Proyectos de Tesis propuestos (2014)

 

Para el presente anio (2014) se estan planteado los siguientes 7 trabajos de tesis de pregrado. Los primeros 6 proyectos están relacionados a la expansión de la red WiFi del campus PUCP y están destinados a cubrir requerimientos actuales de la DIRINFO, por lo que se tratara de conseguir algún tipo de soporte y/o financiamiento. Asimismo, se están evaluando proyectos adicionales en el área de redes definidas por software (SDN) y otros en cooperación con la compañía panameña Centauritech.

 

Alumnos interesados en estos temas deberán contactar el Dr. Cesar A. Santivanez (csantivanez@pucp.pe).

Proyectos que responden a necesidades actuales de DIRINFO

 

·      Levantamiento de mapa de atenuaciones de señal electromagnética en las bandas de 2.4GHz y 5GHz para la red WiFi del campus de la PUCP.

El diseño efectivo de una red inalámbrica necesita de un mapa de atenuaciones (“mapa de calor”) que permita predecir el nivel de señal en un punto de la red como consecuencia de un transmisor ubicado en otro punto. Este mapa de atenuaciones puede ser usado para determinar, para una combinación dada de puntos de acceso (Access Points, o APs) el nivel de señal e interferencia en cada punto geográfico de la red, y determinar así huecos de cobertura y puntos de bajo nivel de señal-a-ruido (resultantes en un bajo bitrate). Asimismo este mapa de atenuación es el punto de partida para cualquier análisis de cobertura, ya sea de una red de sensores del espectro electromagnético, de detectores de etiquetas RFIDs, etc.

Existen dos tipos principales de atenuación: la que se debe a obstáculos y cambia con la posición del usuario, osea lentamente (“slow fading”) y la que se debe a la combinación destructiva de varios reflejos de la señal que llegan fuera de fase debido a diferencias en la longitud del camino recorrido. Esta ultima atenuación es susceptible a cambios de posición del orden de una longitud de onda y por lo tanto varia muy rápidamente (“fast fading”). De hecho, se le suele tratar como una variable aleatoria donde la función de densidad de probabilidad (pdf) depende de la existencia o no de un reflejo de señal dominante. Por ejemplo, de no existir un reflejo dominante se utiliza la distribución de Raleigh.

Existen modelos empíricos para modelar el “slow fading” en presencia de obstáculos. Estos modelos solo tienen una fidelidad pequeña. Una fidelidad alta solo se consigue con mediciones (varias, para eliminar el efecto del “fast fading”). Asimismo, el “fast fading” se puede modelar con uno de los pdf conocidos, pero una fidelidad alta solo se conseguirá con muchas mediciones para determinar el rango de valores o la pdf que la atenuación puede tomar. 

La presente tesis busca levantar un mapa de atenuación del campus de la PUCP. Usando una combinación de modelos predictivos en base a planos de los edificios de la PUCP (dimensiones y obstáculos), junto con mediciones reales para evaluar la precisión de los modelos y corregirlos según sea el caso, la tesis proveerá al área de gestión de la red WiFi PUCP información de la atenuación esperada entre dos puntos del campus en un formato que pueda ser aprovechado por su herramienta de gestión (el PRIME de Cisco).

 

 

·      Diseño e implementación de una red de sensado de espectro para la selección de canales de operación óptimos en una red WiFi densa en el campus de la PUCP.

Una red WiFi para un campus como la PUCP, consiste de cientos de access points (APs), muchos de ellos dentro del rango de comunicaciones o interferencia de otros APs. Si usuarios móviles conectados a estos APs operan en la misma frecuencia (canal), pues interferirán los unos con los otros, reduciendo el throughput (cantidad de información que la red puede transmitir). Asimismo, al operar la red WiFi sobre una banda del espectro de acceso libre, no hay garantía que otros dispositivos (teléfonos fijos inalámbricos, hornos microondas, dispositivos bluetooth, etc.) no estén operando/radiando en algunos de los mismos canales (interferencia o ruido). Entonces, uno de los factores más importantes para la performance de una red inalámbrica es la selección de el (los) canal(es) de operación, a fin de maximizar el reúso espacial del espectro entre usuarios de la red y minimizar la interferencia debido a dispositivos externos (ruido).

El punto de partida para un algoritmo de selección del canal de operación es determinar la calidad o estado del espectro electromagnético en los canales de interés: que canales se encuentran libres de interferencia, que canales son mas ruidosos? Que canales experimentan mayor caída o fading de señal, etc. Sin embargo, el sensado del canal es una operación costosa. Por un lado, si es efectuado por el mismo AP, requerirá interrumpir temporalmente la transmisión de datos para proceder a escanear el canal, lo que disminuye el throughput y ocasiona retardos que pueden ser inaceptables para aplicaciones criticas como voz y video en tiempo real. Por otro lado, si es efectuado por hardware dedicado, el costo de este hardware es comparable al costo de los APs. Lo mas probable es que una solución hibrida sea necesaria: en áreas de poca trafico se pueda utilizar un AP para el sensado durante los tiempos muertos (osea, no hay comunicación), mientras que en zonas de alto trafico se requerirán módulos de sensado dedicados. Asimismo, una solución donde un sensor es co-localizado con cada AP es muy costosa y probablemente innecesaria. Dado que para sensar ruido (detección de energía) se necesita una relación señal a ruido (SNR) menor que la necesaria para establecer una comunicación (decodificar un paquete a un alto bitrate), el rango de sensado es mayor al rango de comunicaciones. Entonces, la densidad de sensores necesaria para efectivamente escanear el espectro en toda la red es menor a la densidad de APs necesaria para garantizar total cobertura (a un bitrate adecuado) en la red.

Esta tesis busca determinar el numero y ubicación de módulos de sensado de espectro necesarios para caracterizar el espectro electromagnético en el campus de la PUCP. El diseño será validado con simulaciones sobre mapas de calor (capturan el pathloss, o perdida de señal, entre cada 2 puntos del campus de la PUCP), y de concretarse la compra de los módulos de sensado por DIRINFO (proceso actualmente en evaluación) se validara con experimentos sobre la red de sensores instalado.

 

 

·      Diseño e implementación de un sistema de detección de Puntos de Acceso (Access Points, o APs) inalámbricos intrusos en la red WiFi del campus de la PUCP.

Las redes WiFi, al compartir el medio de transmisión (el espectro electromagnético) son vulnerables a una serie de ataques. El rango de vulnerabilidades de la red WiFi de la PUCP va desde el visitante/alumno que establece su propia red WiFi, inadvertidamente causando interferencia o degradando la calidad de experiencia de usuarios autorizados desde el campus, hasta el atacante malicioso que establece una red WiFi con las misma identidad (SSID) que la red de la PUCP con la intención de hacerse pasar por un AP valido de la PUCP y así capturar el trafico de los usuarios WiFi PUCP (ataque “Honeycomb”). 

Dado que la PUCP esta migrando a un sistema de seguridad WiFi basado en clave WAP individual (por usuario), y autenticación 802.1x, y donde las autorizaciones de acceso (así como la asignación de VLAN) están asociadas al perfil del usuario, la red WiFi se vuelve atractiva para el ataque del tipo “Honeycomb” arriba mencionado: un atacante localizado dentro o cerca del campus puede irradiar desde un AP tratando de hacerse pasar por un AP valido de la WiFi PUCP para así conseguir que usuarios se conecten a el, revelando sus certificados o claves de acceso. Armado con estas claves (y de corresponder a usuarios con altos privilegios), el atacante puede entonces tener acceso a recursos críticos de la universidad.

Por esa razón, es importante contar un sistema que constantemente escanee el espectro electromagnético en el campus, identifique AP intrusos, y los neutralice. Por ejemplo, los AP de la red WiFi PUCP (Cisco Aironet 3600 y 3700) y sus controladores (Cisco’s WLC 5508 y WLC 5760) cuentan con el sistema wIPS (wireless Intrusion Prevention System – sistema de prevención de intrusos inalámbricos). No obstante, para operar correctamente, este sistema requiere de información oportuna sobre la actividad sospechosa en las bandas de operación de la red WiFi PUCP.

Sin embargo, el sensado del canal es una operación costosa. Por un lado, si es efectuado por los Puntos de Acceso (Access Points, o APs) que ya están en operación sirviendo trafico de usuarios, requerirá interrumpir temporalmente la transmisión de datos para proceder a escanear todos los canales de la banda de operación, lo que disminuye el throughput y ocasiona retardos que pueden ser inaceptables para aplicaciones criticas como voz y video en tiempo real, sobretodo si el AP intruso es altamente móvil o dinámico (p.ej., cambia constantemente de canal de operación), lo que obliga a un sensado mas frecuente si se quiere garantizar una probabilidad alta de detección. Por otro lado, si es sensado es efectuado por hardware dedicado, el costo de este hardware es comparable al costo de los APs. Lo mas probable es que una solución hibrida sea necesaria: en áreas de poca trafico o donde se espera poca movilidad de los AP intrusos se pueda utilizar un AP para el sensado durante los tiempos muertos (osea, no hay comunicación), mientras que en zonas de alto trafico o alta movilidad se requerirán módulos de sensado dedicados. Asimismo, una solución donde un sensor es co-localizado con cada AP es muy costosa y probablemente innecesaria. Dado que para detectar AP intrusos (decodificación de “beacons” del bitrate mas bajo) se necesita una relación señal a ruido (SNR) menor que la necesaria para establecer una comunicación (decodificar un paquete de un bitrate alto), el rango de detección de APs intrusos es mayor al rango de comunicación/cobertura. Entonces, la densidad de detectores necesaria para efectivamente escanear el espectro en toda la red es menor a la densidad de APs necesaria para garantizar total cobertura (a un bitrate adecuado) en la red.

Esta tesis busca determinar el numero y ubicación de módulos de sensado/detección de AP intrusos necesarios para monitorizar el espectro electromagnético del campus de la PUCP. El diseño será validado con simulaciones sobre mapas de calor (capturan el pathloss, o perdida de señal, entre cada 2 puntos del campus de la PUCP), y de concretarse la compra de los módulos WSSI de sensado/detección por DIRINFO (proceso actualmente en evaluación) se validara con experimentos sobre la red de sensores instalado.

 

 

·      Diseño e implementación de una red de sensores para la localización de etiquetas RFID dentro del campus de la PUCP.

La tecnología RFID (Radio Frecuency IDentification) permite identificar y rastrear etiquetas pegadas a objetos de interés. La localización vía etiquetas RFID ha encontrado gran aceptación para aplicaciones desde logística (ubicación de activos dentro de un campus), hasta la ubicación de usuarios móviles para, por ejemplo, facilitar el registro de asistencias, o el envió de contenido relacionado a su ubicación: restaurantes cercanos, información relacionada a las piezas en exhibición en una sala de un museo, etc..

La red WiFi PUCP consiste de cientos de Access Points (APs) cubriendo todo el campus. Al operar en la misma banda de frecuencia de etiquetas RFID activas, estos AP tienen la posibilidad de detectar estos dispositivos, y con la ayuda de un sistema de gestión que recolecte la información de varios AP y efectúe su triangulación, puede localizar estas etiquetas dentro del campus. Actualmente la PUCP esta evaluando adquirir este tipo de sistema.

Sin embargo, el uso de los AP existentes para rastreo de etiquetas RFIDs no es tan simple. Para una ubicación correcta, se requiere que al menos 3 APs observen una etiqueta RFID. Pero el reúso espacial del espectro (que minimiza interferencia y maximiza la cantidad de información que la red puede transportar) obliga a que AP cercanos estén operando en canales (frecuencias) diferentes y ortogonales, es decir, sin traslape para no interferir. Eso significa que para ser efectivos en la detección de etiquetas RFIDs, los AP tendrán que escanear todo el espectro, y no solo su canal de operación (es decir, el que usan para transmitir y recibir comunicaciones de datos WiFi). Pero el escaneo de otros canales requiere interrumpir temporalmente la transmisión de datos, lo que disminuye el throughput (cantidad de datos enviados) y ocasiona retardos que pueden ser inaceptables para aplicaciones criticas como voz y video en tiempo real. Por otro lado, un mayor intervalo (digamos segundos) entre escaneos sucesivos del canal donde una etiqueta RFID activa se encuentra operando, puede significar que el AP falle en detectar una etiqueta RFID que se mueva con gran velocidad. Entonces, existe un compromiso o balance entre la frecuencia de sensado, la calidad de la experiencia de los usuarios WiFi, y la velocidad máxima de dispositivos (con etiqueta RFID) que puede ser rastreado.

Una alternativa es complementar los APs existentes con dispositivos de sensado del espectro, como los módulos WSSI de Cisco, que se insertan en los AP Cisco Aironet 3600 y 3700 que dispone la red WiFi PUCP. Estos módulos tienen un costo relativamente elevado (cientos de dólares cada uno), y por tanto su numero y ubicación deben ser determinados con sumo cuidado, basados en los niveles de congestión de trafico de la red WiFi y la movilidad esperada de las etiquetas RFID a rastrear (optimización).

Por ejemplo, una solución donde un modulo de sensado es instalado en cada AP es muy costosa y probablemente innecesaria. Dado que el bitrate de las etiquetas RFID activas es menor al bitrate de comunicación de datos, la relación señal-a-ruido (SNR) necesaria para detectar una etiqueta RFID es menor a la necesaria para una comunicación de datos. Es decir, el rango de detección de etiquetas RFID es mayor al rango de cobertura WiFi. Entonces, la densidad de detectores necesaria para efectivamente escanear el espectro en toda la red es menor a la densidad de APs necesaria para garantizar total cobertura (a un bitrate adecuado) en la red.

Esta tesis busca determinar el numero y ubicación de módulos de detección necesarios para garantizar el rastreo de etiquetas RFID activas moviéndose por el campus a cierta velocidad máxima (un parámetro de diseño). El diseño será validado con simulaciones sobre mapas de calor (capturan el pathloss, o perdida de señal, entre cada 2 puntos del campus de la PUCP), y de concretarse la compra de los módulos de sensado por DIRINFO (proceso actualmente en evaluación) se validara con experimentos sobre la red de sensores instalado.

 

 

·      Diseño e implementación de un sistema de manejo de información de ubicación/rastreo de usuarios móviles para el apoyo a la gestión de la red WiFi PUCP.

Una red WiFi para un campus como la PUCP, consiste de cientos de access points (APs) sirviendo a los usuarios móviles. Entre las capacidades de estos Access Points esta la triangulación de la señal de cada usuario para así determinar su localización. En la red WiFi PUCP esta capacidad puede ser provista por el modulo MSE (Mobility Service Engine) de Cisco, que la universidad esta evaluando adquirir. Dicho modulo permite la ubicación instantánea de los usuarios móviles así como de etiquetas RFID. Esta información puede ser exportada a una aplicación externa para procesamiento, compresión y/o almacenamiento.

La disponibilidad de data histórica sobre la ubicación de usuarios es de suma importancia para la gestión de la red WiFi ya que permite realizar análisis forense sobre quejas de usuario (“esta mañana estuve por el pabellón Z y tuve pésima señal”), determinar traspasos o violaciones de seguridad, analizar patrones de movimiento de usuarios por horas para dimensionar la red, etc.

Por otro lado, el almacenamiento de toda la información provista por el sistema puede rápidamente sobrepasar la capacidad de almacenamiento disponible. Además, para que la información sea de utilidad tiene que estar indexada de forma tal que permita relacionar información de alto nivel (“soy alumno X”) con la información provista por el sistema MSE (MAC address del dispositivo móvil). Por ejemplo, esta relación puede ser obtenida revisando los logs del sistema de autenticación RADIUS (usando 802.1x) donde se puede ver con que dispositivo el alumno X se registro en la red del campus en un momento dado.

Esta tesis busca diseñar e implementar un sistema de almacenamiento y procesamiento de información de localización de usuarios que facilite el análisis forense y de gestión de la red WiFi PUCP. El sistema deberá comunicarse con el modulo MSE de Cisco, almacenar la data en forma sensata y de acuerdo a políticas establecidas por el área de gestión, y proveer herramientas de análisis y alertas requeridas para la gestión efectiva de la red.

 

 

·      Diseño e implementación de un sistema de procesamiento de la información del estado de las aplicaciones corriendo sobre la red WiFi  PUCP para el apoyo de la gestión del ancho de banda y calidad de servicio.

La nueva red WiFi de la PUCP tiene la capacidad AVC (“Application Visibility and Control”) de inspeccionar los paquetes que transporta, identificar la aplicación a la que pertenecen, y recolectar información instantánea sobre el estado de estas aplicaciones (p.ej., ancho de banda que estas consumen). Esta información puede luego ser usada asignar “tags” o marcas a los paquetes para indicar un diferente trato (calidad de servicio) a estos paquetes a medida que estos atraviesan la red. Por ejemplo, se puede prevenir que usuarios viendo videos en YouTube acaparen el ancho de banda de su región de la red.

La información AVC que la red recolecta, puede visualizada en forma instantánea en una interface web o puede ser exportada (formato Netflow export versión 9) para ser almacenada/procesada fuera de línea.

La disponibilidad de data histórica sobre el estado de las aplicaciones (p.ej., consumo por hora en MBytes) es de suma importancia para la gestión de la red WiFi ya que permite realizar análisis sobre el impacto de las diferentes aplicaciones sobre la calidad de experiencia de usuarios, y tomar las medidas pertinentes para el mejoramiento de esta. Permite además evaluar tendencias y tomar decisiones sobre la actualización/re-potenciamiento de la red, o determinar políticas de acceso o gestión de ancho de banda.  Por otro lado, el almacenamiento de toda la información provista por el sistema puede rápidamente sobrepasar la capacidad de almacenamiento disponible. Además, para que la información sea de utilidad tiene que estar indexada de forma tal que permita su rapido procesamiento y evaluación de tendencias.

Esta tesis busca diseñar e implementar un sistema de almacenamiento y procesamiento de información AVC que facilite el análisis del uso y calidad de experiencia de las aplicaciones que corren sobre la red de la PUCP, y permita la gestión del ancho de banda de la red WiFi PUCP. El sistema deberá comunicarse con el modulo AVC de Cisco utilizando el formato Netflow export vetrsion 9, almacenar la data en forma sensata y de acuerdo a políticas establecidas por el área de gestión, y proveer herramientas de análisis y alertas requeridas para la gestión efectiva de la red.

 

Proyecto de Investigacion

 

·      Diseño e implementación de algoritmos para la selección de canal y potencia de transmisión óptimos en una red WiFi densa en el campus de la PUCP.

Una red WiFi para un campus como la PUCP, consiste de cientos de access points (APs), muchos de ellos dentro del rango de comunicaciones o interferencia de otros APs. Si usuarios móviles conectados a estos APs operan en la misma frecuencia (canal), pues interferirán los unos con los otros, reduciendo el throughput (cantidad de información que la red puede transmitir). Una reducción en la potencia de transmisión de los APs puede ayudar a mitigar la interferencia, pero se corre el riesgo de dejar áreas con poco nivel de señal (“huecos de cobertura”)  o introducir asimetrías que afectan la integridad de los protocolos (p.ej. algunos APs pueden oír pero no ser oídos por otros APs, osea so “hidden nodes” o “hidden APs”).

Asimismo, al operar la red WiFi sobre una banda del espectro de acceso libre, no hay garantía que otros dispositivos (teléfonos fijos inalámbricos, hornos microondas, dispositivos bluetooth, etc.) no estén operando/radiando en algunos de los mismos canales (interferencia o ruido).

Finalmente, no todos los APs experimentan los mismos requerimientos de trafico/congestión, y por lo tanto algunos APs son mas tolerantes a la interferencia que otros. Si no es posible eliminar la interferencia en toda la red, al menos se puede priorizar a los APs en áreas de congestión alta.

Entonces, uno de los factores más importantes para la performance de una red inalámbrica es la selección de el (los) canal(es) de operación y su potencia de transmisión, a fin de maximizar el reúso espacial del espectro entre usuarios de la red y minimizar la interferencia debido a dispositivos externos (ruido).

Esta tesis busca evaluar/diseñar algoritmos de selección de canal y potencia de transmisión que tomen en consideración los diferentes niveles de congestión de los APs. Los algoritmos serán comparados vía simulación con los algoritmos corriendo actualmente en la red WiFi PUCP (usando la información del estado de espectro y congestión provista por esta red, así como el resultado de su asignación de frecuencias y potencia de transmisión)  así como implementados en una pequeña testbed usando el controlador de redes inalámbricas de código abierto SCIFI (“Software-based Controller for Efficient Wireless Networks”).

 

Proyectos futuros

 

·      El Grupo de Investigación en Redes Avanzadas (GIRA) esta adquiriendo los equipos necesarios para formar un GENI rack y un testbed para redes definidas por software (SDN). Esto nos permitirá (a través de nuestra conexión a RedCLARA) federarnos a la red GENI USA, el laboratorio virtual mas grande del mundo que permite experimentos de protocolos de reded a gran escala. Cuando estos equipos lleguen, se plantearan nuevos proyectos. Los mas inmediatos serán:

-       La implementación de un ExoGENI rack: integración de las partes, instalación y configuración del software de control provisto por RENCI, y la coordinación de la federación con la red GENI USA.

-       La implementación de un controlador SDN capaz de provisionar circuitos dinámicamente: integración del software de control provisto por NEC Corporation, diseño e implementación de rutinas de monitoreo y visualización.

 

·      El GIRA esta en coordinaciones con la compañía panameña Centauri Tech, líder en el área de desarrollo de tecnologías de redes a pedido del cliente, para realizar proyectos conjuntos. Estos proyectos serian realizados, al menos en parte, en Panamá bajo la supervisión del Dr. Julio Escobar, CEO de Centauri Tech. La compañía cubriría gastos de traslado y hospedaje en Panamá. Los proyectos podrían ser en el área de sistemas de información, o de seguridad de redes.

 

·      El GIRA también planea proyectos de investigación, que son de mayor envergadura, requieren mas dedicación y tienen una duración de hasta 2 años. Alumnos interesados en estos proyectos pueden revisarlos en la pagina web del grupo (aquí).