Privacy in next generation networks

In the modern society, communications and digital transactions are becoming the norm rather than the exception. As we allow networked computing devices into our every-day actions, we build a digital lifestyle where networks and devices enrich our interactions. However, as we move our information towards a connected digital environment, privacy becomes extremely important as most of our personal information can be found in the network. This is especially relevant as we design and adopt next generation networks that provide ubiquitous access to services and content, increasing the impact and pervasiveness of existing networks. The environments that provide widespread connectivity and services usually rely on network protocols that have few privacy considerations, compromising user privacy. The presented work focuses on the network aspects of privacy, considering how network protocols threaten user privacy, especially on next generation networks scenarios. We target the identifiers that are present in each network protocol and support its designed function. By studying how the network identifiers can compromise user privacy, we explore how these threats can stem from the identifier itself and from relationships established between several protocol identifiers. Following the study focused on identifiers, we show that privacy in the network can be explored along two dimensions: a vertical dimension that establishes privacy relationships across several layers and protocols, reaching the user, and a horizontal dimension that highlights the threats exposed by individual protocols, usually confined to a single layer. With these concepts, we outline an integrated perspective on privacy in the network, embracing both vertical and horizontal interactions of privacy. This approach enables the discussion of several mechanisms to address privacy threats on individual layers, leading to architectural instantiations focused on user privacy. We also show how the different dimensions of privacy can provide insight into the relationships that exist in a layered network stack, providing a potential path towards designing and implementing future privacy-aware network architectures.

Control design for multicast-aware class-based networks

The expectations of citizens from the Information Technologies (ITs) are increasing as the ITs have become integral part of our society, serving all kinds of activities whether professional, leisure, safety-critical applications or business. Hence, the limitations of the traditional network designs to provide innovative and enhanced services and applications motivated a consensus to integrate all services over packet switching infrastructures, using the Internet Protocol, so as to leverage flexible control and economical benefits in the Next Generation Networks (NGNs). However, the Internet is not capable of treating services differently while each service has its own requirements (e.g., Quality of Service - QoS). Therefore, the need for more evolved forms of communications has driven to radical changes of architectural and layering designs which demand appropriate solutions for service admission and network resources control. This Thesis addresses QoS and network control issues, aiming to improve overall control performance in current and future networks which classify services into classes. The Thesis is divided into three parts. In the first part, we propose two resource over-reservation algorithms, a Class-based bandwidth Over-Reservation (COR) and an Enhanced COR (ECOR). The over-reservation means reserving more bandwidth than a Class of Service (CoS) needs, so the QoS reservation signalling rate is reduced. COR and ECOR allow for dynamically defining over-reservation parameters for CoSs based on network interfaces resource conditions; they aim to reduce QoS signalling and related overhead without incurring CoS starvation or waste of bandwidth. ECOR differs from COR by allowing for optimizing control overhead minimization. Further, we propose a centralized control mechanism called Advanced Centralization Architecture (ACA), that uses a single state-full Control Decision Point (CDP) which maintains a good view of its underlying network topology and the related links resource statistics on real-time basis to control the overall network. It is very important to mention that, in this Thesis, we use multicast trees as the basis for session transport, not only for group communication purposes, but mainly to pin packets of a session mapped to a tree to follow the desired tree. Our simulation results prove a drastic reduction of QoS control signalling and the related overhead without QoS violation or waste of resources. Besides, we provide a generic-purpose analytical model to assess the impact of various parameters (e.g., link capacity, session dynamics, etc.) that generally challenge resource overprovisioning control. In the second part of this Thesis, we propose a decentralization control mechanism called Advanced Class-based resource OverpRovisioning (ACOR), that aims to achieve better scalability than the ACA approach. ACOR enables multiple CDPs, distributed at network edge, to cooperate and exchange appropriate control data (e.g., trees and bandwidth usage information) such that each CDP is able to maintain a good knowledge of the network topology and the related links resource statistics on real-time basis. From scalability perspective, ACOR cooperation is selective, meaning that control information is exchanged dynamically among only the CDPs which are concerned (correlated). Moreover, the synchronization is carried out through our proposed concept of Virtual Over-Provisioned Resource (VOPR), which is a share of over-reservations of each interface to each tree that uses the interface. Thus, each CDP can process several session requests over a tree without requiring synchronization between the correlated CDPs as long as the VOPR of the tree is not exhausted. Analytical and simulation results demonstrate that aggregate over-reservation control in decentralized scenarios keep low signalling without QoS violations or waste of resources. We also introduced a control signalling protocol called ACOR Protocol (ACOR-P) to support the centralization and decentralization designs in this Thesis. Further, we propose an Extended ACOR (E-ACOR) which aggregates the VOPR of all trees that originate at the same CDP, and more session requests can be processed without synchronization when compared with ACOR. In addition, E-ACOR introduces a mechanism to efficiently track network congestion information to prevent unnecessary synchronization during congestion time when VOPRs would exhaust upon every session request. The performance evaluation through analytical and simulation results proves the superiority of E-ACOR in minimizing overall control signalling overhead while keeping all advantages of ACOR, that is, without incurring QoS violations or waste of resources. The last part of this Thesis includes the Survivable ACOR (SACOR) proposal to support stable operations of the QoS and network control mechanisms in case of failures and recoveries (e.g., of links and nodes). The performance results show flexible survivability characterized by fast convergence time and differentiation of traffic re-routing under efficient resource utilization i.e. without wasting bandwidth. In summary, the QoS and architectural control mechanisms proposed in this Thesis provide efficient and scalable support for network control key sub-systems (e.g., QoS and resource control, traffic engineering, multicasting, etc.), and thus allow for optimizing network overall control performance.

Gestão de desempenho numa rede celular

A realização desta dissertação tem como principal objetivo a análise de indicadores chave de desempenho numa rede celular de terceira geração - Universal Mobile Telecommunication System (UMTS), bem como a aplicação de técnicas matemáticas de previsão como apoio ao respetivo planeamento e otimização. Para o efeito, foi inicialmente efetuado um estudo sobre a evolução das comunicações de uma forma generalista, até às redes de nova geração, abordando individualmente, as de voz, as de dados e as comunicações móveis, assim como, uma breve descrição das organizações envolvidas nestas mudanças. No seguimento do estudo inicial, dando enfoque à tecnologia UMTS, foram expostas as suas características, a sua estrutura e arquitetura. Foram ainda elaboradas, duas comparações, com base em diferentes parâmetros, uma com a tecnologia da geração anterior e outra, com a de última geração. Com base nos conhecimentos adquiridos em diferentes pesquisas, foram estudados, os indicadores chave de desempenho (KPIs), as técnicas de planeamento e otimização, apresentando propostas de prevenção e soluções para problemas existentes na rede.

Multilayer optimization in radio resource allocation for the packet transmission in wireless networks

Na última década tem-se assistido a um crescimento exponencial das redes de comunicações sem fios, nomeadamente no que se refere a taxa de penetração do serviço prestado e na implementação de novas infra-estruturas em todo o globo. É ponto assente neste momento que esta tendência irá não só continuar como se fortalecer devido à convergência que é esperada entre as redes móveis sem fio e a disponibilização de serviços de banda larga para a rede Internet fixa, numa evolução para um paradigma de uma arquitectura integrada e baseada em serviços e aplicações IP. Por este motivo, as comunicações móveis sem fios irão ter um papel fundamental no desenvolvimento da sociedade de informação a médio e longo prazos. A estratégia seguida no projecto e implementação das redes móveis celulares da actual geração (2G e 3G) foi a da estratificação da sua arquitectura protocolar numa estrutura modular em camadas estanques, onde cada camada do modelo é responsável pela implementação de um conjunto de funcionalidades. Neste modelo a comunicação dá-se apenas entre camadas adjacentes através de primitivas de comunicação pré-estabelecidas. Este modelo de arquitectura resulta numa mais fácil implementação e introdução de novas funcionalidades na rede. Entretanto, o facto das camadas inferiores do modelo protocolar não utilizarem informação disponibilizada pelas camadas superiores, e vice-versa acarreta uma degradação no desempenho do sistema. Este paradigma é particularmente importante quando sistemas de antenas múltiplas são implementados (sistemas MIMO). Sistemas de antenas múltiplas introduzem um grau adicional de liberdade no que respeita a atribuição de recursos rádio: o domínio espacial. Contrariamente a atribuição de recursos no domínio do tempo e da frequência, no domínio espacial os recursos rádio mapeados no domínio espacial não podem ser assumidos como sendo completamente ortogonais, devido a interferência resultante do facto de vários terminais transmitirem no mesmo canal e/ou slots temporais mas em feixes espaciais diferentes. Sendo assim, a disponibilidade de informação relativa ao estado dos recursos rádio às camadas superiores do modelo protocolar é de fundamental importância na satisfação dos critérios de qualidade de serviço exigidos. Uma forma eficiente de gestão dos recursos rádio exige a implementação de algoritmos de agendamento de pacotes de baixo grau de complexidade, que definem os níveis de prioridade no acesso a esses recursos por base dos utilizadores com base na informação disponibilizada quer pelas camadas inferiores quer pelas camadas superiores do modelo. Este novo paradigma de comunicação, designado por cross-layer resulta na maximização da capacidade de transporte de dados por parte do canal rádio móvel, bem como a satisfação dos requisitos de qualidade de serviço derivados a partir da camada de aplicação do modelo. Na sua elaboração, procurou-se que o standard IEEE 802.16e, conhecido por Mobile WiMAX respeitasse as especificações associadas aos sistemas móveis celulares de quarta geração. A arquitectura escalonável, o baixo custo de implementação e as elevadas taxas de transmissão de dados resultam num processo de multiplexagem de dados e valores baixos no atraso decorrente da transmissão de pacotes, os quais são atributos fundamentais para a disponibilização de serviços de banda larga. Da mesma forma a comunicação orientada à comutação de pacotes, inenente na camada de acesso ao meio, é totalmente compatível com as exigências em termos da qualidade de serviço dessas aplicações. Sendo assim, o Mobile WiMAX parece satisfazer os requisitos exigentes das redes móveis de quarta geração. Nesta tese procede-se à investigação, projecto e implementação de algoritmos de encaminhamento de pacotes tendo em vista a eficiente gestão do conjunto de recursos rádio nos domínios do tempo, frequência e espacial das redes móveis celulares, tendo como caso prático as redes móveis celulares suportadas no standard IEEE802.16e. Os algoritmos propostos combinam métricas provenientes da camada física bem como os requisitos de qualidade de serviço das camadas superiores, de acordo com a arquitectura de redes baseadas no paradigma do cross-layer. O desempenho desses algoritmos é analisado a partir de simulações efectuadas por um simulador de sistema, numa plataforma que implementa as camadas física e de acesso ao meio do standard IEEE802.16e.

Gestão de qualidade de serviço baseada em políticas

A evolução observada nas redes de comunicações durante a última década traduziu-se na diversificação de serviços que utilizam a rede, no aumento das taxas de transferência e na massificação da utilização de serviços de acesso à Internet e de comunicações celulares. Durante esta década, várias organizações, das quais se destacam os operadores de telecomunicações, têm dedicado consideráveis esforços no sentido de definir e normalizar arquitecturas de redes de próxima geração. A principal característica deste tipo de rede reside no facto de possuir uma arquitectura modular capaz de fornecer serviços multimédia a clientes de uma rede de acesso com características tecnológicas heterogéneas. Os trabalhos de normalização das arquitecturas de rede NGN têm-se limitado, até ao momento, a especificar detalhes relativos ao funcionamento da rede não tendo ainda sido definida a arquitectura de gestão. Em termos de tecnologias de gestão de redes, foram propostos nas últimas duas décadas novos paradigmas de gestão, novos modelos de dados, novos protocolos de transporte e várias linguagens de definição de informação de gestão. Os modelos de dados têm vindo a ser enriquecidos, os protocolos são mais flexíveis e poderosos, as soluções de gestão oferecem interoperabilidade acrescida e as linguagens permitem definir formatos de configuração mais ricos. Simultaneamente tem crescido a complexidade das soluções de gestão, aumentado a sobrecarga causada pelo aumento de complexidade nos equipamentos bem como nas plataformas computacionais que suportam os sistemas de gestão. O presente trabalho propõe uma solução de gestão para redes NGN capaz de gerir os recursos de rede garantindo Qualidade de Serviço. A solução de gestão proposta inclui uma plataforma de execução de políticas que utiliza os eventos ocorridos na rede para empreender acções de configuração, autonomizando o processo de gestão. Inclui uma avaliação da complexidade de várias tecnologias de gestão estudando a sobrecarga causada pela tecnologia tanto no processo de gestão como na operação da rede. É ainda estudada a escalabilidade das várias tecnologias e analisado o seu comportamento num cenário da rede de um operador de telecomunicações. O trabalho propõe ainda uma metodologia de configuração integrada dos elementos de gestão, através de uma interface de configuração amigável para o administrador do sistema.

Arquitectura e plataforma de Middleware para suporte de bibliotecas digitais distribuídas e ecléticas

O trabalho apresentado nesta dissertação teve por objectivo principal a concepção, modelação e desenvolvimento de uma plataforma de middleware que permitisse a integração de sistemas de informação, em todos os seus níveis (dados, lógico e apresentação), perfazendo uma federação de bibliotecas digitais distribuídas e ecléticas. Para este fim, foram estudadas as várias abordagens de modelação e organização das bibliotecas digitais, assim como os diversos sistemas e tecnologias de suporte existentes no momento inicial do trabalho. Compreendendo a existência de muitas lacunas ainda neste domínio, nomeadamente ao nível da interoperabilidade de sistemas heterogéneos e integração da semântica de metadados, decidiu-se proceder a um trabalho de investigação e desenvolvimento que pudesse apresentar eventuais soluções para o preenchimento de tais lacunas. Desta forma, surgem neste trabalho duas tecnologias, o XML e o Dublin Core, que servem de base a todas as restantes tecnologias usadas para a interoperabilidade e para a integração. Ainda utilizando estas tecnologias base, foram estudados e desenvolvidos meios simples, mas eficientes, de salvaguarda, indexação e pesquisa de informação, tentando manter a independência face aos grandes produtores de bases de dados, que só por si não resolvem alguns dos problemas mais críticos da investigação no domínio das bibliotecas digitais. ABSTRACT: The main objective of the work presented in this dissertation is the design, modulation and development of a middleware framework to allow information systems interoperability, in all their scope (data, logic and presentation), to accomplish a distributed and eclectic digital libraries federation. Several modulations and organizations were approached, and several support systems and technologies were studied. Understanding the existence of many gaps in this domain, namely in heterogeneous information systems interoperation and metadata semantic integration, it was decided to conduct a research and development work, which, eventually, could present some solutions to fill in these gaps. In this way, two technologies, XML and Dublin Core, appear to serve as the basis of all remaining technologies, to interoperate and to achieve semantic integration. Using yet these technologies, it was also studied and developed simple means, but efficient ones, to save, index and query information, preserving the independence from major data base producers, which by their selves don’t solve critical problems in the digital libraries research domain.

Rede social de leitores e escritores juniores: portal Biblon: a integração social on-line como catalisador da leitura, criação, expressão e partilha

Com enquadramento nas áreas de Ciência da Informação, Tecnologias de Informação e Comunicação e Educação, o estudo em voga visa formular propostas para o uso de rede social on-line de literatura infantil, em torno da biblioteca, para a educação básica, fundamentadas na teoria de comunidades de prática. O estudo de caso recaiu sobre quatro escolas, do 1º ciclo, da Educação Básica, do Agrupamento de Escolas de Aveiro-Portugal, tendo como instrumento para o experimento o Portal Biblon. A análise dos dados permite afirmar que a leitura de livros on-line não está inclusa nas atividades habituais da comunidade escolar pesquisada e, assim, o aluno encontra-se sem referencial para inserir esta prática cultural em suas rotinas e momentos de ócio. O cenário escolar atual não estimula a confluências da prática da leitura literária e da escrita dos alunos com as redes sociais on-line. O estudo aponta que, em uma rede social on-line, o livro de literatura infantil tem o papel de interagente, agregando leitores, em interação, em torno de si e que nas redes sociais on-line tem-se a presença dos “mediadores sociais centrais” que propiciam reforço e sustentação das práticas de leitura, através do contágio e da influência social e são propulsionadores da estrutura e do dinamismo da rede. Como conclusão geral tem-se que os utilizadores do Biblon desenvolvem experiências de leituras e escritas através da interação social, por meio de práticas, rotinas, diálogos e atividades comuns construídas na rede. A interação dentro da rede influencia o uso das ferramentas e o aprendizado para manuseá-las ocorre com as práticas. Assim, os laços associativos e as reações individuais envolvendo a leitura conduzem à formação de rede social em torno dos livros e os comportamentos e as preferências dos atores motivam a leitura e a escrita. Dessa forma, o Portal Biblon configura-se como um instrumento para formação de rede social on-line em torno da literatura infantil.

A construção da identidade em ambientes digitais: estudo de caso sobre a construção da identidade online no Sapo Campus e em ambientes informais

O reconhecimento da dimensão criativa, participativa e social da rede trouxe profundas alterações à forma como se percebem e compreendem as questões relacionadas com a identidade, a educação, a prática e o conhecimento. Num cenário caraterizado pela conectividade e pela facilidade de acesso a pessoas e conteúdos, a rede oferece aos indivíduos um espaço onde podem interagir, trabalhar na sua aprendizagem, trocar experiências e construir uma identidade e reputação acessíveis a toda a comunidade. Quando se torna praticamente impossível permanecer fora do mundo digital e, consequentemente, da produção de uma identidade online (Costa e Torres, 2011; Warburton, 2009), a presença construída pelo indivíduo na rede surge como um currículo vitae ativo e dinâmico, revelador não apenas das competências adquiridas e certificadas em contextos de aprendizagem formais como daquelas desenvolvidas pela interação com os pares, pela partilha e pela comunicação. Partindo da análise da utilização de uma plataforma suportada institucionalmente (i.e. SAPO Campus), o presente trabalho de investigação tem como principal objetivo a análise e caraterização da construção da identidade online de um grupo de alunos do Mestrado em Comunicação Multimédia da Universidade de Aveiro num espaço providenciado pela instituição de ensino que frequentam. Com recurso a inquéritos por questionário, entrevistas em profundidade (realizadas aos participantes no estudo e a profissionais da área da comunicação e gestão de carreiras) e observação direta (análise quantitativa e qualitativa dos conteúdos publicados pelos participantes no SAPO Campus e em duas redes informais), procurou-se ainda caraterizar e analisar a identidade construída em espaços formais e informais, e aferir a importância – para alunos, instituição e mercado – da identidade online enquanto espaço de manifestação e divulgação de competências. Ainda que circunscrita ao contexto específico do Mestrado em Comunicação Multimédia e mais especificamente aos alunos cuja identidade online foi objeto de estudo, análise dos dados permite avançar que, de facto, os alunos estão conscientes da sua própria identidade online bem como da relevância de construir uma identidade e reputação sólidas e autênticas, que reflitam as suas competências e capacidades enquanto aprendentes e profissionais. Assim, poder-se-á avançar que no SAPO Campus os alunos estão a construir uma identidade online mais formal e cuidada, editando e selecionando os conteúdos de acordo com o contexto. Neste espaço, a maioria das publicações está diretamente relacionada com os trabalhos de investigação dos participantes, que recorrem à sua partilha nas redes informais para aumentar a visibilidade e exposição dos conteúdos publicados. Os participantes no estudo revelaram ainda valorizar o sentimento de segurança providenciado pelas tecnologias institucionais, bem como a possibilidade de construir uma identidade numa plataforma associada à sua instituição de ensino. Do estudo efetuado resultou ainda uma proposta de um modelo para a análise da identidade online, que poderá ser utilizado na análise da presença dos indivíduos em ambientes online formais e informais. Apresentando a identidade online como uma realidade assente na representação digital, na gestão da privacidade e na reputação construída na rede, o modelo foi aplicado aos dados recolhidos pelo estudo, conduzindo ao desenho de duas grandes formas de estar na rede: identidade orientada pelo contexto, e identidade orientada pelo utilizador. Quando as caraterísticas dos mundos digitais alteram a forma de produção da identidade e num cenário onde a contextualização de dados e informação assume uma importância crescente, este estudo de caso poderá contribuir para o conhecimento dos processos de construção da identidade em espaços formais e informais, da forma como os indivíduos gerem e constroem a sua identidade online, e ainda sobre a importância e o impacto da construção de uma identidade online consciente e credível para a reputação dos indivíduos e das Instituições de Ensino Superior.

Cooperative communications in multi-rate IEEE 802.11 networks

Esta tese apresenta um estudo sobre alguns dos protocolos de cooperação MAC para redes sem fios utilizando o sistema IEEE 802.11 multi-débito. É proposto um novo modelo de arquitetura para a categorização e análise da cooperação em redes sem fios, tendo este modelo sido aplicado a protocolos cooperativos existentes para camada MAC. É investigado como as características do meio físico, assim como os requisitos de níveis superiores podem ser aplicados ao processo de cooperação, com vista a melhorar as características de funcionamento da rede de comunicações. Para este propósito são exploradas as métricas mais relevantes para o processo de cooperação. São igualmente estudados os limites impostos pelos protocolos da camada MAC e as limitações práticas impostas por protocolos da família de normas que compõem o IEEE 802.11. Neste trabalho foi criada uma métrica multicamada, que permite considerar os requisitos aplicacionais de performance e o tipo de tráfego, assim como a mobilidade dos dispositivos, no funcionamento dos mecanismos de cooperação. Como forma de validação, e para corretamente avaliar o impacto da métrica, um novo protocolo de cooperação foi desenvolvido e implementado. O seu funcionamento é descrito de forma analítica assim como validado através de a um ambiente de simulação. Os resultados obtidos mostram que a utilização de uma métrica multicamada é uma técnica robusta, fornecendo melhorias consistentes no contexto de redes IEEE 802.11. São igualmente demonstradas várias outras características de funcionamento com impacto para as comunicações. Estes dados fornecem uma visão real e encorajadora para a realização de mais pesquisas para a melhoria da performance dos protocolos cooperativos, assim como a sua utilização num variado número de aplicações futuras. No final do documento são apresentados alguns desafios para a continuação da investigação deste tópico.

Electronic health records for mobile citizens: a secure and collaborative architecture

Durante as ultimas décadas, os registos de saúde eletrónicos (EHR) têm evoluído para se adaptar a novos requisitos. O cidadão tem-se envolvido cada vez mais na prestação dos cuidados médicos, sendo mais pró ativo e desejando potenciar a utilização do seu registo. A mobilidade do cidadão trouxe mais desafios, a existência de dados dispersos, heterogeneidade de sistemas e formatos e grande dificuldade de partilha e comunicação entre os prestadores de serviços. Para responder a estes requisitos, diversas soluções apareceram, maioritariamente baseadas em acordos entre instituições, regiões e países. Estas abordagens são usualmente assentes em cenários federativos muito complexos e fora do controlo do paciente. Abordagens mais recentes, como os registos pessoais de saúde (PHR), permitem o controlo do paciente, mas levantam duvidas da integridade clinica da informação aos profissionais clínicos. Neste cenário os dados saem de redes e sistemas controlados, aumentando o risco de segurança da informação. Assim sendo, são necessárias novas soluções que permitam uma colaboração confiável entre os diversos atores e sistemas. Esta tese apresenta uma solução que permite a colaboração aberta e segura entre todos os atores envolvidos nos cuidados de saúde. Baseia-se numa arquitetura orientada ao serviço, que lida com a informação clínica usando o conceito de envelope fechado. Foi modelada recorrendo aos princípios de funcionalidade e privilégios mínimos, com o propósito de fornecer proteção dos dados durante a transmissão, processamento e armazenamento. O controlo de acesso _e estabelecido por políticas definidas pelo paciente. Cartões de identificação eletrónicos, ou certificados similares são utilizados para a autenticação, permitindo uma inscrição automática. Todos os componentes requerem autenticação mútua e fazem uso de algoritmos de cifragem para garantir a privacidade dos dados. Apresenta-se também um modelo de ameaça para a arquitetura, por forma a analisar se as ameaças possíveis foram mitigadas ou se são necessários mais refinamentos. A solução proposta resolve o problema da mobilidade do paciente e a dispersão de dados, capacitando o cidadão a gerir e a colaborar na criação e manutenção da sua informação de saúde. A arquitetura permite uma colaboração aberta e segura, possibilitando que o paciente tenha registos mais ricos, atualizados e permitindo o surgimento de novas formas de criar e usar informação clínica ou complementar.

Context-based wireless mesh networks

In the modern society, new devices, applications and technologies, with sophisticated capabilities, are converging in the same network infrastructure. Users are also increasingly demanding in personal preferences and expectations, desiring Internet connectivity anytime and everywhere. These aspects have triggered many research efforts, since the current Internet is reaching a breaking point trying to provide enough flexibility for users and profits for operators, while dealing with the complex requirements raised by the recent evolution. Fully aligned with the future Internet research, many solutions have been proposed to enhance the current Internet-based architectures and protocols, in order to become context-aware, that is, to be dynamically adapted to the change of the information characterizing any network entity. In this sense, the presented Thesis proposes a new architecture that allows to create several networks with different characteristics according to their context, on the top of a single Wireless Mesh Network (WMN), which infrastructure and protocols are very flexible and self-adaptable. More specifically, this Thesis models the context of users, which can span from their security, cost and mobility preferences, devices’ capabilities or services’ quality requirements, in order to turn a WMN into a set of logical networks. Each logical network is configured to meet a set of user context needs (for instance, support of high mobility and low security). To implement this user-centric architecture, this Thesis uses the network virtualization, which has often been advocated as a mean to deploy independent network architectures and services towards the future Internet, while allowing a dynamic resource management. This way, network virtualization can allow a flexible and programmable configuration of a WMN, in order to be shared by multiple logical networks (or virtual networks - VNs). Moreover, the high level of isolation introduced by network virtualization can be used to differentiate the protocols and mechanisms of each context-aware VN. This architecture raises several challenges to control and manage the VNs on-demand, in response to user and WMN dynamics. In this context, we target the mechanisms to: (i) discover and select the VN to assign to an user; (ii) create, adapt and remove the VN topologies and routes. We also explore how the rate of variation of the user context requirements can be considered to improve the performance and reduce the complexity of the VN control and management. Finally, due to the scalability limitations of centralized control solutions, we propose a mechanism to distribute the control functionalities along the architectural entities, which can cooperate to control and manage the VNs in a distributed way.

Cooperative positioning for heterogeneous wireless systems

Future emerging market trends head towards positioning based services placing a new perspective on the way we obtain and exploit positioning information. On one hand, innovations in information technology and wireless communication systems enabled the development of numerous location based applications such as vehicle navigation and tracking, sensor networks applications, home automation, asset management, security and context aware location services. On the other hand, wireless networks themselves may bene t from localization information to improve the performances of di erent network layers. Location based routing, synchronization, interference cancellation are prime examples of applications where location information can be useful. Typical positioning solutions rely on measurements and exploitation of distance dependent signal metrics, such as the received signal strength, time of arrival or angle of arrival. They are cheaper and easier to implement than the dedicated positioning systems based on ngerprinting, but at the cost of accuracy. Therefore intelligent localization algorithms and signal processing techniques have to be applied to mitigate the lack of accuracy in distance estimates. Cooperation between nodes is used in cases where conventional positioning techniques do not perform well due to lack of existing infrastructure, or obstructed indoor environment. The objective is to concentrate on hybrid architecture where some nodes have points of attachment to an infrastructure, and simultaneously are interconnected via short-range ad hoc links. The availability of more capable handsets enables more innovative scenarios that take advantage of multiple radio access networks as well as peer-to-peer links for positioning. Link selection is used to optimize the tradeo between the power consumption of participating nodes and the quality of target localization. The Geometric Dilution of Precision and the Cramer-Rao Lower Bound can be used as criteria for choosing the appropriate set of anchor nodes and corresponding measurements before attempting location estimation itself. This work analyzes the existing solutions for node selection in order to improve localization performance, and proposes a novel method based on utility functions. The proposed method is then extended to mobile and heterogeneous environments. Simulations have been carried out, as well as evaluation with real measurement data. In addition, some speci c cases have been considered, such as localization in ill-conditioned scenarios and the use of negative information. The proposed approaches have shown to enhance estimation accuracy, whilst signi cantly reducing complexity, power consumption and signalling overhead.

Architecture for real-time coordination of multiple autonomous mobile units

Interest on using teams of mobile robots has been growing, due to their potential to cooperate for diverse purposes, such as rescue, de-mining, surveillance or even games such as robotic soccer. These applications require a real-time middleware and wireless communication protocol that can support an efficient and timely fusion of the perception data from different robots as well as the development of coordinated behaviours. Coordinating several autonomous robots towards achieving a common goal is currently a topic of high interest, which can be found in many application domains. Despite these different application domains, the technical problem of building an infrastructure to support the integration of the distributed perception and subsequent coordinated action is similar. This problem becomes tougher with stronger system dynamics, e.g., when the robots move faster or interact with fast objects, leading to tighter real-time constraints. This thesis work addressed computing architectures and wireless communication protocols to support efficient information sharing and coordination strategies taking into account the real-time nature of robot activities. The thesis makes two main claims. Firstly, we claim that despite the use of a wireless communication protocol that includes arbitration mechanisms, the self-organization of the team communications in a dynamic round that also accounts for variable team membership, effectively reduces collisions within the team, independently of its current composition, significantly improving the quality of the communications. We will validate this claim in terms of packet losses and communication latency. We show how such self-organization of the communications can be achieved in an efficient way with the Reconfigurable and Adaptive TDMA protocol. Secondly, we claim that the development of distributed perception, cooperation and coordinated action for teams of mobile robots can be simplified by using a shared memory middleware that replicates in each cooperating robot all necessary remote data, the Real-Time Database (RTDB) middleware. These remote data copies, which are updated in the background by the selforganizing communications protocol, are extended with age information automatically computed by the middleware and are locally accessible through fast primitives. We validate our claim showing a parsimonious use of the communication medium, improved timing information with respect to the shared data and the simplicity of use and effectiveness of the proposed middleware shown in several use cases, reinforced with a reasonable impact in the Middle Size League of RoboCup.

Reliable and energy efficient routing for ad hoc networks

In Mobile Ad hoc NETworks (MANETs), where cooperative behaviour is mandatory, there is a high probability for some nodes to become overloaded with packet forwarding operations in order to support neighbor data exchange. This altruistic behaviour leads to an unbalanced load in the network in terms of traffic and energy consumption. In such scenarios, mobile nodes can benefit from the use of energy efficient and traffic fitting routing protocol that better suits the limited battery capacity and throughput limitation of the network. This PhD work focuses on proposing energy efficient and load balanced routing protocols for ad hoc networks. Where most of the existing routing protocols simply consider the path length metric when choosing the best route between a source and a destination node, in our proposed mechanism, nodes are able to find several routes for each pair of source and destination nodes and select the best route according to energy and traffic parameters, effectively extending the lifespan of the network. Our results show that by applying this novel mechanism, current flat ad hoc routing protocols can achieve higher energy efficiency and load balancing. Also, due to the broadcast nature of the wireless channels in ad hoc networks, other technique such as Network Coding (NC) looks promising for energy efficiency. NC can reduce the number of transmissions, number of re-transmissions, and increase the data transfer rate that directly translates to energy efficiency. However, due to the need to access foreign nodes for coding and forwarding packets, NC needs a mitigation technique against unauthorized accesses and packet corruption. Therefore, we proposed different mechanisms for handling these security attacks by, in particular by serially concatenating codes to support reliability in ad hoc network. As a solution to this problem, we explored a new security framework that proposes an additional degree of protection against eavesdropping attackers based on using concatenated encoding. Therefore, malicious intermediate nodes will find it computationally intractable to decode the transitive packets. We also adopted another code that uses Luby Transform (LT) as a pre-coding code for NC. Primarily being designed for security applications, this code enables the sink nodes to recover corrupted packets even in the presence of byzantine attacks.

Segurança em redes informáticas

Este livro alerta para os problemas de segurança que podem advir da ligação de uma máquina ou rede local à Internet e explica de que forma os problemas podem ser minimizados ou evitados. Ajuda também os gestores das máquinas ou redes locais a saberem identificar os seus problemas de segurança e a perceberem bem o âmbito e alcance das políticas de proteção que podem implantar e dos mecanismos de segurança que existem para esse efeito. Segurança em Redes Informáticas não pretende ser um catálogo de problemas e soluções; ele fundamentalmente alerta para o tipo de vulnerabilidades que tipicamente existem e são exploradas em ataques, como podem ser detetadas as vulnerabilidades ou a sua exploração, como pode ser minimizada a exploração de vulnerabilidades existentes e como se pode tomar medidas ativas e eficazes de proteção quando se interage com ou através de Internet, que é um meio inseguro por natureza. Nesta nova edição do “clássico” da Segurança em português foram revistos e aumentados alguns capítulos e foi adicionado um capítulo novo relativo a Protocolos de Autenticação de pessoas e sistemas em redes informáticas. O capítulo com Perguntas de Exames, disponível no site da FCA, é um instrumento de auxílio para facilitar a preparação dos estudantes para as avaliações. Esta obra destina-se a dois tipos de audiências: em primeiro lugar, a utentes ou administradores de redes locais domésticas ou de redes de PME; em segundo lugar, a alunos de cadeiras de licenciatura ou de cursos de pós-graduação na área da Segurança de Redes. Esta obra disponibiliza ainda a correspondência dos principais termos técnicos para o Português do Brasil.