[논문 리뷰] On the Workflow Satisfiability Problem with Class-Independent Constraints

Jason Crampton, Andrei Gagarin외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 14.

Access Control and Trust참고 문헌 9인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 워크플로우에서 그룹 기반 액세스 제어를 모델링하기 위해 사용자 독립적(UID) 제약 조건의 일반화인 클래스 독립적(CI) 제약 조건을 도입한다. CI 제약 조건 하에서 워크플로우 만족도 문제(WSP)에 대한 고정 매개변수 가능(FPT) 알고리즘을 제시하며, 실험을 통해 하드한 인스턴스, 특히 만족 불가능한 인스턴스에서 SAT4J를 능가함을 보이며, 다양한 워크로드에서 높은 효율성과 완전성을 유지한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 개별 사용자 대신 사용자 그룹을 포함하는 실제 워크플로우 액세스 제어 요구사항을 해결하기 위해.
• 사용자 독립적(UI) 제약 조건을 초과하여 보다 광범위한 실용적 제약 조건으로 워크플로우 만족도 문제(WSP)의 고정 매개변수 가능성(FPT)을 확장하기 위해.
• 실제로 클래스 독립적(CI) 제약 조건이 있는 WSP를 효율적으로 해결할 수 있는 FPT 알고리즘을 설계하고 구현하기 위해.
• 랜덤으로 생성된 210개의 WSP 인스턴스에 대해 제안된 알고리즘의 성능을 SAT4J와 비교 평가하기 위해.

제안 방법

• 제약 조건이 개인 신원이 아닌 그룹 소속에만 의존하는 클래스 독립적(CI) 제약 조건을 도입하여, 사용자 독립적(UI) 제약 조건을 일반화한다.
• 이전 UI 제약 조건 연구에서 사용된 패턴 기반 접근 방식을 CI 제약 조건으로 확장하여, CI 제약 조건이 있는 WSP에 대한 FPT 알고리즘을 가능하게 한다.
• 권한 정책과 CI 제약 조건 하에서 유효한 사용자 할당을 체계적으로 탐색하는 패턴 기반 알고리즘(PBA4CI)을 개발한다.
• 조기로 불합리한 할당을 제거하는 검색 전략을 적용하여 검색 공간을 줄이면서도 완전성을 유지한다.
• 패턴 열거와 제약 조건 전파를 조합한 하이브리드 접근 방식을 사용하여 효율성을 향상시킨다.
• 단계 수(k ∈ {20,25,30})와 제약 조건 밀도가 다양한 210개의 랜덤으로 생성된 WSP 인스턴스에 대해 광범위한 실험을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 사용자 독립적 제약 조건의 개념을 워크플로우에서 그룹 기반 액세스 제어를 모델링할 수 있도록 일반화할 수 있는가?
• RQ2 제약 조건이 사용자 독립적(UI)이 아닌 클래스 독립적(CI)일 경우, 워크플로우 만족도 문제(WSP)는 고정 매개변수 가능(FPT)한가?
• RQ3 CI 제약 조건이 있는 WSP에 대한 FPT 알고리즘의 성능은 실용적 인스턴스에서 SAT4J와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 제안된 FPT 알고리즘은 만족 가능한 인스턴스뿐 아니라 만족 불가능한 인스턴스에서도 효율성과 완전성을 유지하는가?

주요 결과

• 제안된 FPT 알고리즘(PBA4CI)은 210개의 테스트 인스턴스를 모두 성공적으로 해결했지만, SAT4J는 거의 40%의 인스턴스에서 실패했으며, 대부분이 만족 불가능한 케이스였다.
• PBA4CI는 97.6%의 인스턴스에서 평균 CPU 시간에서 SAT4J를 능가했으며, SAT4J가 빠른 경우는 210개 중 5개(2.4%)뿐이었고, 모두 경량 제약 조건을 가진 경우였다.
• k=30단계인 경우, SAT4J는 65% 이상의 인스턴스에서 결론에 도달하지 못했지만, PBA4CI는 모든 인스턴스를 해결하여 하드한 문제에 대해 뛰어난 강건성을 보였다.
• PBA4CI는 만족 불가능한 인스턴스에서 더 효율적이지만, SAT4J는 만족 가능한 인스턴스에서 더 잘 작동하여, 두 알고리즘이 서로 다른 검색 전략 행동을 보임을 시사한다.
• 알고리즘의 성능은 제약 조건 밀도가 높아질수록 향상되며, k 값이 30까지 증가하더라도 효과적으로 스케일링된다.
• FPT 알고리즘과 실험 데이터는 공개되어 있어 재현성과 향후 벤치마킹을 가능하게 한다.