Multi-dimensional classification using Bayesian networks for stationary and evolving streaming data

Hoy en día, con la evolución continua y rápida de las tecnologías de la información y los dispositivos de computación, se recogen y almacenan continuamente grandes volúmenes de datos en distintos dominios y a través de diversas aplicaciones del mundo real. La extracción de conocimiento útil de una cantidad tan enorme de datos no se puede realizar habitualmente de forma manual, y requiere el uso de técnicas adecuadas de aprendizaje automático y de minería de datos. La clasificación es una de las técnicas más importantes que ha sido aplicada con éxito a varias áreas. En general, la clasificación se compone de dos pasos principales: en primer lugar, aprender un modelo de clasificación o clasificador a partir de un conjunto de datos de entrenamiento, y en segundo lugar, clasificar las nuevas instancias de datos utilizando el clasificador aprendido. La clasificación es supervisada cuando todas las etiquetas están presentes en los datos de entrenamiento (es decir, datos completamente etiquetados), semi-supervisada cuando sólo algunas etiquetas son conocidas (es decir, datos parcialmente etiquetados), y no supervisada cuando todas las etiquetas están ausentes en los datos de entrenamiento (es decir, datos no etiquetados). Además, aparte de esta taxonomía, el problema de clasificación se puede categorizar en unidimensional o multidimensional en función del número de variables clase, una o más, respectivamente; o también puede ser categorizado en estacionario o cambiante con el tiempo en función de las características de los datos y de la tasa de cambio subyacente. A lo largo de esta tesis, tratamos el problema de clasificación desde tres perspectivas diferentes, a saber, clasificación supervisada multidimensional estacionaria, clasificación semisupervisada unidimensional cambiante con el tiempo, y clasificación supervisada multidimensional cambiante con el tiempo. Para llevar a cabo esta tarea, hemos usado básicamente los clasificadores Bayesianos como modelos. La primera contribución, dirigiéndose al problema de clasificación supervisada multidimensional estacionaria, se compone de dos nuevos métodos de aprendizaje de clasificadores Bayesianos multidimensionales a partir de datos estacionarios. Los métodos se proponen desde dos puntos de vista diferentes. El primer método, denominado CB-MBC, se basa en una estrategia de envoltura de selección de variables que es voraz y hacia delante, mientras que el segundo, denominado MB-MBC, es una estrategia de filtrado de variables con una aproximación basada en restricciones y en el manto de Markov. Ambos métodos han sido aplicados a dos problemas reales importantes, a saber, la predicción de los inhibidores de la transcriptasa inversa y de la proteasa para el problema de infección por el virus de la inmunodeficiencia humana tipo 1 (HIV-1), y la predicción del European Quality of Life-5 Dimensions (EQ-5D) a partir de los cuestionarios de la enfermedad de Parkinson con 39 ítems (PDQ-39). El estudio experimental incluye comparaciones de CB-MBC y MB-MBC con los métodos del estado del arte de la clasificación multidimensional, así como con métodos comúnmente utilizados para resolver el problema de predicción de la enfermedad de Parkinson, a saber, la regresión logística multinomial, mínimos cuadrados ordinarios, y mínimas desviaciones absolutas censuradas. En ambas aplicaciones, los resultados han sido prometedores con respecto a la precisión de la clasificación, así como en relación al análisis de las estructuras gráficas que identifican interacciones conocidas y novedosas entre las variables. La segunda contribución, referida al problema de clasificación semi-supervisada unidimensional cambiante con el tiempo, consiste en un método nuevo (CPL-DS) para clasificar flujos de datos parcialmente etiquetados. Los flujos de datos difieren de los conjuntos de datos estacionarios en su proceso de generación muy rápido y en su aspecto de cambio de concepto. Es decir, los conceptos aprendidos y/o la distribución subyacente están probablemente cambiando y evolucionando en el tiempo, lo que hace que el modelo de clasificación actual sea obsoleto y deba ser actualizado. CPL-DS utiliza la divergencia de Kullback-Leibler y el método de bootstrapping para cuantificar y detectar tres tipos posibles de cambio: en las predictoras, en la a posteriori de la clase o en ambas. Después, si se detecta cualquier cambio, un nuevo modelo de clasificación se aprende usando el algoritmo EM; si no, el modelo de clasificación actual se mantiene sin modificaciones. CPL-DS es general, ya que puede ser aplicado a varios modelos de clasificación. Usando dos modelos diferentes, el clasificador naive Bayes y la regresión logística, CPL-DS se ha probado con flujos de datos sintéticos y también se ha aplicado al problema real de la detección de código malware, en el cual los nuevos ficheros recibidos deben ser continuamente clasificados en malware o goodware. Los resultados experimentales muestran que nuestro método es efectivo para la detección de diferentes tipos de cambio a partir de los flujos de datos parcialmente etiquetados y también tiene una buena precisión de la clasificación. Finalmente, la tercera contribución, sobre el problema de clasificación supervisada multidimensional cambiante con el tiempo, consiste en dos métodos adaptativos, a saber, Locally Adpative-MB-MBC (LA-MB-MBC) y Globally Adpative-MB-MBC (GA-MB-MBC). Ambos métodos monitorizan el cambio de concepto a lo largo del tiempo utilizando la log-verosimilitud media como métrica y el test de Page-Hinkley. Luego, si se detecta un cambio de concepto, LA-MB-MBC adapta el actual clasificador Bayesiano multidimensional localmente alrededor de cada nodo cambiado, mientras que GA-MB-MBC aprende un nuevo clasificador Bayesiano multidimensional. El estudio experimental realizado usando flujos de datos sintéticos multidimensionales indica los méritos de los métodos adaptativos propuestos. ABSTRACT Nowadays, with the ongoing and rapid evolution of information technology and computing devices, large volumes of data are continuously collected and stored in different domains and through various real-world applications. Extracting useful knowledge from such a huge amount of data usually cannot be performed manually, and requires the use of adequate machine learning and data mining techniques. Classification is one of the most important techniques that has been successfully applied to several areas. Roughly speaking, classification consists of two main steps: first, learn a classification model or classifier from an available training data, and secondly, classify the new incoming unseen data instances using the learned classifier. Classification is supervised when the whole class values are present in the training data (i.e., fully labeled data), semi-supervised when only some class values are known (i.e., partially labeled data), and unsupervised when the whole class values are missing in the training data (i.e., unlabeled data). In addition, besides this taxonomy, the classification problem can be categorized into uni-dimensional or multi-dimensional depending on the number of class variables, one or more, respectively; or can be also categorized into stationary or streaming depending on the characteristics of the data and the rate of change underlying it. Through this thesis, we deal with the classification problem under three different settings, namely, supervised multi-dimensional stationary classification, semi-supervised unidimensional streaming classification, and supervised multi-dimensional streaming classification. To accomplish this task, we basically used Bayesian network classifiers as models. The first contribution, addressing the supervised multi-dimensional stationary classification problem, consists of two new methods for learning multi-dimensional Bayesian network classifiers from stationary data. They are proposed from two different points of view. The first method, named CB-MBC, is based on a wrapper greedy forward selection approach, while the second one, named MB-MBC, is a filter constraint-based approach based on Markov blankets. Both methods are applied to two important real-world problems, namely, the prediction of the human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) reverse transcriptase and protease inhibitors, and the prediction of the European Quality of Life-5 Dimensions (EQ-5D) from 39-item Parkinson’s Disease Questionnaire (PDQ-39). The experimental study includes comparisons of CB-MBC and MB-MBC against state-of-the-art multi-dimensional classification methods, as well as against commonly used methods for solving the Parkinson’s disease prediction problem, namely, multinomial logistic regression, ordinary least squares, and censored least absolute deviations. For both considered case studies, results are promising in terms of classification accuracy as well as regarding the analysis of the learned MBC graphical structures identifying known and novel interactions among variables. The second contribution, addressing the semi-supervised uni-dimensional streaming classification problem, consists of a novel method (CPL-DS) for classifying partially labeled data streams. Data streams differ from the stationary data sets by their highly rapid generation process and their concept-drifting aspect. That is, the learned concepts and/or the underlying distribution are likely changing and evolving over time, which makes the current classification model out-of-date requiring to be updated. CPL-DS uses the Kullback-Leibler divergence and bootstrapping method to quantify and detect three possible kinds of drift: feature, conditional or dual. Then, if any occurs, a new classification model is learned using the expectation-maximization algorithm; otherwise, the current classification model is kept unchanged. CPL-DS is general as it can be applied to several classification models. Using two different models, namely, naive Bayes classifier and logistic regression, CPL-DS is tested with synthetic data streams and applied to the real-world problem of malware detection, where the new received files should be continuously classified into malware or goodware. Experimental results show that our approach is effective for detecting different kinds of drift from partially labeled data streams, as well as having a good classification performance. Finally, the third contribution, addressing the supervised multi-dimensional streaming classification problem, consists of two adaptive methods, namely, Locally Adaptive-MB-MBC (LA-MB-MBC) and Globally Adaptive-MB-MBC (GA-MB-MBC). Both methods monitor the concept drift over time using the average log-likelihood score and the Page-Hinkley test. Then, if a drift is detected, LA-MB-MBC adapts the current multi-dimensional Bayesian network classifier locally around each changed node, whereas GA-MB-MBC learns a new multi-dimensional Bayesian network classifier from scratch. Experimental study carried out using synthetic multi-dimensional data streams shows the merits of both proposed adaptive methods.

MedVir: an interactive representation system of multidimensional medical data applied to Traumatic Brain Injury's rehabilitation prediction

Clinicians could model the brain injury of a patient through his brain activity. However, how this model is defined and how it changes when the patient is recovering are questions yet unanswered. In this paper, the use of MedVir framework is proposed with the aim of answering these questions. Based on complex data mining techniques, this provides not only the differentiation between TBI patients and control subjects (with a 72% of accuracy using 0.632 Bootstrap validation), but also the ability to detect whether a patient may recover or not, and all of that in a quick and easy way through a visualization technique which allows interaction.

Mining mobile apps reviews to support release planning

The mobile apps market is a tremendous success, with millions of apps downloaded and used every day by users spread all around the world. For apps’ developers, having their apps published on one of the major app stores (e.g. Google Play market) is just the beginning of the apps lifecycle. Indeed, in order to successfully compete with the other apps in the market, an app has to be updated frequently by adding new attractive features and by fixing existing bugs. Clearly, any developer interested in increasing the success of her app should try to implement features desired by the app’s users and to fix bugs affecting the user experience of many of them. A precious source of information to decide how to collect users’ opinions and wishes is represented by the reviews left by users on the store from which they downloaded the app. However, to exploit such information the app’s developer should manually read each user review and verify if it contains useful information (e.g. suggestions for new features). This is something not doable if the app receives hundreds of reviews per day, as happens for the very popular apps on the market. In this work, our aim is to provide support to mobile apps developers by proposing a novel approach exploiting data mining, natural language processing, machine learning, and clustering techniques in order to classify the user reviews on the basis of the information they contain (e.g. useless, suggestion for new features, bugs reporting). Such an approach has been empirically evaluated and made available in a web-­‐based tool publicly available to all apps’ developers. The achieved results showed that the developed tool: (i) is able to correctly categorise user reviews on the basis of their content (e.g. isolating those reporting bugs) with 78% of accuracy, (ii) produces clusters of reviews (e.g. groups together reviews indicating exactly the same bug to be fixed) that are meaningful from a developer’s point-­‐of-­‐view, and (iii) is considered useful by a software company working in the mobile apps’ development market.

Proposal for the Management of temporal and semantic components of Geographic Information

This poster raises the issue of a research work oriented to the storage, retrieval, representation and analysis of dynamic GI, taking into account The ultimate objective is the modelling and representation of the dynamic nature of geographic features, establishing mechanisms to store geometries enriched with a temporal structure (regardless of space) and a set of semantic descriptors detailing and clarifying the nature of the represented features and their temporality. the semantic, the temporal and the spatiotemporal components. We intend to define a set of methods, rules and restrictions for the adequate integration of these components into the primary elements of the GI: theme, location, time [1]. We intend to establish and incorporate three new structures (layers) into the core of data storage by using mark-up languages: a semantictemporal structure, a geosemantic structure, and an incremental spatiotemporal structure. Thus, data would be provided with the capability of pinpointing and expressing their own basic and temporal characteristics, enabling them to interact each other according to their context, and their time and meaning relationships that could be eventually established

Contribution to multiuser videoconferencing systems based on cloud computing

Multi-user videoconferencing systems offer communication between more than two users, who are able to interact through their webcams, microphones and other components. The use of these systems has been increased recently due to, on the one hand, improvements in Internet access, networks of companies, universities and houses, whose available bandwidth has been increased whilst the delay in sending and receiving packets has decreased. On the other hand, the advent of Rich Internet Applications (RIA) means that a large part of web application logic and control has started to be implemented on the web browsers. This has allowed developers to create web applications with a level of complexity comparable to traditional desktop applications, running on top of the Operating Systems. More recently the use of Cloud Computing systems has improved application scalability and involves a reduction in the price of backend systems. This offers the possibility of implementing web services on the Internet with no need to spend a lot of money when deploying infrastructures and resources, both hardware and software. Nevertheless there are not many initiatives that aim to implement videoconferencing systems taking advantage of Cloud systems. This dissertation proposes a set of techniques, interfaces and algorithms for the implementation of videoconferencing systems in public and private Cloud Computing infrastructures. The mechanisms proposed here are based on the implementation of a basic videoconferencing system that runs on the web browser without any previous installation requirements. To this end, the development of this thesis starts from a RIA application with current technologies that allow users to access their webcams and microphones from the browser, and to send captured data through their Internet connections. Furthermore interfaces have been implemented to allow end users to participate in videoconferencing rooms that are managed in different Cloud provider servers. To do so this dissertation starts from the results obtained from the previous techniques and backend resources were implemented in the Cloud. A traditional videoconferencing service which was implemented in the department was modified to meet typical Cloud Computing infrastructure requirements. This allowed us to validate whether Cloud Computing public infrastructures are suitable for the traffic generated by this kind of system. This analysis focused on the network level and processing capacity and stability of the Cloud Computing systems. In order to improve this validation several other general considerations were taken in order to cover more cases, such as multimedia data processing in the Cloud, as research activity has increased in this area in recent years. The last stage of this dissertation is the design of a new methodology to implement these kinds of applications in hybrid clouds reducing the cost of videoconferencing systems. Finally, this dissertation opens up a discussion about the conclusions obtained throughout this study, resulting in useful information from the different stages of the implementation of videoconferencing systems in Cloud Computing systems. RESUMEN Los sistemas de videoconferencia multiusuario permiten la comunicación entre más de dos usuarios que pueden interactuar a través de cámaras de video, micrófonos y otros elementos. En los últimos años el uso de estos sistemas se ha visto incrementado gracias, por un lado, a la mejora de las redes de acceso en las conexiones a Internet en empresas, universidades y viviendas, que han visto un aumento del ancho de banda disponible en dichas conexiones y una disminución en el retardo experimentado por los datos enviados y recibidos. Por otro lado también ayudó la aparación de las Aplicaciones Ricas de Internet (RIA) con las que gran parte de la lógica y del control de las aplicaciones web comenzó a ejecutarse en los mismos navegadores. Esto permitió a los desarrolladores la creación de aplicaciones web cuya complejidad podía compararse con la de las tradicionales aplicaciones de escritorio, ejecutadas directamente por los sistemas operativos. Más recientemente el uso de sistemas de Cloud Computing ha mejorado la escalabilidad y el abaratamiento de los costes para sistemas de backend, ofreciendo la posibilidad de implementar servicios Web en Internet sin la necesidad de grandes desembolsos iniciales en las áreas de infraestructuras y recursos tanto hardware como software. Sin embargo no existen aún muchas iniciativas con el objetivo de realizar sistemas de videoconferencia que aprovechen las ventajas del Cloud. Esta tesis doctoral propone un conjunto de técnicas, interfaces y algoritmos para la implentación de sistemas de videoconferencia en infraestructuras tanto públicas como privadas de Cloud Computing. Las técnicas propuestas en la tesis se basan en la realización de un servicio básico de videoconferencia que se ejecuta directamente en el navegador sin la necesidad de instalar ningún tipo de aplicación de escritorio. Para ello el desarrollo de esta tesis parte de una aplicación RIA con tecnologías que hoy en día permiten acceder a la cámara y al micrófono directamente desde el navegador, y enviar los datos que capturan a través de la conexión de Internet. Además se han implementado interfaces que permiten a usuarios finales la participación en salas de videoconferencia que se ejecutan en servidores de proveedores de Cloud. Para ello se partió de los resultados obtenidos en las técnicas anteriores de ejecución de aplicaciones en el navegador y se implementaron los recursos de backend en la nube. Además se modificó un servicio ya existente implementado en el departamento para adaptarlo a los requisitos típicos de las infraestructuras de Cloud Computing. Alcanzado este punto se procedió a analizar si las infraestructuras propias de los proveedores públicos de Cloud Computing podrían soportar el tráfico generado por los sistemas que se habían adaptado. Este análisis se centró tanto a nivel de red como a nivel de capacidad de procesamiento y estabilidad de los sistemas. Para los pasos de análisis y validación de los sistemas Cloud se tomaron consideraciones más generales para abarcar casos como el procesamiento de datos multimedia en la nube, campo en el que comienza a haber bastante investigación en los últimos años. Como último paso se ideó una metodología de implementación de este tipo de aplicaciones para que fuera posible abaratar los costes de los sistemas de videoconferencia haciendo uso de clouds híbridos. Finalmente en la tesis se abre una discusión sobre las conclusiones obtenidas a lo largo de este amplio estudio, obteniendo resultados útiles en las distintas etapas de implementación de los sistemas de videoconferencia en la nube.

Optimizing Functional Network Representation of Multivariate Time Series

By combining complex network theory and data mining techniques, we provide objective criteria for optimization of the functional network representation of generic multivariate time series. In particular, we propose a method for the principled selection of the threshold value for functional network reconstruction from raw data, and for proper identification of the network's indicators that unveil the most discriminative information on the system for classification purposes. We illustrate our method by analysing networks of functional brain activity of healthy subjects, and patients suffering from Mild Cognitive Impairment, an intermediate stage between the expected cognitive decline of normal aging and the more pronounced decline of dementia. We discuss extensions of the scope of the proposed methodology to network engineering purposes, and to other data mining tasks.

Unified access to media metadata on the web: Towards interoperability using a core vocabulary.

The goal of the W3C's Media Annotation Working Group (MAWG) is to promote interoperability between multimedia metadata formats on the Web. As experienced by everybody, audiovisual data is omnipresent on today's Web. However, different interaction interfaces and especially diverse metadata formats prevent unified search, access, and navigation. MAWG has addressed this issue by developing an interlingua ontology and an associated API. This article discusses the rationale and core concepts of the ontology and API for media resources. The specifications developed by MAWG enable interoperable contextualized and semantic annotation and search, independent of the source metadata format, and connecting multimedia data to the Linked Data cloud. Some demonstrators of such applications are also presented in this article.

Use of decision trees algorithm for the territorial logistic planning.

Data mining, and in particular decision trees have been used in different fields: engineering, medicine, banking and finance, etc., to analyze a target variable through decision variables. The following article examines the use of the decision trees algorithm as a tool in territorial logistic planning. The decision tree built has estimated population density indexes for territorial units with similar logistics characteristics in a concise and practical way.

MEDVIR: 3D visual interface applied to gene profile analisys.

The origins for this work arise in response to the increasing need for biologists and doctors to obtain tools for visual analysis of data. When dealing with multidimensional data, such as medical data, the traditional data mining techniques can be a tedious and complex task, even to some medical experts. Therefore, it is necessary to develop useful visualization techniques that can complement the expert’s criterion, and at the same time visually stimulate and make easier the process of obtaining knowledge from a dataset. Thus, the process of interpretation and understanding of the data can be greatly enriched. Multidimensionality is inherent to any medical data, requiring a time-consuming effort to get a clinical useful outcome. Unfortunately, both clinicians and biologists are not trained in managing more than four dimensions. Specifically, we were aimed to design a 3D visual interface for gene profile analysis easy in order to be used both by medical and biologist experts. In this way, a new analysis method is proposed: MedVir. This is a simple and intuitive analysis mechanism based on the visualization of any multidimensional medical data in a three dimensional space that allows interaction with experts in order to collaborate and enrich this representation. In other words, MedVir makes a powerful reduction in data dimensionality in order to represent the original information into a three dimensional environment. The experts can interact with the data and draw conclusions in a visual and quickly way.

Nanoinformatics knowledge infrastructures: bringing efficient information management to nanomedical research

Nanotechnology represents an area of particular promise and significant opportunity across multiple scientific disciplines. Ongoing nanotechnology research ranges from the characterization of nanoparticles and nanomaterials to the analysis and processing of experimental data seeking correlations between nanoparticles and their functionalities and side effects. Due to their special properties, nanoparticles are suitable for cellular-level diagnostics and therapy, offering numerous applications in medicine, e.g. development of biomedical devices, tissue repair, drug delivery systems and biosensors. In nanomedicine, recent studies are producing large amounts of structural and property data, highlighting the role for computational approaches in information management. While in vitro and in vivo assays are expensive, the cost of computing is falling. Furthermore, improvements in the accuracy of computational methods (e.g. data mining, knowledge discovery, modeling and simulation) have enabled effective tools to automate the extraction, management and storage of these vast data volumes. Since this information is widely distributed, one major issue is how to locate and access data where it resides (which also poses data-sharing limitations). The novel discipline of nanoinformatics addresses the information challenges related to nanotechnology research. In this paper, we summarize the needs and challenges in the field and present an overview of extant initiatives and efforts.

Algoritmos de agrupación para flujos de datos en entornos centralizados y distribuidos

Los avances en el hardware permiten disponer de grandes volúmenes de datos, surgiendo aplicaciones que deben suministrar información en tiempo cuasi-real, la monitorización de pacientes, ej., el seguimiento sanitario de las conducciones de agua, etc. Las necesidades de estas aplicaciones hacen emerger el modelo de flujo de datos (data streaming) frente al modelo almacenar-para-despuésprocesar (store-then-process). Mientras que en el modelo store-then-process, los datos son almacenados para ser posteriormente consultados; en los sistemas de streaming, los datos son procesados a su llegada al sistema, produciendo respuestas continuas sin llegar a almacenarse. Esta nueva visión impone desafíos para el procesamiento de datos al vuelo: 1) las respuestas deben producirse de manera continua cada vez que nuevos datos llegan al sistema; 2) los datos son accedidos solo una vez y, generalmente, no son almacenados en su totalidad; y 3) el tiempo de procesamiento por dato para producir una respuesta debe ser bajo. Aunque existen dos modelos para el cómputo de respuestas continuas, el modelo evolutivo y el de ventana deslizante; éste segundo se ajusta mejor en ciertas aplicaciones al considerar únicamente los datos recibidos más recientemente, en lugar de todo el histórico de datos. En los últimos años, la minería de datos en streaming se ha centrado en el modelo evolutivo. Mientras que, en el modelo de ventana deslizante, el trabajo presentado es más reducido ya que estos algoritmos no sólo deben de ser incrementales si no que deben borrar la información que caduca por el deslizamiento de la ventana manteniendo los anteriores tres desafíos. Una de las tareas fundamentales en minería de datos es la búsqueda de agrupaciones donde, dado un conjunto de datos, el objetivo es encontrar grupos representativos, de manera que se tenga una descripción sintética del conjunto. Estas agrupaciones son fundamentales en aplicaciones como la detección de intrusos en la red o la segmentación de clientes en el marketing y la publicidad. Debido a las cantidades masivas de datos que deben procesarse en este tipo de aplicaciones (millones de eventos por segundo), las soluciones centralizadas puede ser incapaz de hacer frente a las restricciones de tiempo de procesamiento, por lo que deben recurrir a descartar datos durante los picos de carga. Para evitar esta perdida de datos, se impone el procesamiento distribuido de streams, en concreto, los algoritmos de agrupamiento deben ser adaptados para este tipo de entornos, en los que los datos están distribuidos. En streaming, la investigación no solo se centra en el diseño para tareas generales, como la agrupación, sino también en la búsqueda de nuevos enfoques que se adapten mejor a escenarios particulares. Como ejemplo, un mecanismo de agrupación ad-hoc resulta ser más adecuado para la defensa contra la denegación de servicio distribuida (Distributed Denial of Services, DDoS) que el problema tradicional de k-medias. En esta tesis se pretende contribuir en el problema agrupamiento en streaming tanto en entornos centralizados y distribuidos. Hemos diseñado un algoritmo centralizado de clustering mostrando las capacidades para descubrir agrupaciones de alta calidad en bajo tiempo frente a otras soluciones del estado del arte, en una amplia evaluación. Además, se ha trabajado sobre una estructura que reduce notablemente el espacio de memoria necesario, controlando, en todo momento, el error de los cómputos. Nuestro trabajo también proporciona dos protocolos de distribución del cómputo de agrupaciones. Se han analizado dos características fundamentales: el impacto sobre la calidad del clustering al realizar el cómputo distribuido y las condiciones necesarias para la reducción del tiempo de procesamiento frente a la solución centralizada. Finalmente, hemos desarrollado un entorno para la detección de ataques DDoS basado en agrupaciones. En este último caso, se ha caracterizado el tipo de ataques detectados y se ha desarrollado una evaluación sobre la eficiencia y eficacia de la mitigación del impacto del ataque. ABSTRACT Advances in hardware allow to collect huge volumes of data emerging applications that must provide information in near-real time, e.g., patient monitoring, health monitoring of water pipes, etc. The data streaming model emerges to comply with these applications overcoming the traditional store-then-process model. With the store-then-process model, data is stored before being consulted; while, in streaming, data are processed on the fly producing continuous responses. The challenges of streaming for processing data on the fly are the following: 1) responses must be produced continuously whenever new data arrives in the system; 2) data is accessed only once and is generally not maintained in its entirety, and 3) data processing time to produce a response should be low. Two models exist to compute continuous responses: the evolving model and the sliding window model; the latter fits best with applications must be computed over the most recently data rather than all the previous data. In recent years, research in the context of data stream mining has focused mainly on the evolving model. In the sliding window model, the work presented is smaller since these algorithms must be incremental and they must delete the information which expires when the window slides. Clustering is one of the fundamental techniques of data mining and is used to analyze data sets in order to find representative groups that provide a concise description of the data being processed. Clustering is critical in applications such as network intrusion detection or customer segmentation in marketing and advertising. Due to the huge amount of data that must be processed by such applications (up to millions of events per second), centralized solutions are usually unable to cope with timing restrictions and recur to shedding techniques where data is discarded during load peaks. To avoid discarding of data, processing of streams (such as clustering) must be distributed and adapted to environments where information is distributed. In streaming, research does not only focus on designing for general tasks, such as clustering, but also in finding new approaches that fit bests with particular scenarios. As an example, an ad-hoc grouping mechanism turns out to be more adequate than k-means for defense against Distributed Denial of Service (DDoS). This thesis contributes to the data stream mining clustering technique both for centralized and distributed environments. We present a centralized clustering algorithm showing capabilities to discover clusters of high quality in low time and we provide a comparison with existing state of the art solutions. We have worked on a data structure that significantly reduces memory requirements while controlling the error of the clusters statistics. We also provide two distributed clustering protocols. We focus on the analysis of two key features: the impact on the clustering quality when computation is distributed and the requirements for reducing the processing time compared to the centralized solution. Finally, with respect to ad-hoc grouping techniques, we have developed a DDoS detection framework based on clustering.We have characterized the attacks detected and we have evaluated the efficiency and effectiveness of mitigating the attack impact.

Run-Time Scalable Hardware for Reconfigurable Systems

La optimización de parámetros tales como el consumo de potencia, la cantidad de recursos lógicos empleados o la ocupación de memoria ha sido siempre una de las preocupaciones principales a la hora de diseñar sistemas embebidos. Esto es debido a que se trata de sistemas dotados de una cantidad de recursos limitados, y que han sido tradicionalmente empleados para un propósito específico, que permanece invariable a lo largo de toda la vida útil del sistema. Sin embargo, el uso de sistemas embebidos se ha extendido a áreas de aplicación fuera de su ámbito tradicional, caracterizadas por una mayor demanda computacional. Así, por ejemplo, algunos de estos sistemas deben llevar a cabo un intenso procesado de señales multimedia o la transmisión de datos mediante sistemas de comunicaciones de alta capacidad. Por otra parte, las condiciones de operación del sistema pueden variar en tiempo real. Esto sucede, por ejemplo, si su funcionamiento depende de datos medidos por el propio sistema o recibidos a través de la red, de las demandas del usuario en cada momento, o de condiciones internas del propio dispositivo, tales como la duración de la batería. Como consecuencia de la existencia de requisitos de operación dinámicos es necesario ir hacia una gestión dinámica de los recursos del sistema. Si bien el software es inherentemente flexible, no ofrece una potencia computacional tan alta como el hardware. Por lo tanto, el hardware reconfigurable aparece como una solución adecuada para tratar con mayor flexibilidad los requisitos variables dinámicamente en sistemas con alta demanda computacional. La flexibilidad y adaptabilidad del hardware requieren de dispositivos reconfigurables que permitan la modificación de su funcionalidad bajo demanda. En esta tesis se han seleccionado las FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) como los dispositivos más apropiados, hoy en día, para implementar sistemas basados en hardware reconfigurable De entre todas las posibilidades existentes para explotar la capacidad de reconfiguración de las FPGAs comerciales, se ha seleccionado la reconfiguración dinámica y parcial. Esta técnica consiste en substituir una parte de la lógica del dispositivo, mientras el resto continúa en funcionamiento. La capacidad de reconfiguración dinámica y parcial de las FPGAs es empleada en esta tesis para tratar con los requisitos de flexibilidad y de capacidad computacional que demandan los dispositivos embebidos. La propuesta principal de esta tesis doctoral es el uso de arquitecturas de procesamiento escalables espacialmente, que son capaces de adaptar su funcionalidad y rendimiento en tiempo real, estableciendo un compromiso entre dichos parámetros y la cantidad de lógica que ocupan en el dispositivo. A esto nos referimos con arquitecturas con huellas escalables. En particular, se propone el uso de arquitecturas altamente paralelas, modulares, regulares y con una alta localidad en sus comunicaciones, para este propósito. El tamaño de dichas arquitecturas puede ser modificado mediante la adición o eliminación de algunos de los módulos que las componen, tanto en una dimensión como en dos. Esta estrategia permite implementar soluciones escalables, sin tener que contar con una versión de las mismas para cada uno de los tamaños posibles de la arquitectura. De esta manera se reduce significativamente el tiempo necesario para modificar su tamaño, así como la cantidad de memoria necesaria para almacenar todos los archivos de configuración. En lugar de proponer arquitecturas para aplicaciones específicas, se ha optado por patrones de procesamiento genéricos, que pueden ser ajustados para solucionar distintos problemas en el estado del arte. A este respecto, se proponen patrones basados en esquemas sistólicos, así como de tipo wavefront. Con el objeto de poder ofrecer una solución integral, se han tratado otros aspectos relacionados con el diseño y el funcionamiento de las arquitecturas, tales como el control del proceso de reconfiguración de la FPGA, la integración de las arquitecturas en el resto del sistema, así como las técnicas necesarias para su implementación. Por lo que respecta a la implementación, se han tratado distintos aspectos de bajo nivel dependientes del dispositivo. Algunas de las propuestas realizadas a este respecto en la presente tesis doctoral son un router que es capaz de garantizar el correcto rutado de los módulos reconfigurables dentro del área destinada para ellos, así como una estrategia para la comunicación entre módulos que no introduce ningún retardo ni necesita emplear recursos configurables del dispositivo. El flujo de diseño propuesto se ha automatizado mediante una herramienta denominada DREAMS. La herramienta se encarga de la modificación de las netlists correspondientes a cada uno de los módulos reconfigurables del sistema, y que han sido generadas previamente mediante herramientas comerciales. Por lo tanto, el flujo propuesto se entiende como una etapa de post-procesamiento, que adapta esas netlists a los requisitos de la reconfiguración dinámica y parcial. Dicha modificación la lleva a cabo la herramienta de una forma completamente automática, por lo que la productividad del proceso de diseño aumenta de forma evidente. Para facilitar dicho proceso, se ha dotado a la herramienta de una interfaz gráfica. El flujo de diseño propuesto, y la herramienta que lo soporta, tienen características específicas para abordar el diseño de las arquitecturas dinámicamente escalables propuestas en esta tesis. Entre ellas está el soporte para el realojamiento de módulos reconfigurables en posiciones del dispositivo distintas a donde el módulo es originalmente implementado, así como la generación de estructuras de comunicación compatibles con la simetría de la arquitectura. El router has sido empleado también en esta tesis para obtener un rutado simétrico entre nets equivalentes. Dicha posibilidad ha sido explotada para aumentar la protección de circuitos con altos requisitos de seguridad, frente a ataques de canal lateral, mediante la implantación de lógica complementaria con rutado idéntico. Para controlar el proceso de reconfiguración de la FPGA, se propone en esta tesis un motor de reconfiguración especialmente adaptado a los requisitos de las arquitecturas dinámicamente escalables. Además de controlar el puerto de reconfiguración, el motor de reconfiguración ha sido dotado de la capacidad de realojar módulos reconfigurables en posiciones arbitrarias del dispositivo, en tiempo real. De esta forma, basta con generar un único bitstream por cada módulo reconfigurable del sistema, independientemente de la posición donde va a ser finalmente reconfigurado. La estrategia seguida para implementar el proceso de realojamiento de módulos es diferente de las propuestas existentes en el estado del arte, pues consiste en la composición de los archivos de configuración en tiempo real. De esta forma se consigue aumentar la velocidad del proceso, mientras que se reduce la longitud de los archivos de configuración parciales a almacenar en el sistema. El motor de reconfiguración soporta módulos reconfigurables con una altura menor que la altura de una región de reloj del dispositivo. Internamente, el motor se encarga de la combinación de los frames que describen el nuevo módulo, con la configuración existente en el dispositivo previamente. El escalado de las arquitecturas de procesamiento propuestas en esta tesis también se puede beneficiar de este mecanismo. Se ha incorporado también un acceso directo a una memoria externa donde se pueden almacenar bitstreams parciales. Para acelerar el proceso de reconfiguración se ha hecho funcionar el ICAP por encima de la máxima frecuencia de reloj aconsejada por el fabricante. Así, en el caso de Virtex-5, aunque la máxima frecuencia del reloj deberían ser 100 MHz, se ha conseguido hacer funcionar el puerto de reconfiguración a frecuencias de operación de hasta 250 MHz, incluyendo el proceso de realojamiento en tiempo real. Se ha previsto la posibilidad de portar el motor de reconfiguración a futuras familias de FPGAs. Por otro lado, el motor de reconfiguración se puede emplear para inyectar fallos en el propio dispositivo hardware, y así ser capaces de evaluar la tolerancia ante los mismos que ofrecen las arquitecturas reconfigurables. Los fallos son emulados mediante la generación de archivos de configuración a los que intencionadamente se les ha introducido un error, de forma que se modifica su funcionalidad. Con el objetivo de comprobar la validez y los beneficios de las arquitecturas propuestas en esta tesis, se han seguido dos líneas principales de aplicación. En primer lugar, se propone su uso como parte de una plataforma adaptativa basada en hardware evolutivo, con capacidad de escalabilidad, adaptabilidad y recuperación ante fallos. En segundo lugar, se ha desarrollado un deblocking filter escalable, adaptado a la codificación de vídeo escalable, como ejemplo de aplicación de las arquitecturas de tipo wavefront propuestas. El hardware evolutivo consiste en el uso de algoritmos evolutivos para diseñar hardware de forma autónoma, explotando la flexibilidad que ofrecen los dispositivos reconfigurables. En este caso, los elementos de procesamiento que componen la arquitectura son seleccionados de una biblioteca de elementos presintetizados, de acuerdo con las decisiones tomadas por el algoritmo evolutivo, en lugar de definir la configuración de las mismas en tiempo de diseño. De esta manera, la configuración del core puede cambiar cuando lo hacen las condiciones del entorno, en tiempo real, por lo que se consigue un control autónomo del proceso de reconfiguración dinámico. Así, el sistema es capaz de optimizar, de forma autónoma, su propia configuración. El hardware evolutivo tiene una capacidad inherente de auto-reparación. Se ha probado que las arquitecturas evolutivas propuestas en esta tesis son tolerantes ante fallos, tanto transitorios, como permanentes y acumulativos. La plataforma evolutiva se ha empleado para implementar filtros de eliminación de ruido. La escalabilidad también ha sido aprovechada en esta aplicación. Las arquitecturas evolutivas escalables permiten la adaptación autónoma de los cores de procesamiento ante fluctuaciones en la cantidad de recursos disponibles en el sistema. Por lo tanto, constituyen un ejemplo de escalabilidad dinámica para conseguir un determinado nivel de calidad, que puede variar en tiempo real. Se han propuesto dos variantes de sistemas escalables evolutivos. El primero consiste en un único core de procesamiento evolutivo, mientras que el segundo está formado por un número variable de arrays de procesamiento. La codificación de vídeo escalable, a diferencia de los codecs no escalables, permite la decodificación de secuencias de vídeo con diferentes niveles de calidad, de resolución temporal o de resolución espacial, descartando la información no deseada. Existen distintos algoritmos que soportan esta característica. En particular, se va a emplear el estándar Scalable Video Coding (SVC), que ha sido propuesto como una extensión de H.264/AVC, ya que este último es ampliamente utilizado tanto en la industria, como a nivel de investigación. Para poder explotar toda la flexibilidad que ofrece el estándar, hay que permitir la adaptación de las características del decodificador en tiempo real. El uso de las arquitecturas dinámicamente escalables es propuesto en esta tesis con este objetivo. El deblocking filter es un algoritmo que tiene como objetivo la mejora de la percepción visual de la imagen reconstruida, mediante el suavizado de los "artefactos" de bloque generados en el lazo del codificador. Se trata de una de las tareas más intensivas en procesamiento de datos de H.264/AVC y de SVC, y además, su carga computacional es altamente dependiente del nivel de escalabilidad seleccionado en el decodificador. Por lo tanto, el deblocking filter ha sido seleccionado como prueba de concepto de la aplicación de las arquitecturas dinámicamente escalables para la compresión de video. La arquitectura propuesta permite añadir o eliminar unidades de computación, siguiendo un esquema de tipo wavefront. La arquitectura ha sido propuesta conjuntamente con un esquema de procesamiento en paralelo del deblocking filter a nivel de macrobloque, de tal forma que cuando se varía del tamaño de la arquitectura, el orden de filtrado de los macrobloques varia de la misma manera. El patrón propuesto se basa en la división del procesamiento de cada macrobloque en dos etapas independientes, que se corresponden con el filtrado horizontal y vertical de los bloques dentro del macrobloque. Las principales contribuciones originales de esta tesis son las siguientes: - El uso de arquitecturas altamente regulares, modulares, paralelas y con una intensa localidad en sus comunicaciones, para implementar cores de procesamiento dinámicamente reconfigurables. - El uso de arquitecturas bidimensionales, en forma de malla, para construir arquitecturas dinámicamente escalables, con una huella escalable. De esta forma, las arquitecturas permiten establecer un compromiso entre el área que ocupan en el dispositivo, y las prestaciones que ofrecen en cada momento. Se proponen plantillas de procesamiento genéricas, de tipo sistólico o wavefront, que pueden ser adaptadas a distintos problemas de procesamiento. - Un flujo de diseño y una herramienta que lo soporta, para el diseño de sistemas reconfigurables dinámicamente, centradas en el diseño de las arquitecturas altamente paralelas, modulares y regulares propuestas en esta tesis. - Un esquema de comunicaciones entre módulos reconfigurables que no introduce ningún retardo ni requiere el uso de recursos lógicos propios. - Un router flexible, capaz de resolver los conflictos de rutado asociados con el diseño de sistemas reconfigurables dinámicamente. - Un algoritmo de optimización para sistemas formados por múltiples cores escalables que optimice, mediante un algoritmo genético, los parámetros de dicho sistema. Se basa en un modelo conocido como el problema de la mochila. - Un motor de reconfiguración adaptado a los requisitos de las arquitecturas altamente regulares y modulares. Combina una alta velocidad de reconfiguración, con la capacidad de realojar módulos en tiempo real, incluyendo el soporte para la reconfiguración de regiones que ocupan menos que una región de reloj, así como la réplica de un módulo reconfigurable en múltiples posiciones del dispositivo. - Un mecanismo de inyección de fallos que, empleando el motor de reconfiguración del sistema, permite evaluar los efectos de fallos permanentes y transitorios en arquitecturas reconfigurables. - La demostración de las posibilidades de las arquitecturas propuestas en esta tesis para la implementación de sistemas de hardware evolutivos, con una alta capacidad de procesamiento de datos. - La implementación de sistemas de hardware evolutivo escalables, que son capaces de tratar con la fluctuación de la cantidad de recursos disponibles en el sistema, de una forma autónoma. - Una estrategia de procesamiento en paralelo para el deblocking filter compatible con los estándares H.264/AVC y SVC que reduce el número de ciclos de macrobloque necesarios para procesar un frame de video. - Una arquitectura dinámicamente escalable que permite la implementación de un nuevo deblocking filter, totalmente compatible con los estándares H.264/AVC y SVC, que explota el paralelismo a nivel de macrobloque. El presente documento se organiza en siete capítulos. En el primero se ofrece una introducción al marco tecnológico de esta tesis, especialmente centrado en la reconfiguración dinámica y parcial de FPGAs. También se motiva la necesidad de las arquitecturas dinámicamente escalables propuestas en esta tesis. En el capítulo 2 se describen las arquitecturas dinámicamente escalables. Dicha descripción incluye la mayor parte de las aportaciones a nivel arquitectural realizadas en esta tesis. Por su parte, el flujo de diseño adaptado a dichas arquitecturas se propone en el capítulo 3. El motor de reconfiguración se propone en el 4, mientras que el uso de dichas arquitecturas para implementar sistemas de hardware evolutivo se aborda en el 5. El deblocking filter escalable se describe en el 6, mientras que las conclusiones finales de esta tesis, así como la descripción del trabajo futuro, son abordadas en el capítulo 7. ABSTRACT The optimization of system parameters, such as power dissipation, the amount of hardware resources and the memory footprint, has been always a main concern when dealing with the design of resource-constrained embedded systems. This situation is even more demanding nowadays. Embedded systems cannot anymore be considered only as specific-purpose computers, designed for a particular functionality that remains unchanged during their lifetime. Differently, embedded systems are now required to deal with more demanding and complex functions, such as multimedia data processing and high-throughput connectivity. In addition, system operation may depend on external data, the user requirements or internal variables of the system, such as the battery life-time. All these conditions may vary at run-time, leading to adaptive scenarios. As a consequence of both the growing computational complexity and the existence of dynamic requirements, dynamic resource management techniques for embedded systems are needed. Software is inherently flexible, but it cannot meet the computing power offered by hardware solutions. Therefore, reconfigurable hardware emerges as a suitable technology to deal with the run-time variable requirements of complex embedded systems. Adaptive hardware requires the use of reconfigurable devices, where its functionality can be modified on demand. In this thesis, Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) have been selected as the most appropriate commercial technology existing nowadays to implement adaptive hardware systems. There are different ways of exploiting reconfigurability in reconfigurable devices. Among them is dynamic and partial reconfiguration. This is a technique which consists in substituting part of the FPGA logic on demand, while the rest of the device continues working. The strategy followed in this thesis is to exploit the dynamic and partial reconfiguration of commercial FPGAs to deal with the flexibility and complexity demands of state-of-the-art embedded systems. The proposal of this thesis to deal with run-time variable system conditions is the use of spatially scalable processing hardware IP cores, which are able to adapt their functionality or performance at run-time, trading them off with the amount of logic resources they occupy in the device. This is referred to as a scalable footprint in the context of this thesis. The distinguishing characteristic of the proposed cores is that they rely on highly parallel, modular and regular architectures, arranged in one or two dimensions. These architectures can be scaled by means of the addition or removal of the composing blocks. This strategy avoids implementing a full version of the core for each possible size, with the corresponding benefits in terms of scaling and adaptation time, as well as bitstream storage memory requirements. Instead of providing specific-purpose architectures, generic architectural templates, which can be tuned to solve different problems, are proposed in this thesis. Architectures following both systolic and wavefront templates have been selected. Together with the proposed scalable architectural templates, other issues needed to ensure the proper design and operation of the scalable cores, such as the device reconfiguration control, the run-time management of the architecture and the implementation techniques have been also addressed in this thesis. With regard to the implementation of dynamically reconfigurable architectures, device dependent low-level details are addressed. Some of the aspects covered in this thesis are the area constrained routing for reconfigurable modules, or an inter-module communication strategy which does not introduce either extra delay or logic overhead. The system implementation, from the hardware description to the device configuration bitstream, has been fully automated by modifying the netlists corresponding to each of the system modules, which are previously generated using the vendor tools. This modification is therefore envisaged as a post-processing step. Based on these implementation proposals, a design tool called DREAMS (Dynamically Reconfigurable Embedded and Modular Systems) has been created, including a graphic user interface. The tool has specific features to cope with modular and regular architectures, including the support for module relocation and the inter-module communications scheme based on the symmetry of the architecture. The core of the tool is a custom router, which has been also exploited in this thesis to obtain symmetric routed nets, with the aim of enhancing the protection of critical reconfigurable circuits against side channel attacks. This is achieved by duplicating the logic with an exactly equal routing. In order to control the reconfiguration process of the FPGA, a Reconfiguration Engine suited to the specific requirements set by the proposed architectures was also proposed. Therefore, in addition to controlling the reconfiguration port, the Reconfiguration Engine has been enhanced with the online relocation ability, which allows employing a unique configuration bitstream for all the positions where the module may be placed in the device. Differently to the existing relocating solutions, which are based on bitstream parsers, the proposed approach is based on the online composition of bitstreams. This strategy allows increasing the speed of the process, while the length of partial bitstreams is also reduced. The height of the reconfigurable modules can be lower than the height of a clock region. The Reconfiguration Engine manages the merging process of the new and the existing configuration frames within each clock region. The process of scaling up and down the hardware cores also benefits from this technique. A direct link to an external memory where partial bitstreams can be stored has been also implemented. In order to accelerate the reconfiguration process, the ICAP has been overclocked over the speed reported by the manufacturer. In the case of Virtex-5, even though the maximum frequency of the ICAP is reported to be 100 MHz, valid operations at 250 MHz have been achieved, including the online relocation process. Portability of the reconfiguration solution to today's and probably, future FPGAs, has been also considered. The reconfiguration engine can be also used to inject faults in real hardware devices, and this way being able to evaluate the fault tolerance offered by the reconfigurable architectures. Faults are emulated by introducing partial bitstreams intentionally modified to provide erroneous functionality. To prove the validity and the benefits offered by the proposed architectures, two demonstration application lines have been envisaged. First, scalable architectures have been employed to develop an evolvable hardware platform with adaptability, fault tolerance and scalability properties. Second, they have been used to implement a scalable deblocking filter suited to scalable video coding. Evolvable Hardware is the use of evolutionary algorithms to design hardware in an autonomous way, exploiting the flexibility offered by reconfigurable devices. In this case, processing elements composing the architecture are selected from a presynthesized library of processing elements, according to the decisions taken by the algorithm, instead of being decided at design time. This way, the configuration of the array may change as run-time environmental conditions do, achieving autonomous control of the dynamic reconfiguration process. Thus, the self-optimization property is added to the native self-configurability of the dynamically scalable architectures. In addition, evolvable hardware adaptability inherently offers self-healing features. The proposal has proved to be self-tolerant, since it is able to self-recover from both transient and cumulative permanent faults. The proposed evolvable architecture has been used to implement noise removal image filters. Scalability has been also exploited in this application. Scalable evolvable hardware architectures allow the autonomous adaptation of the processing cores to a fluctuating amount of resources available in the system. Thus, it constitutes an example of the dynamic quality scalability tackled in this thesis. Two variants have been proposed. The first one consists in a single dynamically scalable evolvable core, and the second one contains a variable number of processing cores. Scalable video is a flexible approach for video compression, which offers scalability at different levels. Differently to non-scalable codecs, a scalable video bitstream can be decoded with different levels of quality, spatial or temporal resolutions, by discarding the undesired information. The interest in this technology has been fostered by the development of the Scalable Video Coding (SVC) standard, as an extension of H.264/AVC. In order to exploit all the flexibility offered by the standard, it is necessary to adapt the characteristics of the decoder to the requirements of each client during run-time. The use of dynamically scalable architectures is proposed in this thesis with this aim. The deblocking filter algorithm is the responsible of improving the visual perception of a reconstructed image, by smoothing blocking artifacts generated in the encoding loop. This is one of the most computationally intensive tasks of the standard, and furthermore, it is highly dependent on the selected scalability level in the decoder. Therefore, the deblocking filter has been selected as a proof of concept of the implementation of dynamically scalable architectures for video compression. The proposed architecture allows the run-time addition or removal of computational units working in parallel to change its level of parallelism, following a wavefront computational pattern. Scalable architecture is offered together with a scalable parallelization strategy at the macroblock level, such that when the size of the architecture changes, the macroblock filtering order is modified accordingly. The proposed pattern is based on the division of the macroblock processing into two independent stages, corresponding to the horizontal and vertical filtering of the blocks within the macroblock. The main contributions of this thesis are: - The use of highly parallel, modular, regular and local architectures to implement dynamically reconfigurable processing IP cores, for data intensive applications with flexibility requirements. - The use of two-dimensional mesh-type arrays as architectural templates to build dynamically reconfigurable IP cores, with a scalable footprint. The proposal consists in generic architectural templates, which can be tuned to solve different computational problems. •A design flow and a tool targeting the design of DPR systems, focused on highly parallel, modular and local architectures. - An inter-module communication strategy, which does not introduce delay or area overhead, named Virtual Borders. - A custom and flexible router to solve the routing conflicts as well as the inter-module communication problems, appearing during the design of DPR systems. - An algorithm addressing the optimization of systems composed of multiple scalable cores, which size can be decided individually, to optimize the system parameters. It is based on a model known as the multi-dimensional multi-choice Knapsack problem. - A reconfiguration engine tailored to the requirements of highly regular and modular architectures. It combines a high reconfiguration throughput with run-time module relocation capabilities, including the support for sub-clock reconfigurable regions and the replication in multiple positions. - A fault injection mechanism which takes advantage of the system reconfiguration engine, as well as the modularity of the proposed reconfigurable architectures, to evaluate the effects of transient and permanent faults in these architectures. - The demonstration of the possibilities of the architectures proposed in this thesis to implement evolvable hardware systems, while keeping a high processing throughput. - The implementation of scalable evolvable hardware systems, which are able to adapt to the fluctuation of the amount of resources available in the system, in an autonomous way. - A parallelization strategy for the H.264/AVC and SVC deblocking filter, which reduces the number of macroblock cycles needed to process the whole frame. - A dynamically scalable architecture that permits the implementation of a novel deblocking filter module, fully compliant with the H.264/AVC and SVC standards, which exploits the macroblock level parallelism of the algorithm. This document is organized in seven chapters. In the first one, an introduction to the technology framework of this thesis, specially focused on dynamic and partial reconfiguration, is provided. The need for the dynamically scalable processing architectures proposed in this work is also motivated in this chapter. In chapter 2, dynamically scalable architectures are described. Description includes most of the architectural contributions of this work. The design flow tailored to the scalable architectures, together with the DREAMs tool provided to implement them, are described in chapter 3. The reconfiguration engine is described in chapter 4. The use of the proposed scalable archtieectures to implement evolvable hardware systems is described in chapter 5, while the scalable deblocking filter is described in chapter 6. Final conclusions of this thesis, and the description of future work, are addressed in chapter 7.

Approximate Relational Reasoning for Probabilistic Programs

La seguridad verificada es una metodología para demostrar propiedades de seguridad de los sistemas informáticos que se destaca por las altas garantías de corrección que provee. Los sistemas informáticos se modelan como programas probabilísticos y para probar que verifican una determinada propiedad de seguridad se utilizan técnicas rigurosas basadas en modelos matemáticos de los programas. En particular, la seguridad verificada promueve el uso de demostradores de teoremas interactivos o automáticos para construir demostraciones completamente formales cuya corrección es certificada mecánicamente (por ordenador). La seguridad verificada demostró ser una técnica muy efectiva para razonar sobre diversas nociones de seguridad en el área de criptografía. Sin embargo, no ha podido cubrir un importante conjunto de nociones de seguridad “aproximada”. La característica distintiva de estas nociones de seguridad es que se expresan como una condición de “similitud” entre las distribuciones de salida de dos programas probabilísticos y esta similitud se cuantifica usando alguna noción de distancia entre distribuciones de probabilidad. Este conjunto incluye destacadas nociones de seguridad de diversas áreas como la minería de datos privados, el análisis de flujo de información y la criptografía. Ejemplos representativos de estas nociones de seguridad son la indiferenciabilidad, que permite reemplazar un componente idealizado de un sistema por una implementación concreta (sin alterar significativamente sus propiedades de seguridad), o la privacidad diferencial, una noción de privacidad que ha recibido mucha atención en los últimos años y tiene como objetivo evitar la publicación datos confidenciales en la minería de datos. La falta de técnicas rigurosas que permitan verificar formalmente este tipo de propiedades constituye un notable problema abierto que tiene que ser abordado. En esta tesis introducimos varias lógicas de programa quantitativas para razonar sobre esta clase de propiedades de seguridad. Nuestra principal contribución teórica es una versión quantitativa de una lógica de Hoare relacional para programas probabilísticos. Las pruebas de correción de estas lógicas son completamente formalizadas en el asistente de pruebas Coq. Desarrollamos, además, una herramienta para razonar sobre propiedades de programas a través de estas lógicas extendiendo CertiCrypt, un framework para verificar pruebas de criptografía en Coq. Confirmamos la efectividad y aplicabilidad de nuestra metodología construyendo pruebas certificadas por ordendor de varios sistemas cuyo análisis estaba fuera del alcance de la seguridad verificada. Esto incluye, entre otros, una meta-construcción para diseñar funciones de hash “seguras” sobre curvas elípticas y algoritmos diferencialmente privados para varios problemas de optimización combinatoria de la literatura reciente. ABSTRACT The verified security methodology is an emerging approach to build high assurance proofs about security properties of computer systems. Computer systems are modeled as probabilistic programs and one relies on rigorous program semantics techniques to prove that they comply with a given security goal. In particular, it advocates the use of interactive theorem provers or automated provers to build fully formal machine-checked versions of these security proofs. The verified security methodology has proved successful in modeling and reasoning about several standard security notions in the area of cryptography. However, it has fallen short of covering an important class of approximate, quantitative security notions. The distinguishing characteristic of this class of security notions is that they are stated as a “similarity” condition between the output distributions of two probabilistic programs, and this similarity is quantified using some notion of distance between probability distributions. This class comprises prominent security notions from multiple areas such as private data analysis, information flow analysis and cryptography. These include, for instance, indifferentiability, which enables securely replacing an idealized component of system with a concrete implementation, and differential privacy, a notion of privacy-preserving data mining that has received a great deal of attention in the last few years. The lack of rigorous techniques for verifying these properties is thus an important problem that needs to be addressed. In this dissertation we introduce several quantitative program logics to reason about this class of security notions. Our main theoretical contribution is, in particular, a quantitative variant of a full-fledged relational Hoare logic for probabilistic programs. The soundness of these logics is fully formalized in the Coq proof-assistant and tool support is also available through an extension of CertiCrypt, a framework to verify cryptographic proofs in Coq. We validate the applicability of our approach by building fully machine-checked proofs for several systems that were out of the reach of the verified security methodology. These comprise, among others, a construction to build “safe” hash functions into elliptic curves and differentially private algorithms for several combinatorial optimization problems from the recent literature.

MedVir: 3D visual interface applied to gene profile analysis

The use of data mining techniques for the gene profile discovery of diseases, such as cancer, is becoming usual in many researches. These techniques do not usually analyze the relationships between genes in depth, depending on the different variety of manifestations of the disease (related to patients). This kind of analysis takes a considerable amount of time and is not always the focus of the research. However, it is crucial in order to generate personalized treatments to fight the disease. Thus, this research focuses on finding a mechanism for gene profile analysis to be used by the medical and biologist experts. Results: In this research, the MedVir framework is proposed. It is an intuitive mechanism based on the visualization of medical data such as gene profiles, patients, clinical data, etc. MedVir, which is based on an Evolutionary Optimization technique, is a Dimensionality Reduction (DR) approach that presents the data in a three dimensional space. Furthermore, thanks to Virtual Reality technology, MedVir allows the expert to interact with the data in order to tailor it to the experience and knowledge of the expert.

Artificial metaplasticity prediction model for cognitive rehabilitation outcome in acquired brain injury patients

Objective The main purpose of this research is the novel use of artificial metaplasticity on multilayer perceptron (AMMLP) as a data mining tool for prediction the outcome of patients with acquired brain injury (ABI) after cognitive rehabilitation. The final goal aims at increasing knowledge in the field of rehabilitation theory based on cognitive affectation. Methods and materials The data set used in this study contains records belonging to 123 ABI patients with moderate to severe cognitive affectation (according to Glasgow Coma Scale) that underwent rehabilitation at Institut Guttmann Neurorehabilitation Hospital (IG) using the tele-rehabilitation platform PREVIRNEC©. The variables included in the analysis comprise the neuropsychological initial evaluation of the patient (cognitive affectation profile), the results of the rehabilitation tasks performed by the patient in PREVIRNEC© and the outcome of the patient after a 3–5 months treatment. To achieve the treatment outcome prediction, we apply and compare three different data mining techniques: the AMMLP model, a backpropagation neural network (BPNN) and a C4.5 decision tree. Results The prediction performance of the models was measured by ten-fold cross validation and several architectures were tested. The results obtained by the AMMLP model are clearly superior, with an average predictive performance of 91.56%. BPNN and C4.5 models have a prediction average accuracy of 80.18% and 89.91% respectively. The best single AMMLP model provided a specificity of 92.38%, a sensitivity of 91.76% and a prediction accuracy of 92.07%. Conclusions The proposed prediction model presented in this study allows to increase the knowledge about the contributing factors of an ABI patient recovery and to estimate treatment efficacy in individual patients. The ability to predict treatment outcomes may provide new insights toward improving effectiveness and creating personalized therapeutic interventions based on clinical evidence.