Fractal scaling of apparent soil moisture estimated from vertical planes of Vertisol pit images

Image analysis could be a useful tool for investigating the spatial patterns of apparent soil moisture at multiple resolutions. The objectives of the present work were (i) to define apparent soil moisture patterns from vertical planes of Vertisol pit images and (ii) to describe the scaling of apparent soil moisture distribution using fractal parameters. Twelve soil pits (0.70 m long × 0.60 m width × 0.30 m depth) were excavated on a bare Mazic Pellic Vertisol. Six of them were excavated in April/2011 and six pits were established in May/2011 after 3 days of a moderate rainfall event. Digital photographs were taken from each Vertisol pit using a Kodak™ digital camera. The mean image size was 1600 × 945 pixels with one physical pixel ≈373 μm of the photographed soil pit. Each soil image was analyzed using two fractal scaling exponents, box counting (capacity) dimension (DBC) and interface fractal dimension (Di), and three prefractal scaling coefficients, the total number of boxes intercepting the foreground pattern at a unit scale (A), fractal lacunarity at the unit scale (Λ1) and Shannon entropy at the unit scale (S1). All the scaling parameters identified significant differences between both sets of spatial patterns. Fractal lacunarity was the best discriminator between apparent soil moisture patterns. Soil image interpretation with fractal exponents and prefractal coefficients can be incorporated within a site-specific agriculture toolbox. While fractal exponents convey information on space filling characteristics of the pattern, prefractal coefficients represent the investigated soil property as seen through a higher resolution microscope. In spite of some computational and practical limitations, image analysis of apparent soil moisture patterns could be used in connection with traditional soil moisture sampling, which always renders punctual estimates

Fractal scaling of apparent soil moisture estimated from vertical planesof Vertisol pit images

Image analysis could be a useful tool for investigating the spatial patterns of apparent soil moisture at multiple resolutions. The objectives of the present work were (i) to define apparent soil moisture patterns from vertical planes of Vertisol pit images and (ii) to describe the scaling of apparent soil moisture distribution using fractal parameters. Twelve soil pits (0.70 m long × 0.60 m width × 0.30 m depth) were excavated on a bare Mazic Pellic Vertisol. Six of them were excavated in April/2011 and six pits were established in May/2011 after 3 days of a moderate rainfall event. Digital photographs were taken from each Vertisol pit using a Kodak? digital camera. The mean image size was 1600 × 945 pixels with one physical pixel ?373 ?m of the photographed soil pit. Each soil image was analyzed using two fractal scaling exponents, box counting (capacity) dimension (DBC) and interface fractal dimension (Di), and three prefractal scaling coefficients, the total number of boxes intercepting the foreground pattern at a unit scale (A), fractal lacunarity at the unit scale (?1) and Shannon entropy at the unit scale (S1). All the scaling parameters identified significant differences between both sets of spatial patterns. Fractal lacunarity was the best discriminator between apparent soil moisture patterns. Soil image interpretation with fractal exponents and prefractal coefficients can be incorporated within a site-specific agriculture toolbox. While fractal exponents convey information on space filling characteristics of the pattern, prefractal coefficients represent the investigated soil property as seen through a higher resolution microscope. In spite of some computational and practical limitations, image analysis of apparent soil moisture patterns could be used in connection with traditional soil moisture sampling, which always renders punctual estimates.

Brown trout redd superimposition in relation to spawning habitat availability

The relationship between redd superimposition and spawning habitat availability was investigated in the brown trout (Salmo trutta L.) population inhabiting the river Castril (Granada, Spain). Redd surveys were conducted in 24 river sections to estimate the rate of redd superimposition. Used and available microhabitat was evaluated to compute the suitable spawning habitat (SSH) for brown trout. After analysing the microhabitat characteristics positively selected by females, SSH was defined as an area that met all the following five requirements: water depth between 10 and 50 cm, mean water velocity between 30 and 60 cm s)1, bottom water velocity between 15 and 60 cm s)1, substrate size between 4 and 30 mm and no embeddedness. Simple regression analyses showed that redd superimposition was not correlated with redd numbers, SSH or redd density. A simulation-based analysis was performed to estimate the superimposition rate if redds were randomly placed inside the SSH. This analysis revealed that the observed superimposition rate was higher than expected in 23 of 24 instances, this difference being significant (P menor que 0.05) in eight instances and right at the limit of statistical significance (P = 0.05) in another eight instances. Redd superimposition was high in sections with high redd density. High superimposition however was not exclusive to sections with high redd density and was found in moderate- and low-redd-density sections. This suggests that factors other than habitat availability are also responsible for redd superimposition. We argue that female preference for spawning over previously excavated redds may be the most likely explanation for high superimposition at lower densities.

Reliability of tunnel liners

The possibility of application of structural reliability theory to the computation of the safety margins of excavated tunnels is presented. After a brief description of the existing procedures the limitations of the safety coefficients such as they usually defined, the proposed limit states are precised as well as the random variables and the applied methodology. Also presented are simple examples, some of them based in actual cases, and to end, some conclusions are established the most important one being the probability of using the method to solve the inverse problem of identification.

Observation and Detection of Underground Cellars in the Duero Basin By GNSS, Lidar and Ground Penetrating Radar Techniques

The underground cellars that appear in different parts of Spain are part of an agricultural landscape dispersed, sometimes damaged, others at risk of disappearing. This paper studies the measurement and display of a group of wineries located in Atauta (Soria), in the Duero River corridor. It is a unique architectural complex, facing rising, built on a smooth hillock as shown in Fig. 1. These constructions are excavated in the ground. The access to the cave or underground cellar has a shape of a narrow tube or down gallery. Immediately after, this space gets wider. There, wine is produced and stored [1]. Observation and detection of the underground cellar, both on the outside and underground, it is essential to make an inventory of the rural patrimony [2]. The geodetection is a noninvasive technique, adequate to accurately locate buried structures in the ground. Works undertaken include topographic work with the LIDAR techniques and integration with data obtained by GNSS and GPR.

Metodología del análisis de imágenes digitales para el estudio del contenido de humedad en vertisoles

Desde finales del siglo pasado, el procesamiento y análisis de imágenes digitales, se ha convertido en una poderosa herramienta para la investigación de las propiedades del suelo a múltiples resoluciones, sin embargo todavía no existen los mejores resultados en cuanto a estos trabajos. El principal problema para investigar el drenaje vertical a partir de la distribución de humedad en un perfil de vertisol es la búsqueda de métodos factibles que usen este procedimiento. El objetivo general es implementar una metodología para el procesamiento y análisis de imágenes digitales, que permita caracterizar la distribución del contenido de humedad de un perfil de vertisol. Para el estudio, doce calicatas fueron excavadas en un Mazic Pellic Vertisol, seis de ellas en mayo 13/2011 y el resto en mayo 19/2011 después de moderados eventos de lluvia. Las imágenes RGB de los perfiles fueron tomadas con una cámara Kodak™; con tamaños seleccionados de 1600 x 945 píxeles cada una fue procesada para homogeneizar el brillo y se aplicaron filtros suavizadores de diferentes tamaños de ventana, hasta obtener el óptimo. Cada imagen se dividió en sus matrices componentes, seleccionando los umbrales de cada una para ser aplicado y obtener el patrón digital binario. Este último fue analizado a través de la estimación de dos exponentes fractales: dimensión de conteo de cajas (DBC) y dimensión fractal de interfase húmedo seco (Di). Además, fueron determinados tres coeficientes prefractales a la máxima resolución: número total de cajas interceptados en el plano del patrón (A), la lagunaridad fractal (λ1) y la entropía de Shannon (S1). Para todas las imágenes obtenidas, basado en la entropía, los análisis de clúster y de histogramas, el filtro espacial de 9x9 resultó ser el de tamaño de ventana óptimo. Los umbrales fueron seleccionados a partir del carácter bimodal de los histogramas. Los patrones binarios obtenidos mostraron áreas húmedas (blancas) y secas (negras) que permitieron su análisis. Todos los parámetros obtenidos mostraron diferencias significativas entre ambos conjuntos de patrones espaciales. Mientras los exponentes fractales aportan información sobre las características de llenado del patrón de humedad, los coeficientes prefractales representan propiedades del suelo investigado. La lagunaridad fractal fue el mejor discriminador entre los patrones de humedad aparente del suelo. ABSTRACT From last century, digital image processing and analysis was converted in a powerful tool to investigate soil properties at multiple resolutions, however, the best final procedure in these works not yet exist. The main problem to study vertical drainage from the moisture distribution, on a vertisol profile, is searching for suitable methods using these procedures. Our aim was to design a digital image processing methodology and its analysis to characterize the moisture content distribution of a vertisol profile. In this research, twelve soil pits were excavated on a bare Mazic Pellic Vertisol, six of them in May 13/2011 and the rest in May 19/2011 after a moderate rainfall event. Digital RGB images were taken from each vertisol pit using a Kodak™ camera selecting a size of 1600x945 pixels. Each soil image was processed to homogenized brightness and then a spatial filter with several window sizes was applied to select the optimum one. The RGB image obtained were divided in each matrix color selecting the best thresholds for each one, maximum and minimum, to be applied and get a digital binary pattern. This one was analyzed by estimating two fractal scaling exponents: box counting dimension (DBC

Geological patterns in the collapse of certain rock sanctuaries of Spain

Descripción de ciertos rasgos geológicos que amenazan el patrimonio religioso rupestre español. Rock sanctuaries are a historical heritage not as well-known as other religious constructions, due to their usual recondite location and abandoned condition. Spain has a large number of examples, mostly excavated during the Early Middle Age or even before. Fortunately, some of them are used on present worship, but the majority of these ancient shrines have suffered of severe damage through time, mostly due to common geological patterns. Some others threaten to collapse soon unless urgent remedial improvement is applied. Some examples at different locations are shown, reviewing their problems, which involve weathering, major rock cracks, soft rock pillars and others related to the defective site where they were located.

Reliability of tunnel liners

The possibility of application of structural reliability theory to the computation of the safety margins of excavated tunnels is presented. After a brief description of the existing procedures and the limitations of the safety coefficients such as they are usually defined, the proposed limit states are precised as well as the random variables and the applied methodology. Also presented are simple examples, some of them based in actual cases, and to end, some conclusions are established the most important one being the probability of using the method to solve the inverse problem of identification.

Side-Channel Attack Protection Techniques in FPGA Systems using Enhanced Dual-Rail Solutions

Esta tesis doctoral se centra principalmente en técnicas de ataque y contramedidas relacionadas con ataques de canal lateral (SCA por sus siglas en inglés), que han sido propuestas dentro del campo de investigación académica desde hace 17 años. Las investigaciones relacionadas han experimentado un notable crecimiento en las últimas décadas, mientras que los diseños enfocados en la protección sólida y eficaz contra dichos ataques aún se mantienen como un tema de investigación abierto, en el que se necesitan iniciativas más confiables para la protección de la información persona de empresa y de datos nacionales. El primer uso documentado de codificación secreta se remonta a alrededor de 1700 B.C., cuando los jeroglíficos del antiguo Egipto eran descritos en las inscripciones. La seguridad de la información siempre ha supuesto un factor clave en la transmisión de datos relacionados con inteligencia diplomática o militar. Debido a la evolución rápida de las técnicas modernas de comunicación, soluciones de cifrado se incorporaron por primera vez para garantizar la seguridad, integridad y confidencialidad de los contextos de transmisión a través de cables sin seguridad o medios inalámbricos. Debido a las restricciones de potencia de cálculo antes de la era del ordenador, la técnica de cifrado simple era un método más que suficiente para ocultar la información. Sin embargo, algunas vulnerabilidades algorítmicas pueden ser explotadas para restaurar la regla de codificación sin mucho esfuerzo. Esto ha motivado nuevas investigaciones en el área de la criptografía, con el fin de proteger el sistema de información ante sofisticados algoritmos. Con la invención de los ordenadores se ha acelerado en gran medida la implementación de criptografía segura, que ofrece resistencia eficiente encaminada a obtener mayores capacidades de computación altamente reforzadas. Igualmente, sofisticados cripto-análisis han impulsado las tecnologías de computación. Hoy en día, el mundo de la información ha estado involucrado con el campo de la criptografía, enfocada a proteger cualquier campo a través de diversas soluciones de cifrado. Estos enfoques se han fortalecido debido a la unificación optimizada de teorías matemáticas modernas y prácticas eficaces de hardware, siendo posible su implementación en varias plataformas (microprocesador, ASIC, FPGA, etc.). Las necesidades y requisitos de seguridad en la industria son las principales métricas de conducción en el diseño electrónico, con el objetivo de promover la fabricación de productos de gran alcance sin sacrificar la seguridad de los clientes. Sin embargo, una vulnerabilidad en la implementación práctica encontrada por el Prof. Paul Kocher, et al en 1996 implica que un circuito digital es inherentemente vulnerable a un ataque no convencional, lo cual fue nombrado posteriormente como ataque de canal lateral, debido a su fuente de análisis. Sin embargo, algunas críticas sobre los algoritmos criptográficos teóricamente seguros surgieron casi inmediatamente después de este descubrimiento. En este sentido, los circuitos digitales consisten típicamente en un gran número de celdas lógicas fundamentales (como MOS - Metal Oxide Semiconductor), construido sobre un sustrato de silicio durante la fabricación. La lógica de los circuitos se realiza en función de las innumerables conmutaciones de estas células. Este mecanismo provoca inevitablemente cierta emanación física especial que puede ser medida y correlacionada con el comportamiento interno del circuito. SCA se puede utilizar para revelar datos confidenciales (por ejemplo, la criptografía de claves), analizar la arquitectura lógica, el tiempo e incluso inyectar fallos malintencionados a los circuitos que se implementan en sistemas embebidos, como FPGAs, ASICs, o tarjetas inteligentes. Mediante el uso de la comparación de correlación entre la cantidad de fuga estimada y las fugas medidas de forma real, información confidencial puede ser reconstruida en mucho menos tiempo y computación. Para ser precisos, SCA básicamente cubre una amplia gama de tipos de ataques, como los análisis de consumo de energía y radiación ElectroMagnética (EM). Ambos se basan en análisis estadístico y, por lo tanto, requieren numerosas muestras. Los algoritmos de cifrado no están intrínsecamente preparados para ser resistentes ante SCA. Es por ello que se hace necesario durante la implementación de circuitos integrar medidas que permitan camuflar las fugas a través de "canales laterales". Las medidas contra SCA están evolucionando junto con el desarrollo de nuevas técnicas de ataque, así como la continua mejora de los dispositivos electrónicos. Las características físicas requieren contramedidas sobre la capa física, que generalmente se pueden clasificar en soluciones intrínsecas y extrínsecas. Contramedidas extrínsecas se ejecutan para confundir la fuente de ataque mediante la integración de ruido o mala alineación de la actividad interna. Comparativamente, las contramedidas intrínsecas están integradas en el propio algoritmo, para modificar la aplicación con el fin de minimizar las fugas medibles, o incluso hacer que dichas fugas no puedan ser medibles. Ocultación y Enmascaramiento son dos técnicas típicas incluidas en esta categoría. Concretamente, el enmascaramiento se aplica a nivel algorítmico, para alterar los datos intermedios sensibles con una máscara de manera reversible. A diferencia del enmascaramiento lineal, las operaciones no lineales que ampliamente existen en criptografías modernas son difíciles de enmascarar. Dicho método de ocultación, que ha sido verificado como una solución efectiva, comprende principalmente la codificación en doble carril, que está ideado especialmente para aplanar o eliminar la fuga dependiente de dato en potencia o en EM. En esta tesis doctoral, además de la descripción de las metodologías de ataque, se han dedicado grandes esfuerzos sobre la estructura del prototipo de la lógica propuesta, con el fin de realizar investigaciones enfocadas a la seguridad sobre contramedidas de arquitectura a nivel lógico. Una característica de SCA reside en el formato de las fuentes de fugas. Un típico ataque de canal lateral se refiere al análisis basado en la potencia, donde la capacidad fundamental del transistor MOS y otras capacidades parásitas son las fuentes esenciales de fugas. Por lo tanto, una lógica robusta resistente a SCA debe eliminar o mitigar las fugas de estas micro-unidades, como las puertas lógicas básicas, los puertos I/O y las rutas. Las herramientas EDA proporcionadas por los vendedores manipulan la lógica desde un nivel más alto, en lugar de realizarlo desde el nivel de puerta, donde las fugas de canal lateral se manifiestan. Por lo tanto, las implementaciones clásicas apenas satisfacen estas necesidades e inevitablemente atrofian el prototipo. Por todo ello, la implementación de un esquema de diseño personalizado y flexible ha de ser tomado en cuenta. En esta tesis se presenta el diseño y la implementación de una lógica innovadora para contrarrestar SCA, en la que se abordan 3 aspectos fundamentales: I. Se basa en ocultar la estrategia sobre el circuito en doble carril a nivel de puerta para obtener dinámicamente el equilibrio de las fugas en las capas inferiores; II. Esta lógica explota las características de la arquitectura de las FPGAs, para reducir al mínimo el gasto de recursos en la implementación; III. Se apoya en un conjunto de herramientas asistentes personalizadas, incorporadas al flujo genérico de diseño sobre FPGAs, con el fin de manipular los circuitos de forma automática. El kit de herramientas de diseño automático es compatible con la lógica de doble carril propuesta, para facilitar la aplicación práctica sobre la familia de FPGA del fabricante Xilinx. En este sentido, la metodología y las herramientas son flexibles para ser extendido a una amplia gama de aplicaciones en las que se desean obtener restricciones mucho más rígidas y sofisticadas a nivel de puerta o rutado. En esta tesis se realiza un gran esfuerzo para facilitar el proceso de implementación y reparación de lógica de doble carril genérica. La viabilidad de las soluciones propuestas es validada mediante la selección de algoritmos criptográficos ampliamente utilizados, y su evaluación exhaustiva en comparación con soluciones anteriores. Todas las propuestas están respaldadas eficazmente a través de ataques experimentales con el fin de validar las ventajas de seguridad del sistema. El presente trabajo de investigación tiene la intención de cerrar la brecha entre las barreras de implementación y la aplicación efectiva de lógica de doble carril. En esencia, a lo largo de esta tesis se describirá un conjunto de herramientas de implementación para FPGAs que se han desarrollado para trabajar junto con el flujo de diseño genérico de las mismas, con el fin de lograr crear de forma innovadora la lógica de doble carril. Un nuevo enfoque en el ámbito de la seguridad en el cifrado se propone para obtener personalización, automatización y flexibilidad en el prototipo de circuito de bajo nivel con granularidad fina. Las principales contribuciones del presente trabajo de investigación se resumen brevemente a continuación: Lógica de Precharge Absorbed-DPL logic: El uso de la conversión de netlist para reservar LUTs libres para ejecutar la señal de precharge y Ex en una lógica DPL. Posicionamiento entrelazado Row-crossed con pares idénticos de rutado en redes de doble carril, lo que ayuda a aumentar la resistencia frente a la medición EM selectiva y mitigar los impactos de las variaciones de proceso. Ejecución personalizada y herramientas de conversión automática para la generación de redes idénticas para la lógica de doble carril propuesta. (a) Para detectar y reparar conflictos en las conexiones; (b) Detectar y reparar las rutas asimétricas. (c) Para ser utilizado en otras lógicas donde se requiere un control estricto de las interconexiones en aplicaciones basadas en Xilinx. Plataforma CPA de pruebas personalizadas para el análisis de EM y potencia, incluyendo la construcción de dicha plataforma, el método de medición y análisis de los ataques. Análisis de tiempos para cuantificar los niveles de seguridad. División de Seguridad en la conversión parcial de un sistema de cifrado complejo para reducir los costes de la protección. Prueba de concepto de un sistema de calefacción auto-adaptativo para mitigar los impactos eléctricos debido a la variación del proceso de silicio de manera dinámica. La presente tesis doctoral se encuentra organizada tal y como se detalla a continuación: En el capítulo 1 se abordan los fundamentos de los ataques de canal lateral, que abarca desde conceptos básicos de teoría de modelos de análisis, además de la implementación de la plataforma y la ejecución de los ataques. En el capítulo 2 se incluyen las estrategias de resistencia SCA contra los ataques de potencia diferencial y de EM. Además de ello, en este capítulo se propone una lógica en doble carril compacta y segura como contribución de gran relevancia, así como también se presentará la transformación lógica basada en un diseño a nivel de puerta. Por otra parte, en el Capítulo 3 se abordan los desafíos relacionados con la implementación de lógica en doble carril genérica. Así mismo, se describirá un flujo de diseño personalizado para resolver los problemas de aplicación junto con una herramienta de desarrollo automático de aplicaciones propuesta, para mitigar las barreras de diseño y facilitar los procesos. En el capítulo 4 se describe de forma detallada la elaboración e implementación de las herramientas propuestas. Por otra parte, la verificación y validaciones de seguridad de la lógica propuesta, así como un sofisticado experimento de verificación de la seguridad del rutado, se describen en el capítulo 5. Por último, un resumen de las conclusiones de la tesis y las perspectivas como líneas futuras se incluyen en el capítulo 6. Con el fin de profundizar en el contenido de la tesis doctoral, cada capítulo se describe de forma más detallada a continuación: En el capítulo 1 se introduce plataforma de implementación hardware además las teorías básicas de ataque de canal lateral, y contiene principalmente: (a) La arquitectura genérica y las características de la FPGA a utilizar, en particular la Xilinx Virtex-5; (b) El algoritmo de cifrado seleccionado (un módulo comercial Advanced Encryption Standard (AES)); (c) Los elementos esenciales de los métodos de canal lateral, que permiten revelar las fugas de disipación correlacionadas con los comportamientos internos; y el método para recuperar esta relación entre las fluctuaciones físicas en los rastros de canal lateral y los datos internos procesados; (d) Las configuraciones de las plataformas de pruebas de potencia / EM abarcadas dentro de la presente tesis. El contenido de esta tesis se amplia y profundiza a partir del capítulo 2, en el cual se abordan varios aspectos claves. En primer lugar, el principio de protección de la compensación dinámica de la lógica genérica de precarga de doble carril (Dual-rail Precharge Logic-DPL) se explica mediante la descripción de los elementos compensados a nivel de puerta. En segundo lugar, la lógica PA-DPL es propuesta como aportación original, detallando el protocolo de la lógica y un caso de aplicación. En tercer lugar, dos flujos de diseño personalizados se muestran para realizar la conversión de doble carril. Junto con ello, se aclaran las definiciones técnicas relacionadas con la manipulación por encima de la netlist a nivel de LUT. Finalmente, una breve discusión sobre el proceso global se aborda en la parte final del capítulo. El Capítulo 3 estudia los principales retos durante la implementación de DPLs en FPGAs. El nivel de seguridad de las soluciones de resistencia a SCA encontradas en el estado del arte se ha degenerado debido a las barreras de implantación a través de herramientas EDA convencionales. En el escenario de la arquitectura FPGA estudiada, se discuten los problemas de los formatos de doble carril, impactos parásitos, sesgo tecnológico y la viabilidad de implementación. De acuerdo con estas elaboraciones, se plantean dos problemas: Cómo implementar la lógica propuesta sin penalizar los niveles de seguridad, y cómo manipular un gran número de celdas y automatizar el proceso. El PA-DPL propuesto en el capítulo 2 se valida con una serie de iniciativas, desde características estructurales como doble carril entrelazado o redes de rutado clonadas, hasta los métodos de aplicación tales como las herramientas de personalización y automatización de EDA. Por otra parte, un sistema de calefacción auto-adaptativo es representado y aplicado a una lógica de doble núcleo, con el fin de ajustar alternativamente la temperatura local para equilibrar los impactos negativos de la variación del proceso durante la operación en tiempo real. El capítulo 4 se centra en los detalles de la implementación del kit de herramientas. Desarrollado sobre una API third-party, el kit de herramientas personalizado es capaz de manipular los elementos de la lógica de circuito post P&R ncd (una versión binaria ilegible del xdl) convertido al formato XDL Xilinx. El mecanismo y razón de ser del conjunto de instrumentos propuestos son cuidadosamente descritos, que cubre la detección de enrutamiento y los enfoques para la reparación. El conjunto de herramientas desarrollado tiene como objetivo lograr redes de enrutamiento estrictamente idénticos para la lógica de doble carril, tanto para posicionamiento separado como para el entrelazado. Este capítulo particularmente especifica las bases técnicas para apoyar las implementaciones en los dispositivos de Xilinx y su flexibilidad para ser utilizado sobre otras aplicaciones. El capítulo 5 se enfoca en la aplicación de los casos de estudio para la validación de los grados de seguridad de la lógica propuesta. Se discuten los problemas técnicos detallados durante la ejecución y algunas nuevas técnicas de implementación. (a) Se discute el impacto en el proceso de posicionamiento de la lógica utilizando el kit de herramientas propuesto. Diferentes esquemas de implementación, tomando en cuenta la optimización global en seguridad y coste, se verifican con los experimentos con el fin de encontrar los planes de posicionamiento y reparación optimizados; (b) las validaciones de seguridad se realizan con los métodos de correlación y análisis de tiempo; (c) Una táctica asintótica se aplica a un núcleo AES sobre BCDL estructurado para validar de forma sofisticada el impacto de enrutamiento sobre métricas de seguridad; (d) Los resultados preliminares utilizando el sistema de calefacción auto-adaptativa sobre la variación del proceso son mostrados; (e) Se introduce una aplicación práctica de las herramientas para un diseño de cifrado completa. Capítulo 6 incluye el resumen general del trabajo presentado dentro de esta tesis doctoral. Por último, una breve perspectiva del trabajo futuro se expone, lo que puede ampliar el potencial de utilización de las contribuciones de esta tesis a un alcance más allá de los dominios de la criptografía en FPGAs. ABSTRACT This PhD thesis mainly concentrates on countermeasure techniques related to the Side Channel Attack (SCA), which has been put forward to academic exploitations since 17 years ago. The related research has seen a remarkable growth in the past decades, while the design of solid and efficient protection still curiously remain as an open research topic where more reliable initiatives are required for personal information privacy, enterprise and national data protections. The earliest documented usage of secret code can be traced back to around 1700 B.C., when the hieroglyphs in ancient Egypt are scribed in inscriptions. Information security always gained serious attention from diplomatic or military intelligence transmission. Due to the rapid evolvement of modern communication technique, crypto solution was first incorporated by electronic signal to ensure the confidentiality, integrity, availability, authenticity and non-repudiation of the transmitted contexts over unsecure cable or wireless channels. Restricted to the computation power before computer era, simple encryption tricks were practically sufficient to conceal information. However, algorithmic vulnerabilities can be excavated to restore the encoding rules with affordable efforts. This fact motivated the development of modern cryptography, aiming at guarding information system by complex and advanced algorithms. The appearance of computers has greatly pushed forward the invention of robust cryptographies, which efficiently offers resistance relying on highly strengthened computing capabilities. Likewise, advanced cryptanalysis has greatly driven the computing technologies in turn. Nowadays, the information world has been involved into a crypto world, protecting any fields by pervasive crypto solutions. These approaches are strong because of the optimized mergence between modern mathematical theories and effective hardware practices, being capable of implement crypto theories into various platforms (microprocessor, ASIC, FPGA, etc). Security needs from industries are actually the major driving metrics in electronic design, aiming at promoting the construction of systems with high performance without sacrificing security. Yet a vulnerability in practical implementation found by Prof. Paul Kocher, et al in 1996 implies that modern digital circuits are inherently vulnerable to an unconventional attack approach, which was named as side-channel attack since then from its analysis source. Critical suspicions to theoretically sound modern crypto algorithms surfaced almost immediately after this discovery. To be specifically, digital circuits typically consist of a great number of essential logic elements (as MOS - Metal Oxide Semiconductor), built upon a silicon substrate during the fabrication. Circuit logic is realized relying on the countless switch actions of these cells. This mechanism inevitably results in featured physical emanation that can be properly measured and correlated with internal circuit behaviors. SCAs can be used to reveal the confidential data (e.g. crypto-key), analyze the logic architecture, timing and even inject malicious faults to the circuits that are implemented in hardware system, like FPGA, ASIC, smart Card. Using various comparison solutions between the predicted leakage quantity and the measured leakage, secrets can be reconstructed at much less expense of time and computation. To be precisely, SCA basically encloses a wide range of attack types, typically as the analyses of power consumption or electromagnetic (EM) radiation. Both of them rely on statistical analyses, and hence require a number of samples. The crypto algorithms are not intrinsically fortified with SCA-resistance. Because of the severity, much attention has to be taken into the implementation so as to assemble countermeasures to camouflage the leakages via "side channels". Countermeasures against SCA are evolving along with the development of attack techniques. The physical characteristics requires countermeasures over physical layer, which can be generally classified into intrinsic and extrinsic vectors. Extrinsic countermeasures are executed to confuse the attacker by integrating noise, misalignment to the intra activities. Comparatively, intrinsic countermeasures are built into the algorithm itself, to modify the implementation for minimizing the measurable leakage, or making them not sensitive any more. Hiding and Masking are two typical techniques in this category. Concretely, masking applies to the algorithmic level, to alter the sensitive intermediate values with a mask in reversible ways. Unlike the linear masking, non-linear operations that widely exist in modern cryptographies are difficult to be masked. Approved to be an effective counter solution, hiding method mainly mentions dual-rail logic, which is specially devised for flattening or removing the data-dependent leakage in power or EM signatures. In this thesis, apart from the context describing the attack methodologies, efforts have also been dedicated to logic prototype, to mount extensive security investigations to countermeasures on logic-level. A characteristic of SCA resides on the format of leak sources. Typical side-channel attack concerns the power based analysis, where the fundamental capacitance from MOS transistors and other parasitic capacitances are the essential leak sources. Hence, a robust SCA-resistant logic must eliminate or mitigate the leakages from these micro units, such as basic logic gates, I/O ports and routings. The vendor provided EDA tools manipulate the logic from a higher behavioral-level, rather than the lower gate-level where side-channel leakage is generated. So, the classical implementations barely satisfy these needs and inevitably stunt the prototype. In this case, a customized and flexible design scheme is appealing to be devised. This thesis profiles an innovative logic style to counter SCA, which mainly addresses three major aspects: I. The proposed logic is based on the hiding strategy over gate-level dual-rail style to dynamically overbalance side-channel leakage from lower circuit layer; II. This logic exploits architectural features of modern FPGAs, to minimize the implementation expenses; III. It is supported by a set of assistant custom tools, incorporated by the generic FPGA design flow, to have circuit manipulations in an automatic manner. The automatic design toolkit supports the proposed dual-rail logic, facilitating the practical implementation on Xilinx FPGA families. While the methodologies and the tools are flexible to be expanded to a wide range of applications where rigid and sophisticated gate- or routing- constraints are desired. In this thesis a great effort is done to streamline the implementation workflow of generic dual-rail logic. The feasibility of the proposed solutions is validated by selected and widely used crypto algorithm, for thorough and fair evaluation w.r.t. prior solutions. All the proposals are effectively verified by security experiments. The presented research work attempts to solve the implementation troubles. The essence that will be formalized along this thesis is that a customized execution toolkit for modern FPGA systems is developed to work together with the generic FPGA design flow for creating innovative dual-rail logic. A method in crypto security area is constructed to obtain customization, automation and flexibility in low-level circuit prototype with fine-granularity in intractable routings. Main contributions of the presented work are summarized next: Precharge Absorbed-DPL logic: Using the netlist conversion to reserve free LUT inputs to execute the Precharge and Ex signal in a dual-rail logic style. A row-crossed interleaved placement method with identical routing pairs in dual-rail networks, which helps to increase the resistance against selective EM measurement and mitigate the impacts from process variations. Customized execution and automatic transformation tools for producing identical networks for the proposed dual-rail logic. (a) To detect and repair the conflict nets; (b) To detect and repair the asymmetric nets. (c) To be used in other logics where strict network control is required in Xilinx scenario. Customized correlation analysis testbed for EM and power attacks, including the platform construction, measurement method and attack analysis. A timing analysis based method for quantifying the security grades. A methodology of security partitions of complex crypto systems for reducing the protection cost. A proof-of-concept self-adaptive heating system to mitigate electrical impacts over process variations in dynamic dual-rail compensation manner. The thesis chapters are organized as follows: Chapter 1 discusses the side-channel attack fundamentals, which covers from theoretic basics to analysis models, and further to platform setup and attack execution. Chapter 2 centers to SCA-resistant strategies against generic power and EM attacks. In this chapter, a major contribution, a compact and secure dual-rail logic style, will be originally proposed. The logic transformation based on bottom-layer design will be presented. Chapter 3 is scheduled to elaborate the implementation challenges of generic dual-rail styles. A customized design flow to solve the implementation problems will be described along with a self-developed automatic implementation toolkit, for mitigating the design barriers and facilitating the processes. Chapter 4 will originally elaborate the tool specifics and construction details. The implementation case studies and security validations for the proposed logic style, as well as a sophisticated routing verification experiment, will be described in Chapter 5. Finally, a summary of thesis conclusions and perspectives for future work are included in Chapter 5. To better exhibit the thesis contents, each chapter is further described next: Chapter 1 provides the introduction of hardware implementation testbed and side-channel attack fundamentals, and mainly contains: (a) The FPGA generic architecture and device features, particularly of Virtex-5 FPGA; (b) The selected crypto algorithm - a commercially and extensively used Advanced Encryption Standard (AES) module - is detailed; (c) The essentials of Side-Channel methods are profiled. It reveals the correlated dissipation leakage to the internal behaviors, and the method to recover this relationship between the physical fluctuations in side-channel traces and the intra processed data; (d) The setups of the power/EM testing platforms enclosed inside the thesis work are given. The content of this thesis is expanded and deepened from chapter 2, which is divided into several aspects. First, the protection principle of dynamic compensation of the generic dual-rail precharge logic is explained by describing the compensated gate-level elements. Second, the novel DPL is originally proposed by detailing the logic protocol and an implementation case study. Third, a couple of custom workflows are shown next for realizing the rail conversion. Meanwhile, the technical definitions that are about to be manipulated above LUT-level netlist are clarified. A brief discussion about the batched process is given in the final part. Chapter 3 studies the implementation challenges of DPLs in FPGAs. The security level of state-of-the-art SCA-resistant solutions are decreased due to the implementation barriers using conventional EDA tools. In the studied FPGA scenario, problems are discussed from dual-rail format, parasitic impact, technological bias and implementation feasibility. According to these elaborations, two problems arise: How to implement the proposed logic without crippling the security level; and How to manipulate a large number of cells and automate the transformation. The proposed PA-DPL in chapter 2 is legalized with a series of initiatives, from structures to implementation methods. Furthermore, a self-adaptive heating system is depicted and implemented to a dual-core logic, assumed to alternatively adjust local temperature for balancing the negative impacts from silicon technological biases on real-time. Chapter 4 centers to the toolkit system. Built upon a third-party Application Program Interface (API) library, the customized toolkit is able to manipulate the logic elements from post P&R circuit (an unreadable binary version of the xdl one) converted to Xilinx xdl format. The mechanism and rationale of the proposed toolkit are carefully convoyed, covering the routing detection and repairing approaches. The developed toolkit aims to achieve very strictly identical routing networks for dual-rail logic both for separate and interleaved placement. This chapter particularly specifies the technical essentials to support the implementations in Xilinx devices and the flexibility to be expanded to other applications. Chapter 5 focuses on the implementation of the case studies for validating the security grades of the proposed logic style from the proposed toolkit. Comprehensive implementation techniques are discussed. (a) The placement impacts using the proposed toolkit are discussed. Different execution schemes, considering the global optimization in security and cost, are verified with experiments so as to find the optimized placement and repair schemes; (b) Security validations are realized with correlation, timing methods; (c) A systematic method is applied to a BCDL structured module to validate the routing impact over security metric; (d) The preliminary results using the self-adaptive heating system over process variation is given; (e) A practical implementation of the proposed toolkit to a large design is introduced. Chapter 6 includes the general summary of the complete work presented inside this thesis. Finally, a brief perspective for the future work is drawn which might expand the potential utilization of the thesis contributions to a wider range of implementation domains beyond cryptography on FPGAs.

La habitación subterránea en la Península Ibérica : investigación geológica

La habitación rupestre en la Península Ibérica conforma un amplio conjunto de manifestaciones cuyos orígenes son difíciles de dilucidar. Existen conjuntos primitivos, posiblemente horadados durante la Antigüedad Clásica y Tardía, y otros que probablemente se originaron y excavaron en la Alta Edad Media, en los que se mezclan grupos de origen religioso y otros de probable uso defensivo. El conjunto peninsular es sin duda el más variado de Europa Occidental, pues recibió influencias árabes y usos de la cristiandad antigua, importados de Oriente Próximo, que por tanto relacionan estas manifestaciones con otras del arco mediterráneo. La supervivencia del uso de las cuevas a lo largo de la Baja Edad Media -una vez afianzada la Reconquista- es una incógnita, pero los usos rupestres volvieron a generalizarse en ciertos sectores de la Península durante la Edad Moderna, toda vez que el hábitat cuevero manifestó una eclosión relacionada con la peripecia de los moriscos, primero desterrados de sus habitaciones en el Sur y Este peninsular y luego expulsados en los albores del siglo XVII. Los que quedaron, nominalmente conversos, debieron habitar de nuevo cuevas en sus lugares de origen. Esos núcleos son los más abundantes, particularmente en la provincia de Granada y aledañas. Este substrato fue seguramente el punto de apoyo para la proliferación de las cuevas de habitación a partir del siglo XIX, en el cual un creciente proletariado agrícola y urbano necesitó de alojamientos baratos y no hizo sino imitar usos preexistentes, que se pueden rastrear en muchos de los núcleos rupestres que sobrevivieron mayoritariamente hasta bien entrado el siglo XX, y que se abandonaron gradualmente a partir de los años 60 de esa centuria. Para entonces, existían barrios de cuevas extensos en muchas provincias, destacando, aparte de las andaluzas, ciertas zonas de la Cuenca del Ebro (aragonesa, navarra y riojana), del arco periurbano de Valencia, del Sur de Madrid, de la Mancha toledana, o de las provincias de Albacete, Guadalajara, Murcia e incluso de Palencia. Los núcleos antiguos se excavaron -en razón de su origen dedicado a defensa y refugio- en lugares poco accesibles, que mayoritariamente se dan en relieves anfractuosos, en las orlas marginales detríticas y carbonatadas de las cuencas terciarias y en terrenos más antiguos de la geológicamente denominada Cuenca Vasco Cantábrica, en las cuales florecieron centros de eremitismo del primitivo condado de Castilla. También son lugares inaccesibles los riscos asomados a cantiles fluviales, cuya regularización morfológica natural ha sido causa de la ruina de múltiples hipogeos que se labraron con las mismas intenciones de refugio, defensa o retiro espiritual. Los núcleos modernos se han excavado ya en terrenos más propicios (los que componen las cuencas terciarias o "España arcillosa", mayoritariamente), y por ello observamos cómo abundan las litologías sedimentarias, que son aquellas en las que se horadaron casi todas las "colmenas" de habitación moderna en la Península. En unos casos y otros, existen rasgos comunes en lo relativo a la litología y comportamiento de los materiales excavados, y también en lo relativo a su evolución, meteorización y conservación. Se han estudiado por ello estas pautas comunes -como un posible avance para el establecimiento futuro de estudios de geoconservación del patrimonio rupestre habitado-, que se traducen en la determinación de los procesos de meteorización más característicos en los antros de la Península Ibérica -sean modernos o antiguos- y en la determinación de las relaciones más habituales entre geomorfología y tipología de las cuevas de habitación. También se exponen algunas conclusiones relativas a la resistencia de los tipos pétreos en relación a la antigüedad de los emplazamientos. Esta relación se explica bien si tenemos en cuenta que las cuevas antiguas trataban de ser lugares apartados en los que dominan rocas más resistentes -como se ha explicado- y que en las modernas se ha buscado la habitación permanente, en los materiales más blandos ocupan las depresiones terciarias del Centro, Este y Sur de la Península, colonizados no ya como refugios sino de modo seguro, y ya en arrabales "extramuros" de las ciudades. Geomorfológicamente, esta razón histórica tiene consecuencias sobre la posición de las cuevas, sobre su organización, y sobre su conservación. La extensión del dominio estudiado obliga prácticamente a bosquejar algunas de estas conclusiones geológicas, pero permite a su vez proporcionar una visión global acerca del patrimonio troglodítico desde una perspectiva geológica, y en ello radica la principal novedad de la investigación. Cave dwelling in the Iberian Peninsula comprises a great deal of examples whose origins are sometimes difficult to elucidate. There are primitive groups of caves, probably belonging to Classical and Late Antiquity, and other settlements that appear to have been created and excavated in the Early Middle Ages. Some of them are due to religious reasons and some others may probably have served for defensive uses. The Peninsular group is very likely the most diverse in Western Europe, for it was not only influenced by Arabs, but it also assimilated uses from the Antique Christendom, imported from the Middle East. In this sense, Iberian cave dwellings connect with those of the Mediterranean area. There is not total certainty about the survival of caves serving for dwelling throughout the Late Middle Ages, once the Reconquista was a fact. However, underground excavations for human habitation were once again dispread in certain zones of the Peninsula during the Early Modern period. This growth of underground habitats appears in connexion with Morisco’s vicissitudes; first of all, their removal from their settlements in South and Eastern Peninsula, and finally their expulsion from Spanish territory at the very beginning of XVII th century. Those of them who rested in Spain –and that were nominally “converts”- seem to have returned to cave dwelling in their places of origin, particularly in the province of Granada and its neighbouring zones. This substrate may have been the toehold for a new spreading of cave dwellings since XIX th century, when the increasing rural and urban proletariat returned to the pre-existent uses of caves in order to solve the necessity of affordable housing. This fact can still be detected in many of the rock settlements that have survived during a great part of the XX th century and which were gradually abandoned from the 60´s onwards. There were important cave dwelling districts in many Spanish territories by that time, and not only in Andalusia. We also find them in certain areas of the Ebro basin (those of Aragon, Navarra and La Rioja), in the peri-urban arc of Valencia, in the South of Madrid province and also in the provinces of Toledo (the so called “Mancha toledana”), Albacete, Guadalajara, Murcia or even Palencia as well. Due to their defensive and refuge uses, primitive underground habitats were dug in hardly accessible places. The majority of them are located in mountainous and rough areas, when not in the marginal borders of Tertiary basins, where coarse detritic and carbonate formations outcrop. Cave dwellings can also be found in more ancient rock masses, such as those of the Basque Cantabrian Mesozoic Basin, which is the area where hermit centres of the primitive County of Castile first flourished. Cliffs surrounding fluvial valleys are as well inaccessible places, but here we find that geological evolution has caused the destruction of many rock sanctuaries and cliff dwellings that were originally dug with the same purposes of defence, refuge and spiritual retreat. Later modern cave settlements were dug in quite more favourable terrains, mainly in the soils that compose the Tertiary basins, generally known as “España arcillosa” or “Clayey Spain”. Therefore, we find abundant sedimentary fine and medium grained lithologies, which are the ones that have hosted the majority of Modern Era warren cave dwellings in the Iberian Peninsula. Actually, both types of cave dwelling share some standards regarding the lithology of the excavated materials, and they share as well certain patterns that affect to their evolution, weathering and preservation. These common patterns have been studied here in order to determine the most characteristic weathering processes that affect the majority of the Iberian caves, both Antique and Modern. And also with a view to establish the most habitual relationships between geomorphology and typology of cave dwellings. The study may as well provide a first basis for future studies on geo-preservation of cave dwellings heritage. We also reach some conclusions about the strength of different rocks concerning the antiquity of the sites. As we have already pointed out, this relation comes from the fact that ancient caves were placed in remote or isolated locations, where harder rocks outcrop, while more modern ones result from people´s search of permanent dwelling. In this sense, the softer rocks of the Tertiary Basins of Middle, East and South Peninsula provided a secure colonization to this second and modern group. And moreover, considering geomorphological features, this historical reason has had an effect not only on the position and location of the caves, but also on their organisation/structure/distribution and preservation. The huge extension of our domain of interest almost forces to sketch out some of these geological conclusions. But at the same time it gives a global panorama of Spanish troglodyte heritage, seen from a geological perspective. And here is the main novelty of this research.

Methodology of image analysis for study of the vertisols moisture content

The main problem to study vertical drainage from the moisture distribution, on a vertisol profile, is searching for suitable methods using these procedures. Our aim was to design a digital image processing methodology and its analysis to characterize the moisture content distribution of a vertisol profile. In this research, twelve soil pits were excavated on a ba re Mazic Pellic Vertisols ix of them in May 13/2011 and the rest in May 19 /2011 after a moderate rainfall event. Digital RGB images were taken from each vertisol pit using a Kodak? camera selecting a size of 1600x945 pixels. Each soil image was processed to homogenized brightness and then a spatial filter with several window sizes was applied to select the optimum one. The RGB image obtained were divided in each matrix color selecting the best thresholds for each one, maximum and minimum, to be applied and get a digital binary pattern. This one was analyzed by estimating two fractal scaling exponents box counting dimension D BC) and interface fractal dimension (D) In addition, three pre-fractal scaling coefficients were determinate at maximum resolution: total number of boxes intercepting the foreground pattern (A), fractal lacunarity (?1) and Shannon entropy S1). For all the images processed the spatial filter 9x9 was the optimum based on entropy, cluster and histogram criteria. Thresholds for each color were selected based on bimodal histograms.