、再現性とさらなるベンチマークが可能である。