Progettazione di un sistema per la configurazione centralizzata di intrusion detection system

Il rilevamento di intrusioni nel contesto delle pratiche di Network Security Monitoring è il processo attraverso cui, passando per la raccolta e l'analisi di dati prodotti da una o più fonti di varia natura, (p.e. copie del traffico di rete, copie dei log degli applicativi/servizi, etc..) vengono identificati, correlati e analizzati eventi di sicurezza con l'obiettivo di rilevare potenziali tenativi di compromissione al fine di proteggere l'asset tecnologico all'interno di una data infrastruttura di rete. Questo processo è il prodotto di una combinazione di hardware, software e fattore umano. Spetta a quest'ultimo nello specifico il compito più arduo, ovvero quello di restare al passo con una realtà in continua crescita ed estremamente dinamica: il crimine informatico. Spetta all'analista filtrare e analizzare le informazioni raccolte in merito per contestualizzarle successivamente all'interno della realta che intende proteggere, con il fine ultimo di arricchire e perfezionare le logiche di rilevamento implementate sui sistemi utilizzati. È necessario comprendere come il mantenimento e l'aggiornamento di questi sistemi sia un'attività che segue l'evolversi delle tecnologie e delle strategie di attacco. Un suo svolgimento efficacie ed efficiente risulta di primaria importanza per consentire agli analisti di focalizzare le proprie risorse sulle attività di investigazione di eventi di sicurezza, ricerca e aggiornamento delle logiche di rilevamento, minimizzando quelle ripetitive, "time consuming", e potenzialmente automatizzabili. Questa tesi ha come obiettivo quello di presentare un possibile approccio ad una gestione automatizzata e centralizzata di sistemi per il rilevamento delle intrusioni, ponendo particolare attenzione alle tecnologie IDS presenti sul panorama open source oltre a rapportare tra loro gli aspetti di scalabilità e personalizzazione che ci si trova ad affrontare quando la gestione viene estesa ad infrastrutture di rete eterogenee e distribuite.

Model-Based validation of Driver Drowsiness Detection System for ADAS

The work described in this Master’s Degree thesis was born after the collaboration with the company Maserati S.p.a, an Italian luxury car maker with its headquarters located in Modena, in the heart of the Italian Motor Valley, where I worked as a stagiaire in the Virtual Engineering team between September 2021 and February 2022. This work proposes the validation using real-world ECUs of a Driver Drowsiness Detection (DDD) system prototype based on different detection methods with the goal to overcome input signal losses and system failures. Detection methods of different categories have been chosen from literature and merged with the goal of utilizing the benefits of each of them, overcoming their limitations and limiting as much as possible their degree of intrusiveness to prevent any kind of driving distraction: an image processing-based technique for human physical signals detection as well as methods based on driver-vehicle interaction are used. A Driver-In-the-Loop simulator is used to gather real data on which a Machine Learning-based algorithm will be trained and validated. These data come from the tests that the company conducts in its daily activities so confidential information about the simulator and the drivers will be omitted. Although the impact of the proposed system is not remarkable and there is still work to do in all its elements, the results indicate the main advantages of the system in terms of robustness against subsystem failures and signal losses.

Real-time PMU monitoring of an IEEE 5-Bus Network implemented on OPAL system

This thesis studies the state-of-the-art of phasor measurement units (PMUs) as well as their metrological requirements stated in the IEEE C37.118.1 and C37.118.2 Standards for guaranteeing correct measurement performances. Communication systems among PMUs and their possible applicability in the field of power quality (PQ) assessment are also investigated. This preliminary study is followed by an analysis of the working principle of real-time (RT) simulators and the importance of hardware-in-the-loop (HIL) implementation, examining the possible case studies specific for PMUs, including compliance tests which are one of the most important parts. The core of the thesis is focused on the implementation of a PMU model in the IEEE 5-bus network in Simulink and in the validation of the results using OPAL RT-4510 as a real-time simulator. An initial check allows one to get an idea about the goodness of the results in Simulink, comparing the PMU data with respect to the load-flow steady-state information. In this part, accuracy indices are also calculated for both voltage and current synchrophasors. The following part consists in the implementation of the same code in OPAL-RT 4510 simulator, after which an initial analysis is carried out in a qualitative way in order to get a sense of the goodness of the outcomes. Finally, the confirmation of the results is based on an examination of the attained voltage and current synchrophasors and accuracy indices coming from Simulink models and from OPAL system, using a Matlab script. This work also proposes suggestions for an upcoming operation of PMUs in a more complex system as the Digital Twin (DT) in order to improve the performances of the already-existing protection devices of the distribution system operator (DSO) for a future enhancement of power systems reliability.

Neural Network Based UAV Fault Tolerant Control with Aerodynamic Disturbance Estimation and Compensation

In this thesis, the problem of controlling a quadrotor UAV is considered. It is done by presenting an original control system, designed as a combination of Neural Networks and Disturbance Observer, using a composite learning approach for a system of the second order, which is a novel methodology in literature. After a brief introduction about the quadrotors, the concepts needed to understand the controller are presented, such as the main notions of advanced control, the basic structure and design of a Neural Network, the modeling of a quadrotor and its dynamics. The full simulator, developed on the MATLAB Simulink environment, used throughout the whole thesis, is also shown. For the guidance and control purposes, a Sliding Mode Controller, used as a reference, it is firstly introduced, and its theory and implementation on the simulator are illustrated. Finally the original controller is introduced, through its novel formulation, and implementation on the model. The effectiveness and robustness of the two controllers are then proven by extensive simulations in all different conditions of external disturbance and faults.

Construction and detectors’ characterization of a new detection system for FAMU Experiment

From 2010, the Proton Radius has become one of the most interest value to determine. The first proof of not complete understanding of its internal structure was the measurement of the Lamb Shift using the muonic hydrogen, leading to a value 7σ lower. A new road so was open and the Proton Radius Puzzle epoch begun. FAMU Experiment is a project that tries to give an answer to this Puzzle implementing high precision experimental apparatus. The work of this thesis is based on the study, construction and first characterization of a new detection system. Thanks to the previous experiments and simulations, this apparatus is composed by 17 detectors positioned on a semicircular crown with the related electronic circuit. The detectors' characterization is based on the use of a LabView program controlling a digital potentiometer and on other two analog potentiometers, all three used to set the amplitude of each detector to a predefined value, around 1.2 V, set on the oscilloscope by which is possible to observe the signal. This is the requirement in order to have, in the final measurement, a single high peak given by the sum of all the signals coming from the detectors. Each signal has been acquired for almost half of an hour, but the entire circuit has been maintained active for more time to observe its capacity to work for longer periods. The principal results of this thesis are given by the spectra of 12 detectors and the corresponding values of Voltages, FWHM and Resolution. The outcomes of the acquisitions show also another expected behavior: the strong dependence of the detectors from the temperature, demonstrating that an its change causes fluctuations in the signal. In turn, these fluctuations will affect the spectrum, resulting in a shifting of the curve and a lower Resolution. On the other hand, a measurement performed in stable conditions will lead to accordance between the nominal and experimental measurements, as for the detectors 10, 11 and 12 of our system.

Progettazione e implementazione di un sistema dinamico per la gestione del packet filtering

Un livello di sicurezza che prevede l’autenticazione e autorizzazione di un utente e che permette di tenere traccia di tutte le operazioni effettuate, non esclude una rete dall’essere soggetta a incidenti informatici, che possono derivare da tentativi di accesso agli host tramite innalzamento illecito di privilegi o dai classici programmi malevoli come virus, trojan e worm. Un rimedio per identificare eventuali minacce prevede l’utilizzo di un dispositivo IDS (Intrusion Detection System) con il compito di analizzare il traffico e confrontarlo con una serie d’impronte che fanno riferimento a scenari d’intrusioni conosciute. Anche con elevate capacità di elaborazione dell’hardware, le risorse potrebbero non essere sufficienti a garantire un corretto funzionamento del servizio sull’intero traffico che attraversa una rete. L'obiettivo di questa tesi consiste nella creazione di un’applicazione con lo scopo di eseguire un’analisi preventiva, in modo da alleggerire la mole di dati da sottoporre all’IDS nella fase di scansione vera e propria del traffico. Per fare questo vengono sfruttate le statistiche calcolate su dei dati forniti direttamente dagli apparati di rete, cercando di identificare del traffico che utilizza dei protocolli noti e quindi giudicabile non pericoloso con una buona probabilità.

Approccio network-based alla discriminant analysis mediante HPC per la ricerca di signature ottimali in dati ad alta dimensionalità

Il presente lavoro di tesi si inserisce nell’ambito della classificazione di dati ad alta dimensionalità, sviluppando un algoritmo basato sul metodo della Discriminant Analysis. Esso classifica i campioni attraverso le variabili prese a coppie formando un network a partire da quelle che hanno una performance sufficientemente elevata. Successivamente, l’algoritmo si avvale di proprietà topologiche dei network (in particolare la ricerca di subnetwork e misure di centralità di singoli nodi) per ottenere varie signature (sottoinsiemi delle variabili iniziali) con performance ottimali di classificazione e caratterizzate da una bassa dimensionalità (dell’ordine di 101, inferiore di almeno un fattore 103 rispetto alle variabili di partenza nei problemi trattati). Per fare ciò, l’algoritmo comprende una parte di definizione del network e un’altra di selezione e riduzione della signature, calcolando ad ogni passaggio la nuova capacità di classificazione operando test di cross-validazione (k-fold o leave- one-out). Considerato l’alto numero di variabili coinvolte nei problemi trattati – dell’ordine di 104 – l’algoritmo è stato necessariamente implementato su High-Performance Computer, con lo sviluppo in parallelo delle parti più onerose del codice C++, nella fattispecie il calcolo vero e proprio del di- scriminante e il sorting finale dei risultati. L’applicazione qui studiata è a dati high-throughput in ambito genetico, riguardanti l’espressione genica a livello cellulare, settore in cui i database frequentemente sono costituiti da un numero elevato di variabili (104 −105) a fronte di un basso numero di campioni (101 −102). In campo medico-clinico, la determinazione di signature a bassa dimensionalità per la discriminazione e classificazione di campioni (e.g. sano/malato, responder/not-responder, ecc.) è un problema di fondamentale importanza, ad esempio per la messa a punto di strategie terapeutiche personalizzate per specifici sottogruppi di pazienti attraverso la realizzazione di kit diagnostici per l’analisi di profili di espressione applicabili su larga scala. L’analisi effettuata in questa tesi su vari tipi di dati reali mostra che il metodo proposto, anche in confronto ad altri metodi esistenti basati o me- no sull’approccio a network, fornisce performance ottime, tenendo conto del fatto che il metodo produce signature con elevate performance di classifica- zione e contemporaneamente mantenendo molto ridotto il numero di variabili utilizzate per questo scopo.

Development of a polyplexes-based miRNA delivery system in a 3D-bioplotted osteoarthritis cellular model.

L'osteoartrite (OA) è una patologia infiammatorio/degenerativa ossea per la quale non sono disponibili terapie causali efficaci ma solo approcci palliativi per la riduzione del dolore cronico. E’ quindi giustificato un investimento per individuare nuove strategie di trattamento. In quest’ottica, lo scopo di questa tesi è stato quello di indagare l’efficacia di polyplexi a base di chitosano o di PEI-g-PEG in un modello cellulare 3D in vitro basato su un hydrogel di Gellan Gum Metacrilato (GGMA) con a bordo condrociti in condizioni simulate di OA. Inizialmente sono state studiate la dimensione e il potenziale-Z di un pool di formulazioni di poliplexi. Quindi se ne è valutata la citocompatibilità utilizzando cellule staminali mesenchimali immortalizzate Y201. Infine, una miscela di GGMA, cellule e polyplexi è stata utilizzata per la stampa 3D di campioni che sono stati coltivati fino a 14 giorni. La condizione OA è stata simulata trattando le cellule con una miscela di citochine implicate nello sviluppo della malattia. Tutte le formulazioni a base di chitosano e due basate su PEI-g-PEG si sono dimostrate citocompatibili e sono hanno veicolato i miRNA nelle cellule (come mostrato dai risultati di analisi in fluorescenza). I risultati delle colorazioni H&E e AlcianBlue hanno confermato che il terreno condizionato ha ben ricreato le condizioni di OA. I polyplexi a base di chitosano e PEI-g-PEG hanno controbilanciato gli effetti delle citochine. Risultati incoraggianti, anche se da approfondire ulteriormente, provengono anche dall’analisi di espressione (RT-PCR) di cinque geni specifici della cartilagine. Concludendo, questo modello ha ben riprodotto le condizioni di OA in vitro; il chitosano ha mostrato di essere un adeguato veicolo per un trattamento a base di miRNA; il PEI-g-PEG si propone come un'alternativa più economica e ragionevolmente affidabile, sebbene il rischio di citotossicità alle concentrazioni più elevate richieda una più esteva validazione sperimentale.

Neural Network based Non Orthogonal Random Access for 6G NTN-IoT

Pervasive and distributed Internet of Things (IoT) devices demand ubiquitous coverage beyond No-man’s land. To satisfy plethora of IoT devices with resilient connectivity, Non-Terrestrial Networks (NTN) will be pivotal to assist and complement terrestrial systems. In a massiveMTC scenario over NTN, characterized by sporadic uplink data reports, all the terminals within a satellite beam shall be served during the short visibility window of the flying platform, thus generating congestion due to simultaneous access attempts of IoT devices on the same radio resource. The more terminals collide, the more average-time it takes to complete an access which is due to the decreased number of successful attempts caused by Back-off commands of legacy methods. A possible countermeasure is represented by Non-Orthogonal Multiple Access scheme, which requires the knowledge of the number of superimposed NPRACH preambles. This work addresses this problem by proposing a Neural Network (NN) algorithm to cope with the uncoordinated random access performed by a prodigious number of Narrowband-IoT devices. Our proposed method classifies the number of colliding users, and for each estimates the Time of Arrival (ToA). The performance assessment, under Line of Sight (LoS) and Non-LoS conditions in sub-urban environments with two different satellite configurations, shows significant benefits of the proposed NN algorithm with respect to traditional methods for the ToA estimation.

Il Problema della Sicurezza nel Cloud Computing

Il termine cloud ha origine dal mondo delle telecomunicazioni quando i provider iniziarono ad utilizzare servizi basati su reti virtuali private (VPN) per la comunicazione dei dati. Il cloud computing ha a che fare con la computazione, il software, l’accesso ai dati e servizi di memorizzazione in modo tale che l’utente finale non abbia idea della posizione fisica dei dati e la configurazione del sistema in cui risiedono. Il cloud computing è un recente trend nel mondo IT che muove la computazione e i dati lontano dai desktop e dai pc portatili portandoli in larghi data centers. La definizione di cloud computing data dal NIST dice che il cloud computing è un modello che permette accesso di rete on-demand a un pool condiviso di risorse computazionali che può essere rapidamente utilizzato e rilasciato con sforzo di gestione ed interazione con il provider del servizio minimi. Con la proliferazione a larga scala di Internet nel mondo le applicazioni ora possono essere distribuite come servizi tramite Internet; come risultato, i costi complessivi di questi servizi vengono abbattuti. L’obbiettivo principale del cloud computing è utilizzare meglio risorse distribuite, combinarle assieme per raggiungere un throughput più elevato e risolvere problemi di computazione su larga scala. Le aziende che si appoggiano ai servizi cloud risparmiano su costi di infrastruttura e mantenimento di risorse computazionali poichè trasferiscono questo aspetto al provider; in questo modo le aziende si possono occupare esclusivamente del business di loro interesse. Mano a mano che il cloud computing diventa più popolare, vengono esposte preoccupazioni riguardo i problemi di sicurezza introdotti con l’utilizzo di questo nuovo modello. Le caratteristiche di questo nuovo modello di deployment differiscono ampiamente da quelle delle architetture tradizionali, e i meccanismi di sicurezza tradizionali risultano inefficienti o inutili. Il cloud computing offre molti benefici ma è anche più vulnerabile a minacce. Ci sono molte sfide e rischi nel cloud computing che aumentano la minaccia della compromissione dei dati. Queste preoccupazioni rendono le aziende restie dall’adoperare soluzioni di cloud computing, rallentandone la diffusione. Negli anni recenti molti sforzi sono andati nella ricerca sulla sicurezza degli ambienti cloud, sulla classificazione delle minacce e sull’analisi di rischio; purtroppo i problemi del cloud sono di vario livello e non esiste una soluzione univoca. Dopo aver presentato una breve introduzione sul cloud computing in generale, l’obiettivo di questo elaborato è quello di fornire una panoramica sulle vulnerabilità principali del modello cloud in base alle sue caratteristiche, per poi effettuare una analisi di rischio dal punto di vista del cliente riguardo l’utilizzo del cloud. In questo modo valutando i rischi e le opportunità un cliente deve decidere se adottare una soluzione di tipo cloud. Alla fine verrà presentato un framework che mira a risolvere un particolare problema, quello del traffico malevolo sulla rete cloud. L’elaborato è strutturato nel modo seguente: nel primo capitolo verrà data una panoramica del cloud computing, evidenziandone caratteristiche, architettura, modelli di servizio, modelli di deployment ed eventuali problemi riguardo il cloud. Nel secondo capitolo verrà data una introduzione alla sicurezza in ambito informatico per poi passare nello specifico alla sicurezza nel modello di cloud computing. Verranno considerate le vulnerabilità derivanti dalle tecnologie e dalle caratteristiche che enucleano il cloud, per poi passare ad una analisi dei rischi. I rischi sono di diversa natura, da quelli prettamente tecnologici a quelli derivanti da questioni legali o amministrative, fino a quelli non specifici al cloud ma che lo riguardano comunque. Per ogni rischio verranno elencati i beni afflitti in caso di attacco e verrà espresso un livello di rischio che va dal basso fino al molto alto. Ogni rischio dovrà essere messo in conto con le opportunità che l’aspetto da cui quel rischio nasce offre. Nell’ultimo capitolo verrà illustrato un framework per la protezione della rete interna del cloud, installando un Intrusion Detection System con pattern recognition e anomaly detection.

Performance analysis of reconstruction algorithms for breast microwave imaging

The problem of localizing a scatterer, which represents a tumor, in a homogeneous circular domain, which represents a breast, is addressed. A breast imaging method based on microwaves is considered. The microwave imaging involves to several techniques for detecting, localizing and characterizing tumors in breast tissues. In all such methods an electromagnetic inverse scattering problem exists. For the scattering detection method, an algorithm based on a linear procedure solution, inspired by MUltiple SIgnal Classification algorithm (MUSIC) and Time Reversal method (TR), is implemented. The algorithm returns a reconstructed image of the investigation domain in which it is detected the scatterer position. This image is called pseudospectrum. A preliminary performance analysis of the algorithm vying the working frequency is performed: the resolution and the signal-to-noise ratio of the pseudospectra are improved if a multi-frequency approach is considered. The Geometrical Mean-MUSIC algorithm (GM- MUSIC) is proposed as multi-frequency method. The performance of the GMMUSIC is tested in different real life computer simulations. The performed analysis shows that the algorithm detects the scatterer until the electrical parameters of the breast are known. This is an evident limit, since, in a real life situation, the anatomy of the breast is unknown. An improvement in GM-MUSIC is proposed: the Eye-GMMUSIC algorithm. Eye-GMMUSIC algorithm needs no a priori information on the electrical parameters of the breast. It is an optimizing algorithm based on the pattern search algorithm: it searches the breast parameters which minimize the Signal-to-Clutter Mean Ratio (SCMR) in the signal. Finally, the GM-MUSIC and the Eye-GMMUSIC algorithms are tested on a microwave breast cancer detection system consisting of an dipole antenna, a Vector Network Analyzer and a novel breast phantom built at University of Bologna. The reconstruction of the experimental data confirm the GM-MUSIC ability to localize a scatterer in a homogeneous medium.

Analysis of the impact of stationary energy storage systems in trolleybus grids using Simulink-based modelling

The voltage profile of the catenary between traction substations (TSSs) is affected by the trolleybus current intake and by its position with respect to the TSSs: the higher the current requested by the bus and the further the bus from the TSSs, the deeper the voltage drop. When the voltage drops below 500V, the trolleybus is forced to decrease its consumption by reducing its input current. This thesis deals with the analysis of the improvements that the installation of an BESS produces in the operation of a particularly loaded FS of the DC trolleybus network of the city of Bologna. The stationary BESS is charged by the TSSs during off-peak times and delivers the stored energy when the catenary is overloaded alleviating the load on the TSSs and reducing the voltage drops. Only IMC buses are considered in the prospect of a future disposal of all internal combustion engine vehicles. These trolleybuses cause deeper voltage drops because they absorb enough current to power their traction motor and recharge the on board battery. The control of the BESS aims to keep the catenary voltage within the admissible voltage range and makes sure that all physical limitations are met. A model of FS Marconi Trento Trieste is implemented in Simulink environment to simulate its daily operation and compare the behavior of the trolleybus network with and without BESS. From the simulation without BESS, the best location of the energy storage system is deduced, and the battery control is tuned. Furthermore, from the knowledge of the load curve and the battery control trans-characteristic, it is formulated a prediction of the voltage distribution at BESS connection point. The prediction is then compared with the simulation results to validate the Simulink model. The BESS allows to decrease the voltage drops along the catenary, the Joule losses and the current delivered by the TSSs, indicating that the BESS can be a solution to improve the operation of the trolleybus network.

Embedding Video Object Detection Capabilities on Low-Power Nano-Drones

Our objective for this thesis work was the deployment of a Neural Network based approach for video object detection on board a nano-drone. Furthermore, we have studied some possible extensions to exploit the temporal nature of videos to improve the detection capabilities of our algorithm. For our project, we have utilized the Mobilenetv2/v3SSDLite due to their limited computational and memory requirements. We have trained our networks on the IMAGENET VID 2015 dataset and to deploy it onto the nano-drone we have used the NNtool and Autotiler tools by GreenWaves. To exploit the temporal nature of video data we have tried different approaches: the introduction of an LSTM based convolutional layer in our architecture, the introduction of a Kalman filter based tracker as a postprocessing step to augment the results of our base architecture. We have obtain a total improvement in our performances of about 2.5 mAP with the Kalman filter based method(BYTE). Our detector run on a microcontroller class processor on board the nano-drone at 1.63 fps.