Risk Analysis of Information Systems by Agent-based Modeling of Business Processes

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1 Diss. ETH No Risk Analysis of Information Systems by Agent-based Modeling of Business Processes A dissertation submitted to the SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY ZURICH for the degree of Doctor of Sciences presented by MANUEL KAEGI Dipl. Phys. Uni. Bern born 14 February 1975 citizen of Bauma - Switzerland accepted on the recommendation of Prof. Dr. W. Kröger, examiner Prof. Dr. E. Zio, co-examiner Dr.-Ing. R. Mock, co-examiner 2009

2 Abstract Today, many business processes are based on information systems, i.e., on complex and dynamic networks composed of hardware and software. The failure-free performance of such systems is often essential for the successful business result of affected companies. Therefore, these systems must not fail. To ensure, that the right investments are made, it is recommended to evaluate costs and benefits of each action. Thereby, frequencies and consequences (risk) of failures should be minimized. Established risk analysis methods of information systems faces higher and higher challenges and requirements day by day. Common techniques are often applicable only to a limited extend. This thesis was accomplished in the context of a Swiss CTI-project 1 together with partners from the industry 2, public authorities 3 and academia 4. The main goal of this project was to develop, test and implement a simulation based approach for information system risk analysis. The proper identification of risks within an existing information system has to account for many influence factors. On the technical side, this comprises the consideration of the (complex) network architecture, the failure mechanisms of components (computer, printer, etc.) and the interdependencies among hardware and software among others. The established risk analysis methods like check-lists, audits or even simulations are not able to handle this complex situations. The problem specifications on the part of the CTI-project includes to develop an approach for risk analysis of information systems, which is tailored to the needs of com- 1 CTI is the Swiss Confederation s innovation promotion agency. It supports the knowledge and technology transfer between companies and universities by bringing them together as partners on applied research and development projects. (www.kti-cti.ch) 2 InfoGuard, cablecom, Zobrist AG 3 the governor s office of Aargau, the Swiss Federal Strategy Unit for IT and the Swiss Federal Office for National Economic Supply 4 ETH Zurich / Laboratory for Safety Analysis, HTA Luzern / Institute for Secure Software iii

3 mon companies. Therefore, the analysis procedure should start by the capturing of all business processes linked to the corresponding information system. These nontechnical processes are often well known within the companies and they affect directly their business goals. The idea is, to first transform the multilayered sequences and links in a sequence diagram, which shall serve as a basis for setting up of an agent-based simulation model Within this work, tree key aspects of the development of the demanded simulation approach are documented: 1) The selection of a suitable business process modeling language and their extension for risk analysis purposes. 2) An extensive feasibility study to demonstrate the feasibility of agent-based modeling for risk analysis and 3) the developed meta-model and its programmed interface for performing computer based simulation. All three key subjects are complemented with case-studies to illustrate the feasibility. From a scientific point of view, the middle part of this thesis is the most attractive one. The integration of agent-based modeling in risk analysis opens a wide spectrum for research and development. Within this thesis, it is demonstrated for instance, that agent-based models are applicable for the modeling of complex systems also in the field of risk analysis, although it is almost not used in this field. Especially the capability of reproducing (real) complex system behavior with an agent-based computer simulation is regarded as one of the major strengths of this approach. As this kind of simulations allow the generation of risk-numbers, e.g., frequencies and consequences with ease, they are regarded as particularly attractive in this field of application. Throughout the development of the simulation approach for risk analysis of information systems, one important focus was to tailor the approach to the needs of business practitioners, i.e. possible future users of the compiled software. Thus, a tool has been developed which is able to allocate weaknesses and risks in the business processes of information systems and it highlights the potentials for process optimization. Thereby, it is accounted for the interdependencies among processes, physical networks and components including humans. An assortment of these "objects" is compiled in a softwarelibrary, which can be connected by drag-and-drop to the process model. A modular structure allows to increase the granularity of the models step by step. If the relevant parameters of all objects are set, the risk of information system failure is computed by simulation. Case-studies and the collaboration with the partners of the CTI-project finally enabled the development of a promising methodology for the application e.g. in the field of companies security-audits. iv

4 Zusammenfassung Heutzutage basieren viele Geschäftsprozesse in Unternehmen auf Informationssystemen, d.h. auf komplexen, meist dynamischen Netzwerken aus Hardware und Software. Das reibungslose Funktionieren dieser Systeme ist oft essentiell für den geschäftlichen Erfolg und daher dürfen sie möglichst nicht ausfallen. Um zu gewährleisten, dass am richtigen Ort investiert wird, ist es sinnvoll, eine Kosten- Nutzen Abschätzung zu machen. Dabei muss sichergestellt werden, dass Häufigkeit und Ausmass (Risiko) von Störungen minimiert werden. Die etablierte Risikoanalytik solcher komplexer Informationssystemen sieht sich aber immer höheren Anforderungen ausgesetzt, denen klassische Ansätze nur bedingt gerecht werden. Diese Doktorarbeit entstand im Rahmen eines KTI-Projekts 5 mit Partnern aus Industrie 6, Verwaltung 7 und Hochschulen 8. Das Projekt hatte zum Ziel, einen Simulationsansatz zur Risikoanalyse von Informationssystemen zu entwickeln, zu testen und in die Praxis umzusetzen. Die Ermittlung von Risiken aus dem Betrieb eines Informationssystems muss viele Faktoren berücksichtigen. Dazu gehören auf technischer Ebene die (komplexe) Netzwerk- Architektur, das Ausfallverhalten von Komponenten (Computer, Drucker u.a.) und das Wechselspiel von Geräten und Programmen. Die etablierten risikoanalytischen Methoden, wie Checklisten, Audits sowie analytische Modelle und Simulationen, stossen rasch an praktische und methodische Grenzen. Die Vorgabe des KTI-Projekts war, einen neuartigen Ansatz der unternehmensnahen Risikoanalytik von Informationssystemen zu entwickeln: An dessen Anfang soll die Erfassung der Geschäftsprozesse stehen, die zu einem Informationssystem verknüpft 5 KTI ist die Förderagentur für Innovation des Bundes und unterstützt insbesondere den Technologietransfer zwischen Unternehmen und Hochschulen. (www.kti-cti.ch) 6 InfoGuard, Cablecom, Zobrist AG 7 Staatskanzlei Aargau, Informatikstrategieorgan Bund, Bundesamt für wirtschaftliche Landesversorgung 8 ETH Zürich / Lab. für Sicherheitsanalytik, HTA Luzern / Institut für Sichere Softwaresysteme v

5 sind. Diese nicht-technischen Prozesse sind in den Unternehmen oft gut bekannt und betreffen dokumentierte Unternehmensziele. Die Idee dabei ist, die vielschichtige Abfolge und Verknüpfung der Prozesse in ein Ablaufdiagramm zu übertragen, welches als Grundlage für eine Simulation mit Hilfe eines Agentenbasierten Modells dienen soll. Diese Arbeit dokumentiert die drei Schwerpunkte bei der Entwicklung des gesuchten Simulationsansatzes: 1) Die Auswahl einer geeigneten Modellierungssprache für Geschäftsprozesse und deren Erweiterung zum Zwecke der Risikoanalytik, 2) eine umfangreiche Machbarkeitsstudie über die Anwendung von Agentenbasierten Modellen in dem Gebiet der Risikoanalytik und 3) das Erarbeiten eines Metamodells und die Programmierung einer Software-Schnittstelle zur einfachen Umsetzung einer Computergestützten Simulation. Alle drei Schwerpunkte sind jeweils ergänzt mit Fallbeispielen zur Illustration der Machbarkeit. Aus wissenschaftlicher Sicht ist der mittlere Teil dieser Arbeit am wertvollsten. Die Einführung der Agentenbasierten Modellierung in die Risikoanalytik öffnet ein breites und spannendes Feld für Forschung und Entwicklung. Diese Arbeit liefert dabei z.b. den Beweis, dass dieser Modellansatz zur Analyse komplexer technischer Systeme auch in diesem Fachgebiet sehr gut geeignet ist, obwohl er da bisher so gut wie nicht zur Anwendung kommt. Insbesondere die Fähigkeit, komplexes Systemverhalten bei der Simulation zu reproduzieren, wird als eine seiner Stärken betrachtet. Weil es dieser simulative Ansatz erlaubt, vergleichsweise einfach "korrekte" Risikokennzahlen wie Häufigkeit und Ausmass von Ereignissen zu generieren, ist er besonders attraktiv für dieses Fachgebiet. Der entwickelte Simulationsansatzes zur Risikoanalyse von Informationssystemen mittels Geschäftsprozessen ist sehr praxisorientiert gehalten. Es wurde ein Tool entwikkelt, welches in der Lage ist, durch computergestützte Simulation auf Schwachstellen, Risiken und Optimierungspotentiale im Geschäftsablauf hinzuweisen. Dabei werden die Abhängigkeiten der Prozesse beispielsweise von Computernetzwerken und deren Komponenten, wozu auch Personen gehören, berücksichtigt. Eine Auswahl solcher "Objekte" ist im Simulationstool in einer Bibliothek abgelegt und wird über "drag-anddrop" mit dem Prozessmodell verbunden. Ein modularer Aufbau erlaubt eine beliebige Modellierungstiefe. Werden Objekte und Prozesse über Kenngrössen zur Verfügbarkeit und Kosten quantifiziert, folgt aus der Simulation das Gesamtrisiko (Häufigkeit und Kosten) für das Versagen eines Informationssystems des untersuchten Unternehmens. Fallbeispiele und die Kooperation mit den KTI-Partnern führten zu einer viel versprechenden Methodik, die vor allem für Security-Audits von Unternehmen einsetzbar ist. vi

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