ECTS - University of Pisa
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COMMUNICATION SYSTEMS AND CYBERSECURITY
MICHELE PAGANO
Academic year2022/23
CourseTELECOMMUNICATIONS ENGINEERING
Code1014I
Credits12
PeriodSemester 2
LanguageItalian

ModulesAreaTypeHoursTeacher(s)
COMMUNICATION SYSTEMSING-INF/03LEZIONI60
GIACOMO BACCI unimap
CYBERSECURITYING-INF/03LEZIONI60
MICHELE PAGANO unimap
Obiettivi di apprendimento
Learning outcomes
Conoscenze

Al termine dell'esame, nel modulo CyberSecurity lo studente avrà acquisito una conoscenza dettagliata dei fondamenti matematici della crittografia e dei principali algoritmi che sono utilizzati per fornire i vari servizi di sicurezza (autenticazione, confidenzialità e integrità dei dati, firma digitale). Inoltre lo studente acquisirà alcune conoscenze più applicative, con particolare riferimento a IPsec, IDS e firewall.

Nel modulo Communication Systems, lo studente avrà acquisito una conoscenza dettagliata dei fondamenti dei sistemi di comunicazione a largo spettro, comprendendo sia i sistemi di comunicazione mobile (con enfasi sugli standard 3G, 4G e 5G), sia quelli cablati (con enfasi sulle reti di accesso e trasporto in fibra ottica).
Knowledge

In the CyberSecurity module, the student who successfully completes the course will acquire a wide knowledge on the mathematical foundations of cryptography and on the main algorithms implementing the different security services (authentication, data confidentiality and integrity, digital signature). Moreover, the student will acquire some knowledge on more applied topics, such as IPsec, IDS and firewalls.

In the Communication Systems module, the student will acquire a detailed knowledge of the foundations of communication systems, including: mobile wireless communications (with emphasis on 3G, 4G, and 5G standards) and wired systems (with emphasis on access and transport networks based on optical fiber technologies).
Modalità di verifica delle conoscenze

Durante l'esame finale lo studente deve essere in grado di dimostrare il livello di conoscenza e di comprensione del materiale del corso, spiegando il funzionamento di alcuni dei protocolli e algoritmi studiati durante il corso.

Metodo di verifica: Esame finale (orale)
Assessment criteria of knowledge

During the oral exam the student must be able to demonstrate her/his knowledge and understanding of the course material, discussing how different algorithms and protocols work.

Method: Final oral exam
Capacità

Al termine del corso, lo studente sarà in grado di comprendere:

  • il funzionamento dei principali meccanismi per la sicurezza di rete e il livello di sicurezza di applicazioni, protocolli e sistemi di rete;
  • i concetti fondamentali alla base dei principali sistemi di comunicazione e le caratteristiche principali degli standard wireless e cablati. 

 
Skills

At the end of the course the student will be able to understand:

  • the use of the main mechanisms for network security and the security level of different applications, protocols and network systems;
  • the fundamental design drivers of the main communication systems, and the main highlights of both wired and wireless communication standards.
Modalità di verifica delle capacità

Durante le lezioni la discussione con gli studenti in relazione al funzionamento degli algoritmi e dei protocolli presentati permetterà di verificare il loro livello di comprensione. Inoltre, la parte finale del corso relativa all'applicazione degli algoritmi studiati permetterà di valutare il livello di comprensione dei concetti di base.

 
Assessment criteria of skills

Open discussions during lectures, focused on the mode of operation of algorithms and protocols, will allow the students to verify their level of understanding. Moreover, the final part of the course about applied topics will permit to evaluate the level of understanding of the basic concepts.
Comportamenti

Lo studente sarà in grado di comprendere l'uso delle principali primitive di sicurezza in sistemi reali. Più in dettaglio, nel modulo CyberSecurity acquisterà familiarità con i seguenti concetti: 

  • algoritmi di cifratura
  • chiavi pubbliche e segrete
  • codici MAC e funzioni hash
  • firma digitali
  • protocolli per lo scambio delle chiavi

Nel modulo Communication Systems, lo studente acquisterà familiarità con i seguenti concetti: 

  • tecniche di multiplexing e multiple access
  • concetti fondamentali alla base di una rete cellulare
  • dettagli degli standard 3G e 4G, e cenni alle tecnologie 5G
  • reti di trasporto e di accesso basate su fibra ottica
  • sistemi di broadcasting satellitari e terrestri

 
Behaviors

The student will understand the way of using security primitives in the framework of a secure system. In more detail, in the CyberSecurity module, she/he will become familiar with the following concepts:

  • encryption algorithms
  • public and secret keys
  • MAC codes and hash functions
  • digital signature
  • key exchange protocol

In the Communication Systems module, the student will become familiar with the following concepts:

  • multiplexing and multiple access techniques
  • fundamental concepts of wireless cellular networks
  • highlights of 3G and 4G standards, and a primer on 5G technologies
  • transport and access networks based on fiber optics
  • satellite and terrestrial broadcasting systems
Modalità di verifica dei comportamenti

Le discussioni durante le lezioni e l'esame finale permetteranno di verificare il livello di comprensione da parte degli studenti.
Assessment criteria of behaviors

Open discussions during lectures and the final exam will permit to verify the level of understanding by the students.
Prerequisiti (conoscenze iniziali)
  • conoscenze di base dello stack protocollare TCP/IP
  • conoscende di base di comunicazioni digitali
Prerequisites
  • basic knowledge of TCP/IP protocol stack
  • basic knowledge of digital communications
Indicazioni metodologiche

Modalità di svolgimento delle lezioni: lezioni frontali, con ausilio di slide (modulo CyberSecurity: in Italiano; modulo Communication Systems: in Inglese)

Modalità di apprendimento:

  • partecipazione alle lezioni
  • studio individuale

Presenza alle lezioni: Consigliata

Metodi di insegnamento:

  • lezioni frontali con il supporto di slide
  • discussione con gli studenti

Forme aggiuntive di interazione con gli studenti:

  • ore di ricevimento per spiegazioni aggiuntive e approfondimenti
  • e-mail nel caso di semplici dubbi da parte dello studente
  • sito moodle per comunicazioni relative a eventuali cambi nell'orario delle lezioni
Teaching methods

Delivery: face to face with the use of slides (CyberSecurity module: in Italian; Communication Systems: in English)

Learning activities:

  • attending lectures
  • individual study

Attendance: Recommended

Teaching methods:

  • face to face lectures with the use of slides
  • open discussion with the students

Additional interactions with students:

  • office hours for additional explanations and in-depth analysis of course topics
  • e-mail for simple questions by the student
  • moodle site for any communications about changes in the scheduling
Programma (contenuti dell'insegnamento)

Modulo: CyberSecurity

  • Panoramica sulla terminologia
  • Basi matematiche
    - Aritmetica modulare e polinomiale  
    - Generazione di numeri casuali 
    - Numeri primi e relativi teoremi
    - Logaritmo discreto
  • Cifratori simmetrici 
    - Tecniche classiche di cifratura 
    - DES e varianti
    - AES
    - RC 
    - Confidenzialità dei dati e distribuzione delle chiavi di sessione
  • Crittografia a chiave pubblica
    - RSA
    - Gestione delle chiavi pubbliche e segrete
  • Autenticazione e integrità
    - codici MAC e funzioni hash
    - HMAC
    - Firma digitale
  • Sicurezza in sistemi di rete 
    - Panoramica sulla sicurezza in ambito Web (SSL/TLS e SET) e a livello IP (IPSec)
    - Problematiche di sicurezza in reti wireless IEEE 802.11
  • Sicurezza di sistema 
    - intruder e sistemi di rivelazione degli attacchi (IDS)
    - firewall: principi generali, architettura e configurazione

Modulo: Commucation Systems:

  • Tecniche di multiplexing e accesso multiplo:
    - Frequency, time e code division multiplexing (FDM, TDM, CDM); 
    - Frequency, time e code division multiple access (FDMA)
    - Packet-based multiple access
    - Confronto tra le varie tecniche in termini di efficienza spettrale
  • Introduzione ai sistemi di comunicazione wireless:
    - Concetti base, definizioni, cenni storici e pianificazione di una rete cellulare
    - Modellistica del canale radiomobile
    - Simulazione di selettività in tempo e frequenza mediante Matlab
  • Principali standard di sistemi cellulari:
    - Sistemi 3G: lo standard UMTS e le sue evoluzioni
    - Sistemi 4G: gli standard LTE-A e IEEE 802.16m
    - Sistemi 5G: lo standard NR e le principali tecnologie utilizzate
  • Tecnologie basate su fibra ottica:
    - Tecnologie per la rete di trasposto: le fibre MM-SI e MM-GI ed il wavelength division multiplexing (WDM)
    - Tecnologie per la rete di accesso: introduzione alle passive optical networks (PONs) e definizione dei key element di una PON
  • Tecnologie di broadcasting terrestre e satellitare:
    - Sistemi DVB per la distribuzione video
    - Introduzione alle tecniche di compressione video
    - Confronto tra gli standard terrestri e satellitari
Syllabus

Module: CyberSecurity

  • Overview of Security terminology
  • Mathematical Background
    - Modular Arithmetic, Polynomial Arithmetic  
    - Random Number Generation
    - Prime Numbers and related theorems
    - Discrete Logarithms
  • Symmetric ciphers
    - Classical encryption techniques
    - DES and related algorithms
    - AES
    - RC
    - Data confidentiality and session key distribution
  • Public-Key Cryptography
    - RSA
    - Management of public and private keys
  • Authentication and Integrity
    - MAC and hash functions
    - HMAC
    - Digital signature
  • Network Security applications
    - Overview on Web security (SSL/TLS and SET) and IP security (IPSec)
    - Security issues in wireless networks IEEE 802.11
  • System Security
    - intruders and intrusion detection techniques
    - firewall: general principles, architecture and configuration

Module: Commucation Systems:

  • Multiplexing and multiple access techniques:
    - Frequency, time, and code division multiplexing (FDM, TDM, CDM); 
    - Frequency, time, and code division multiple access (FDMA)
    - Packet-based multiple access
    - Efficiency comparison across multiplexing and multiple access techniques
  • Introduction to wireless communication systems:
    - Basic concepts, definitions, history and planning of a cellular network
    - Wireless channel modeling
    - Simulation of time and frequency selectivity using Matlab
  • Main cellular standards:
    - 3G systems: the UMTS standard and its evolutions
    - 4G systems: the LTE-A and IEEE 802.16m standards
    - 5G systems: the NR standard and the main enabling technologies
  • Fiber-based technologies:
    - Transport-network technologies: MM-SI and MM-GI fibers, wavelength division multiplexing (WDM)
    - Access-based technologies: introduction to passive optical networks (PONs) and definition of PON key elements
  • Terrestrial and satellite broadcasting technologies:
    - DVB systems for video distribution
    - Introduction to video coding techniques
    - Comparison across terrestrial-based and satellite-based standards

 
Bibliografia e materiale didattico
  • Appunti delle lezioni, resi disponibili prima delle lezioni stesse (modulo CyberSecurity: in Italiano; modulo Communication Systems: in Inglese)
  • Bibliografia (in inglese): 
    - William Stallings, "Cryptography and Network Security: Principles and Practice", Prentice Hall 
    - Wade Trappe and Lawrence C. Washington, "Introduction to Cryptography with Coding Theory", Prentice Hall
    - T.S. Rappaport, Wireless Communications: Principles and Practice, 2nd ed. Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall, 2002.
    - J.G. Proakis and M. Salehi, Digital Communications, 5th ed. New York, NY: McGraw-Hill, 2007.
    - A.F. Molisch, Wireless Communications. West Sussex, UK: J. Wiley & Sons, 2005.
    - M. Luise, Lezioni di comunicazioni digitali. Pisa, Italy, Oct. 2021. [Online] http://www.iet.unipi.it/m.luise/LCD_Luise_draft.pdf (in Italiano)
Bibliography
  • Lecture notes available to the students before each lecture (module CyberSecurity: in Italian; module Communication Systems: in English)
  • Further references (in English):
    - William Stallings, "Cryptography and Network Security: Principles and Practice", Prentice Hall
    - Wade Trappe and Lawrence C. Washington, "Introduction to Cryptography with Coding Theory", Prentice Hall
    - T.S. Rappaport, Wireless Communications: Principles and Practice, 2nd ed. Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall, 2002.
    - J.G. Proakis and M. Salehi, Digital Communications, 5th ed. New York, NY: McGraw-Hill, 2007.
    - A.F. Molisch, Wireless Communications. West Sussex, UK: J. Wiley & Sons, 2005.
    - M. Luise, Lezioni di comunicazioni digitali. Pisa, Italy, Oct. 2021. [Online] http://www.iet.unipi.it/m.luise/LCD_Luise_draft.pdf (in Italian)
Indicazioni per non frequentanti

La presenza alle lezioni è solo consigliata; gli studenti non frequentanti possono studiare il materiale del corso in maniera indipendente ed eventualmente contattare il docente per chiarimenti. Eventuali studenti stranieri (il corso è in italiano) possono fare riferimento ai riferimenti bibliografici indicati precedentemente.
Non-attending students info

Attendance is only advised; non-attending students can use the course material for independent study and contact the teacher for further explanations. Foreign students (by law the course is taught in italian) can use the above-mentioned bibliography
Modalità d'esame

L'esame consiste in una discussione su alcuni degli argomenti trattati durante il corso (vedi Programma), per verificare il livello di comprensione dello studente e la sua capacità di padroneggiare i principali concetti discussi durante il corso.
Assessment methods

The oral exam is represented by a discussion on some of the topics offered by the course (see Syllabus), in order to verify that the student is able to understand the concepts and to properly master the fundamentals illustrated during the course.
Updated: 01/08/2022 09:11