Evaluation, energy optimization, and spectrum analysis of an artificial noise technique to improve CWSN security

This paper presents the security evaluation, energy consumption optimization, and spectrum scarcity analysis of artificial noise techniques to increase physical-layer security in Cognitive Wireless Sensor Networks (CWSNs). These techniques introduce noise into the spectrum in order to hide real information. Nevertheless, they directly affect two important parameters in Cognitive Wireless Sensor Networks (CWSNs), energy consumption and spectrum utilization. Both are affected because the number of packets transmitted by the network and the active period of the nodes increase. Security evaluation demonstrates that these techniques are effective against eavesdropper attacks, but also optimization allows for the implementation of these approaches in low-resource networks such as Cognitive Wireless Sensor Networks. In this work, the scenario is formally modeled and the optimization according to the simulation results and the impact analysis over the frequency spectrum are presented.

Route-back delivery protocol for collection tree protocol-based applications

We propose the Route-back Delivery (RBD) protocol; a routing mechanism to create reverse routes exploiting the Collection Tree Protocol to allow unicast data dissemination from the sink. The main goal of this work is to provide a mechanism to enable bi-directional communications among the root(s) and specific sensor nodes in data gathering applications that does not use broadcast only mechanisms. The main objective of the root-to-remote-nodes route creation is to disseminate short messages to change application parameters in a unicast fashion. This facilitates remote configurability in heterogeneous WSN deployments.

Haptic teleoperation of mobile robots for augmentation of operator perception in environments with low-wireless signal

Wireless teleoperation of field robots for maintenance, inspection and rescue missions is often performed in environments with low wireless connectivity, caused by signal losses from the environment and distance from the wireless transmitters. Various studies from the literature have addressed these problems with time-delay robust control systems and multi-hop wireless relay networks. However, such approaches do not solve the issue of how to present wireless data to the operator to avoid losing control of the robot. Despite the fact that teleoperation for maintenance often already involves haptic devices, no studies look at the possibility of using this existing feedback to aid operators in navigating within areas of variable wireless connectivity. We propose a method to incorporate haptic information into the velocity control of an omnidirectional robot to augment the operators perception of wireless signal strength in the remote environment. In this paper we introduce a mapping between wireless signal strength from multiple receivers to the force feedback of a 6 Degree of Freedom haptic master and evaluate the proposed approach using experimental data and randomly generated wireless maps

Sistema de selección automática de soluciones tecnológicas de seguridad

Desde la aparición de Internet, hace ya más de 20 años ha existido por parte de diversos sectores de la sociedad, científicos, empresas, usuarios, etc. la inquietud por la aplicación de esta tecnología a lo que se ha dado en llamar “El Internet de las Cosas”, que no es más que el control a distancia de cualquier elemento útil o necesario para la vida cotidiana y la industria. Sin embargo el desarrollo masivo de aplicaciones orientadas a esto, no ha evolucionado hasta que no se han producido avances importantes en dos campos: por un lado, en las Redes Inalámbricas de Sensores (WSN), redes compuestas por un conjunto de pequeños dispositivos capaces de transmitir la información que recogen, haciéndola llegar desde su propia red inalámbrica, a otras de amplia cobertura y por otro con la miniaturización cada vez mayor de dispositivos capaces de tener una autonomía suficiente como para procesar datos e interconectarse entre sí. Al igual que en las redes de ordenadores convencionales, las WSN se pueden ver comprometidas en lo que a seguridad se refiere, ya que la masiva implementación de estas redes hará que millones de Terabytes de datos, muchas veces comprometidos o sometidos a estrictas Leyes de protección de los mismos, circulen en la sociedad de la información, de forma que lo que nace como una ventaja muy interesante para sus usuarios, puede convertirse en una pesadilla debido a la amenaza constante hacia los servicios mínimos de seguridad que las compañías desarrolladoras han de garantizar a los usuarios de sus aplicaciones. Éstas, y con el objetivo de proveer un ámbito de seguridad mínimo, deben de realizar un minucioso estudio de la aplicación en particular que se quiere ofrecer con una WSN y también de las características específicas de la red ya que, al estar formadas por dispositivos prácticamente diminutos, pueden tener ciertas limitaciones en cuanto al tamaño de la batería, capacidad de procesamiento, memoria, etc. El presente proyecto desarrolla una aplicación, única, ya que en la actualidad no existe un software con similares características y que aporta un avance importante en dos campos principalmente: por un lado ayudará a los usuarios que deseen desplegar una aplicación en una red WSN a determinar de forma automática cuales son los mecanismos y servicios específicos de seguridad que se han de implementar en dicha red para esa aplicación concreta y, por otro lado proporcionará un apoyo extra a expertos de seguridad que estén investigando en la materia ya que, servirá de plataforma de pruebas para centralizar la información sobre seguridad que se tengan en ese momento en una base de conocimientos única, proporcionando también un método útil de prueba para posibles escenarios virtuales. ABSTRACT. It has been more than 20 years since the Internet appeared and with it, scientists, companies, users, etc. have been wanted to apply this technology to their environment which means to control remotely devices, which are useful for the industry or aspects of the daily life. However, the huge development of these applications oriented to that use, has not evolve till some important researches has been occurred in two fields: on one hand, the field of the Wireless Sensor Networks (WSN) which are networks composed of little devices that are able to transmit the information that they gather making it to pass through from their wireless network to other wider networks and on the other hand with the increase of the miniaturization of the devices which are able to work in autonomous mode so that to process data and connect to each other. WSN could be compromised in the matter of security as well as the conventional computer networks, due to the massive implementation of this kind of networks will cause that millions of Terabytes of data will be going around in the information society, thus what it is thought at first as an interesting advantage for people, could turn to be a nightmare because of the continuous threat to the minimal security services that developing companies must guarantee their applications users. These companies, and with the aim to provide a minimal security realm, they have to do a strict research about the application that they want to implement in one WSN and the specific characteristics of the network as they are made by tiny devices so that they could have certain limitations related to the battery, throughput, memory, etc. This project develops a unique application since, nowadays, there is not any software with similar characteristics and it will be really helpful in mainly two areas: on one side, it will help users who want to deploy an application in one WSN to determine in an automatically way, which ones security services and mechanisms are those which is necessary to implement in that network for the concrete application and, on the other side, it will provide an extra help for the security experts who are researching in wireless sensor network security so that ti will an exceptional platform in order to centralize information about security in the Wireless Sensor Networks in an exclusive knowledge base, providing at the same time a useful method to test virtual scenarios.

Plataformas de desarrollo de WSAN y MiddleWare para despliegue

Son muchos los dominios de aplicación que han surgido en los últimos años con motivo de los avances tecnológicos. Algunos como eHealth, Smart Building o Smart Grid están teniendo una gran aceptación por parte de empresas que incrementan sus inversiones en este tipo de campos. Las redes inalámbricas de sensores y actuadores juegan un papel fundamental en el desarrollo de este tipo de aplicaciones. A través de este tipo de redes inalámbricas es posible monitorizar y actuar sobre un entorno gracias a nodos sensores y actuadores de forma cómoda y sencilla. Las WSANs (Wireless Sensors and Actuators Networks) junto con la robótica y M2M (Machine-to-Machine) están forjando el camino hacia el Internet of Things (IoT), un futuro en el que todo esté conectado entre sí. Cada vez aparecen dispositivos más pequeños y autónomos, que junto con el crecimiento de las redes, propician la interconexión de “el todo”. Este Proyecto Fin de Carrera tiene como objetivo contribuir en este avance, desarrollando parcialmente una solución middleware que abstraiga al usuario de la complejidad del hardware, implementando ciertas funcionalidades ofrecidas por el middleware nSOM desarrollado por la UPM. Para conseguir este objetivo se realizará un estudio del Estado del Arte actual y una comparativa de las diferentes plataformas hardware involucradas en las Redes Inalámbricas de Sensores y Actuadores (Wireless Sensor-Actuator Networks). Este estudio tendrá como fin la elección de una de las plataformas hardware para su futuro uso en un despliegue parcial del mencionado middleware nSOM. Posteriormente, se diseñará e implementará un sistema para ejemplificar un caso de uso sobre dicha plataforma integrando la publicación de las características y servicios de cada nodo final y el envío de peticiones y la recepción de respuestas. Finalmente se obtendrá un conjunto de conclusiones a partir de los resultados obtenidos y se detallarán posibles líneas de trabajo. ABSTRACT. There are many applications domains that have arisen because of technological advances in recent years. Some as eHealth, Smart Building or Smart Grid are having a great acceptance by companies that increase their investments in such fields. Wireless sensors and actuators networks play a fundamental role in the development of such applications. By means of this kind of wireless network it is possible to monitor and act upon an environment with the assistance of sensors and actuators nodes, readily. The WSANs (Wireless Sensors and Actuators Networks) together with robotics and M2M (Machine-to-Machine) are forging the way towards the Internet of Things (IoT), a future in which all of them are connected among themselves. Smaller and more autonomous devices are appearing that, along with the growth of networks, foster the interconnection of ‘the whole’. This Degree Final Project aims to contribute to this breakthrough, developing partially a middleware solution that abstracts the user from the complexity of hardware, implementing certain functionalities offered by the nSOM middleware solution carried out by UPM. To achieve this objective a study of the current state of the art and a comparison of the different hardware platforms involved in the Wireless and Actuators Sensor Networks (Wireless Sensor-Actuator Networks) will be performed. This study will aim the election of one of the hardware platforms for its future use in a partial deployment of the mentioned middleware nSOM. Subsequently, a system will be designed and implemented to exemplify a use case on the platform mentioned before integrating the publication of the features and services of each end node and sending requests and receiving responses. Finally a set of conclusions from the results will be stated and possible lines of future works will be detailed.

Gestión de la información en redes de sensores inalámbricos

La gestión del conocimiento (KM) es el proceso de recolectar datos en bruto para su análisis y filtrado, con la finalidad de obtener conocimiento útil a partir de dichos datos. En este proyecto se pretende hacer un estudio sobre la gestión de la información en las redes de sensores inalámbricos como inicio para sentar las bases para la gestión del conocimiento en las mismas. Las redes de sensores inalámbricos (WSN) son redes compuestas por sensores (también conocidos como motas) distribuidos sobre un área, cuya misión es monitorizar una o varias condiciones físicas del entorno. Las redes de sensores inalámbricos se caracterizan por tener restricciones de consumo para los sensores que utilizan baterías, por su capacidad para adaptarse a cambios y ser escalables, y también por su habilidad para hacer frente a fallos en los sensores. En este proyecto se hace un estudio sobre la gestión de la información en redes de sensores inalámbricos. Se comienza introduciendo algunos conceptos básicos: arquitectura, pila de protocolos, topologías de red, etc.… Después de esto, se ha enfocado el estudio hacia TinyDB, el cual puede ser considerado como parte de las tecnologías más avanzadas en el estado del arte de la gestión de la información en redes de sensores inalámbricos. TinyDB es un sistema de procesamiento de consultas para extraer información de una red de sensores. Proporciona una interfaz similar a SQL y permite trabajar con consultas contra la red de sensores inalámbricos como si se tratara de una base de datos tradicional. Además, TinyDB implementa varias optimizaciones para manejar los datos eficientemente. En este proyecto se describe también la implementación de una sencilla aplicación basada en redes de sensores inalámbricos. Las motas en la aplicación son capaces de medir la corriente a través de un cable. El objetivo de esta aplicación es monitorizar el consumo de energía en diferentes zonas de un área industrial o doméstico, utilizando redes de sensores inalámbricas. Además, se han implementado las optimizaciones más importantes que se han aprendido en el análisis de la plataforma TinyDB. Para desarrollar esta aplicación se ha utilizado como sensores la plataforma open-source de creación de prototipos electrónicos Arduino, y el ordenador de placa reducida Raspberry Pi como coordinador. ABSTRACT. Knowledge management (KM) is the process of collecting raw data for analysis and filtering, to get a useful knowledge from this data. In this project the information management in wireless sensor networks is studied as starting point before knowledge management. Wireless sensor networks (WSN) are networks which consists of sensors (also known as motes) distributed over an area, to monitor some physical conditions of the environment. Wireless sensor networks are characterized by power consumption constrains for sensors which are using batteries, by the ability to be adaptable to changes and to be scalable, and by the ability to cope sensor failures. In this project it is studied information management in wireless sensor networks. The document starts introducing basic concepts: architecture, stack of protocols, network topology… After this, the study has been focused on TinyDB, which can be considered as part of the most advanced technologies in the state of the art of information management in wireless sensor networks. TinyDB is a query processing system for extracting information from a network of sensors. It provides a SQL-like interface and it lets us to work with queries against the wireless sensor network like if it was a traditional database. In addition, TinyDB implements a lot of optimizations to manage data efficiently. In this project, it is implemented a simple wireless sensor network application too. Application’s motes are able to measure amperage through a cable. The target of the application is, by using a wireless sensor network and these sensors, to monitor energy consumption in different areas of a house. Additionally, it is implemented the most important optimizations that we have learned from the analysis of TinyDB platform. To develop this application it is used Arduino open-source electronics prototyping platform as motes, and Raspberry Pi single-board computer as coordinator.

A game theory based strategy for reducing energy consumption in cognitive WSN

Wireless sensor networks (WSNs) are one of the most important users of wireless communication technologies in the coming years and some challenges in this area must be addressed for their complete development. Energy consumption and spectrum availability are two of the most severe constraints of WSNs due to their intrinsic nature. The introduction of cognitive capabilities into these networks has arisen to face the issue of spectrum scarcity but could be used to face energy challenges too due to their new range of communication possibilities. In this paper a new strategy based on game theory for cognitive WSNs is discussed. The presented strategy improves energy consumption by taking advantage of the new change-communication-channel capability. Based on game theory, the strategy decides when to change the transmission channel depending on the behavior of the rest of the network nodes. The strategy presented is lightweight but still has higher energy saving rates as compared to noncognitive networks and even to other strategies based on scheduled spectrum sensing. Simulations are presented for several scenarios that demonstrate energy saving rates of around 65% as compared to WSNs without cognitive techniques.

Aportación de la monitorización mediante redes de sensores y técnicas no invasivas para la conservación preventiva del Patrimonio

La presente tesis doctoral presenta una serie de estudios en el campo del patrimonio basados en metodologías de monitorización mediante redes de sensores y técnicas no invasivas con el objetivo de realizar nuevas aportaciones a la conservación preventiva mediante el seguimiento de los daños de deterioro o la prevención de los mismos. Las metodologías de monitorización mediante el despliegue de redes tridimensionales basadas en data loggers abordan estudios microclimáticos, de confort y energéticos a corto plazo, donde se establecen conclusiones relativas a la eficiencia energética de tres sistemas de calefacción muy utilizados en iglesias de la región centro de la Península Ibérica, abordando aspectos de afección de los mismos en el confort de los ocupantes o en el deterioro de los elementos patrimoniales o constructivos. Se desplegaron además distintas plataformas de redes de sensores inalámbricas procediendo a analizar en esta tesis cuál es la que presenta mejores resultados en el ámbito del patrimonio con el objetivo de una monitorización a largo plazo y considerando aspectos de comunicaciones, consumo y configuración de las redes. Una vez conocida la plataforma que presenta mejores resultados comparativos se muestra una metodología de estudio de la calidad de las comunicaciones en múltiples escenarios de patrimonio cultural y natural con la misma, que servirá para establecer una serie de aspectos a considerar en el despliegue de redes de sensores inalámbricas en futuros escenarios a monitorizar. Al igual que ocurre con las redes de sensores basadas en data loggers, las tareas de monitorización desarrolladas en esta tesis mediante el despliegue de las distintas plataformas inalámbricas ha permitido la detección de numerosos fenómenos de deterioro que son descritos a lo largo de la investigación y cuyo seguimiento supone una aportación a la prevención de daños en los distintos escenarios. Asimismo en el desarrollo de la tesis se realiza una aportación para la conservación preventiva mediante la monitorización con distintas técnicas no invasivas como la termografía infrarroja, las medidas de humedad superficial mediante protimeter, las técnicas de prospección de resistividad eléctrica de alta resolución o la prospección georradar. De este modo se desarrollan distintas aportaciones y conclusiones acerca de las ventajas y/o limitaciones de uso de las mismas analizando la idoneidad de aplicar cada una de ellas en distintas fases de análisis o con distintas capacidades de detección o caracterización de los daños. El estudio de imbricación de dichas técnicas ha sido desarrollado en un escenario real que presenta graves daños por humedad, habiendo sido posible la caracterización del origen de los mismos. ABSTRACT This doctoral dissertation discusses field research conducted to monitor heritage assets with sensor networks and other non-invasive techniques. The aim pursued was to contribute to conservation by tracking or preventing decay-induced damage. Monitoring methodologies based on three-dimensional data logger networks were used in short-term micro-climatic, comfort and energy studies to draw conclusions about the energy efficiency of three heating systems widely used in central Iberian churches. The impact of these systems on occupant comfort and decay of heritage or built elements was also explored. Different wireless sensor platforms were deployed and analysed to determine which delivered the best results in the context of long-term heritage monitoring from the standpoints of communications, energy demand and network architecture. A methodology was subsequently designed to study communication quality in a number of cultural and natural heritage scenarios and help establish the considerations to be borne in mind when deploying wireless sensor networks for heritage monitoring in future. As in data logger-based sensor networks, the monitoring conducted in this research with wireless platforms identified many instances of decay, described hereunder. Tracking those situations will help prevent damage in the respective scenarios. The research also contributes to preventive conservation based on non-invasive monitoring using techniques such as infrared thermography, protimeter-based surface damp measurements, high resolution electrical resistivity surveys and georadar analysis. The conclusions drawn address the advantages and drawbacks of each technique and its suitability for the various phases of analysis and capacity to detect or characterise damage. This dissertation also describes the intermeshed usage of these techniques that led to the identification of the origin of severe damp-induced damage in a real scenario.

A proposal for an Internet of Things-based monitoring system composed by low capability, open source and open hardware devices

The Internet of Things makes use of a huge disparity of technologies at very different levels that help one to the other to accomplish goals that were previously regarded as unthinkable in terms of ubiquity or scalability. If the Internet of Things is expected to interconnect every day devices or appliances and enable communications between them, a broad range of new services, applications and products can be foreseen. For example, monitoring is a process where sensors have widespread use for measuring environmental parameters (temperature, light, chemical agents, etc.) but obtaining readings at the exact physical point they want to be obtained from, or about the exact wanted parameter can be a clumsy, time-consuming task that is not easily adaptable to new requirements. In order to tackle this challenge, a proposal on a system used to monitor any conceivable environment, which additionally is able to monitor the status of its own components and heal some of the most usual issues of a Wireless Sensor Network, is presented here in detail, covering all the layers that give it shape in terms of devices, communications or services.

Contributions to the Resilience Management in the Internet of Things

El auge del "Internet de las Cosas" (IoT, "Internet of Things") y sus tecnologías asociadas han permitido su aplicación en diversos dominios de la aplicación, entre los que se encuentran la monitorización de ecosistemas forestales, la gestión de catástrofes y emergencias, la domótica, la automatización industrial, los servicios para ciudades inteligentes, la eficiencia energética de edificios, la detección de intrusos, la gestión de desastres y emergencias o la monitorización de señales corporales, entre muchas otras. La desventaja de una red IoT es que una vez desplegada, ésta queda desatendida, es decir queda sujeta, entre otras cosas, a condiciones climáticas cambiantes y expuestas a catástrofes naturales, fallos de software o hardware, o ataques maliciosos de terceros, por lo que se puede considerar que dichas redes son propensas a fallos. El principal requisito de los nodos constituyentes de una red IoT es que estos deben ser capaces de seguir funcionando a pesar de sufrir errores en el propio sistema. La capacidad de la red para recuperarse ante fallos internos y externos inesperados es lo que se conoce actualmente como "Resiliencia" de la red. Por tanto, a la hora de diseñar y desplegar aplicaciones o servicios para IoT, se espera que la red sea tolerante a fallos, que sea auto-configurable, auto-adaptable, auto-optimizable con respecto a nuevas condiciones que puedan aparecer durante su ejecución. Esto lleva al análisis de un problema fundamental en el estudio de las redes IoT, el problema de la "Conectividad". Se dice que una red está conectada si todo par de nodos en la red son capaces de encontrar al menos un camino de comunicación entre ambos. Sin embargo, la red puede desconectarse debido a varias razones, como que se agote la batería, que un nodo sea destruido, etc. Por tanto, se hace necesario gestionar la resiliencia de la red con el objeto de mantener la conectividad entre sus nodos, de tal manera que cada nodo IoT sea capaz de proveer servicios continuos, a otros nodos, a otras redes o, a otros servicios y aplicaciones. En este contexto, el objetivo principal de esta tesis doctoral se centra en el estudio del problema de conectividad IoT, más concretamente en el desarrollo de modelos para el análisis y gestión de la Resiliencia, llevado a la práctica a través de las redes WSN, con el fin de mejorar la capacidad la tolerancia a fallos de los nodos que componen la red. Este reto se aborda teniendo en cuenta dos enfoques distintos, por una parte, a diferencia de otro tipo de redes de dispositivos convencionales, los nodos en una red IoT son propensos a perder la conexión, debido a que se despliegan en entornos aislados, o en entornos con condiciones extremas; por otra parte, los nodos suelen ser recursos con bajas capacidades en términos de procesamiento, almacenamiento y batería, entre otros, por lo que requiere que el diseño de la gestión de su resiliencia sea ligero, distribuido y energéticamente eficiente. En este sentido, esta tesis desarrolla técnicas auto-adaptativas que permiten a una red IoT, desde la perspectiva del control de su topología, ser resiliente ante fallos en sus nodos. Para ello, se utilizan técnicas basadas en lógica difusa y técnicas de control proporcional, integral y derivativa (PID - "proportional-integral-derivative"), con el objeto de mejorar la conectividad de la red, teniendo en cuenta que el consumo de energía debe preservarse tanto como sea posible. De igual manera, se ha tenido en cuenta que el algoritmo de control debe ser distribuido debido a que, en general, los enfoques centralizados no suelen ser factibles a despliegues a gran escala. El presente trabajo de tesis implica varios retos que conciernen a la conectividad de red, entre los que se incluyen: la creación y el análisis de modelos matemáticos que describan la red, una propuesta de sistema de control auto-adaptativo en respuesta a fallos en los nodos, la optimización de los parámetros del sistema de control, la validación mediante una implementación siguiendo un enfoque de ingeniería del software y finalmente la evaluación en una aplicación real. Atendiendo a los retos anteriormente mencionados, el presente trabajo justifica, mediante una análisis matemático, la relación existente entre el "grado de un nodo" (definido como el número de nodos en la vecindad del nodo en cuestión) y la conectividad de la red, y prueba la eficacia de varios tipos de controladores que permiten ajustar la potencia de trasmisión de los nodos de red en respuesta a eventuales fallos, teniendo en cuenta el consumo de energía como parte de los objetivos de control. Así mismo, este trabajo realiza una evaluación y comparación con otros algoritmos representativos; en donde se demuestra que el enfoque desarrollado es más tolerante a fallos aleatorios en los nodos de la red, así como en su eficiencia energética. Adicionalmente, el uso de algoritmos bioinspirados ha permitido la optimización de los parámetros de control de redes dinámicas de gran tamaño. Con respecto a la implementación en un sistema real, se han integrado las propuestas de esta tesis en un modelo de programación OSGi ("Open Services Gateway Initiative") con el objeto de crear un middleware auto-adaptativo que mejore la gestión de la resiliencia, especialmente la reconfiguración en tiempo de ejecución de componentes software cuando se ha producido un fallo. Como conclusión, los resultados de esta tesis doctoral contribuyen a la investigación teórica y, a la aplicación práctica del control resiliente de la topología en redes distribuidas de gran tamaño. Los diseños y algoritmos presentados pueden ser vistos como una prueba novedosa de algunas técnicas para la próxima era de IoT. A continuación, se enuncian de forma resumida las principales contribuciones de esta tesis: (1) Se han analizado matemáticamente propiedades relacionadas con la conectividad de la red. Se estudia, por ejemplo, cómo varía la probabilidad de conexión de la red al modificar el alcance de comunicación de los nodos, así como cuál es el mínimo número de nodos que hay que añadir al sistema desconectado para su re-conexión. (2) Se han propuesto sistemas de control basados en lógica difusa para alcanzar el grado de los nodos deseado, manteniendo la conectividad completa de la red. Se han evaluado diferentes tipos de controladores basados en lógica difusa mediante simulaciones, y los resultados se han comparado con otros algoritmos representativos. (3) Se ha investigado más a fondo, dando un enfoque más simple y aplicable, el sistema de control de doble bucle, y sus parámetros de control se han optimizado empleando algoritmos heurísticos como el método de la entropía cruzada (CE, "Cross Entropy"), la optimización por enjambre de partículas (PSO, "Particle Swarm Optimization"), y la evolución diferencial (DE, "Differential Evolution"). (4) Se han evaluado mediante simulación, la mayoría de los diseños aquí presentados; además, parte de los trabajos se han implementado y validado en una aplicación real combinando técnicas de software auto-adaptativo, como por ejemplo las de una arquitectura orientada a servicios (SOA, "Service-Oriented Architecture"). ABSTRACT The advent of the Internet of Things (IoT) enables a tremendous number of applications, such as forest monitoring, disaster management, home automation, factory automation, smart city, etc. However, various kinds of unexpected disturbances may cause node failure in the IoT, for example battery depletion, software/hardware malfunction issues and malicious attacks. So, it can be considered that the IoT is prone to failure. The ability of the network to recover from unexpected internal and external failures is known as "resilience" of the network. Resilience usually serves as an important non-functional requirement when designing IoT, which can further be broken down into "self-*" properties, such as self-adaptive, self-healing, self-configuring, self-optimization, etc. One of the consequences that node failure brings to the IoT is that some nodes may be disconnected from others, such that they are not capable of providing continuous services for other nodes, networks, and applications. In this sense, the main objective of this dissertation focuses on the IoT connectivity problem. A network is regarded as connected if any pair of different nodes can communicate with each other either directly or via a limited number of intermediate nodes. More specifically, this thesis focuses on the development of models for analysis and management of resilience, implemented through the Wireless Sensor Networks (WSNs), which is a challenging task. On the one hand, unlike other conventional network devices, nodes in the IoT are more likely to be disconnected from each other due to their deployment in a hostile or isolated environment. On the other hand, nodes are resource-constrained in terms of limited processing capability, storage and battery capacity, which requires that the design of the resilience management for IoT has to be lightweight, distributed and energy-efficient. In this context, the thesis presents self-adaptive techniques for IoT, with the aim of making the IoT resilient against node failures from the network topology control point of view. The fuzzy-logic and proportional-integral-derivative (PID) control techniques are leveraged to improve the network connectivity of the IoT in response to node failures, meanwhile taking into consideration that energy consumption must be preserved as much as possible. The control algorithm itself is designed to be distributed, because the centralized approaches are usually not feasible in large scale IoT deployments. The thesis involves various aspects concerning network connectivity, including: creation and analysis of mathematical models describing the network, proposing self-adaptive control systems in response to node failures, control system parameter optimization, implementation using the software engineering approach, and evaluation in a real application. This thesis also justifies the relations between the "node degree" (the number of neighbor(s) of a node) and network connectivity through mathematic analysis, and proves the effectiveness of various types of controllers that can adjust power transmission of the IoT nodes in response to node failures. The controllers also take into consideration the energy consumption as part of the control goals. The evaluation is performed and comparison is made with other representative algorithms. The simulation results show that the proposals in this thesis can tolerate more random node failures and save more energy when compared with those representative algorithms. Additionally, the simulations demonstrate that the use of the bio-inspired algorithms allows optimizing the parameters of the controller. With respect to the implementation in a real system, the programming model called OSGi (Open Service Gateway Initiative) is integrated with the proposals in order to create a self-adaptive middleware, especially reconfiguring the software components at runtime when failures occur. The outcomes of this thesis contribute to theoretic research and practical applications of resilient topology control for large and distributed networks. The presented controller designs and optimization algorithms can be viewed as novel trials of the control and optimization techniques for the coming era of the IoT. The contributions of this thesis can be summarized as follows: (1) Mathematically, the fault-tolerant probability of a large-scale stochastic network is analyzed. It is studied how the probability of network connectivity depends on the communication range of the nodes, and what is the minimum number of neighbors to be added for network re-connection. (2) A fuzzy-logic control system is proposed, which obtains the desired node degree and in turn maintains the network connectivity when it is subject to node failures. There are different types of fuzzy-logic controllers evaluated by simulations, and the results demonstrate the improvement of fault-tolerant capability as compared to some other representative algorithms. (3) A simpler but more applicable approach, the two-loop control system is further investigated, and its control parameters are optimized by using some heuristic algorithms such as Cross Entropy (CE), Particle Swarm Optimization (PSO), and Differential Evolution (DE). (4) Most of the designs are evaluated by means of simulations, but part of the proposals are implemented and tested in a real-world application by combining the self-adaptive software technique and the control algorithms which are presented in this thesis.

Contribution towards intelligent service management in wearable and ubiquitous devices

Hoy en día asistimos a un creciente interés por parte de la sociedad hacia el cuidado de la salud. Esta afirmación viene apoyada por dos realidades. Por una parte, el aumento de las prácticas saludables (actividad deportiva, cuidado de la alimentación, etc.). De igual manera, el auge de los dispositivos inteligentes (relojes, móviles o pulseras) capaces de medir distintos parámetros físicos como el pulso cardíaco, el ritmo respiratorio, la distancia recorrida, las calorías consumidas, etc. Combinando ambos factores (interés por el estado de salud y disponibilidad comercial de dispositivos inteligentes) están surgiendo multitud de aplicaciones capaces no solo de controlar el estado actual de salud, también de recomendar al usuario cambios de hábitos que lleven hacia una mejora en su condición física. En este contexto, los llamados dispositivos llevables (weareables) unidos al paradigma de Internet de las cosas (IoT, del inglés Internet of Things) permiten la aparición de nuevos nichos de mercado para aplicaciones que no solo se centran en la mejora de la condición física, ya que van más allá proponiendo soluciones para el cuidado de pacientes enfermos, la vigilancia de niños o ancianos, la defensa y la seguridad, la monitorización de agentes de riesgo (como bomberos o policías) y un largo etcétera de aplicaciones por llegar. El paradigma de IoT se puede desarrollar basándose en las existentes redes de sensores inalámbricos (WSN, del inglés Wireless Sensor Network). La conexión de los ya mencionados dispositivos llevables a estas redes puede facilitar la transición de nuevos usuarios hacia aplicaciones IoT. Pero uno de los problemas intrínsecos a estas redes es su heterogeneidad. En efecto, existen multitud de sistemas operativos, protocolos de comunicación, plataformas de desarrollo, soluciones propietarias, etc. El principal objetivo de esta tesis es realizar aportaciones significativas para solucionar no solo el problema de la heterogeneidad, sino también de dotar de mecanismos de seguridad suficientes para salvaguardad la integridad de los datos intercambiados en este tipo de aplicaciones. Algo de suma importancia ya que los datos médicos y biométricos de los usuarios están protegidos por leyes nacionales y comunitarias. Para lograr dichos objetivos, se comenzó con la realización de un completo estudio del estado del arte en tecnologías relacionadas con el marco de investigación (plataformas y estándares para WSNs e IoT, plataformas de implementación distribuidas, dispositivos llevables y sistemas operativos y lenguajes de programación). Este estudio sirvió para tomar decisiones de diseño fundamentadas en las tres contribuciones principales de esta tesis: un bus de servicios para dispositivos llevables (WDSB, Wearable Device Service Bus) basado en tecnologías ya existentes tales como ESB, WWBAN, WSN e IoT); un protocolo de comunicaciones inter-dominio para dispositivos llevables (WIDP, Wearable Inter-Domain communication Protocol) que integra en una misma solución protocolos capaces de ser implementados en dispositivos de bajas capacidades (como lo son los dispositivos llevables y los que forman parte de WSNs); y finalmente, la tercera contribución relevante es una propuesta de seguridad para WSN basada en la aplicación de dominios de confianza. Aunque las contribuciones aquí recogidas son de aplicación genérica, para su validación se utilizó un escenario concreto de aplicación: una solución para control de parámetros físicos en entornos deportivos, desarrollada dentro del proyecto europeo de investigación “LifeWear”. En este escenario se desplegaron todos los elementos necesarios para validar las contribuciones principales de esta tesis y, además, se realizó una aplicación para dispositivos móviles por parte de uno de los socios del proyecto (lo que contribuyó con una validación externa de la solución). En este escenario se usaron dispositivos llevables tales como un reloj inteligente, un teléfono móvil con sistema operativo Android y un medidor del ritmo cardíaco inalámbrico capaz de obtener distintos parámetros fisiológicos del deportista. Sobre este escenario se realizaron diversas pruebas de validación mediante las cuales se obtuvieron resultados satisfactorios. ABSTRACT Nowadays, society is shifting towards a growing interest and concern on health care. This phenomenon can be acknowledged by two facts: first, the increasing number of people practising some kind of healthy activity (sports, balanced diet, etc.). Secondly, the growing number of commercial wearable smart devices (smartwatches or bands) able to measure physiological parameters such as heart rate, breathing rate, distance or consumed calories. A large number of applications combining both facts are appearing. These applications are not only able to monitor the health status of the user, but also to provide recommendations about routines in order to improve the mentioned health status. In this context, wearable devices merged with the Internet of Things (IoT) paradigm enable the proliferation of new market segments for these health wearablebased applications. Furthermore, these applications can provide solutions for the elderly or baby care, in-hospital or in-home patient monitoring, security and defence fields or an unforeseen number of future applications. The introduced IoT paradigm can be developed with the usage of existing Wireless Sensor Networks (WSNs) by connecting the novel wearable devices to them. In this way, the migration of new users and actors to the IoT environment will be eased. However, a major issue appears in this environment: heterogeneity. In fact, there is a large number of operating systems, hardware platforms, communication and application protocols or programming languages, each of them with unique features. The main objective of this thesis is defining and implementing a solution for the intelligent service management in wearable and ubiquitous devices so as to solve the heterogeneity issues that are presented when dealing with interoperability and interconnectivity of devices and software of different nature. Additionally, a security schema based on trust domains is proposed as a solution to the privacy problems arising when private data (e.g., biomedical parameters or user identification) is broadcasted in a wireless network. The proposal has been made after a comprehensive state-of-the-art analysis, and includes the design of a Wearable Device Service Bus (WDSB) including the technologies collected in the requirement analysis (ESB, WWBAN, WSN and IoT). Applications are able to access the WSN services regardless of the platform and operating system where they are running. Besides, this proposal also includes the design of a Wearable Inter-Domain communication Protocols set (WIDP) which integrates lightweight protocols suitable to be used in low-capacities devices (REST, JSON, AMQP, CoAP, etc...). Furthermore, a security solution for service management based on a trustworthy domains model to deploy security services in WSNs has been designed. Although the proposal is a generic framework for applications based on services provided by wearable devices, an application scenario for testing purposes has been included. In this validation scenario it has been presented an autonomous physical condition performance system, based on a WSN, bringing the possibility to include several elements in an IoT scenario: a smartwatch, a physiological monitoring device and a smartphone. In summary, the general objective of this thesis is solving the heterogeneity and security challenges arising when developing applications for WSNs and wearable devices. As it has been presented in the thesis, the solution proposed has been successfully validated in a real scenario and the obtained results were satisfactory.

Uso de una red inalámbrica de sensores para estimar riesgo de incendio

Una red inalámbrica de sensores (Wireless Sensor Network, WSN) constituye un sistema de comunicación de datos flexible utilizado como alternativa a las redes cableadas o como extensión de éstas y está compuesta por elementos de cómputo, medición y comunicación, que permiten al administrador instrumentar, observar y reaccionar a eventos y fenómenos en un ambiente específico. Una de las aplicaciones de estas redes es su uso en sistemas de predicción y prevención de incendios en áreas naturales. Su implementación se basa en el despliegue de sensores inalámbricos, realizado en una zona de riesgo de incendio para que puedan recolectar información sobre parámetros ambientales como temperatura, humedad, luz o presión, entre otros. Desde una estación base (o nodo "sumidero"), se suministra la información de los sensores a un centro de monitorización y control de forma estructurada. En este centro la información recibida puede ser analizada, procesada y visualizada en tiempo real. Desde este centro de control se puede controlar también la red WSN modificando el comportamiento de los sensores según el nivel de riesgo de incendio detectado. Este proyecto se basa en el diseño, implementación y despliegue de una red inalámbrica de sensores en un entorno simulado para observar su comportamiento en diferentes situaciones y mostrar su eficacia ante un posible caso de incendio. La implementación de este sistema denominado Sistema de Estimación de Riesgo de Incendio Utilizando una WSN (SERIUW) , junto con el desarrollado, en paralelo, de otro proyecto denominado Sistema de Control y Visualización de Información sobre Riesgo de Incendio (SCVIRI) que implementa las funciones de los centros de monitorización y control, conforman un Sistema de Anticipación y Seguimiento de Fuegos (SASF). Se han realizado pruebas de funcionalidad y eficacia, incluidas en la presente memoria del sistema unitario de en conjunto (ambos proyectos), en un entorno controlado simulado. Este sistema es una solución para la lucha contra los incendios forestales ya que predice y previene, de forma temprana, posibles incendios en las áreas naturales bajo supervisión. Ante un evento de incendio declarado este sistema es un poderoso instrumento de apoyo permitiendo, por un lado, generar alertas automáticas (con localización y gravedad de fuegos detectados) y por el otro, hacer un seguimiento del incendio con mapas en tiempo real (con su consecuente apoyo para la protección e información con las brigadas de bomberos en las zonas activas). ABSTRACT. A wireless sensor network (WSN) is a flexible data communication system used as an alternative to wired networks or as an extension of them and consists of nodes that perform calculation, measurement and communication activities. This allows the administrator to observe and react to events and phenomena in a specific environment. One application of these networks is fire prediction and prevention in natural areas. Its implementation is based on a deployment of wireless sensors, in a fire risk area, capable of collecting information such as temperature, humidity, luminance and pressure. A base station (or "sink") sends the collected information to a monitoring and control center following a structured format. At this center, the information received can be analyzed, processed and displayed in real time with monitoring systems. From this control center the WSN can also be controlled by changing the sensors behavior according to the level of fire risk detection. This project is based on the design, implementation and deployment of a Wireless Sensor Network (WSN) in a simulated environment in order to observe its behavior in different situations and show its effectiveness against a possible fire environment. The implementation of this system called SERIUW, has been done in parallel with other system, called SCVIRI, which has been developed in another project that implements the functions of monitoring and control center. Together, these two systems, make up a general system of anticipation and monitoring of fires. Functionality and performance tests have been performed on the overall system, in a controlled and simulated environment. The results of these tests are included in this document. The global system is a solution to fight the forest fires because it makes it easier to predict and prevent, early, possible fires in natural areas under supervision. This sytem can be a powerful tool since, before a fire event is declared, it generates automatic alerts (including location and severity information) and allows the real-time motorization of fire evolution integrated with maps. This could be also very useful for the support protection and information of fire brigades in zones in which a fire is already active.

Explicit context matching in content-based publish/subscribe systems

Although context could be exploited to improve performance, elasticity and adaptation in most distributed systems that adopt the publish/subscribe (P/S) communication model, only a few researchers have focused on the area of context-aware matching in P/S systems and have explored its implications in domains with highly dynamic context like wireless sensor networks (WSNs) and IoT-enabled applications. Most adopted P/S models are context agnostic or do not differentiate context from the other application data. In this article, we present a novel context-aware P/S model. SilboPS manages context explicitly, focusing on the minimization of network overhead in domains with recurrent context changes related, for example, to mobile ad hoc networks (MANETs). Our approach represents a solution that helps to efficiently share and use sensor data coming from ubiquitous WSNs across a plethora of applications intent on using these data to build context awareness. Specifically, we empirically demonstrate that decoupling a subscription from the changing context in which it is produced and leveraging contextual scoping in the filtering process notably reduces (un)subscription cost per node, while improving the global performance/throughput of the network of brokers without fltering the cost of SIENA-like topology changes.

Run-Time Dynamically-Adaptable FPGA-Based Architecture for High-Performance Autonomous Distributed Systems

Esta tesis doctoral se enmarca dentro del campo de los sistemas embebidos reconfigurables, redes de sensores inalámbricas para aplicaciones de altas prestaciones, y computación distribuida. El documento se centra en el estudio de alternativas de procesamiento para sistemas embebidos autónomos distribuidos de altas prestaciones (por sus siglas en inglés, High-Performance Autonomous Distributed Systems (HPADS)), así como su evolución hacia el procesamiento de alta resolución. El estudio se ha llevado a cabo tanto a nivel de plataforma como a nivel de las arquitecturas de procesamiento dentro de la plataforma con el objetivo de optimizar aspectos tan relevantes como la eficiencia energética, la capacidad de cómputo y la tolerancia a fallos del sistema. Los HPADS son sistemas realimentados, normalmente formados por elementos distribuidos conectados o no en red, con cierta capacidad de adaptación, y con inteligencia suficiente para llevar a cabo labores de prognosis y/o autoevaluación. Esta clase de sistemas suele formar parte de sistemas más complejos llamados sistemas ciber-físicos (por sus siglas en inglés, Cyber-Physical Systems (CPSs)). Los CPSs cubren un espectro enorme de aplicaciones, yendo desde aplicaciones médicas, fabricación, o aplicaciones aeroespaciales, entre otras muchas. Para el diseño de este tipo de sistemas, aspectos tales como la confiabilidad, la definición de modelos de computación, o el uso de metodologías y/o herramientas que faciliten el incremento de la escalabilidad y de la gestión de la complejidad, son fundamentales. La primera parte de esta tesis doctoral se centra en el estudio de aquellas plataformas existentes en el estado del arte que por sus características pueden ser aplicables en el campo de los CPSs, así como en la propuesta de un nuevo diseño de plataforma de altas prestaciones que se ajuste mejor a los nuevos y más exigentes requisitos de las nuevas aplicaciones. Esta primera parte incluye descripción, implementación y validación de la plataforma propuesta, así como conclusiones sobre su usabilidad y sus limitaciones. Los principales objetivos para el diseño de la plataforma propuesta se enumeran a continuación: • Estudiar la viabilidad del uso de una FPGA basada en RAM como principal procesador de la plataforma en cuanto a consumo energético y capacidad de cómputo. • Propuesta de técnicas de gestión del consumo de energía en cada etapa del perfil de trabajo de la plataforma. •Propuestas para la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial de la FPGA (por sus siglas en inglés, Dynamic Partial Reconfiguration (DPR)) de forma que sea posible cambiar ciertas partes del sistema en tiempo de ejecución y sin necesidad de interrumpir al resto de las partes. Evaluar su aplicabilidad en el caso de HPADS. Las nuevas aplicaciones y nuevos escenarios a los que se enfrentan los CPSs, imponen nuevos requisitos en cuanto al ancho de banda necesario para el procesamiento de los datos, así como en la adquisición y comunicación de los mismos, además de un claro incremento en la complejidad de los algoritmos empleados. Para poder cumplir con estos nuevos requisitos, las plataformas están migrando desde sistemas tradicionales uni-procesador de 8 bits, a sistemas híbridos hardware-software que incluyen varios procesadores, o varios procesadores y lógica programable. Entre estas nuevas arquitecturas, las FPGAs y los sistemas en chip (por sus siglas en inglés, System on Chip (SoC)) que incluyen procesadores embebidos y lógica programable, proporcionan soluciones con muy buenos resultados en cuanto a consumo energético, precio, capacidad de cómputo y flexibilidad. Estos buenos resultados son aún mejores cuando las aplicaciones tienen altos requisitos de cómputo y cuando las condiciones de trabajo son muy susceptibles de cambiar en tiempo real. La plataforma propuesta en esta tesis doctoral se ha denominado HiReCookie. La arquitectura incluye una FPGA basada en RAM como único procesador, así como un diseño compatible con la plataforma para redes de sensores inalámbricas desarrollada en el Centro de Electrónica Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid (CEI-UPM) conocida como Cookies. Esta FPGA, modelo Spartan-6 LX150, era, en el momento de inicio de este trabajo, la mejor opción en cuanto a consumo y cantidad de recursos integrados, cuando además, permite el uso de reconfiguración dinámica y parcial. Es importante resaltar que aunque los valores de consumo son los mínimos para esta familia de componentes, la potencia instantánea consumida sigue siendo muy alta para aquellos sistemas que han de trabajar distribuidos, de forma autónoma, y en la mayoría de los casos alimentados por baterías. Por esta razón, es necesario incluir en el diseño estrategias de ahorro energético para incrementar la usabilidad y el tiempo de vida de la plataforma. La primera estrategia implementada consiste en dividir la plataforma en distintas islas de alimentación de forma que sólo aquellos elementos que sean estrictamente necesarios permanecerán alimentados, cuando el resto puede estar completamente apagado. De esta forma es posible combinar distintos modos de operación y así optimizar enormemente el consumo de energía. El hecho de apagar la FPGA para ahora energía durante los periodos de inactividad, supone la pérdida de la configuración, puesto que la memoria de configuración es una memoria volátil. Para reducir el impacto en el consumo y en el tiempo que supone la reconfiguración total de la plataforma una vez encendida, en este trabajo, se incluye una técnica para la compresión del archivo de configuración de la FPGA, de forma que se consiga una reducción del tiempo de configuración y por ende de la energía consumida. Aunque varios de los requisitos de diseño pueden satisfacerse con el diseño de la plataforma HiReCookie, es necesario seguir optimizando diversos parámetros tales como el consumo energético, la tolerancia a fallos y la capacidad de procesamiento. Esto sólo es posible explotando todas las posibilidades ofrecidas por la arquitectura de procesamiento en la FPGA. Por lo tanto, la segunda parte de esta tesis doctoral está centrada en el diseño de una arquitectura reconfigurable denominada ARTICo3 (Arquitectura Reconfigurable para el Tratamiento Inteligente de Cómputo, Confiabilidad y Consumo de energía) para la mejora de estos parámetros por medio de un uso dinámico de recursos. ARTICo3 es una arquitectura de procesamiento para FPGAs basadas en RAM, con comunicación tipo bus, preparada para dar soporte para la gestión dinámica de los recursos internos de la FPGA en tiempo de ejecución gracias a la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial. Gracias a esta capacidad de reconfiguración parcial, es posible adaptar los niveles de capacidad de procesamiento, energía consumida o tolerancia a fallos para responder a las demandas de la aplicación, entorno, o métricas internas del dispositivo mediante la adaptación del número de recursos asignados para cada tarea. Durante esta segunda parte de la tesis se detallan el diseño de la arquitectura, su implementación en la plataforma HiReCookie, así como en otra familia de FPGAs, y su validación por medio de diferentes pruebas y demostraciones. Los principales objetivos que se plantean la arquitectura son los siguientes: • Proponer una metodología basada en un enfoque multi-hilo, como las propuestas por CUDA (por sus siglas en inglés, Compute Unified Device Architecture) u Open CL, en la cual distintos kernels, o unidades de ejecución, se ejecuten en un numero variable de aceleradores hardware sin necesidad de cambios en el código de aplicación. • Proponer un diseño y proporcionar una arquitectura en la que las condiciones de trabajo cambien de forma dinámica dependiendo bien de parámetros externos o bien de parámetros que indiquen el estado de la plataforma. Estos cambios en el punto de trabajo de la arquitectura serán posibles gracias a la reconfiguración dinámica y parcial de aceleradores hardware en tiempo real. • Explotar las posibilidades de procesamiento concurrente, incluso en una arquitectura basada en bus, por medio de la optimización de las transacciones en ráfaga de datos hacia los aceleradores. •Aprovechar las ventajas ofrecidas por la aceleración lograda por módulos puramente hardware para conseguir una mejor eficiencia energética. • Ser capaces de cambiar los niveles de redundancia de hardware de forma dinámica según las necesidades del sistema en tiempo real y sin cambios para el código de aplicación. • Proponer una capa de abstracción entre el código de aplicación y el uso dinámico de los recursos de la FPGA. El diseño en FPGAs permite la utilización de módulos hardware específicamente creados para una aplicación concreta. De esta forma es posible obtener rendimientos mucho mayores que en el caso de las arquitecturas de propósito general. Además, algunas FPGAs permiten la reconfiguración dinámica y parcial de ciertas partes de su lógica en tiempo de ejecución, lo cual dota al diseño de una gran flexibilidad. Los fabricantes de FPGAs ofrecen arquitecturas predefinidas con la posibilidad de añadir bloques prediseñados y poder formar sistemas en chip de una forma más o menos directa. Sin embargo, la forma en la que estos módulos hardware están organizados dentro de la arquitectura interna ya sea estática o dinámicamente, o la forma en la que la información se intercambia entre ellos, influye enormemente en la capacidad de cómputo y eficiencia energética del sistema. De la misma forma, la capacidad de cargar módulos hardware bajo demanda, permite añadir bloques redundantes que permitan aumentar el nivel de tolerancia a fallos de los sistemas. Sin embargo, la complejidad ligada al diseño de bloques hardware dedicados no debe ser subestimada. Es necesario tener en cuenta que el diseño de un bloque hardware no es sólo su propio diseño, sino también el diseño de sus interfaces, y en algunos casos de los drivers software para su manejo. Además, al añadir más bloques, el espacio de diseño se hace más complejo, y su programación más difícil. Aunque la mayoría de los fabricantes ofrecen interfaces predefinidas, IPs (por sus siglas en inglés, Intelectual Property) comerciales y plantillas para ayudar al diseño de los sistemas, para ser capaces de explotar las posibilidades reales del sistema, es necesario construir arquitecturas sobre las ya establecidas para facilitar el uso del paralelismo, la redundancia, y proporcionar un entorno que soporte la gestión dinámica de los recursos. Para proporcionar este tipo de soporte, ARTICo3 trabaja con un espacio de soluciones formado por tres ejes fundamentales: computación, consumo energético y confiabilidad. De esta forma, cada punto de trabajo se obtiene como una solución de compromiso entre estos tres parámetros. Mediante el uso de la reconfiguración dinámica y parcial y una mejora en la transmisión de los datos entre la memoria principal y los aceleradores, es posible dedicar un número variable de recursos en el tiempo para cada tarea, lo que hace que los recursos internos de la FPGA sean virtualmente ilimitados. Este variación en el tiempo del número de recursos por tarea se puede usar bien para incrementar el nivel de paralelismo, y por ende de aceleración, o bien para aumentar la redundancia, y por lo tanto el nivel de tolerancia a fallos. Al mismo tiempo, usar un numero óptimo de recursos para una tarea mejora el consumo energético ya que bien es posible disminuir la potencia instantánea consumida, o bien el tiempo de procesamiento. Con el objetivo de mantener los niveles de complejidad dentro de unos límites lógicos, es importante que los cambios realizados en el hardware sean totalmente transparentes para el código de aplicación. A este respecto, se incluyen distintos niveles de transparencia: • Transparencia a la escalabilidad: los recursos usados por una misma tarea pueden ser modificados sin que el código de aplicación sufra ningún cambio. • Transparencia al rendimiento: el sistema aumentara su rendimiento cuando la carga de trabajo aumente, sin cambios en el código de aplicación. • Transparencia a la replicación: es posible usar múltiples instancias de un mismo módulo bien para añadir redundancia o bien para incrementar la capacidad de procesamiento. Todo ello sin que el código de aplicación cambie. • Transparencia a la posición: la posición física de los módulos hardware es arbitraria para su direccionamiento desde el código de aplicación. • Transparencia a los fallos: si existe un fallo en un módulo hardware, gracias a la redundancia, el código de aplicación tomará directamente el resultado correcto. • Transparencia a la concurrencia: el hecho de que una tarea sea realizada por más o menos bloques es transparente para el código que la invoca. Por lo tanto, esta tesis doctoral contribuye en dos líneas diferentes. En primer lugar, con el diseño de la plataforma HiReCookie y en segundo lugar con el diseño de la arquitectura ARTICo3. Las principales contribuciones de esta tesis se resumen a continuación. • Arquitectura de la HiReCookie incluyendo: o Compatibilidad con la plataforma Cookies para incrementar las capacidades de esta. o División de la arquitectura en distintas islas de alimentación. o Implementación de los diversos modos de bajo consumo y políticas de despertado del nodo. o Creación de un archivo de configuración de la FPGA comprimido para reducir el tiempo y el consumo de la configuración inicial. • Diseño de la arquitectura reconfigurable para FPGAs basadas en RAM ARTICo3: o Modelo de computación y modos de ejecución inspirados en el modelo de CUDA pero basados en hardware reconfigurable con un número variable de bloques de hilos por cada unidad de ejecución. o Estructura para optimizar las transacciones de datos en ráfaga proporcionando datos en cascada o en paralelo a los distinto módulos incluyendo un proceso de votado por mayoría y operaciones de reducción. o Capa de abstracción entre el procesador principal que incluye el código de aplicación y los recursos asignados para las diferentes tareas. o Arquitectura de los módulos hardware reconfigurables para mantener la escalabilidad añadiendo una la interfaz para las nuevas funcionalidades con un simple acceso a una memoria RAM interna. o Caracterización online de las tareas para proporcionar información a un módulo de gestión de recursos para mejorar la operación en términos de energía y procesamiento cuando además se opera entre distintos nieles de tolerancia a fallos. El documento está dividido en dos partes principales formando un total de cinco capítulos. En primer lugar, después de motivar la necesidad de nuevas plataformas para cubrir las nuevas aplicaciones, se detalla el diseño de la plataforma HiReCookie, sus partes, las posibilidades para bajar el consumo energético y se muestran casos de uso de la plataforma así como pruebas de validación del diseño. La segunda parte del documento describe la arquitectura reconfigurable, su implementación en varias FPGAs, y pruebas de validación en términos de capacidad de procesamiento y consumo energético, incluyendo cómo estos aspectos se ven afectados por el nivel de tolerancia a fallos elegido. Los capítulos a lo largo del documento son los siguientes: El capítulo 1 analiza los principales objetivos, motivación y aspectos teóricos necesarios para seguir el resto del documento. El capítulo 2 está centrado en el diseño de la plataforma HiReCookie y sus posibilidades para disminuir el consumo de energía. El capítulo 3 describe la arquitectura reconfigurable ARTICo3. El capítulo 4 se centra en las pruebas de validación de la arquitectura usando la plataforma HiReCookie para la mayoría de los tests. Un ejemplo de aplicación es mostrado para analizar el funcionamiento de la arquitectura. El capítulo 5 concluye esta tesis doctoral comentando las conclusiones obtenidas, las contribuciones originales del trabajo y resultados y líneas futuras. ABSTRACT This PhD Thesis is framed within the field of dynamically reconfigurable embedded systems, advanced sensor networks and distributed computing. The document is centred on the study of processing solutions for high-performance autonomous distributed systems (HPADS) as well as their evolution towards High performance Computing (HPC) systems. The approach of the study is focused on both platform and processor levels to optimise critical aspects such as computing performance, energy efficiency and fault tolerance. HPADS are considered feedback systems, normally networked and/or distributed, with real-time adaptive and predictive functionality. These systems, as part of more complex systems known as Cyber-Physical Systems (CPSs), can be applied in a wide range of fields such as military, health care, manufacturing, aerospace, etc. For the design of HPADS, high levels of dependability, the definition of suitable models of computation, and the use of methodologies and tools to support scalability and complexity management, are required. The first part of the document studies the different possibilities at platform design level in the state of the art, together with description, development and validation tests of the platform proposed in this work to cope with the previously mentioned requirements. The main objectives targeted by this platform design are the following: • Study the feasibility of using SRAM-based FPGAs as the main processor of the platform in terms of energy consumption and performance for high demanding applications. • Analyse and propose energy management techniques to reduce energy consumption in every stage of the working profile of the platform. • Provide a solution with dynamic partial and wireless remote HW reconfiguration (DPR) to be able to change certain parts of the FPGA design at run time and on demand without interrupting the rest of the system. • Demonstrate the applicability of the platform in different test-bench applications. In order to select the best approach for the platform design in terms of processing alternatives, a study of the evolution of the state-of-the-art platforms is required to analyse how different architectures cope with new more demanding applications and scenarios: security, mixed-critical systems for aerospace, multimedia applications, or military environments, among others. In all these scenarios, important changes in the required processing bandwidth or the complexity of the algorithms used are provoking the migration of the platforms from single microprocessor architectures to multiprocessing and heterogeneous solutions with more instant power consumption but higher energy efficiency. Within these solutions, FPGAs and Systems on Chip including FPGA fabric and dedicated hard processors, offer a good trade of among flexibility, processing performance, energy consumption and price, when they are used in demanding applications where working conditions are very likely to vary over time and high complex algorithms are required. The platform architecture proposed in this PhD Thesis is called HiReCookie. It includes an SRAM-based FPGA as the main and only processing unit. The FPGA selected, the Xilinx Spartan-6 LX150, was at the beginning of this work the best choice in terms of amount of resources and power. Although, the power levels are the lowest of these kind of devices, they can be still very high for distributed systems that normally work powered by batteries. For that reason, it is necessary to include different energy saving possibilities to increase the usability of the platform. In order to reduce energy consumption, the platform architecture is divided into different power islands so that only those parts of the systems that are strictly needed are powered on, while the rest of the islands can be completely switched off. This allows a combination of different low power modes to decrease energy. In addition, one of the most important handicaps of SRAM-based FPGAs is that they are not alive at power up. Therefore, recovering the system from a switch-off state requires to reload the FPGA configuration from a non-volatile memory device. For that reason, this PhD Thesis also proposes a methodology to compress the FPGA configuration file in order to reduce time and energy during the initial configuration process. Although some of the requirements for the design of HPADS are already covered by the design of the HiReCookie platform, it is necessary to continue improving energy efficiency, computing performance and fault tolerance. This is only possible by exploiting all the opportunities provided by the processing architectures configured inside the FPGA. Therefore, the second part of the thesis details the design of the so called ARTICo3 FPGA architecture to enhance the already intrinsic capabilities of the FPGA. ARTICo3 is a DPR-capable bus-based virtual architecture for multiple HW acceleration in SRAM-based FPGAs. The architecture provides support for dynamic resource management in real time. In this way, by using DPR, it will be possible to change the levels of computing performance, energy consumption and fault tolerance on demand by increasing or decreasing the amount of resources used by the different tasks. Apart from the detailed design of the architecture and its implementation in different FPGA devices, different validation tests and comparisons are also shown. The main objectives targeted by this FPGA architecture are listed as follows: • Provide a method based on a multithread approach such as those offered by CUDA (Compute Unified Device Architecture) or OpenCL kernel executions, where kernels are executed in a variable number of HW accelerators without requiring application code changes. • Provide an architecture to dynamically adapt working points according to either self-measured or external parameters in terms of energy consumption, fault tolerance and computing performance. Taking advantage of DPR capabilities, the architecture must provide support for a dynamic use of resources in real time. • Exploit concurrent processing capabilities in a standard bus-based system by optimizing data transactions to and from HW accelerators. • Measure the advantage of HW acceleration as a technique to boost performance to improve processing times and save energy by reducing active times for distributed embedded systems. • Dynamically change the levels of HW redundancy to adapt fault tolerance in real time. • Provide HW abstraction from SW application design. FPGAs give the possibility of designing specific HW blocks for every required task to optimise performance while some of them include the possibility of including DPR. Apart from the possibilities provided by manufacturers, the way these HW modules are organised, addressed and multiplexed in area and time can improve computing performance and energy consumption. At the same time, fault tolerance and security techniques can also be dynamically included using DPR. However, the inherent complexity of designing new HW modules for every application is not negligible. It does not only consist of the HW description, but also the design of drivers and interfaces with the rest of the system, while the design space is widened and more complex to define and program. Even though the tools provided by the majority of manufacturers already include predefined bus interfaces, commercial IPs, and templates to ease application prototyping, it is necessary to improve these capabilities. By adding new architectures on top of them, it is possible to take advantage of parallelization and HW redundancy while providing a framework to ease the use of dynamic resource management. ARTICo3 works within a solution space where working points change at run time in a 3D space defined by three different axes: Computation, Consumption, and Fault Tolerance. Therefore, every working point is found as a trade-off solution among these three axes. By means of DPR, different accelerators can be multiplexed so that the amount of available resources for any application is virtually unlimited. Taking advantage of DPR capabilities and a novel way of transmitting data to the reconfigurable HW accelerators, it is possible to dedicate a dynamically-changing number of resources for a given task in order to either boost computing speed or adding HW redundancy and a voting process to increase fault-tolerance levels. At the same time, using an optimised amount of resources for a given task reduces energy consumption by reducing instant power or computing time. In order to keep level complexity under certain limits, it is important that HW changes are transparent for the application code. Therefore, different levels of transparency are targeted by the system: • Scalability transparency: a task must be able to expand its resources without changing the system structure or application algorithms. • Performance transparency: the system must reconfigure itself as load changes. • Replication transparency: multiple instances of the same task are loaded to increase reliability and performance. • Location transparency: resources are accessed with no knowledge of their location by the application code. • Failure transparency: task must be completed despite a failure in some components. • Concurrency transparency: different tasks will work in a concurrent way transparent to the application code. Therefore, as it can be seen, the Thesis is contributing in two different ways. First with the design of the HiReCookie platform and, second with the design of the ARTICo3 architecture. The main contributions of this PhD Thesis are then listed below: • Architecture of the HiReCookie platform including: o Compatibility of the processing layer for high performance applications with the Cookies Wireless Sensor Network platform for fast prototyping and implementation. o A division of the architecture in power islands. o All the different low-power modes. o The creation of the partial-initial bitstream together with the wake-up policies of the node. • The design of the reconfigurable architecture for SRAM FPGAs: ARTICo3: o A model of computation and execution modes inspired in CUDA but based on reconfigurable HW with a dynamic number of thread blocks per kernel. o A structure to optimise burst data transactions providing coalesced or parallel data to HW accelerators, parallel voting process and reduction operation. o The abstraction provided to the host processor with respect to the operation of the kernels in terms of the number of replicas, modes of operation, location in the reconfigurable area and addressing. o The architecture of the modules representing the thread blocks to make the system scalable by adding functional units only adding an access to a BRAM port. o The online characterization of the kernels to provide information to a scheduler or resource manager in terms of energy consumption and processing time when changing among different fault-tolerance levels, as well as if a kernel is expected to work in the memory-bounded or computing-bounded areas. The document of the Thesis is divided into two main parts with a total of five chapters. First, after motivating the need for new platforms to cover new more demanding applications, the design of the HiReCookie platform, its parts and several partial tests are detailed. The design of the platform alone does not cover all the needs of these applications. Therefore, the second part describes the architecture inside the FPGA, called ARTICo3, proposed in this PhD Thesis. The architecture and its implementation are tested in terms of energy consumption and computing performance showing different possibilities to improve fault tolerance and how this impact in energy and time of processing. Chapter 1 shows the main goals of this PhD Thesis and the technology background required to follow the rest of the document. Chapter 2 shows all the details about the design of the FPGA-based platform HiReCookie. Chapter 3 describes the ARTICo3 architecture. Chapter 4 is focused on the validation tests of the ARTICo3 architecture. An application for proof of concept is explained where typical kernels related to image processing and encryption algorithms are used. Further experimental analyses are performed using these kernels. Chapter 5 concludes the document analysing conclusions, comments about the contributions of the work, and some possible future lines for the work.

Sistema de ayuda a la selección de soluciones de protección de datos personales, para los productos y servicios en “Internet de las Cosas”

Los nuevos productos y servicios de “Internet de las Cosas” nos harán más eficientes, con una mayor capacidad de actuación y una mejor comprensión de nuestro entorno. Se desarrollarán nuevas ayudas técnicas que permitirán prolongar nuestra vida activa, y muchas ventajas que hoy día nos costaría imaginar. Sin embargo coexistiremos con una gran cantidad de dispositivos que recopilarán información sobre nuestra actividad, costumbres, preferencias, etc., que podrían amenazar nuestra privacidad. La desconfianza que estos riesgos podrían generar en las personas, actuaría como una barrera que podría dificultar el pleno desarrollo de esta nueva gama de productos y servicios. Internet de las Cosas, alcanza su significado más representativo con las Ciudades Inteligentes (Smart Cities) que proporcionan las herramientas necesarias para mejorar la gestión de las ciudades modernas de una manera mucho más eficiente. Estas herramientas necesitan recolectar información de los ciudadanos abriendo la posibilidad de someterlos a un seguimiento. Así, las políticas de seguridad y privacidad deben desarrollarse para satisfacer y gestionar la heterogeneidad legislativa en torno a los servicios prestados y cumplir con las leyes del país en el que se proporcionan estos servicios. El objetivo de esta tesis es aportar una posible solución para la garantizar la seguridad y privacidad de los datos personales en Internet de las Cosas, mediante técnicas que resulten de la colaboración entre las áreas empresarial, legislativa y tecnológica para dar confianza a todos los actores involucrados y resolver la posible colisión de intereses entre ellos, y también debe ser capaz de poder gestionar la heterogeneidad legislativa. Considerando que gran parte de estos servicios se canalizan a través de redes de sensores inalámbricos, y que estas redes tienen importantes limitaciones de recursos, se propone un sistema de gestión que además sea capaz de dar una cobertura de seguridad y privacidad justo a medida de las necesidades. ABSTRACT New products and services offered by the “Internet of Things” will make people more efficient and more able to understand the environment and take better decisions. New assistive technologies will allow people to extend their working years and many other advantages that currently are hard to foreseen. Nonetheless, we will coexist with a large number of devices collecting information about activities, habits, preferences, etc. This situation could threaten personal privacy. Distrust could be a barrier to the full development of these new products and services. Internet of Things reaches its most representative meaning by the Smart Cities providing the necessary solutions to improve the management of modern cities by means of more efficient tools. These tools require gathering citizens’ information about their activity, preferences, habits, etc. opening up the possibility of tracking them. Thus, privacy and security policies must be developed in order to satisfy and manage the legislative heterogeneity surrounding the services provided and comply with the laws of the country where they are provided. The objective of this thesis is to provide a feasible solution to ensure the security and privacy of personal data on the Internet of Things through resulting techniques from the collaboration between business, legislative and technological areas so as to give confidence to all stakeholders and resolve the possible conflict of interest between them, as well as to manage the legislative heterogeneity. Whereas most of these services are based on wireless sensor networks, and these networks have significant resource constraints, the proposed management system is also able to cover the security and privacy requirements considering those constrains.