Titulo Estágio
Segurança em redes de sensores para ambientes industriais críticos
Área Tecnológica
Comunicação Telemática
Local do Estágio
Departamento de Engenharia Informática
Enquadramento
As redes de sensores constituem actualmente uma tecnologia muito promissora e com inúmeros cenários práticos de aplicação, que vão desde a monitorização do ambiente, controlo de edifícios inteligentes, monitorização de funções fisiológicas vitais, até às aplicações industriais ou militares. Os sensores são na prática dispositivos autónomos de baixo custo, e dispõem de capacidade limitada de processamento e memória, bem como restrições ao nível da energia de que dispõem para desempenhar as tarefas para as quais são programados. Os sensores podem igualmente funcionar acoplados a actuadores, o que possibilita a sua utilização em ambientes onde seja necessário poder interagir com o meio físico. As limitações inerentes aos sensores obrigam ao planeamento cuidado de todas as soluções de comunicação e de segurança, e introduzem grandes desafios ao nível da sua programação.
Considerando os cenários de aplicação previstos para as redes de sensores, verificamos que grande parte deles são críticos do ponto de vista da segurança dos dados processados. Em particular, verifica-se atualmente um grande interesse pela introdução desta tecnologia em ambientes de controlo industrial, dado representarem uma excelente alternativa aos sensores e actuadores tradicionais. A introdução de sensores sem fios em ambientes críticos trará sem dúvida novos desafios aos quais a investigação terá que responder. Estes desafios passam muito por desenhar soluções protocolares que consigam fornecer elevados níveis de robustez e desempenho, características vitais em ambientes industriais críticos nos quais não são tolerados erros, seja por razões de segurança física de pessoas e equipamentos, ou porque são normalmente sinónimo de perdas avultadas.
Considerando a introdução de sensores sem fios em ambientes industriais, vemos que esses sensores são muitas vezes instalados em locais onde ficam facilmente expostos facilmente a intrusões, destruição, ou roubo. O desenvolvimento de mecanismos de segurança adequados a este tipo de ambientes, considerando igualmente as suas limitações de hardware e software, traduz-se na prática em inúmeros desafios aliciantes do ponto de vista da engenharia e investigação.
O trabalho a desenvolver no presente estágio focar-se-á no desenvolvimento e teste de mecanismos de segurança apropriados a redes de sensores sem fios em ambientes industriais críticos, em particular recorrendo a cenários concretos de aplicação atualmente em instalação na refinaria da empresa Galp Energia em Sines, no âmbito do Projecto Europeu GINSENG FP7 (http://www.ict-ginseng.eu/, Ginseng – Performance Control in Wireless Sensor Networks). O Projecto Ginseng é constituído por vários parceiros europeus e também pela Petrogal (Galp Energia), e o seu objectivo é alargar a área de aplicação das redes de sensores sem fios a ambientes industriais críticos.
Pretende-se desta forma que o resultado final do presente estágio passe pelo desenvolvimento e teste em ambiente real de soluções de segurança apropriadas aos mecanismos de comunicação adoptados no Projeto GINSENG. Em particular, este Projeto adopta a utilização de uma camada de comunicação MAC com características determinísticas (TDMA), de modo a permitir quantificar e pré-programar cada sensor de acordo com períodos específicos de transmissão e recepção. O desenho de soluções de segurança para esta camada passa assim pelo desenho de mecanismos que consigam garantir níveis de segurança apropriados, e que ao mesmo tempo não comprometam o desempenho final da rede de sensores.
Objetivo
Os objectivos do estágio centram-se no estudo e aplicação de mecanismos de segurança a ambientes de redes de sensores sem fios para ambientes industriais críticos. As soluções a desenhar e testar no âmbito do estágio serão testadas em ambiente Laboratorial e igualmente em ambientes reais, na refinaria da Galp Energia em Sines. Tais soluções de segurança serão vocacionadas para serem apropriadas ao ambiente de comunicação desenhado no Projecto Ginseng, que faz uso de diversas aplicações alicerçadas numa camada MAC baseada em comunicações determinísticas TDMA.
Ao presente trabalho deverão candidatar-se alunos motivados para a realização de investigação e com gosto por trabalho Laboratorial. O aluno terá oportunidade de estudar as principais soluções de segurança actualmente utilizadas e em desenvolvimento para ambientes de sensores em redes industriais críticas e igualmente participar no desenvolvimento de novas soluções. O estagiário terá igualmente a oportunidade de participar num grande projecto de investigação e adquirir conhecimentos ao nível da segurança informática e redes de sensores sem fios.
O estágio terá uma forte componente de investigação e testes, bem como de programação de sensores no âmbito dos sistemas operativos Contiki (http://www.sics.se/contiki/) e TinyOS (http://www.tinyos.net/). Dado o seu carácter de investigação, espera-se que o trabalho a desenvolver resulte na elaboração de propostas científicas a publicar em conferências internacionais nas áreas de segurança e redes de sensores.
Plano de Trabalhos - Semestre 1
Durante o primeiro semestre o estagiário deverá efectuar um estudo sobre o estado da arte das soluções de segurança disponíveis para ambientes de sensores em ambientes industriais críticos, considerando igualmente propostas de cariz mais industrial tais como o ZigBee (http://www.zigbee.org) ou o WirelessHART (http://www.hartcomm.org/).
O primeiro semestre servirá igualmente para a habituação do aluno à programação em ambientes Contiki e TinyOS, bem como ao estudo da camada MAC desenvolvida no Projeto Ginseng (camada GinMAC). Como resultado final do trabalho a desenvolver durante este semestre, serão propostos os mecanismos de segurança a implementar e testar durante o segundo semestre, bem como os testes a levar a cabo para a sua validação. Desta forma, os objectivos para o primeiro semestre são os seguintes:
1. Estudo do estado da arte das soluções atuais de segurança para redes de sensores aplicáveis a ambientes industriais críticos.
2. Estudo do estado da arte das soluções comerciais de segurança para redes de sensores aplicáveis a ambientes industriais críticos.
3. Familiarização com o ambiente de programação de sensores sem fios utilizando os sistemas operativos Contiki e TinyOS.
4. Estudo da camada GinMAC (MAC layer) desenvolvida para o Projeto Ginseng. Este estudo contribuirá para identificar os requisitos a ter em conta na definição das soluções de segurança.
5. Proposta de mecanismos de segurança aplicáveis à GinMAC, tendo em conta os requisitos (em particular de performance) identificados anteriormente.
6. Identificação dos testes a efetuar para validação dos mecanismos de segurança propostos para o Projeto Ginseng. Destes testes farão parte testes à manutenção do nível de desempenho da rede na presença de ataques específicos à sua segurança.
7. Elaboração da documentação (em cada uma das fases) e relatório intermédio de estágio.
Plano de Trabalhos - Semestre 2
Durante o segundo semestre o estagiário deverá implementar os mecanismos de segurança definidos na primeira parte do estágio. Os testes necessários à validação destes mecanismos serão realizados em ambiente Laboratorial e igualmente em ambiente real na refinaria da Galp Energia em Sines. Os objectivos para o segundo semestre são desta forma os seguintes:
1. Implementação dos mecanismos de segurança e sua integração no código desenvolvido no Projecto Ginseng, em particular na camada MAC GinMAC.
2. Teste e avaliação do funcionamento dos mecanismos de segurança implementados em ambiente Laboratorial e real (refinaria da Galp Energia em Sines). Estes testes permitirão aferir da manutenção de níveis aceitáveis de robustez e desempenho na rede crítica na presença de ataques à sua segurança.
3. Produção de propostas científicas a submeter a conferenciais internacionais nas áreas de redes de sensores e segurança.
4. Elaboração da documentação (em cada uma das fases) e relatório final de estágio.
Condições
O aluno irá desenvolver o seu trabalho nas instalações do Laboratório de Comunicações e Telemática do CISUC, onde disporá de um local de trabalho fixo bem como de todos os recursos necessários. O Laboratório dispõe igualmente de sensores de diversos tipos a utilizar na implementação e testes das soluções a desenvolver ambientes reais. O aluno terá igualmente oportunidade de interagir ao longo do estágio com outros investigadores do Laboratório integrados no Projecto Ginseng.
Observações
Para qualquer dúvida ou esclarecimento por favor contacte jgranjal@dei.uc.pt (Gab. D3.22).
Orientador
Jorge Granjal
jgranjal@dei.uc.pt 📩