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Repositorio de la Universidad de Zaragoza – Zaguan http://zaguan.unizar.es Proyecto Fin de Carrera ESTUDIO, DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN DE UNA RED IP DE SEGURIDAD MEDIANTE EL USO DE REDES ÓPTICAS PASIVAS Y TECNOLOGÍAS GPON. Autor Iván Lardiés Sánchez Director y ponente Octavio Benedí Sánchez José Ruiz Mas Ingeniería de Telecomunicación / E.I.N.A. Febrero 2014 2 ESTUDIO, DESARROLLO E IMPLEMENTACI´ ON DE UNA RED IP DE SEGURIDAD MEDIANTE EL USO DE REDES ´ OPTICAS PASIVAS Y TECNOLOG´ IAS GPON. RESUMEN En los ´ultimos a˜nos, el considerable aumento en el ancho de banda requerido por diferentes aplicaciones, en especial el v´ıdeo de alta calidad, ha hecho necesario el despliegue de redes FTTH (Fiber to the home) basadas en fibra ´optica hasta el hogar del usuario. Esto es extensible a los sistemas de seguridad, ya que desde la aparici´on de las c´amaras de alta definici´on, el ancho de banda consumido por las redes de videovigilancia ha aumentado considerablemente, lo que hace conveniente pensar en la implementaci´on de una red basada en fibra ´optica con capacidad de gigabit. Este proyecto fin de carrera trata de desarrollar e implementar una red IP de seguridad basada en tecnolog´ıa FTTH-GPON (Gigabit-capable Passive Optical Network), aprovechando todas las ventajas que proporciona la transmisi´on por fibra ´optica hasta el terminal de abonado, tanto en t´erminos de ancho de banda como en la seguridad de los datos. FTTH proporciona una red punto a multipunto sin componentes activos entre la central y el abonado, permitiendo que m´ultiples abonados compartan una misma conexi´on formando una red ´optica pasiva P2MP (Point-to-MultiPoint). El est´andar GPON permite velocidades de hasta 2.48 Gbps en descendente y 1.24 Gbps en ascendente, y una relaci´on de divisi´on te´orica de 1:128. Adem´as dispone de un modelo de gesti´on y control, denominado OMCI (ONT Management and Control Interface), encargado de la configuraci´on de los equipos de usuario. En el desarrollo de un sistema de seguridad resulta especialmente importante capturar de manera continuada alarmas y otro tipo de informaci´on proveniente de los equipos para facilitar la detecci´on de posibles aver´ıas o incidentes, pensando en la seguridad f´ısica y l´ogica de la red. Para ello contamos con una arquitectura de gesti´on centralizada llamada TELNET GPON Management System o TGMS, en la que se desarrollar´an nuevos m´odulos espec´ıficos destinados a la gesti´on de alarmas que permitan detectar variaciones en los par´ametros f´ısicos y l´ogicos de la red. Con estos m´odulos adicionales se pretende dotar al sistema de una mayor seguridad frente a sabotajes o intrusiones en la red. i ii ´ Indice general Acr´onimos IX 1. Introducci´on 1 1.1. Contexto y ubicaci´on del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2. Objetivos ................................ 2 1.3. Trabajo previo, metodolog´ıa y herramientas . . . . . . . . . . . . . 3 1.4. Planificaci´on de tareas a realizar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.5. Organizaci´on de la memoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2. Entorno tecnol´ogico: antecedentes 7 2.1. Soluciones existentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2. Tecnolog´ıaGPON............................ 9 2.2.1. Ventajas frente a redes P2P Ethernet . . . . . . . . . . . . . 10 2.2.2. Mejoras en el despliegue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.2.3. Caracter´ısticas del medio f´ısico . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.3. Estudio de capacidad de la red GPON . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3. Estudio de la seguridad en redes GPON 19 3.1. An´alisis de riesgos en la seguridad de una red de fibra ´optica . . . . 19 3.2. Estudio de las prestaciones en seguridad que aporta GPON . . . . . 20 3.3. Dise˜no y desarrollo del sistema de seguridad . . . . . . . . . . . . . 21 3.3.1. Potencia recibida por los equipos de la red GPON . . . . . . 21 3.3.2. Tr´afico transmitido en el enlace ascendente porcadaONT.......................... 27 3.3.3. Estado de conexi´on de los equipos . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.3.4. Distancia entre OLT y ONT . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 4. Implementaci´on del sistema 31 4.1. Dise˜no de una maqueta funcional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 4.2. Dise˜no de la interfaz Web . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4.3. Pruebas de simulaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 5. Conclusiones y l´ıneas futuras de trabajo 43 Bibliograf´ıa 45 Anexos 47 iii A. Arquitectura FTTH-PON 49 A.1.Introducci´on............................... 49 A.2. Esquema de transmisi´on en P2MP PON. . . . . . . . . . . . . . . . 49 A.3. Componentes de la PON . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 A.4. Protocolos de redes PON . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 B. GPON 53 B.1.ArquitecturaTDM ........................... 53 B.2. Pila de protocolos GPON . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 B.3. Seguridad de la red GPON . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 B.4. Canal de mensajes PLOAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 B.5.OMCI .................................. 59 C. TGMS 61 C.1.Introducci´on............................... 61 C.2. Funciones del TGMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 C.3. Monitorizaci´on de alarmas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 C.4. Estados de conexi´on de una ONT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 D. Redes IP de videovigilancia 65 D.1.Introducci´on............................... 65 D.2. Desarrollo de redes basadas en IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 D.3. T´ecnicas de compresi´on de los datos de v´ıdeo . . . . . . . . . . . . . 68 D.4. Ancho de banda y capacidad de almacenamiento requeridos . . . . . 69 D.5. Calidad de servicio QoS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 D.6. Unicast y Multicast IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 E. Dispositivos de seguridad 71 F. RPC 73 G. Programaci´on Web 75 H. Proceso de Ranging 77 iv ´ Indice de figuras 1.1. Topolog´ıa P2MP de red GPON . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2. Esquema Model-View-Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3. DiagramadeGantt........................... 5 2.1. Despliegue de red de la empresa Cisco . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2. Soluci´on de red PON propuesta por Huawei . . . . . . . . . . . . . 8 2.3. Transmisi´on descendente broadcast . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.4. Transmisi´on ascendente TDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.5. Comparativa de topolog´ıas P2P-GPON . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.6. Topolog´ıa de red PON . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.7. Splitter ´optico.............................. 12 2.8. Multiplexaci´on WDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.9. SmartOLT de Telnet Redes Inteligentes . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.10. Despliegue de red GPON . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.11. Capacidad en escenario con tr´afico predominante descendente . . . 16 2.12. Capacidad en escenario con tr´afico predominante ascendente . . . . 16 2.13. Estructura red P2P Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.1. Extracci´on de se˜nal por curvatura de la fibra . . . . . . . . . . . . . 22 3.2. Transmisi´on en el enlace descendente . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.3. Transmisi´on en el enlace ascendente . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.4. Box-plot o diagrama de caja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.5. Histograma de la potencia recibida en la OLT . . . . . . . . . . . . 25 3.6. Boxplot de la potencia recibida en la OLT . . . . . . . . . . . . . . 26 3.7. Histograma de la distancia registrada en las diferentes ONTs. . . . 29 4.1. Dise˜no de la maqueta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4.2. Listado de la potencia recibida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4.3. Gr´afica de la potencia recibida en la OLT . . . . . . . . . . . . . . . 33 4.4. Gr´afica de la potencia recibida en la ONT . . . . . . . . . . . . . . 34 4.5. Monitorizaci´on de la tasa en ascendente por ONT . . . . . . . . . . 34 4.6. Registro de distancias OLT-ONT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4.7. Estado de conexi´on de las ONTs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4.8. Alarmas OMCI y cambios de estado de las ONTs . . . . . . . . . . 36 4.9. Interfaz web: apartado de alarmas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.10. Variaci´on en la potencia recibida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.11. Registro de alarmas activadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.12. Dato de potencia an´omalo puntual . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.13. Activaci´on de alarma por desconexi´on de ONT . . . . . . . . . . . . 39 v 4.14. Activaci´on de alarma por desconexi´on de OLT . . . . . . . . . . . . 39 4.15. Alarmas por cambio en la distancia OLT-ONT . . . . . . . . . . . . 40 4.16. Alarma por descenso del tr´afico recibido . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.17. Gr´afica del tr´afico recibido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 A.1. Conexi´on P2MP-PON . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 A.2.ConectorAPC.............................. 51 B.1. Multiplexado en sentido descendente . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 B.2. Multiplexado en sentido ascendente . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 B.3. Pila de protocolos GPON . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 B.4. Estructura de tramas GEM y GTC en sentido descendente . . . . . 55 B.5. Estructura de tramas GEM y GTC en sentido ascendente . . . . . . 55 B.6. Control de acceso al medio TDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 B.7. Canal de mensajes PLOAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 B.8. Estructura gen´erica de un mensaje PLOAM . . . . . . . . . . . . . 58 B.9. Estructura de trama OMCI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 D.1. Transici´on de redes anal´ogicas a redes IP . . . . . . . . . . . . . . . 66 E.1. ONT de Telnet Redes Inteligentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 F.1.ProcesoRPC .............................. 73 G.1. Arquitectura cliente-servidor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 H.1. Colisi´on de tramas transmitidas por diferentes ONTs . . . . . . . . 77 H.2. Despu´es del ranging, las tramas llegan correctamente . . . . . . . . 78 vi ´ Indice de tablas 1.1. Anexos.................................. 6 2.1. Atenuaci´on en la fibra ´optica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2. Eficiencia de los tres modos de conmutaci´on de tr´afico de la SmartOLT 15 3.1. Par´ametros estad´ısticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.2. Mediciones de distancia (en metros) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.3. Par´ametros estad´ısticos (en metros) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 4.1. Pruebas de simulaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 C.1.AlarmasOMCI ............................. 62 C.2. Posibles estados de una ONT en la red . . . . . . . . . . . . . . . . 63 vii El tr´afico originado en la OLT es distribuido hasta las ONTs mediante un divisor ´optico pasivo, denominado splitter, en una o varias etapas, en una topolog´ıa de ´arbol. En sentido descendente, el splitter comparte su entrada con todas las salidas, repartiendo la potencia, y en ascendente combina las se˜nales procedentes de las ONTs en una ´unica fibra, compartiendo ancho de banda. En el anexo A se explica m´as detalladamente la arquitectura FTTH y en el anexo B, el est´andar GPON. Por otra parte, en las redes destinadas a seguridad, el mayor ancho de banda es consumido por las c´amaras IP de videovigilancia. Este ancho de banda requerido ha aumentado notablemente estos ´ultimos a˜nos debido a la aparici´on de las c´amaras digitales de alta definici´on, las cuales ofrecen mayor resoluci´on pero tambi´en generan m´as tr´afico en la red. La bajada de precios de estas c´amaras debida a su popularizaci´on unida a la reducci´on en el coste de almacenamiento ha provocado un considerable aumento en el tr´afico que deben soportar las redes destinadas a seguridad. Por esta raz´on se convierte en necesaria la implementaci´on de redes de acceso basadas en fibra ´optica con capacidad de gigabit hasta las dependencias del usuario, siendo GPON una opci´on a considerar. Para una mayor informaci´on sobre las redes de videovigilancia, consultar el anexo D. 1.2. Objetivos El objetivo principal del proyecto es el desarrollo y la implementaci´on de una red IP destinada a un sistema de seguridad mediante el uso de redes GPON. El primer paso es analizar las ventajas que aportan las redes GPON, tanto en t´erminos de seguridad f´ısica y l´ogica, como en ancho de banda disponible, respecto a las redes basadas en cobre y a redes de fibra ´optica basadas en equipos activos y de topolog´ıa punto a punto. Respecto a la gesti´on de la red, se pretende realizar una mejora en la monitorizaci´on de alarmas o eventos, para facilitar la detecci´on de posibles aver´ıas o incidentes, pensando en la seguridad de la red. Para ello contamos con una arquitectura de gesti´on centralizada llamada TELNET GPON Management System o TGMS (ver anexo C), que facilita la posibilidad de detectar nuevas ONTs, comprobar el estado de las conectadas y de la red en su totalidad. Se desarrollar´an nuevos m´odulos en esta herramienta que nos permitan dotar al sistema de una mayor seguridad frente a sabotajes o intrusiones en la red. La realizaci´on de este proyecto tiene los siguientos objetivos: Entender los modelos de redes destinadas a seguridad que se proponen en la actualidad y justificar la propuesta de desarrollo de una red GPON. Aumentar el ancho de banda disponible que ofrecen las actuales redes de seguridad hasta las dependencias del usuario. Minimizar los costes, tanto CAPEX (Capital Expenditures) como OPEX (Operating Expense), en el despliegue de una red de seguridad, mediante el uso de elementos pasivos y con una topolog´ıa adecuada. 2 Adoptar una soluci´on de despliegue eficiente en t´erminos de consumo energ´etico. Aumentar el grado de seguridad en nuestra red, tanto f´ısica como l´ogica, aprovechando las caracter´ısticas de GPON y con nuevos m´odulos del TGMS que permitan detectar modificaciones de los par´ametros de la red y evitar as´ı posibles sabotajes o intrusiones. Proporcionar al usuario un sistema de seguridad con un servicio de datos como valor a˜nadido, usando la misma infraestructura de fibra ´optica. 1.3. Trabajo previo, metodolog´ıa y herramientas En primer lugar, el trabajo previo a este proyecto ha consistido en el estudio de la tecnolog´ıa FTTH y en particular el est´andar GPON, definido en el conjunto de recomendaciones ITU-T G.984.x [1][2][3] y G.988 [4]. Adem´as, ha sido conveniente conocer las caracter´ısticas de los equipos comercializados por Telnet, tanto la SmartOLT como la ONT, y el TGMS, su herramienta web usada para la configuraci´on, monitorizaci´on y administraci´on de la red GPON. Tambi´en ha resultado oportuno el estudio de los sistemas de seguridad actuales, en especial el campo de la videovigilancia, ya que las c´amaras IP son los dispositivos m´as importantes en cuanto a ancho de banda requerido. Una parte significativa del proyecto consta del desarrollo de nuevas funcionalidades en el sistema de gesti´on de redes GPON, fundamentalmente en el apartado de detecci´on de alarmas. Para ello, es necesaria la implementaci´on de un sistema de adquisici´on y an´alisis de datos, mediante el cual se capturen los datos de inter´es de los equipos que componen la red GPON y los almacenen en bases de datos MySQL para su posterior an´alisis. En este sentido, se optar´a por una metodolog´ıa basada en la arquitectura de software Model-View-Controller, independizando las partes del programa correspondientes al controlador de funciones, a la aplicaci´on del modelo elegido y a la presentaci´on de los datos. Figura 1.2: Esquema Model-View-Controller 3 Adem´as, se facilitar´a la escalabilidad en la gesti´on de las bases de datos optando por la t´ecnica de sharding. Esta t´ecnica se basa en el crecimiento horizontal de las bases de datos, agrupando conjuntos de datos de modo que tenga cierto sentido y permitiendo de esta manera un direccionamiento m´as r´apido, mejorando el rendimiento. En este caso cada d´ıa crearemos una base de datos nueva y as´ı controlaremos el crecimiento y facilitaremos la b´usqueda de los datos de inter´es. En lo referente a las herramientas utilizadas, para el desarrollo del sistema de gesti´on de alarmas se har´a uso de la plataforma de desarrollo web WAMP, basada en Windows como sistema operativo, un servidor HTTP Apache, MySQL como gestor de bases de datos y PHP como lenguaje de programaci´on. Aunque el desarrollo se realizar´a en un equipo con Windows, el sistema se ejecutar´a en un servidor Linux. Tambi´en se utilizar´a la t´ecnica de desarrollo web AJAX (Asynchronous JavaScript And XML) para realizar cambios sobre las p´aginas sin necesidad de recargarlas, mejorando de esta manera la interactividad, velocidad y usabilidad de la aplicaci´on. Para gestionar eventos y agregar interacci´on a la web, se ha utilizado la biblioteca de JavaScript JQuery. Adem´as, ser´a necesario el uso de librer´ıas para representar mediante gr´aficas los par´ametros de inter´es de la red. Por otra parte, debido a que PHP limita el tiempo m´aximo de ejecuci´on de sus programas, se recurrir´a a la programaci´on en C para la ejecuci´on continua de programas en un segundo plano. En el anexo G se explica este apartado de una manera m´as detallada. 1.4. Planificaci´on de tareas a realizar El trabajo a realizar para la correcta consecuci´on de este proyecto se divide en cuatro partes: 1. Estado del arte: El primer paso es conocer el tipo de soluciones y servicios que ofrecen en la actualidad las empresas del sector, y de esta manera analizar los beneficios que puede aportar el desarrollo del sistema propuesto. 2. Ventajas de GPON frente a las soluciones existentes: En esta parte del proyecto se justifica el uso de los equipos que componen la red GPON, analizando sus ventajas respecto a las redes actuales basadas en cobre. 3. An´alisis de la seguridad de la red: En un primer lugar se estudiar´an las posibles situaciones de riesgo que pueden afectar a la seguridad de nuestra red, para posteriormente analizar de qu´e manera podemos detectarlas mediante un sistema que capture y almacene par´ametros de inter´es de los equipos que componen la red. 4. Pruebas de validaci´on del sistema: Se dise˜nar´a la maqueta de red GPON y la interfaz web para posteriormente verificar el correcto funcionamiento del sistema de detecci´on de alarmas ante posibles situaciones de riesgo. 4 Es recomendable representar de forma gr´afica mediante un diagrama de Gantt el tiempo dedicado a cada una de las tareas necesarias para la realizaci´on del proyecto. Figura 1.3: Diagrama de Gantt 1.5. Organizaci´on de la memoria La memoria de este proyecto se divide en dos partes. La primera parte principal donde se recogen los aspectos fundamentales del desarrollo del proyecto y la segunda parte formada por los diferentes anexos que completan el trabajo. La memoria empieza con esta introducci´on, la cual pone en situaci´on al lector sobre la tecnolog´ıa que se va a utilizar, los objetivos que se persiguen con el desarrollo del proyecto y las herramientas y los m´etodos que se van a utilizar para su elaboraci´on. En el segundo apartado se realiza un estudio sobre los despliegues actuales en materia de seguridad, analizando los puntos donde se podr´ıan introducir mejoras con la arquitectura y los componentes de la soluci´on propuesta. En el siguiente punto se analizan los posibles riesgos que puede sufrir una red GPON y se estudia la manera de evitarlos o detectarlos mediante el desarrollo de un sistema de detecci´on de alarmas. Para terminar se realizan una serie de pruebas sobre una maqueta funcional para verificar que el software funciona de la manera deseada. En los ´ultimos puntos se recogen las conclusiones deducidas en la realizaci´on del proyecto y un conjunto de posibles mejoras para continuar con el trabajo. Los anexos se elaboran con la finalidad de complementar la informaci´on de los puntos principales de la memoria, desarrollando en profundidad los apartados de m´as inter´es o aclarando alg´un apartado que requiera mayor extensi´on. 5 Tabla 1.1: Anexos Anexo Contenido A Arquitectura FTTH-GPON B GPON C TGMS D Redes IP de videovigilancia E Dispositivos de seguridad G RPC H Programaci´on Web I Proceso de Ranging 6 2. Entorno tecnol´ogico: antecedentes 2.1. Soluciones existentes Un aspecto importante es la realizaci´on de un estudio competitivo para conocer los servicios que ofrecen las empresas del sector, as´ı como estudiar sus puntos fuertes y d´ebiles en beneficio del sistema que se quiere ofrecer. En este caso, hemos analizado las soluciones que proponen distintas empresas con despliegue de redes de videovigilancia. Estas son algunas de ellas: ACTi Corporation. Adilec. AXIS. Cisco. LevelOne. Milestone. Veracity. En la Figura 2.1 podemos ver la topolog´ıa de red que utiliza la empresa Cisco en sus despliegues para sistemas de seguridad. Figura 2.1: Despliegue de red de la empresa Cisco 7 Hemos comprobado que las soluciones que nos proponen estas empresas son redes punto a punto (P2P) Ethernet compuestas en su mayor´ıa por tres capas de equipos activos formando un modelo de red jer´arquico [9] como el mostrado en la Figura 2.1, compuesto de: una capa de acceso, una capa de distribuci´on y una capa base o n´ucleo. Si queremos proponer otra soluci´on para el despliegue de red es importante tratar de cumplir tres requisitos fundamentales: Hacer uso de tecnolog´ıas avanzadas en t´erminos de tasa de transmisi´on, funcionalidad y seguridad. Controlar tanto el coste inicial de instalaci´on como el de mantenimiento. Adoptar la soluci´on m´as eficiente en t´erminos de consumo energ´etico. Este proyecto tiene como objetivo verificar que las redes ´opticas pasivas, m´as concretamente las basadas en tecnolog´ıa GPON, satisfacen estas condiciones y presentan una serie de ventajas adicionales respecto a las redes activas P2P actuales. Como podemos ver en la Figura 2.2, una empresa fabricante de equipamiento de redes y equipos de telecomunicaci´on como Huawei [10] muestra las redes ´opticas pasivas como una posible soluci´on en redes destinadas a videovigilancia de escenarios de gran longitud como autopistas o gaseoductos, aprovechando la baja atenuaci´on de la fibra ´optica. Figura 2.2: Soluci´on de red PON propuesta por Huawei 8 2.2. Tecnolog´ıa GPON En 2004, se terminaba de definir GPON [5] por parte del ITU-T en el conjunto de recomendaciones G.984.x. El est´andar incluye varias velocidades de l´ınea hasta 2.488 Gbps en el enlace descendente y 1.244 Gbps en el ascendente, compartido por los equipos de usuario que componen la red, hasta un l´ımite de 64. La red GPON se compone principalmente de un equipo de cabecera propiedad del operador, la OLT, y los equipos terminales de usuarios, ONTs, siguiendo una topolog´ıa en ´arbol en una arquitectura punto-multipunto. Para distribuir el tr´afico originado en la OLT se utilizan divisores pasivos, splitters, en una o varias etapas, hasta llegar a cada ONT. El m´etodo de encapsulaci´on GPON es GEM (GPON Encapsulation Method) que permite soportar cualquier tipo de servicio: Ethernet, TDM (Multiplexaci´on por divisi´on de tiempo), o ATM (Asynchronous Transfer Mode) en un protocolo de transporte s´ıncrono basado en tramas peri´odicas de 125 microsegundos. GPON no s´olo ofrece mayor ancho de banda que sus tecnolog´ıas predecesoras, es adem´as mucho m´as eficiente y permite a los operadores continuar ofreciendo sus servicios tradicionales sin tener que cambiar los equipos instalados en las dependencias de sus clientes. GPON tambi´en implementa capacidades de OAM (Operation, Administration and Maintenance) avanzadas, ofreciendo una potente gesti´on del servicio extremo a extremo. Entre otras funcionalidades incorporadas destacan: monitorizaci´on de la tasa de error, alarmas y eventos, descubrimiento y ranging autom´atico, etc. GPON permite al operador hacer uso de un modelo de gesti´on denominado OMCI (ONT Management and Control Interface) (ver anexo B.5), que facilita la administraci´on remota de los equipos de usuario, reduciendo as´ı los costes de operaci´on y mantenimiento. Una de las caracter´ısticas clave de las redes GPON es ofrecer a los usuarios m´as tr´afico cuando lo necesitan, si alg´un usuario de la misma red no est´a empleando todo su ancho de banda disponible. Esta funcionalidad es denominada asignaci´on din´amica del ancho de banda o DBA (Dynamic Bandwidth Allocation). Para el tr´afico descendente (1490 nm.) se realiza un broadcast ´optico, aunque cada ONT s´olo es capaz de procesar el tr´afico que le corresponde o para el que tiene acceso, gracias a las t´ecnicas de seguridad AES (Advanced Encryption Standard). Figura 2.3: Transmisi´on descendente broadcast 9 En ascendente (1310 nm.) se usan protocolos basados en TDMA (Acceso m´ultiple por divisi´on de tiempo), que aseguran la transmisi´on sin colisiones desde las ONT hasta la OLT. Figura 2.4: Transmisi´on ascendente TDMA 2.2.1. Ventajas frente a redes P2P Ethernet Las ventajas que aporta GPON respecto a P2P Ethernet se basan en el uso de componentes pasivos, los cuales disminuyen los costes de consumo de potencia y reducen el n´umero de dispositivos requeridos en la red. En GPON tenemos la ventaja a˜nadida de poder desplegar la red de fibra ´optica hasta los equipos finales, sin la necesidad de un ´ultimo tramo de cobre que disminuya nuestras prestaciones. Como podemos ver en la Figura 2.5, el equipo de cabecera, la OLT, y los distribuidores ´opticos pasivos sustituyen a los equipos de las capas de acceso y distribuci´on correspondientes en las redes P2P Ethernet, simplificando bastante el despliegue con una reducci´on de costes significativa. Ser´ıan necesarios uno o varios switches de agregaci´on, dependiendo de la capacidad de la red, para agregar el tr´afico de diferentes OLTs. Figura 2.5: Comparativa de topolog´ıas P2P-GPON 10 Las ventajas que aporta GPON respecto a las redes basadas en cobre son las siguientes: 1. Ancho de banda y distancia. El medio ´optico permite superar los l´ımites de ancho de banda y distancia existentes en las tecnolog´ıas xDSL (Digital Subscriber Line). Se dispone de 2.5 Gbps en el enlace descendente y 1.25 Gbps en el ascendente, con una distancia m´axima entre OLT y ONT de 20 km. sin necesidad de dispositivos que regeneren o repitan la se˜nal. Adem´as, debido a su car´acter compartido se mejora la eficiencia en transmisi´on de tr´afico multicast. 2. Econom´ıa. Debido a su topolog´ıa punto a multipunto, GPON reduce el CAPEX en fibra ´optica y en interfaces ´opticos, ya que la OLT dispone de 4 puertos PON (Passive Optical Network), con los que puede dar servicio hasta 64 usuarios cada uno. Por otra parte, la red est´a formada por componentes pasivos, principalmente splitters, lo cual produce un considerable ahorro de consumo y de equipamiento. Adem´as, en los ´ultimos a˜nos el precio de la fibra est´a disminuyendo debido al masivo despliegue producido. 3. Calidad de servicio. De manera nativa, GPON dispone de un modelo de QoS (Quality of Service) que garantiza el ancho de banda necesario para cada servicio y usuario (Triple Play real: Voz, banda ancha y televisi´on) mediante la asignaci´on din´amica de ancho de banda. 4. Seguridad. La fibra ´optica no produce radiaci´on electromagn´etica (EMI) ni se ve afectada por ella, lo que la hace resistente a las acciones intrusivas de escucha. Para acceder a la se˜nal es necesario manipular la fibra, con lo que la atenuaci´on aumenta y por tanto puede llegar a detectarse. Adem´as, la informaci´on en descendente se cifra en AES256 (Advanced Encryption Standard). 5. Operaci´on y mantenimiento. De manera nativa, GPON cuenta con un modelo de gesti´on que facilita al operador la administraci´on remota de los equipos de usuario, lo que se traduce en una reducci´on en el OPEX. 6. Escalabilidad. Gracias a la multiplexaci´on en longitud de onda WDM, para aumentar la capacidad de la red no es necesario cambiar la infraestructura de fibra desplegada. Si implementamos GPON (2,5 Gbps para 64 usuarios), en el futuro podremos evolucionar a XGPON (Extended GPON : tasas de 10Gbps compartidos), WDM PON (1Gpbs sim´etrico para cada usuario) o 10G-PON (10Gpbs sim´etrico por usuario) y seguir utilizando la misma infraestructura de fibra. Esto representa una ventaja respecto a las redes de cobre, ya que para aumentar la capacidad de la red necesitan cambiar a un cable de categor´ıa superior que soporte la capacidad deseada (Cat 5, Cat 5e, Cat 6, etc.). 11 18 3. Estudio de la seguridad en redes GPON Resulta fundamental en la realizaci´on de este proyecto dedicar un apartado al estudio de la seguridad en la arquitectura de red que se propone. El estudio debe comenzar con un an´alisis de los posibles riesgos existentes en este tipo de redes, para posteriormente concretar los riesgos que son evitados por la naturaleza de la red y desarrollar un sistema de detecci´on de alarmas que evite los restantes. 3.1. An´alisis de riesgos en la seguridad de una red de fibra ´optica En primer lugar es importante conocer los posibles peligros que pueden afectar a la seguridad de una red basada en fibra ´optica. 1. Conectar un equipo intruso a la red mediante un splitter desconectando una ONT de nuestra red. 2. Intentar manipular la fibra para extraer se˜nal de ella mediante curvatura. 3. Da˜nar o romper la fibra para inhabilitar la red. 4. Inyectar luz proveniente de una fuente externa para interferir en nuestra se˜nal. 5. Desconectar la ONT o la OLT para dejar inoperativos los componentes de seguridad conectados a ella. 6. Cambiar la localizaci´on de la ONT para su posterior manipulado. 7. Desconectar los dispositivos de seguridad conectados a cada ONT. Si tenemos en cuenta estos riesgos tambi´en estaremos detectando situaciones fortuitas no deseadas como pueden ser fallos en el enlace de fibra, desconexiones de equipos debidas a fallos en la alimentaci´on u otras incidencias que pueden dejar sin conectividad a componentes de nuestra red de seguridad. Algunos de estos riesgos se evitan debido a las caracter´ısticas que presentan las redes GPON en cuanto a su topolog´ıa, el protocolo de transmisi´on utilizado y el medio f´ısico empleado. Sin embargo, una buena parte de ellos deben ser tenidos en cuenta a la hora de desarrollar nuestro sistema de detecci´on y control de alarmas para aumentar la seguridad de la red. 19 3.2. Estudio de las prestaciones en seguridad que aporta GPON Un buen punto de partida es analizar las ventajas que aporta una red GPON de manera nativa en t´erminos de seguridad, con el objetivo de examinar sus puntos d´ebiles y reforzarlos mediante la implementaci´on de un sistema de detecci´on de alarmas. Debido a su topolog´ıa de ´arbol punto-multipunto (P2MP), la informaci´on que transmite una ONT en sentido ascendente s´olo es recibida por la OLT, por tanto no llega a las dem´as ONTs que componen la red, lo que aumenta la seguridad de los datos ante posibles conexiones a la red de ONTs intrusas. Esto es especialmente ´util para los sistemas de videovigilancia, ya que la informaci´on de inter´es es la transmitida en el enlace ascendente, las transmisiones de v´ıdeo de las c´amaras a la OLT. Para detectar estas posibles ONTs ajenas a nuestro sistema, cada ONT posee un n´umero de serie ´unico que podemos conocer en todo momento, permitiendo s´olo la conexi´on a ONTs con n´umero de serie conocido. Si la OLT no reconoce el n´umero de serie de una ONT que se ha conectado a su red, le env´ıa un mensaje PLOAM (Physical Layer Operations, Administration and Maintenance) (ver anexo B.4) de ’Disable Serial Number’ y la ONT pasa a un estado de parada de emergencia en el cual no puede realizar transmisiones en ascendente. En el TGMS esta ONT nos aparece como ’Disabled’ y hasta que el operador no apruebe su admisi´on en la red no podr´a transmitir datos a la OLT. De esta manera se tiene constancia de la existencia de una ONT no registrada intentando conectarse a la red y recibiendo tr´afico descendente. Para evitar que el tr´afico descendente pueda ser descifrado, la informaci´on transmitida desde la OLT se cifra mediante AES256, esquema avanzado de cifrado por bloques, lo que significa que en caso que se acceda a la se˜nal, no es inmediato conocer la informaci´on transmitida. La clave de cifrado es transmitida por la ONT para que no exista posibilidad de ser recibida por las dem´as ONTs. Otro de los mensajes de importancia que transmiten las ONTs es el ’Dying Gasp’. Se trata de un aviso que lanza la ONT cuando se ha quedado sin alimentaci´on y por tanto, se va a apagar. Se consigue gracias a un condensador implantado en la ONT y de esta manera la OLT est´a informada al instante del evento. Tambi´en el medio f´ısico aporta un nivel de seguridad, ya que la fibra ´optica no emite radiaci´on electromagn´etica, lo que la hace resistente a acciones intrusivas de escucha, a diferencia del par trenzado de cobre utilizado en las redes actuales. 20 3.3. Dise˜no y desarrollo del sistema de seguridad Uno de los objetivos fundamentales de este proyecto es aumentar y fortalecer la seguridad de nuestra red de acceso para asegurar que nuestros datos se transmiten en todo momento de manera fiable y segura. Con esta finalidad se ha desarrollado un sistema de detecci´on y gesti´on de alarmas capaz de detectar variaciones en par´ametros de inter´es de nuestra red. El sistema de detecci´on y gesti´on de alarmas deber´a ser capaz de realizar las siguientes tareas: 1. Adquisici´on de las potencias que reciben los equipos de la red, para conocer en todo momento la atenuaci´on que introduce la red en la se˜nal y alertar de posibles variaciones en ella. 2. Monitorizaci´on del tr´afico transmitido en ascendente por cada ONT, para comprobar en tiempo real que el tr´afico entre ONT y OLT es el esperado seg´un los dispositivos conectados a cada ONT y advertir en caso de p´erdida considerable de tr´afico. 3. Control del estado de conexi´on de los equipos, de manera que el sistema nos avise si un equipo de la red se ha quedado sin conexi´on poniendo en peligro la seguridad de nuestra red. 4. C´alculo de la distancia entre la OLT y la ONT, para controlar posibles alteraciones no deseadas en la localizaci´on de nuestros equipos. La adquisici´on de los par´ametros de inter´es se ha realizado mediante procesos RPC(Remote Procedure Call), entre el equipo de desarrollo y la OLT, explicado con un mayor detenimiento en el anexo F. 3.3.1. Potencia recibida por los equipos de la red GPON La fibra ´optica no emite radiaci´on electromagn´etica ni se ve afectada por ella, lo que evita interferencias y la hace resistente a acciones intrusivas de escucha. Por tanto, si alquien quiere extraer la se˜nal debe manipular directamente la fibra, produciendo una atenuaci´on que puede ser detectada. Principalmente se puede hablar de dos m´etodos de extracci´on de se˜nal en la fibra ´optica: Extracci´on mediante splitters y conectores: Desconectar una ONT de la red y conectar un splitter en su lugar para distribuir la se˜nal hasta un equipo intruso. Extracci´on mediante curvatura de la fibra: Al curvar la fibra, el ´angulo de incidencia sobre la pared del n´ucleo va a variar, provocando que un peque˜no porcentaje de la se˜nal se refracte. Con un equipo especializado se podr´ıa llegar a recuperar la informaci´on. El esquema ser´ıa similar al que aparece en la Figura 3.1. 21 Figura 3.1: Extracci´on de se˜nal por curvatura de la fibra Ambos casos producir´an una reducci´on en la potencia recibida que deber´a ser detectada por nuestro sistema de seguridad. De esta manera se evitar´ıan ataques del tipo Man in The Middle osniffing1, problemas comunes de privacidad en redes Ethernet y dif´ıcilmente detectables. Tambi´en se producir´a una variaci´on en la potencia recibida en los equipos en caso de jamming, un intento de saturar la red mediante la inyecci´on de luz continua, causando interferencias dentro del sistema, lo que inhabilitar´ıa nuestra red de seguridad. Por esta raz´on, un par´ametro importante a vigilar en nuestro sistema de seguridad ser´a la potencia que reciben los equipos que componen la red, tanto la OLT como las diferentes ONTs. Para ello se ha desarrollado un sistema de adquisici´on y almacenamiento de datos para su posterior an´alisis. Cuando capturamos la potencia recibida por la OLT y por la ONT debemos tener en cuenta lo siguiente. La OLT est´a transmitiendo continuamente tr´afico a las diferentes ONTs de su red, por tanto puede considerarse como una fuente de luz continua. Esto significa que la potencia recibida en las ONTs tendr´a menos variaciones y su medida ser´a m´as constante. Figura 3.2: Transmisi´on en el enlace descendente 1Capturar la informaci´on de la red con un equipo intruso. 22 Por el contrario, la ONT transmite a r´afagas en los periodos que le asigna la OLT, lo que provoca unas variaciones significativas en la medida de la potencia recibida en la OLT dependiendo del instante de adquisici´on de dicha medida. Tambi´en afectar´a la longitud de las tramas recibidas, ya que variar´a el tiempo que tiene el conversor anal´ogico para calcular la potencia de la se˜nal. Figura 3.3: Transmisi´on en el enlace ascendente Por esta raz´on, vamos a tener una componente aleatoria en los valores de potencia recibida en la OLT provocando variaciones en la medida. Adem´as, los componentes electr´onicos tambi´en aportan cierta aleatoriedad, as´ı como las reflexiones causadas en el medio ´optico. Para desarrollar un sistema que detecte atenuaciones reales de manera eficiente tenemos que proporcionar un an´alisis de datos robusto que sea capaz de detectar todos los posibles datos an´omalos con m´ınima tasa de falsas alarmas. Para detectar estos datos an´omalos disponemos de una serie de herramientas estad´ısticas [16] basadas en diferentes par´ametros que nos permiten establecer un umbral para distinguir valores at´ıpicos de valores normales. Estos valores at´ıpicos se denominan outliers y tienen un efecto negativo en el an´alisis de datos, produciendo una posible distorsi´on en algunos par´ametros estad´ısticos. An´alisis estad´ıstico El primer criterio de detecci´on de outliers que se puede utilizar est´a basado en la media y la desviaci´on t´ıpica. Este criterio s´olo es v´alido si los datos siguen una distribuci´on normal. Aplicando la desigualdad de Chebyschev, sea X variable aleatoria de media µy varianza finita σ2, entonces, para todo n´umero real a > 0, P(|X−µ|> aσ)≤1 a2(3.1) Por tanto en el intervalo (µ−aσ, µ +aσ) se encuentran el [(1 −1 a2)100] % de las muestras. Particularizando con a=3, en el intervalo (µ−3σ, µ+3σ) se situar´an el 89 % de los datos. Por tanto, tomaremos un dato como outlier si est´a separado de la media m´as de tres desviaciones t´ıpicas. 23 El inconveniente de trabajar con la media es que es una medida muy afectada por la dispersi´on, por tanto cuanto menos homog´eneos sean los datos, menos informaci´on proporciona. Adem´as, tanto la media como la desviaci´on est´andar tambi´en se ven muy afectadas por la presencia de valores extremos ya que no son medidas robustas. En el caso del an´alisis de los valores de potencia recibidos, podemos capturar valores que disten mucho de la realidad debido a un fallo en el sensor de captura o por reflexiones en el medio ´optico, lo cual modificar´ıa los par´ametros estad´ısticos de una manera no deseada. Por este motivo se propone un segundo criterio de detecci´on de outliers, el m´etodo de Tukey, basado en par´ametros de estad´ıstica robusta como son la mediana y el rango intercuart´ılico. Este m´etodo es menos sensible a oscilaciones de los valores de la variable, y es m´as representativo que el an´alisis con la media aritm´etica cuando la poblaci´on es bastante heterog´enea. Adem´as, este m´etodo no hace ninguna suposici´on sobre la distribuci´on de los datos, por tanto no tienen por qu´e seguir una distribuci´on normal, al contrario de lo que suced´ıa con la media y la desviaci´on t´ıpica. La mediana y los cuartiles no son representativos cuando la cantidad de datos es peque˜na, por tanto al principio necesitaremos un tiempo determinado de recogida de datos hasta que los valores de los cuartiles sean lo suficientemente representativos. La mediana representa el valor de la variable en la posici´on central de un conjunto de datos ordenados. Es un caso particular de los cuartiles. Los cuartiles son los tres valores que dividen al conjunto de datos ordenados en cuatro partes porcentualmente iguales. El primer cuartil (Q1) es el valor que deja por debajo al 25 % de los valores. El segundo cuartil se corresponde con la mediana (Q2) ya que deja por debajo al 50 % de los valores, igual que por arriba. El tercer cuartil (Q3) es superior al 75 % de los valores. Los cuartiles son f´acilmente representables en el gr´afico conocido como box-plot o diagrama de caja, desarrollado por el estad´ıstico norteamericano John W. Tukey en 1977, tal y como se muestra en la Figura 3.4. Figura 3.4: Box-plot o diagrama de caja 24 La diferencia entre el tercer cuartil y el primero (Q3-Q1) se conoce como rango intercuart´ılico (RIC): RIC =Q3−Q1(3.2) El l´ımite superior de la caja corresponde al cuartil Q3 y el l´ımite inferior al cuartil Q1, por tanto la altura de la caja vendr´a determinada por el rango intercuart´ılico. De la caja salen unas l´ıneas que delimitan el rango de valores que se consideran normales. Este rango tiene su l´ımite superior en Q3+1.5xRIC y su l´ımite inferior en Q1-1.5xRIC. Los valores fuera de este rango ser´an considerados outliers. Adem´as, si el valor est´a fuera del rango (Q1-3xRIC, Q3+3xRIC) es considerado outlier extremo. x6∈ (Q1−1,5RIC, Q3+1,5RIC)⇒Outlier leve (3.3) x6∈ (Q1−3RIC, Q3+3RIC)⇒Outlier extremo (3.4) El siguiente paso es aplicar estos m´etodos estad´ısticos al conjunto de muestras recogido. Se han capturado m´as de 700 muestras para realizar el an´alisis, y se ha representado su distribuci´on en un histograma, mostrado en la Figura 3.5: Figura 3.5: Histograma de la potencia recibida en la OLT En el histograma se puede observar que la variable no sigue una distribuci´on normal, por tanto la media y la desviaci´on t´ıpica no ser´ıan par´ametros estad´ısticos representativos. Para esta distribuci´on de la variable, se han calculado los par´ametros estad´ısticos de inter´es, cuartiles y mediana, y los resultados se recogen en la Tabla 3.1 (en dBm): Tabla 3.1: Par´ametros estad´ısticos Primer cuartil (Q1) -25.08 Mediana (Q2) -24.94 Tercer cuartil (Q3) -24.68 25 Con estos datos podremos calcular el rango intercuart´ılico, y con ello determinar el rango de valores que nuestro sistema va a considerar como normales. RIC =Q3−Q1= 0,4 (3.5) Outlier leve ⇒x6∈ (Q1−1,5RIC, Q3+1,5RIC) = (−25,68,−24,08) (3.6) Outlier extremo ⇒x6∈ (Q1−3RIC, Q3+3RIC) = (−26,28,−23,48) (3.7) En la implementaci´on del sistema se ha considerado el primer rango (Q1-1.5RIC, Q3+1.5RIC) en la determinaci´on de valores an´omalos, ya que el segundo intervalo (Q1-3RIC,Q3+3RIC) es poco restrictivo. Un gr´afico adecuado para la representaci´on gr´afica de estos par´ametros es el boxplot o diagrama de caja como el de la Figura 3.6. Como hemos mencionado antes, los l´ımites de la caja son el primer y tercer cuartil, y est´a dividida por la mediana. Las l´ıneas perpendiculares comprenden el rango (Q1-1.5RIC,Q3+1.5RIC). Figura 3.6: Boxplot de la potencia recibida en la OLT El sistema deber´a generar una alarma si detecta variaciones en la atenuaci´on introducida por la red. Una ´unica detecci´on de un valor at´ıpico en la potencia recibida generar´a una alarma de menor importancia, ya que puede ser a causa de un error puntual que no represente correctamente el estado de la red. Sin embargo, la detecci´on de una alarma de manera repetitiva podr´ıa significar un cambio real en la atenuaci´on de la red, por tanto se ejecutar´ıa una alarma de mayor grado con el fin de alertar al usuario de una posible situaci´on cr´ıtica. De este modo evitamos las falsas alarmas y mejoramos la eficiencia del sistema. El ratio para considerar una alarma como activa ser´a predeterminado por el operador y ser´an desactivadas cuando se recupere la situaci´on de normalidad. Tambi´en es conveniente conceder al sistema de an´alisis un periodo inicial de calibraci´on para establecer unos par´ametros estad´ısticos representativos de la red, y de este modo evitar falsas alarmas cuando se conecte una ONT por primera vez. 26 3.3.2. Tr´afico transmitido en el enlace ascendente por cada ONT La OLT dispone de una serie de contadores de bytes tanto de las tramas que recibe en el enlace ascendente como de las tramas que transmite en descendente. Para este caso en concreto, es interesante monitorizar y controlar el tr´afico ascendente que recibe la OLT procedente de cada una de las ONTs que componen la red, y de esta manera comprobar en todo momento que el tr´afico generado por los dispositivos de seguridad conectados a las ONTs se corresponde con las tasas de transmisi´on esperadas. Este control del tr´afico ser´a mas eficiente en el caso de c´amaras de videovigilancia, ya que generan un flujo constante del orden de Mbps, por lo tanto ser´a m´as f´acil detectar si una c´amara ha dejado de enviar se˜nal a la ONT. El sistema debe alertar cuando detecte una variaci´on significativa en el tr´afico transmitido por una ONT. De esta manera se informar´a de posibles fallos en la transmisi´on de la se˜nal generada por las c´amaras hasta la ONT. Estos fallos pueden ser debidos a desconexiones en la alimentaci´on de la c´amara o en el enlace entre la ONT y la c´amara. Pueden estar causados por una manipulaci´on de los equipos o de manera fortuita. En ambos casos se deber´a informar al usuario de la falta de se˜nal de v´ıdeo. Si se utilizan c´amaras que s´olo graban y transmiten en caso de detectar movimiento o alarma, se podr´a hacer uso de este contador de tr´afico ascendente para avisarnos del momento en el que la c´amara empieza a generar datos de v´ıdeo y por tanto, de la aparici´on de una situaci´on de alerta. Como el tr´afico es diferenciado por ONT, podremos conocer el equipo que presenta problemas y localizar as´ı m´as f´acilmente el dispositivo de seguridad inoperativo. Dependiendo de la tasa recibida tambi´en se podr´a saber si el fallo se ha producido en uno o varios dispositivos. Por ´ultimo, tambi´en se puede usar este contador para tener un control general del tr´afico soportado por la red y de esta manera saber si es necesario ampliarla a˜nadiendo equipos, tanto ONTs como OLTs. 3.3.3. Estado de conexi´on de los equipos La OLT puede detectar a trav´es de la interfaz OMCI el cambio de estado de una determinada ONT e informar al sistema para que tenga constancia de ello. El TGMS desarrollado en la actualidad no otorga tanta importancia a los estados de desconexi´on porque el usuario puede apagar la ONT cuando no la necesite, sin embargo en una red de seguridad deben permanecer operativas en todo momento. Si alguna de nuestras ONTs se desconecta sin nuestro conocimiento, ya sea debido a la manipulaci´on de una persona o a un fallo en la alimentaci´on, ser´a motivo de alarma, ya que nos quedaremos sin conexi´on en los equipos de vigilancia asociados a esa ONT, dejando zonas de inter´es vulnerables. 27 En la gr´afica de la Figura 4.4 que representa la potencia recibida en cada ONT se puede comprobar que es un valor mucho m´as estable que el recibido en la OLT por el motivo mencionado con anterioridad, la OLT se comporta como una fuente de luz continua. Por esta raz´on no tiene sentido aplicar el m´etodo de an´alisis empleado con la OLT, y solamente se mostrar´a una l´ınea de color amarillo que indique la mediana de los valores adquiridos. Figura 4.4: Gr´afica de la potencia recibida en la ONT El segundo apartado se centra en el control del tr´afico recibido por la OLT en todo momento procedente de cada una de sus ONTs, con la finalidad de detectar variaciones que indiquen la p´erdida de la transmisi´on de alguno de los componentes de seguridad conectados. El sistema monitorizar´a la tasa de transmisi´on en situaciones de correcto funcionamiento y avisar´a en el momento que haya un cambio significativo en ella durante un periodo de tiempo predeterminado por el operador para evitar falsas alarmas. Al igual que en el apartado de la potencia recibida, la herramienta web facilita la monitorizaci´on de la tasa en ascendente tanto en formato lista como en una gr´afica, como la mostrada en la Figura 4.5 (tasa mostrada en kbps). Figura 4.5: Monitorizaci´on de la tasa en ascendente por ONT 34 El siguiente apartado se corresponde con la monitorizaci´on de la distancia entre la OLT y las distintas ONTs de la red GPON. El sistema implementado puede llegar a gestionar un gran n´umero de redes y equipos. Por esta raz´on, es necesario una serie de identificadores adem´as del n´umero de serie de la OLT y la ONT. Estos identificadores son: Device (0-3): Identifica el n´umero de tarjeta de red de la OLT, en caso de que tenga varias, hasta un l´ımite de cuatro. Channel (0-3): Determina el n´umero de puerto PON al que est´a conectada la red. ONT-ID (0-63): Identifica al equipo de usuario dentro de la red GPON. De esta manera cualquier equipo es f´acilmente localizable dentro del sistema. El listado de ONTs con su correspondiente distancia a la OLT se muestra en la Figura 4.6. Figura 4.6: Registro de distancias OLT-ONT Otro apartado importante es controlar durante todo momento el estado de conexi´on de los equipos. En la p´agina web nos aparecer´a un listado (ver Figura 4.7.) con todas las ONTs que han estado conectadas a una OLT de nuestra red con sus correspondientes identificadores y su estado actual en tiempo real, adem´as del momento exacto en el que se produjo el cambio de estado. Figura 4.7: Estado de conexi´on de las ONTs 35 La secci´on dedicada a mostrar alarmas OMCI y cambios de estado de las ONTs estaba ya implementada en el TGMS y simplemente ha sido llevada a nuestro sistema para facilitar al usuario este tipo de informaci´on. Las alarmas est´an numeradas en el anexo C.3 y explicadas con m´as detalle en la recomendaci´on ITU-T G.984.3 [3]. Los cambios de estado tambi´en se detallan en el anexo C.4. En la Figura 4.8 se muestra un ejemplo de la monitorizaci´on de este apartado. Figura 4.8: Alarmas OMCI y cambios de estado de las ONTs Para terminar, en el ´ultimo apartado se mostrar´an al usuario las alarmas que han sido activadas en las secciones comentadas anteriormente. De esta manera se facilita su labor y se mejora la rapidez en la visualizaci´on. Tambi´en se dispone de un historial de alarmas para que el usuario tenga a su disposici´on en todo momento el registro de alarmas de d´ıas anteriores. La interfaz web (ver Figura 4.9) permite realizar un filtrado por tipo y grado de alarma, para diferenciar las m´as importantes, as´ı como mostrar s´olo las activas en ese momento. Figura 4.9: Interfaz web: apartado de alarmas Los tipos de alarma que pueden aparecer en esta secci´on se pueden ver en el siguiente apartado dedicado a las pruebas realizadas con el objetivo de simular posibles situaciones reales de peligro. 36 4.3. Pruebas de simulaci´on Una parte fundamental en el desarrollo de cualquier sistema de software es la realizaci´on de pruebas con el fin de verificar su correcto funcionamiento. Para ello se llevar´an a cabo una serie de simulaciones que traten de reproducir posibles situaciones reales. La primera prueba tiene como objetivo comprobar la respuesta del sistema frente acambios en la atenuaci´on que introduce la red. Se debe alertar de las siguientes situaciones: Curvatura de la fibra. Introducci´on en la red de un splitter con equipo intruso. Manipulado con da˜no o rotura de la fibra. Inyecci´on de luz en la fibra por una fuente externa. Tambi´en es posible que se produzca una atenuaci´on apreciable en el caso de a˜nadir cable de fibra en el enlace entre OLT y ONT, aunque debido a la baja atenuaci´on que presenta la fibra ´optica ser´a m´as dif´ıcil de detectar. Para simular estas situaciones, realizamos una curvatura en la fibra de nuestra maqueta. En la Figura 4.10 se muestra la gr´afica correspondiente a la representaci´on de la potencia recibida en caso de una variaci´on significativa en los valores de potencia registrados durante un periodo de tiempo representativo: Figura 4.10: Variaci´on en la potencia recibida Como podemos ver en la gr´afica anterior, una variaci´on de 1-2 dBs es f´acilmente apreciable. Para facilitar el trabajo al usuario, en el apartado de la p´agina web de alarmas activadas aparecer´an varias alarmas correspondientes a los diferentes valores de potencia recibida fuera del rango aceptado. Las primeras ser´an de menor grado hasta que el sistema detecte que el ratio de valores at´ıpicos supera el umbral determinado para considerar una posible incidencia en la red. 37 De este modo se alerta al usuario de la aparici´on de una atenuaci´on extra en el enlace, lo que puede significar una posible situaci´on de peligro para la seguridad de la red o un fallo en su estructura. La alarma se desactivar´a cuando se reciban valores de potencia correctos durante un periodo de tiempo determinado. En la Figura 4.11 se muestra el apartado de alarmas activadas. Figura 4.11: Registro de alarmas activadas Tambi´en ser´a importante diferenciar este caso anterior, con un cambio en la potencia recibida durante un periodo de tiempo significativo, de la adquisici´on de datos an´omalos en instantes puntuales que no reflejan el estado real de la red (ver Figura 4.12). Pueden ser debidos a un fallo en el sensor de captura, un error en el conversor anal´ogico-digital o reflexiones en el medio ´optico. Figura 4.12: Dato de potencia an´omalo puntual Otra situaci´on en la que debemos comprobar la respuesta del sistema es en la desconexi´on de los equipos de la red, tanto las ONTs como las OLTs. De esta manera podemos alertar de las siguientes incidencias: Desconexi´on de una ONT de nuestra red para conectar un equipo intruso. Desconexi´on de una ONT para a˜nadir mayor longitud de fibra y cambiar su localizaci´on. Desconexi´on de una ONT para inhabilitar los dispositivos de seguridad asociados a ella. Desconexi´on de la OLT para inhabilitar la red. Desconexi´on de una ONT a causa de cambios en la potencia que recibe (saturaci´on o falta de se˜nal). 38 Cuando se detecta la desconexi´on se muestra una alarma de menor grado durante un minuto (o el tiempo estipulado por el operador) ya que puede ser debida a una reconfiguraci´on o un reinicio del equipo. Sin embargo, cuando el tiempo supera este valor se alerta con una alarma roja de que el equipo no est´a operativo, y en consecuencia los dispositivos conectados a ´el. En la secci´on de alarmas activadas podremos observar el proceso completo asociado a la desconexi´on-conexi´on de una ONT tal y como se muestra en la Figura 4.13. En la desactivaci´on se registra el instante de recuperaci´on de la conexi´on con la ONT. Figura 4.13: Activaci´on de alarma por desconexi´on de ONT Con los equipos de cabecera, las OLTs, las alarmas se ejecutan de la misma manera. Estos equipos suelen estar en las dependencias del operador, por tanto su manipulaci´on por parte de una persona ajena ser´a m´as d´ıficil, pero de esta manera controlamos posibles fallos en la conexi´on o en la alimentaci´on. Cuando se produce la desconexi´on de la OLT perdemos tambi´en como consecuencia la conexi´on con todas las ONTs de la red: Figura 4.14: Activaci´on de alarma por desconexi´on de OLT 39 Respecto al control de la distancia, la prueba consiste en a˜nadir un cable de fibra ´optica de unos cinco metros entre la OLT y una ONT. Para ello, debemos desconectar el cable de fibra que llega a la ONT, lo que producir´a una alarma por desconexi´on del equipo adem´as de la alarma por el cambio en la distancia entre la OLT y la ONT. En la Figura 4.15 se muestran las alarmas ejecutadas en un cambio de localizaci´on de la ONT. Figura 4.15: Alarmas por cambio en la distancia OLT-ONT La siguiente prueba que debemos realizar para verificar que el sistema responde correctamente es la desconexi´on de la c´amara conectada a la ONT de la red. El sistema deber´ıa detectar un descenso significativo en el tr´afico transmitido por esa ONT y mostrar una alarma que alerte al usuario de la incidencia. Figura 4.16: Alarma por descenso del tr´afico recibido En la representaci´on gr´afica (ver Figura 4.17) tambi´en se observa con claridad el descenso en la tasa transmitida por la ONT. En el caso de las c´amaras de videovigilancia, el tr´afico que van a generar es del orden de Mbps, por tanto la ausencia de flujo va a ser muy apreciable. La c´amara utilizada en la maqueta transmite con tasas en torno a 8 Mbps. Figura 4.17: Gr´afica del tr´afico recibido 40 Por ´ultimo, cabe destacar que esta serie de alarmas son totalmente complementarias y la ejecuci´on de varias de ellas refuerza la alerta ante una posible situaci´on de peligro para la seguridad de la red. Por ejemplo si se desconecta una ONT y cuando se vuelve a conectar el sistema alerta de un cambio en la localizaci´on y un cambio en la potencia recibida, ser´an indicios de la introducci´on de un splitter en la red con un posible equipo intruso, y el usuario deber´a actuar en consecuencia. En la Tabla 4.1 se sintetizan las pruebas realizadas y se muestran las alarmas que se han ejecutado en cada caso particular. Tabla 4.1: Pruebas de simulaci´on Potencia Tr´afico Distancia Desconexi´on OLT ONT en ascendente OLT-ONT ONT OLT Curvatura en la fibra 3 3 Cambiar ONT de la red 3 3 por un equipo intruso Conectar equipo 3 3 3 3 mediante splitter Da˜nar o romper la fibra 3 3 3131 Introducir luz en 3 3 3232 la fibra con un l´aser Cambiar localizaci´on ONT 33333 3 a˜nadiendo m´as fibra Desconectar c´amara 3 Desconectar ONT 3 3 Desconectar OLT 3 3 El tiempo de detecci´on de estas alarmas depender´a fundamentalmente de la frecuencia de adquisici´on de datos del sistema. Una mayor rapidez en la detecci´on supondr´a capturar m´as datos en un menor tiempo, aumentando la carga de trabajo y la capacidad de almacenamiento requerida. En los casos de variaci´on en la potencia y en el tr´afico de la red, el tiempo de detecci´on ser´a mayor ya que se necesita registrar una cantidad continuada de muestras para poder determinar si realmente es una situaci´on de riesgo real para la seguridad de nuestra red. 1En caso de rotura. 2La potencia introducida puede saturar los interfaces ´opticos de los equipos, provocando su desconexi´on. 3Dependiendo de la longitud de fibra a˜nadida. 41 42 5. Conclusiones y l´ıneas futuras de trabajo La bajada en el precio de las c´amaras de alta definici´on y la reducci´on en el coste de almacenamiento hacen necesario considerar el despliegue de redes destinadas a sistemas de seguridad con mayor capacidad de transmisi´on, pensando inevitablemente en redes de fibra ´optica. El an´alisis realizado en este proyecto verifica los beneficios que aportan las redes ´opticas pasivas basadas en el est´andar GPON en t´erminos de ancho de banda, costes, eficiencia energ´etica y seguridad. Con el estudio de capacidad de las redes GPON se ha demostrado que pueden dar servicio a un gran n´umero de equipos finales con unas velocidades de transmisi´on elevadas, y adem´as con una reducci´on de costes, de consumo energ´etico y de espacio f´ısico requerido en comparaci´on con las redes desplegadas en la actualidad. Si nos basamos en las pruebas realizadas, la implementaci´on del sistema de detecci´on y gesti´on de alarmas desarrollado en este proyecto cumple con el objetivo de aportar un mayor grado de seguridad a nuestra red. El sistema da la posibilidad de vigilar en todo momento los valores de potencia, tr´afico, distancias y estados de conexi´on de los equipos, y avisar al usuario de cualquier incidencia que pudiera poner en peligro la seguridad de la red. En este caso concreto de una red de videovigilancia, va a predominar el ancho de banda ascendente, debido a las transmisiones generadas por las c´amaras hacia la OLT. Se puede aprovechar ese ancho de banda disponible en el enlace descendente para proporcionar un servicio complementario. Esto podr´ıa ser de gran utilidad en grandes superficies como estaciones, aeropuertos o centros deportivos, donde se proporcione un sistema de seguridad y un servicio adicional como valor a˜nadido, como podr´ıa ser informaci´on en pantallas, publicidad, distribuci´on de se˜nal de v´ıdeo a nivel interno, conectividad WiFi, etc. Una opci´on futura muy interesante ser´ıa aprovechar los datos de potencias recibidas almacenados procedentes de todos los equipos de la red y realizar un an´alisis de consumo el´ectrico para estudiar una posible mejora en este aspecto del equipo, evitando adem´as posibles sobrecalentamientos. Tambi´en se pueden aprovechar estos valores de potencia recogidos para efectuar un estudio sobre la degradaci´on de los l´aseres de los equipos a lo largo del tiempo. 43