La sécurité est devenue un enjeu important dans le développement des systèmes logiciels actuels. La majorité des concepteurs de ces systèmes manquent d’expertise dans le domaine de la sécurité. Il s’avère donc important de les guider tout au long des différentes phases de développement logiciel dans le but de produire des systèmes plus sécurisés. Cela permettra de réduire le temps ainsi que les coûts de développement. Pour atteindre cet objectif, nous proposons d’appliquer l’expertise en matière de sécurité sous forme de patrons de sécurité lors de la phase de conception de logiciels. Un patron de sécurité intègre des solutions éprouvées et génériques proposées par des experts en sécurité. Cependant, les patrons de sécurité sont souvent négligés au niveau de la conception et ne constituent pas une solution intuitive qui peut être utilisée par les concepteurs de logiciels. Cela peut être le résultat de l’inadaptation de ces patrons au contexte des systèmes, la non-expertise des concepteurs dans le domaine de la sécurité ou encore l’absence d’un processus d’intégration de ces patrons dans les modèles à un haut niveau d’abstraction.Afin de permettre aux concepteurs d’utiliser les solutions proposées par des patrons de sécurité, cette thèse propose une approche d’ingénierie dirigée par les modèles pour sécuriser des applications via l’intégration de patrons de sécurité. Nous avons choisi comme contexte d’application de notre approche, les applications à base de composants qui visent à faciliter le développement d’applications à partir de l’assemblage de briques logicielles préfabriquées appelées composants. Le processus proposé assure la séparation entre l’expertise du domaine d’application et l’expertise de sécurité, toutes les deux étant nécessaires pour construire une application sécurisée. La méthodologie proposée assure une intégration semi-automatique des patrons de sécurité dans le modèle initial. Cette intégration est réalisée tout d’abord lors de la modélisation de l’application à travers, dans un premier temps, l’élaboration de profils étendant les concepts du domaine avec les concepts de sécurité. Dans un second temps, l’intégration se fait à travers la définition de règles, qui une fois appliquées, génèrent une application sécurisée. Finalement, cette intégration est assurée aussi au niveau de la génération du code fonctionnel de l’application en intégrant le code non-fonctionnel relatif à la sécurité à travers l’utilisation des aspects. L’utilisation de l’approche orientée aspect garantit que l’application des patrons de sécurité est indépendante de toute application particulière. Le processus proposé est décrit avec le standard SPEM.Ce travail a été concrétisé par un outil nommé SCRI-TOOL pour SeCurity patteRn Integration Tool. Cet outil permet aux développeurs non experts en sécurité d’intégrer les différentes propriétés de sécurité (intégrées dans les patrons) dans une application à base de composants. Afin d’illustrer l’utilisation de SCRI-TOOL, nous proposons une étude de cas portant sur le domaine des systèmes de soins distribués. Le choix d’une telle étude de cas s’explique par l’importance des exigences en termes de sécurité requises pour le bon fonctionnement d’une telle application. En effet, vue le grand nombre d’acteurs pouvant interagir, la sécurité est une exigence critique dans de tels systèmes. Cette étude nous a permis de mettre en évidence l’importance de la gestion de la sécurité à un haut niveau d’abstraction et la façon d’appliquer la méthodologie proposée sur un cas réel. / Security has become an important challenge in current software and system development. Most of designers are experts in software development but not experts in security. It is important to guide them to apply security mechanisms in the early phases of software development to reduce time and cost of development. To reach this objective, we propose to apply security expertise as security patterns at software design phase. A security pattern is a well-understood solution to a recurring information security problem. So, security patterns encapsulate the knowledge accumulated by security experts to secure a software system. Although well documented, patterns are often neglected at the design level and do not constitute an intuitive solution that can be used by software designers. This can be the result of the maladjustment of those patterns to systems context, the inexpertness of designers with security solutions and the need of integration process to let designers apply those pattern ? solutions in practical situations and to work with patterns at higher levels of abstraction. To enable designers to use solutions proposed by security patterns, this thesis proposes a model driven engineering approach to secure applications through the integration of security patterns. Component-based approach is a powerful means to develop and reuse complex systems. In this thesis, we take component based software systems as an application domain for our approach to facilitate the development of applications by assembling prefabricated software building blocks called components. The proposed process provides separation between domain expertise and application security expertise, both of which are needed to build a secure application. Our main goal is to provide a semi-automatic integrating of security patterns into component-based models, and producing an executable secure code. This integration is performed through a set of transformation rules. The result of this integration is a new model supporting security concepts. It is then automatically translated into aspect-oriented code related to security. These aspects are then woven in a modular way within the functional application code to enforce specified security properties. The use of aspect technology in the implementation phase guarantees that the application of security patterns is independent from any particular implementation. In order to provide a clear comprehension of the SCRIP process, we have described it using the standard SPEM . This work is implemented in a software tool called SCRI-TOOL (SeCurity patteRn Integration Tool). This tool allows not security experts developers to integrate different security properties throughout the development cycle of an component based application. To illustrate the use of SCRI-TOOL, we propose a case study regarding electronic healthcare systems. The choice of such a case study is motivated by the great attention archived for such systems from academia and industry and by the importance of security in such systems. Indeed, because of the large number of actors that can interact in such systems, security is a critical requirement. This case study will also allow us to illustrate the proposed methodology to highlight the importance of security management at a high level of abstraction. As results of the application of this process, we obtain a health care application completely secure and meeting the requirements of medical context.

Les architectures de systèmes à logiciel posent des défis pour les experts de sécurité. nombreux travaux ont eu pour objectif d’élaborer des solutions théoriques, des guides méthodologiques et des recommandations, pour renforcer la sécurité et protéger ces systèmes.Une solution proposée est d’intégrer des patrons de sécurité comme solutions méthodologiques à adapter aux spécificités des architectures considérées. Une telle solution est considérée fiable si elle résout un problème de sécurité sans affecter les exigences du système.Une fois un modèle d’architecture implante les patrons de sécurisé, il est nécessaire de valider formellement ce nouveau modèle au regard des exigences attendues. Les techniques de model checking permettent cette validation en vérifiant, d’une part, que les propriétés des patrons de sécurité sont respectées et, d’autre part, que les propriétés du modèle initial sont préservées.Dans ce travail de thèse, nous étudions les méthodes et les concepts pour générer des modèles architecturaux respectant des exigences de sécurité spécifiques. Àpartir d’un modèle d’architecture logicielle, d’une politique de sécurité et d’une librairie des patrons de sécurité, nous souhaitons générer une architecture sécurisée. Chaque patron de sécurité est décrit par une description formelle de sa structure et de son comportement, ainsi qu’une description formelle des propriétés de sécurité associées à ce patron.Cette thèse rend compte des travaux sur l’exploitation de techniques de vérification formelle des propriétés, par model-checking. L’idée poursuivie est de pouvoir générer un modèle d’architecture qui implante des patrons de sécurité, et de vérifier que les propriétés de sécurité, comme les exigences de modèle, sont respectées dans l’architecture résultante.En perspective, les résultats de notre travail pourraient s'appliquer à définir une méthodologie pour une meilleure validation de la sécurité des systèmes industriels comme les SCADA. / Software-based architectures pose challenges for security experts. Many studieshave aimed to develop theoretical solutions, methodological guides and recommendations to enhance security and protect these systems.One solution proposed is to integrate security patterns as methodological solutions to adapt to the specificities of the considered architectures. Such a solution is considered reliable if it solves a security problem without affecting systemrequirements. Once an architecture model implements the security patterns, it is necessary to formally validate this new model against the expected requirements. Model checking techniques allow this validation by verifying, on one hand, that theproperties of the security patterns are respected and, on the other hand, that the properties of the initial model are preserved.In this thesis work, we study the methods and concepts to generate architectural models that meet specific security requirements. Starting with a software architecture model, a security policy and a library of security patterns, we want to generate a secure architecture. Each security pattern is described by aformal description of its structure and behavior, as well as a formal description of the security properties associated with that pattern.This thesis reports work on the technical exploitation of formal verification of properties, using model-checking.The idea is to be able to generate an architecture model that implements security patterns, and to verify that the security properties, as well as the model requirements, are respected in the resulting architecture.In perspective, the results of our work could be applied to define a methodology for a better validation of the security of industrial systems like SCADA.

De nos jours la plupart des organisations pour ne pas dire toutes, dépendent des technologies de l'information et de la communication (TIC) pour supporter plusieurs tâches et processus (quelquefois critiques). Cependant, dans la plupart des cas, les organisations et en particulier les petites entreprises accordent une importance limitée à l'information et à sa sécurité. En outre, sécuriser de tels systèmes est une tâche difficile en raison de la complexité et de la connectivité croissante du matériel et du logiciel dans le développement des TICs. Cet aspect doit alors être pris en compte dès les premières phases de conception. Dans ce travail, nous proposons une approche basée sur les modèles permettant de sécuriser des architectures logicielles en utilisant des patrons. Les contributions de ce travail sont : (1) un cadre de conception intégré pour la spécification et l'analyse d'architectures logicielles sécurisées, (2) une nouvelle méthodologie à base de modèles et de patrons et (3) une suite d'outils. Le fondement de l'approche associe un environnement basé sur des langages de modélisation pour la spécification et l'analyse des modèles d'architectures sécurisées et un dépôt à base de modèles d'artéfacts dédiés à la sécurité (modèle de patrons de sécurité, menaces et propriétés de sécurités) permettant la réutilisation de savoir-faire et de connaissances capitalisées. Pour cela on utilise des langages de modélisation pour la spécification et l'analyse de l'architecture. Le processus associé est constitué des activités suivantes : (a) analyse de risques à base de modèle appliquée à l'architecture du système pour identifier des menaces, (b) sélection et importation de modèles de patrons de sécurité, afin d'arrêter ou de mitiger les menaces identifiées, vers l'environnement de modélisation cible, (c) intégration de modèles de patrons dans le modèle d'architecture, (d) analyse de l'architecture obtenue par rapports aux exigences non-fonctionnelles et aux menaces résiduelles. Dans ce cadre, on s'est focalisé sur la vérification du maintien du respect des contraintes temporelles après application des patrons. La recherche de menaces résiduelles est réalisée à l'aide de techniques de vérification exploitant une représentation formelle des scénarios de menaces issus du modèle STRIDE et basés sur des référentiels de menaces existants (ex., CAPEC). Dans le cadre de l'assistance pour le développement des architectures sécurisées, nous avons implémenté une suite structurée d'outils autour du framework SEMCO et de la plateforme Eclipse Papyrus pour supporter les différentes activités basées sur un ensemble de langages de modélisation conforme à des standards OMG (UML et ses profils). Les solutions proposées ont été évaluées à travers l'utilisation d'un cas d'étude autour des systèmes SCADA (systèmes de contrôle et d'acquisition de données). / Nowadays most organizations depend on Information and Communication Technologies (ICT) to perform their daily tasks (sometimes highly critical). However, in most cases, organizations and particularly small ones place limited value on information and its security. In the same time, achieving security in such systems is a difficult task because of the increasing complexity and connectivity in ICT development. In addition, security has impacts on many attributes such as openness, safety and usability. Thus, security becomes a very important aspect that should be considered in early phases of development. In this work, we propose an approach in order to secure ICT software architectures during their development by considering the aforementioned issues. The contributions of this work are threefold: (1) an integrated design framework for the specification and analysis of secure software architectures, (2) a novel model- and pattern-based methodology and (3) a set of supporting tools. The approach associates a modeling environment based on a set of modeling languages for specifying and analyzing architecture models and a reuse model repository of modeling artifacts (security pattern, threat and security property models) which allows reuse of capitalized security related know-how. The approach consists of the following steps: (a) model-based risk assessment performed on the architecture to identify threats, (b) selection and instantiation of security pattern models towards the modeling environment for stopping or mitigating the identified threats, (c) integration of security pattern models into the architecture model, (d) analysis of the produced architecture model with regards to other non-functional requirements and residual threats. In this context, we focus on real-time constraints satisfaction preservation after application of security patterns. Enumerating the residual threats is done by checking techniques over the architecture against formalized threat scenarios from the STRIDE model and based on existing threat references (e.g., CAPEC). As part of the assistance for the development of secure architectures, we have implemented a tool chain based on SEMCO and Eclipse Papyrus to support the different activities based on a set of modeling languages compliant with OMG standards (UML and its profiles). The assessment of our work is presented via a SCADA system (Supervisory Control And Data Acquisition) case study.

Garantir la sécurité d’une application tout au long de son cycle de vie est une tâche fastidieuse. Le choix, l’implémentation et l’évaluation des solutions de sécurité est difficile et sujette a des erreurs. Les compétences en sécurité ne sont pas répondues dans toutes les équipes de développement. Afin de réduire ce manque de compétences en sécurité, les développeurs ont a leurs disposition une multitude de documents décrivant des problèmes de sécurité et des solutions requises (i.e., vulnérabilités, attaques, principes de sécurité, patrons sécurité, etc.). Abstraites et informelles, ces documents sont fournis par des sources différentes et leur nombre est en constante croissance. Les développeurs sont noyés dans une multitude de documents ce qui fait obstruction à leur capacité à choisir, implémenter et évaluer la sécurité d’une application. Cette thèse aborde ces questions et propose un ensemble de méthodes pour aider les développeurs à choisir, implémenter et évaluer les solutions de sécurité face aux problèmes de sécurité. Ces problèmes sont matérialisés par les failles, les vulnérabilités, les attaques, etc. et les solutions fournies par des patrons de sécurité. Cette thèse introduit en premier une méthode pour aider les développeurs dans l’implémentation de patrons de sécurité et l’estimation de leur efficacité face aux vulnérabilités. Puis elle présente trois méthodes associant les patrons de sécurité, les vulnérabilités, les attaques, etc. au sein d’une base de connaissance. Cette dernière permet une extraction automatique de classifications de patrons et améliore la rapidité et la précision des développeurs dans le choix des patrons de sécurité face à une vulnérabilité ou une attaque. En utilisant la base de connaissance, nous présentons une méthode pour aider les développeurs dans la modélisation des menaces ainsi que la générations et l’exécution des cas de test de sécurité. La méthode est évaluée et les résultats montrent que la méthode améliore l’efficacité, la compréhensibilité et la précision des développeurs dans le choix des patrons de sécurité et d’écriture des cas de test de sécurité. / Ensuring the security of an application through its life cycle is a tedious task. The choice, the implementation and the evaluation of security solutions is difficult and error prone. Security skills are not common in development teams. To overcome the lack of security skills, developers and designers are provided with a plethora of documents about security problems and solutions (i.e, vulnerabilities, attacks, security principles, security patterns, etc.). Abstract and informal, these documents are provided by different sources, and their number is constantly growing. Developers are drown in a sea of documentation, which inhibits their capacity to design, implement, and the evaluate the overall application security. This thesis tackles these issues and presents a set of approaches to help designers in the choice, the implementation and the evaluation of security solutions required to overcome security problems. The problems are materialized by weaknesses, vulnerabilities, attacks, etc. and security solutions are given by security patterns.This thesis first introduces a method to guide designers implement security patterns and assess their effectiveness against vulnerabilities. Then, we present three methods associating security patterns, attacks, weaknesses, etc. in a knowledge base. This allows automated extraction of classifications and help designers quickly and accurately select security patterns required to cure a weakness or to overcome an attack. Based on this nowledge base, we detaila method to help designers in threat modeling and security test generation and execution. The method is evaluated and results show that the method enhances the comprehensibility and the accuracy of developers in the security solutions choice, threat modeling and in the writing of security test cases.