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\begin{document}
\thispagestyle{empty}
\selectlanguage{brazil}

\noindent {\bf Universidade Federal do Rio de Janeiro \\
COPPE - Programa de Engenharia Elétrica \\
CPE 729 - Segurança em Redes de Computadores \\
Aluno: Igor Monteiro Moraes - 104109920
\begin{flushright}Rio de Janeiro, 14 de julho de 2004\end{flushright}}

\vspace*{1.0cm}

\noindent Resumo dos artigos:

\begin{itemize}
\item Optical Burst Switching for Service Differentiation in the Next-Generation Optical Internet \\
M. Yoo, C. Qiao e S. Dixit, IEEE Communications, fevereiro de 2001 \\

\item The Platforms Enabling Wireless Sensor Networks \\
J. Hill, M. Horton, R. Kling, e L. Krishnamurthy, Communications of the ACM, junho de 2004 \\

\item Protection Approaches for Dynamic Traffic in IP/MPLS-over-WDM Networks \\
Q. Zheng e C. Mohan, IEEE Optical Communications, maio de 2003 \\

\item Network Support for IP Traceback \\
S. Savage, D. Wetherall, A. Karlin e T. Anderson, IEEE/ACM Transactions on Networking, junho de 2001 \\

\end{itemize}

\newpage

\begin{center} 
  {\bf {\large Optical Burst Switching for Service Differentiation in the Next-Generation Optical Internet}}
 \end{center}
\vspace{0.3cm}

O grande desafio da próxima geração de redes ópticas é transportar pacotes IP diretamente sobre a camada óptica sem a necessidade da conversão O-E-O (óptica - eletrônica - óptica). Atualmente, a conversão O-E-O  é o ``gargalo'' deste tipo de rede. Para tanto, será necessário o desenvolvimento de novos protocolos que serão executados nos comutadores/roteadores ópticos. Estes protocolos devem ser capazes de suportar a transmissão assíncrona, o compartilhamento de recursos e também a provisão de qualidade de serviço (QoS -- \textit{Quality of Service}) sem o uso de \textit{buffers} ópticos, uma vez que ainda não existem memórias RAM ópticas. Por isso, não é possível aplicar as atuais técnicas de QoS à camada óptica.

Hoje em dia, existem na literatura três técnicas de comutação em redes ópticas : o roteamento de comprimentos de onda (WRO - \textit{Wavelength ROuting}), a comutação de pacotes ópticos (OPS - \textit{Optical Packet Switching}) e a comutação de rajadas ópticas (OBS - \textit{Optical Burst Switching}). O roteamento de comprimentos de onda é semelhante a tradicional comutação de circuitos. Nesta técnica, caminhos de luz (\textit{lightpaths}) são estabelecidos entre o nó fonte e o nó destino. A reserva de recursos é feita em ``duas vias''. A fonte envia um pacote de controle até o destino e aguarda um reconhecimento positivo (ACK) vindo deste para só então enviar os pacotes de dados. A vantagem do roteamento de comprimentos de onda é que não são necessários \textit{buffers}, nem a conversão O-E-O, nos intermediários. Porém, existe o desperdício de recursos, uma vez que a banda alocada para um caminho de luz não é compartilhada. Além disso, apesar dos avanços na tecnologia de construção dos comutadores, a construção e a liberação de um caminho na escala de tempo de uma rajada/pacote ainda não é possível. Na comutação de pacotes não é necessário estabelecer um caminho de luz e o uso dos recursos é mais eficiente, uma vez que a banda passante disponível é compartilhada. No entanto, é necessário o uso de \textit{buffers} nos nós intermediários para que o cabeçalho de cada pacote possa ser analisado e este encaminhado. A comutação de rajadas combina o melhor das duas técnicas anteriores. Nesta técnica, antes da transmissão de uma rajada de dados, um pacote de controle é enviado pela fonte até o destino. Este pacote é tratado eletronicamente em cada nó intermediário e, dependendo do protocolo usado, pode ser necessário esperar ou não por um ACK. Neste artigo, o JET (\textit{Just-Enough-Time}) é usado. O JET usa a reserva de recursos em uma via e só envia a rajada de dados após um tempo $T$, chamado de \textit{offset} base, que deve ser maior do que o tempo $\delta$ de processamento do pacote de controle em cada nó intermediário ($T\ge\sum^{H}_{h=1}\delta(h)$). Além disso, o JET também usa a ``reserva estimada'', ou seja, cada nó intermediário calcula o tempo de chegada da rajada e só reserva os recursos a partir deste instante.

A técnica de QoS proposta está baseada no uso de um tempo de \textit{offset} diferente para cada classe de serviço. A classe de serviço mais prioritária possui um \textit{offset} maior. Desta forma, a banda disponível em cada instante é
hierarquicamente alocada. Os autores mostram que para que a classe mais prioritária $i$ estar completamente isolada o tempo de \textit{offset} deve ser maior do que a duração da maior rajada da classe menos prioritária $i-1$. Dessa forma, a probabilidade de bloqueio da classe $i$ é uma função apenas da carga oferecida desta classe. Também é possível usar linhas de atraso (FDLs - \textit{Fiber Delay Lines}) para reduzir a perda de rajadas.


Através do modelo analítico e de simulações, os autores mostram que a técnica proposta para prover QoS na camada física fornece um alto grau de isolamento entre as classes de serviço, usando ou não linhas de atraso. É possível notar que a classe mais prioritária apresenta a menor probabilidade de bloqueio e o menor tempo de espera nas linhas de atraso.

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\begin{center} 
  {\bf {\large The Platforms Enabling Wireless Sensor Networks}}
 \end{center}
\vspace{0.3cm}

As redes de sensores sem fio (RSSFs) são compostas por dispositivos de tamanho reduzido que são capazes de monitorar e processar informações. Estes dispositivos também são capazes de se comunicar e através de protocolos \textit{peer-to-peer} formam uma rede em malha, onde os dados podem ser roteados por todos os nós. Além disso, as RSSFs não necessitam de infra-estrutura e podem ter até milhares de nós.

Um ponto crítico para a operação das redes de sensores sem fio é o consumo de energia. Diferentemente do que ocorre com telefones celulares e com \textit{laptops} que possuem interfaces de rede sem fio, a recarga periódica da bateria de um nó sensor não é possível. Em muitos casos, os sensores se encontram em locais de difícil acesso, o que dificulta a manutenção destes dispositivos.

Os nós em uma rede de sensores são dispostos hierarquicamente, desde os responsáveis pelo sensoriamento propriamente dito até os responsáveis pela análise e armazenamento dos dados e pela comunicação com a Internet. Os autores classificam os nós sensores de uma rede em quatro classes: especializados (\textit{specialized sensors}), genéricos (\textit{generic sensors}), alta banda passante (\textit{high-bandwidth sensors}) e portal (\textit{gateway}).

Os nós especializados são os responsáveis por ações específicas e podem chegar aos milhares em uma RSSF. Um exemplo de sensor especializado é o Berkeley \texttt{Spec}, um sensor de baixo custo e baixa potência de operação. Sua dimensão é da ordem de milímetros cúbicos e a banda de transmissão é inferior a $50~kbps$. Já os nós genéricos possuem funções simples e também específicas e necessitam de um longo tempo de operação da bateria. O Berkeley \texttt{Motes} é um exemplo desta classe de sensores. Ele mede entre 1 e $10~cm^3$ e trabalha com taxa de transmissão inferior a $100~kbps$. Os nós de alta banda trabalham com informações que envolvem mídias contínuas, como o áudio e o vídeo. Um exemplo é o \texttt{Imote} que trabalha com taxas da ordem de $500~kbps$ e medem entre 1 e $10~cm^3$. Por fim, os portais são os nós responsáveis pela agregação dos dados e pela comunicação da RSSF com a Internet. Um exemplo é o \texttt{Stargate} da Intel, que possui um processador de $400~MHz$, memória de até alguns gigabytes e interfaces de rede Ethernet e IEEE~802.11.

O sistema operacional de um sensor deve ser adequado com a capacidade do seu \textit{hardware}. Os sensores especializados e genéricos rodam o TinyOS, um sistema desenvolvido pela Universidade da Califórnia, Berkeley, para plataformas com baixo processamento e memória reduzida. Já o \texttt{Stargate} da Intel, um sensor portal, roda uma versão do Linux.

A arquitetura das quatro classes de sensores é bastante similar. O suporte à rede deve ser transparente e auto-configurável para permitir a escalabilidade das redes de sensores. Além disso, o consumo de energia é uma outra restrição dos nós integrantes de uma rede de sensores. A ênfase no gerenciamento do consumo de energia é a grande diferença entre os sensores e outros dispositivos com PCs e PDAs. Na maioria das aplicações e operações, cabe ao sistema operacional controlar a atividade e o estado de vários sub-sistemas dos nós sensores. Por exemplo, no TinyOS o gerenciamento de energia pode ser observado em cada aspecto do sistema e todos os componentes são desenvolvidos para não desperdiçar energia. 

O padrão IEEE~802.15.4 especifica o canal de rádio-freqüência (RF) e o protocolo de sinalização a ser usado em uma RSSF. Já o protocolo Zigbee roda em uma camada superior, a camada de aplicação. Ele especifica a comunicação entre dispositivos. Ou seja, o padrão 802.15.4 determina qual o \textit{hardware} de RF deve ser usado, enquanto que o Zigbee determina o conteúdo das mensagens transmitidas por cada nó.

Para os autores apesar das mudanças de capacidade, custo e tamanho de cada classe de dispositivos, em virtude do avanço tecnológico, as quatro classes fundamentais de nós sensores irão persistir no futuro. Além disso, conjunto de ferramentas oferecido pelos sistema operacionais TinyOS e Linux servirão de base para o desenvolvimento de aplicações para as redes de sensores sem fio.

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\begin{center} 
  {\bf {\large Protection Approaches for Dynamic Traffic in IP/MPLS-over-WDM Networks}}
 \end{center}
\vspace{0.3cm}

Atualmente, a maioria das redes ópticas está baseada nas tecnologias ATM (\textit{Asynchronous Transfer Mode}) e SONET (\textit{Synchronous Optical Network}). Nestas redes, as conexões possuem banda passante fixa e, geralmente, o caminho entre os sistemas finais são configurados manualmente. Uma alternativa é a tecnologia IP/MPLS (\textit{Multiprotocol Label Switching}) sobre WDM (\textit{Wavelength-Division Multiplexing}), onde as conexões são agregadas dinamicamente em caminhos de luz (\textit{lightpaths}). Por possibilitar a provisão de QoS e a engenharia de tráfego, através da atribuição de rótulos e da construção de LSPs (\textit{Label Swichted Paths}), o MPLS permite o transporte de pacotes IP diretamente sobre a camada física WDM.

Um ponto chave das redes ópticas WDM é a confiabilidade, já que a falha em uma fibra leva a uma grande perda de dados, devido à enorme quantidade de tráfego multiplexado transportado nesta fibra. Em uma rede IP/MPLS sobre WDM um LSP pode ser protegido tanto na camada IP/MPLS quanto na camada óptica. 
Na camada IP/MPLS, um LSP é protegido criando-se um outro LSP de \textit{backup}, entre os nós de origem de destino, formado por enlaces disjuntos do caminho principal. O tráfego é transportado em ambos os LSPs, o que leva a uma melhor utilização dos recursos da rede. Entretanto, quando ocorre uma falha em um enlace de um LSP é necessário notificar todos os roteadores para que todo o tráfego seja encaminhado pelo LSP de \textit{backup}. Com isso, há uma sobrecarga de mensagens de controle na rede e, conseqüentemente, o tempo de recuperação é maior.
Já na camada óptica, um LSP é protegido alocando-se caminhos de luz de \textit{backup} para cada caminho de luz que compõe o caminho principal. Quando há falha em um caminho, o tráfego é encaminhado para o seu respectivo caminho de \textit{backup}. Neste método apenas alguns caminhos de luz precisam ser recuperados para o restabelecimento da comunicação, o que gera uma pequena sobrecarga na rede e um tempo de recuperação rápido, da ordem milissegundos. Entretanto, há desperdício de recursos da rede, uma vez que, enquanto não há falha, todo o tráfego é transportado apenas pelo caminho primário.

Dois algoritmos de roteamento são propostos: o HIRA (\textit{Hop-based Integrated Routing Algorithm}) e o BIRA (\textit{Bandwidth-based Integrated Routing Algorithm}). O HIRA é uma algoritmo baseado no número de saltos. Seu objetivo é minimizar o número de saltos tanto do LSP primário quanto do LSP de \textit{backup} para reduzir o número de conversões O-E-O (óptica - eletrônica - óptica). O BIRA é uma algoritmo baseado em banda, cujo objetivo é minimizar a quantidade de banda passante requerida pelo LSP primário e quantidade de banda adicional requerida pelo LSP de \textit{backup} para manter a mesma QoS oferecida no caminho primário. Vale ressaltar que tanto o HIRA quanto o BIRA fornecem proteção na camada IP/MPLS, no entanto diferem na atribuição de pesos aos enlaces enquanto o caminho de \textit{backup} é selecionado.

Nas simulações, os algoritmos propostos são comparados com outros esquemas de recuperação: a proteção de roteamento seqüencial e proteção compartilhada do WDM. Os resultados mostram que com o aumento da carga na rede, a probabilidade de bloqueio do HIRA e do BIRA é muito menor do que a apresentada pelos outros esquemas. Além disso, o número médio de conversões O-E-O dos dois protocolos propostos é menor do que o dos outros esquemas de recuperação analisados.

Também é proposto um esquema de proteção para um tráfego categorizado em três classes de prioridade: alta, normal e baixa. Neste esquema, usa-se a recuperação da camada óptica para o tráfego de alta prioridade, pois este requer um baixo tempo de recuperação, e a recuperação da camada IP/MPLS para as demais classes. As simulações mostram que o esquema de proteção proposto possui uma menor probabilidade de bloqueio em relação ao esquema de proteção compartilhada do WDM nas três situações analisadas, com o tráfego de alta prioridade correspondendo a 20\%, 30\% e 40\% do tráfego total.

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\begin{center} 
  {\bf {\large Network Support for IP Traceback}}
 \end{center}
\vspace{0.3cm}

Os ataques de negação de serviço (DoS - \textit{Denial of Service}) consomem os recursos de uma estação ou de uma rede e dessa forma, degradam o serviço para os usuários legítimos do serviço. Estes ataques são de fácil implementação, mas de difícil prevenção e ainda mais difíceis de se rastrear. Determinar a origem de um atacante é bastante difícil devido à natureza ``sem estados'' do roteamento na Internet. Na maioria das vezes, a vítima é inundada com pacotes anônimos, ou seja, pacotes com endereço de origem forjado.

Existem algumas para se evitar os ataque de DoS ou até mesmo identificar a verdadeira origem de um atacante. Na técnica \textit{Ingress Filtering} são usados filtros nas interfaces de entrada de uma rede para bloquear pacotes com endereços IP inválidos ou suspeitos. Já na técnica \textit{Link Testing}, para determinar se uma ataque passa por uma determinada interface, inunda-se o enlace correspondente. A inundação é repetida por todos os roteadores de uma rota até o roteador que está a um salto do atacante.  Na técnica \textit{Logging} os pacotes são registrados em roteadores-chave. Para recuperar as informações e determinar o caminho percorrido por um pacote, são usadas técnicas de mineração de dados (\textit{DataMining}). Por fim, na técnica \textit{ICMP Traceback} adiciona-se uma mensagem de controle ICMP (\textit{Internet Control Message Protocol}) a um determinado pacote. A escolha de um pacote é feita estatisticamente. A partir da mensagem ICMP, é possível o caminho do pacote escolhido. 

Na proposta apresentada neste artigo, para identificar as máquinas que geram diretamente os pacotes usados em ataques de DoS, cada roteador deve marcar cada pacote que trafega por ele com o seu endereço. Dessa forma, os pacotes recebidos pela vítima contêm uma lista ordenada de todos os roteadores atravessados. A vítima então pode usar esta informação para rastrear um ataque até a sua verdadeira origem. 

Para reduzir a sobrecarga nos roteadores, a proposta é marcar um pacote com apenas o endereço de um roteador diferente pertencente à rota a cada vez. Ao receber um pacote, cada roteador insere o seu endereço com probabilidade $p$. Considerando que esta probabilidade é idêntica em todos os roteadores, a probabilidade da vítima receber um pacote marcado por um roteador com distância $d$ saltos é $p(1-p)^{d-1}$. Considera-se que após um número suficiente de pacotes, a vítima terá recebido pelo menos um pacote de cada roteador da rota de origem do ataque. Pode-se, então, determinar esta rota através do número relativo de amostras de cada roteador. Neste método é necessário um grande número de pacotes para garantir a presença de todos os roteadores da ataque na lista e a confiabilidade na ordenação desta. Além disso, no caso de um ataque distribuído, podem existir roteadores com a mesma distância e, portanto, a mesma probabilidade.

Na técnica descrita anteriormente, podem haver roteadores com a mesma distância $d$ para a vítima e, conseqüentemente, a mesma probabilidade. A solução proposta é amostrar cada enlace atravessado por um pacote e a distância relativa deste enlace para a vítima. Agora, cada pacote deve ser marcado com o endereço das ``extremidades'' de um enlace e com a respectiva distância deste. Desta forma, pode-se rastrear ataques de negação de serviço distribuídos, uma vez que é possível distinguir as diferentes rotas destes ataques durante a reconstrução do grafo. Vale ressaltar a necessidade de aumento do tamanho do cabeçalho do protocolo IP para o transporte das informações referentes a cada enlace atravessado por um pacote. Esta é a grande limitação desta técnica.

Para reduzir o tamanho das informações adicionadas ao cabeçalho IP foram propostas algumas técnicas. Em uma delas sugere-se a criação de um identificador de enlace, gerado a partir da operação ``ou exclusivo'' dos endereços das suas extremidades. Em outras duas, propõe-se a fragmentação dos identificadores.

Para os autores a solução apresentada é o primeiro passo para adoção de um mecanismo de rastreamento de pacotes em redes IP. No entanto, alguns aspectos, como a robustez contra ataques distribuídos, ainda precisam ser mais estudados.

\end{document}
