Security management process in distributed, large scale high performance systems

Abstract In recent years the number of attacks on critical infrastructure has not only increased substantially but such attacks have also shown higher sophistication. With the increasing interconnection of information systems it is common that critical systems communicate and share information outside an organization’s networks for many different scenarios. In the academic world as well as in existing security implementations, focus is placed on individual aspects of the security process - for example, network security, legal and regulatory compliance and privacy - without considering the process on the whole. This work focuses on solving this security gap of critical infrastructure by providing solutions for emerging attack vectors. Using design science research methods, a model was developed that seeks to combine these individual security aspects to form a complete security management process (SMP). This SMP introduces, among others theories of security topics, recommended best practices and a security organization structure. An instantiation of the SMP model was implemented for a large-scale critical infrastructure. This work introduces the system developed, its architecture, personnel hierarchy and security relevant workflows. Due to employed surveillance networks, specialized requirements for bandwidth utilization while preserving data security were present. Thus algorithms for solving these requirements are introduced as sub-constructs. Other focus points are the managerial aspects of sensors deployed in surveillance networks and the automatic processing of the sensor data to perform data fusion. Algorithms for both tasks were developed for the specific system but could be generalized for other instantiations. Verification was performed by empirical studies of the instantiation in two separate steps. First the instantiation of the SMP was analyzed as a whole. One of the main quality factors of the instantiation is incident response time, especially in complex scenarios. Consequently measurements of response times when handling incidents compared to the traditional system were performed in different scenarios. System usability was then verified by user acceptance tests of operators and administrators. Both studies indicate significant improvements compared to traditional security systems. Secondly, the sub-constructs communication optimizations and the data fusion algorithm were verified showing substantial improvements in their corresponding areas.Tiivistelmä Viime vuosina kriittisiin infrastruktuureihin on kohdistunut merkittävästi aiempaa enemmän erilaisia hyökkäyksiä. Tietojärjestelmien välisten yhteyksien lisääntymisen myötä myös kriittiset järjestelmät kommunikoivat nykyään keskenään ja jakavat tietoa organisaation sisäisten verkkojen ulkopuolellekin. Akateemisessa tutkimuksessa ja turvajärjestelmien toteutuksissa on huomio kohdistettu turvallisuutta koskevien prosessien yksittäisiin piirteisiin, kuten esimerkiksi verkkojen turvallisuuteen, lakien ja sääntöjen noudattamiseen ja yksityisyyteen, miettimättä prosesseja kokonaisuutena. Väitöstutkimuksen tavoitteena on ollut ratkaista tämä kriittisten infrastruktuurien turvallisuusongelma tarjoamalla ratkaisuja, jotka paljastavat mahdollisia hyökkäysreittejä. Väitöstutkimuksessa kehitettiin suunnittelutieteellisen tutkimuksen avulla lähestymistapa, joka yhdistää yksittäiset turvallisuusnäkökohdat ja muodostaa näin turvallisuuden kokonaishallinnan prosessin mallin. Malli hyödyntää erilaisia turvallisuusteorioita, suositeltuja hyviä käytäntöjä ja turvallisen organisaation rakennemalleja. Mallista kehitettiin esimerkkitoteutus laajamittaista kriittistä infrastruktuuria varten. Tämä väitöskirja esittelee kehitetyn järjestelmän, sen arkkitehtuurin, henkilökuntahierarkian ja turvallisuuden kannalta relevantit työnkulkukaaviot. Työssä huomioitiin laajan valvontaverkoston edellyttämät erityisvaatimukset tilanteessa, jossa tietoturvallisuuden säilyttäminen oli tärkeää. Myös näiden erityisvaatimuksiin liittyvien mallin osien ratkaisualgoritmit esitetään. Muita työn tuotoksia ovat hallinnolliset näkökulmat, jotka on huomioitava, kun valvonnalle tärkeitä sensoreita hallinnoidaan ja sensorien tuottamaa dataa yhdistellään. Algoritmit luotiin esimerkkiympäristöön, mutta niitä on mahdollista soveltaa muihinkin toteutuksiin. Toteutuksen oikeellisuuden todentamisessa käytettiin empiirisiä ympäristöjä kahdessa eri vaiheessa. Ensiksi turvallisuusprosessin kokonaishallinnan malli analysoitiin kokonaisuutena. Merkittävä laatutekijä oli havaintotapahtuman vasteaika erityisesti monimutkaisissa skenaarioissa. Siksi työssä esitellään eri skenaarioiden avulla tapahtumanhallinnan vasteaikojen mittauksia suhteessa perinteisiin järjestelmiin. Tämän jälkeen järjestelmän käytettävyys todennettiin operaattorien ja hallintohenkilöstön kanssa tehtyjen hyväksymistestien avulla. Testit osoittivat huomattavaa parannusta verrattuna perinteisiin turvajärjestelmiin. Toiseksi verifiointiin mallin osien kommunikaation optimointi ja algoritmien toimivuus erikseen ja niissäkin ilmeni huomattavia parannuksia perinteisiin järjestelmiin verrattuna