Load balancing in P2P smartphone based distributed IoT systems

With the new age of Internet of Things (IoT), object of everyday such as mobile smart devices start to be equipped with cheap sensors and low energy wireless communication capability. Nowadays mobile smart devices (phones, tablets) have become an ubiquitous device with everyone having access to at least one device. There is an opportunity to build innovative applications and services by exploiting these devices’ untapped rechargeable energy, sensing and processing capabilities. In this thesis, we propose, develop, implement and evaluate LoadIoT a peer-to-peer load balancing scheme that can distribute tasks among plethora of mobile smart devices in the IoT world. We develop and demonstrate an android-based proof of concept load-balancing application. We also present a model of the system which is used to validate the efficiency of the load balancing approach under varying application scenarios. Load balancing concepts can be apply to IoT scenario linked to smart devices. It is able to reduce the traffic send to the Cloud and the energy consumption of the devices. The data acquired from the experimental outcomes enable us to determine the feasibility and cost-effectiveness of a load balanced P2P smart phone-based applications.

Structural and operational optimisation : applications in energy systems

In this work mathematical programming models for structural and operational optimisation of energy systems are developed and applied to a selection of energy technology problems. The studied cases are taken from industrial processes and from large regional energy distribution systems. The models are based on Mixed Integer Linear Programming (MILP), Mixed Integer Non-Linear Programming (MINLP) and on a hybrid approach of a combination of Non-Linear Programming (NLP) and Genetic Algorithms (GA). The optimisation of the structure and operation of energy systems in urban regions is treated in the work. Firstly, distributed energy systems (DES) with different energy conversion units and annual variations of consumer heating and electricity demands are considered. Secondly, district cooling systems (DCS) with cooling demands for a large number of consumers are studied, with respect to a long term planning perspective regarding to given predictions of the consumer cooling demand development in a region. The work comprises also the development of applications for heat recovery systems (HRS), where paper machine dryer section HRS is taken as an illustrative example. The heat sources in these systems are moist air streams. Models are developed for different types of equipment price functions. The approach is based on partitioning of the overall temperature range of the system into a number of temperature intervals in order to take into account the strong nonlinearities due to condensation in the heat recovery exchangers. The influence of parameter variations on the solutions of heat recovery systems is analysed firstly by varying cost factors and secondly by varying process parameters. Point-optimal solutions by a fixed parameter approach are compared to robust solutions with given parameter variation ranges. In the work enhanced utilisation of excess heat in heat recovery systems with impingement drying, electricity generation with low grade excess heat and the use of absorption heat transformers to elevate a stream temperature above the excess heat temperature are also studied.

On Distributed Storage Codes

Distributed storage systems are studied. The interest in such system has become relatively wide due to the increasing amount of information needed to be stored in data centers or different kinds of cloud systems. There are many kinds of solutions for storing the information into distributed devices regarding the needs of the system designer. This thesis studies the questions of designing such storage systems and also fundamental limits of such systems. Namely, the subjects of interest of this thesis include heterogeneous distributed storage systems, distributed storage systems with the exact repair property, and locally repairable codes. For distributed storage systems with either functional or exact repair, capacity results are proved. In the case of locally repairable codes, the minimum distance is studied. Constructions for exact-repairing codes between minimum bandwidth regeneration (MBR) and minimum storage regeneration (MSR) points are given. These codes exceed the time-sharing line of the extremal points in many cases. Other properties of exact-regenerating codes are also studied. For the heterogeneous setup, the main result is that the capacity of such systems is always smaller than or equal to the capacity of a homogeneous system with symmetric repair with average node size and average repair bandwidth. A randomized construction for a locally repairable code with good minimum distance is given. It is shown that a random linear code of certain natural type has a good minimum distance with high probability. Other properties of locally repairable codes are also studied.

Transparent and secure remote network storage system using an untrusted server

Työssä kehitettin läpinäkyvä Internet Small Computer Systems Interface-verkkolevyä (iSCSI) käyttävä varmistusjärjestelmä. Verkkolevyn sisältö suojattiin asiakaspään salauskerroksella (dm-crypt). Järjestely mahdollisti sen, että verkkolevylle tallennetut varmuuskopiot pysyivät luottamuksellisina, vaikka levypalvelinta tarjoava taho oli joko epäluotettava tai suorastaan vihamielinen. Järjestelmän hyötykäyttöä varten kehitettiin helppokäyttöinen prototyyppisovellus. Järjestelmän riskit ja haavoittuvuudet käytiin läpi ja analysoitiin. Järjestelmälle tehtiin myös karkea kryptoanalyysi sen teknistenominaisuuksien pohjalta. Suorituskykymittaukset tehtiin sekä salatulle että salaamattomalle iSCSI-liikenteelle. Näistä todettiin, että salauksen vaikutus suorituskykyyn oli häviävän pieni jopa 100 megabittiä sekunnissa siirtävillä verkkonopeuksilla. Lisäksi pohdittiin teknologian muita sovelluskohteita ja tulevia tutkimusalueita.

Teknologiaohjelma DENSY -Hajautetun energiantuotannon tulevaisuusskenaariot ja vaikutukset liiketoimintamalleihin

Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää miten hajautettu energiantuotanto ja siihen liittyvä liiketoiminta tulee muuttumaan tulevaisuudessaja mitä mahdollisuuksia se voisi tarjota suomalaiselle osaamiselle. Työssä käydään läpi lyhyesti hajautetun energiantuotannon teknologian nykytilaa ja tehdään teknis-taloudellista vertailua eri tuotantoteknologioiden välillä. Tämän jälkeenon muodostettu asiantuntijoiden ja aktoreiden kanssa liiketoimin-taympäristöskenaarioita, jotka kuvaavat tulevaisuuden muutossuuntia hajautetun energian-tuotannon liiketoiminnassa. Skenaarioistunnoissa löydettiin muutosta ajavat voimat ja pohdittiin niiden vaikutusta alan kehitykseen. Työn tuloksena määriteltiin skenaarioiden kehitystä vahvimmin ohjaaviksi tekijöiksi infrastruktuurin kehittyneisyys ja toisaalta myös yhteiskunnan ohjaustoimet. Niiden pohjalta luotiin lopulliset neljä skenaariota ja niille kaikille liiketoimintakuvaukset. Skenaarioiden avulla suomalaisen toimijan näkökulmasta arvioitiin houkuttelevimmiksi markkina-alueiksi EU-15, Venäjä, Intia ja Kiina. Moninaisista liiketoimintaa estävistä te-kijöistä huolimatta markkinoilta löytyi suuri potentiaali hajautetun energiantuotannon jär-jestelmille. Potentiaalisimmiksi teknologioiksi suomalaisten yritysten kannalta nähtiin puolestaan diesel- ja kaasumoottorit, tuulivoima, pienvesivoima sekä bioenergia. Yhdessä markkina- ja teknologiatutkimuksien sekä skenaariotyön avulla luotiin uusia liiketoimin-takonseptikuvauksia tulevaisuuden hajautetun energiantuotannon markkinoille suomalai-sen toimijan näkökulmasta.

Kunnossapidon materiaalilogistiikan merkitys ja organisoituminen kunnossapitoyhtiössä

Diplomityön tavoitteena on tutkia kunnossapitoyhtiöiden materiaalilogistiikan nykytilaa ja organisoitumista. Lisäksi työssä selvitetään materiaalilogistiikan merkittävimmät kehityskohteet ja ehdotetaan uutta organisoitumisratkaisua kunnossapitoyhtiön materiaalilogistiikkatoiminnoille. Työn teoriaosa käsittelee kunnossapidon ulkoistamista ja kunnossapidon materiaalilogistiikkaa. Soveltavassa osassa kuvataan materiaalilogistiikasta aiheutuvaa työkuormaa ja materiaalilogistiikan organisoitumista. Työssä käsitellään myös toimintatapoja ja tietojärjestelmien hyväksikäyttöä materiaalilogistiikkatoiminnoissa. Analysointi on toteutettu vierailemalla kunnossapitokohteissa ja mittaamalla materiaalilogistiikasta aiheutuvaa työkuormaa. Materiaalilogistiikka ei ole tehostunut, vaikka kunnossapitovastuu on siirtynyt kunnossapitoyhtiölle. Kunnossapitokohteiden materiaalilogistiikkatoiminnot perustuvat edelleen perinteisiin toimintatapoihin ja organisoitumiseen. Materiaalilogistiikkatoimintojen vastuita ei ole määritelty selkeästi. Materiaalilogistiikasta aiheutuva työkuorma on lähes 15 prosenttia kokonaistyöajasta kunnossapitokohteessa. Materiaalilogistiikkatoiminnoissa on tehtävä muutoksia lähitulevaisuudessa. Kunnossapitokohteissa on muutettava henkilöstön toimintatapoja ja materiaalilogistiikan organisoitumista.

Centralized password management in a global enterprise

Käyttäjien tunnistaminen tietojärjestelmissä on ollut yksi tietoturvan kulmakivistä vuosikymmenten ajan. Ajatus käyttäjätunnuksesta ja salasanasta on kaikkein kustannustehokkain ja käytetyin tapa säilyttää luottamus tietojärjestelmän ja käyttäjien välillä. Tietojärjestelmien käyttöönoton alkuaikoina, jolloin yrityksissä oli vain muutamia tietojärjestelmiä ja niitä käyttivät vain pieni ryhmä käyttäjiä, tämä toimintamalli osoittautui toimivaksi. Vuosien mittaan järjestelmien määrä kasvoi ja sen mukana kasvoi salasanojen määrä ja monimuotoisuus. Kukaan ei osannut ennustaa, kuinka paljon salasanoihin liittyviä ongelmia käyttäjät kohtaisivat ja kuinka paljon ne tulisivat ruuhkauttamaan yritysten käyttäjätukea ja minkälaisia tietoturvariskejä salasanat tulisivat aiheuttamaan suurissa yrityksissä. Tässä diplomityössä tarkastelemme salasanojen aiheuttamia ongelmia suuressa, globaalissa yrityksessä. Ongelmia tarkastellaan neljästä eri näkökulmasta; ihmiset, teknologia, tietoturva ja liiketoiminta. Ongelmat osoitetaan esittelemällä tulokset yrityksen työntekijöille tehdystä kyselystä, joka toteutettiin osana tätä diplomityötä. Ratkaisu näihin ongelmiin esitellään keskitetyn salasanojenhallintajärjestelmän muodossa. Järjestelmän eri ominaisuuksia arvioidaan ja kokeilu -tyyppinen toteutus rakennetaan osoittamaan tällaisen järjestelmän toiminnallisuus.

Tietoturva käyttäjän kannalta langattomaan lähiverkkotekniikkaan perustuvassa kaupunkiverkossa

Langattomien lähiverkkotekniikoiden käyttö on yleistynyt nopeasti viime vuosina. Varsinkin IEEE:n 802.11b-standardi on ollut suosittu. Tätä tekniikkaa on käytetty myös alueellisten access-verkkojen rakentamiseen. Tämä työ on tehty hankkeeseen, jossa tutkitaan langattoman lähiverkkotekniikan käyttöä operaattoririippumattoman kaupunkiverkon toteuttamiseen. Työssä tutkittiin langattoman lähiverkkotekniikan vaikutusta verkon käyttäjän tietoturvaan ja pyrittiin löytämään avoimeen kaupunkiverkkoon sopiva ratkaisu, joka parantaa käyttäjän tietoturvaa. Työssä käsitellään aluksi tietoturvan teoriaa ja langattomuuden vaikutusta tietoturvaan. Hankkeessa käytetty langaton lähiverkkotekniikka IEEE 802.11b ja sen tietoturvaominaisuudet esitellään. Tutustutaan myös lyhyesti muutamiin julkisiin, 802.11b-tekniikkaa käyttäviin verkkoihin, sekä niiden tietoturvaratkaisuihin. Työssä esitellään tuote, jolla pyrittiin parantamaan käyttäjien tietoturvaa hankkeen verkossa. Lisäksi kuvaillaan tuotteen asennus testiverkkoon. Testiverkon käyttöperiaatteiden perusteella päädyttiin tulokseen olla ottamatta testattua tuotetta käyttöön, vaikka tuote sinällään oli teknisesti toimiva.

Design of User Authentication System for Multi-operator wireless LANs

Langattomat lähiverkot ovat viime vuosikymmeninä saavuttaneet suuren suosion. Tässä työssä käsitellään käyttäjien todentamisjärjestelmän suunnittelua ja kehitystä langattomaan monioperaattoriverkkoon. Langattomassa monioperaattoriverkossa käyttäjillä on mahdollisuus käyttää eri operaattoreiden palveluita. Aluksi käsitellään olemassa olevia todentamismenetelmiä ja -järjestelmiä. minkä jälkeen kuvaillaan todentamisjärjestelmä langattomille monioperaattoriverkoille. Todentamisjärjestelmän ratkaisuvaihtoehtoja esitellään kaksi, niin sanotut moni- istunto - ja yksittäisistuntomalli. Moni-istuntomalli on normaali lähestymistapa käyttäjien todentamiseen tietokonejärjestelmissä. Siinä käyttäjän pitää tunnistautua ja todentaa itsensä jokaiselle verkon palvelulle erikseen. Yksittäisistuntomallissa pyritään parempaan luotettavuuteen ja käytettävyyteen. Siinä käyttäjä todentaa itsensä vain kerran ja voi sen jälkeen päästä useisiin palveluihin. Työn loppuosassa kuvaillaan suunnitellun järjestelmän toteutusta. Lisäksi ehdotetaan vaihtoehtoisia toteutustapoja, analysoidaan järjestelmän heikkouksia ja kerrotaan jatkokehitysmahdoillisuuksista.

Sanomayhdyskäytävän tuotetietoturva

Ohjelmistojen tietoturva on noussut viime aikoina entistä tärkeämpään rooliin. Ohjelmistojen suunnittelu pitää alusta alkaen hoitaa siten, että tietoturva tulee huomioitua. Ohjelman helppokäyttöisyys ei saisi ajaa tietoturvan edelle, eikä myöskään ohjeiden lukematta jättäminen saa tarkoittaa tietoturvan menetystä. Tärkeä osa ohjelmistojen tietoturvaa on myös ohjelmiston laillinen käyttö. Se miten laiton käyttö estetään sen sijaan on erittäin vaikeaa toteuttaa nykyjärjestelmissä. Työn tarkoituksena oli tutkia Intellitel Communications Oy:n sanomayhdyskäytävää, Intellitel Messaging Gateway, tuotetietoturvan näkökulmasta, löytää sieltä mahdolliset virheet ja myös korjata ne.

Virtuaaliset yhteisöt ja areenat: virtuaaliyhteisön kehittämisprosessi. Case: Vaikuttamo

Virtuaalinen yhteisö voidaan määritellä ihmisten, eritasoisten suhteiden, yhteisen tarkoituksen ja tietoteknisten järjestelmien muodostamaksi kokonaisuudeksi. Järjestelmäratkaisut muodostavat yhteisön toiminnan pelikentän, virtuaaliareenan. Virtuaaliareena on siten erottamaton osa virtuaalista yhteisöä. Tutkielman tarkoituksena on tutkia, millainen on virtuaalisen yhteisön kehittämisprosessi ja elinkaari. Lisäksi tutkielmassa kuvataan menetelmät, joiden avulla yhteisön jäsenten tarpeita on mahdollista kartoittaa toiminnan eri vaiheissa. Näitä menetelmiä voidaan käyttää hyväksi erityyppisten virtuaaliympäristöjen kehitystyössä. Käytännön kehittämistyötä tarkastellaan Vaikuttamo –casen kautta. Tavoitteena oli selvittää, kuinka Vaikuttamoa palveleva virtuaaliareena suunniteltiin ja mitkä tekijät ovat vauhdittaneet Vaikuttamon kehittymistä toimivaksi yhteisöksi. Tutkimusmenetelmänä käytettiin teemahaastattelua ja lisäksi hyödynnettiin toukokuussa 2003 toteutetun web-kyselyn aineistoa. Tulosten perusteella havaittiin, että kirjallisuudessa kuvattu kehittämisprosessi ei olisi soveltunut Vaikuttamon tarpeisiin, koska kyseessä oli kokonaan uudentyyppinen yhteisö. Vaikuttamon menestyksen avaintekijöinä voidaan pitää paikallisuutta, varsinaisen yhteisön ulkopuolista ohjausta sekä vahvoja sidoksia Hämeenlinnan alueen kouluihin ja opettajiin.

Production planning and optimization of a pulp mill: introduction of the optimisation based scheduling software for pulp industry

The objective of this project was to introduce a new software product to pulp industry, a new market for case company. An optimization based scheduling tool has been developed to allow pulp operations to better control their production processes and improve both production efficiency and stability. Both the work here and earlier research indicates that there is a potential for savings around 1-5%. All the supporting data is available today coming from distributed control systems, data historians and other existing sources. The pulp mill model together with the scheduler, allows what-if analyses of the impacts and timely feasibility of various external actions such as planned maintenance of any particular mill operation. The visibility gained from the model proves also to be a real benefit. The aim is to satisfy demand and gain extra profit, while achieving the required customer service level. Research effort has been put both in understanding the minimum features needed to satisfy the scheduling requirements in the industry and the overall existence of the market. A qualitative study was constructed to both identify competitive situation and the requirements vs. gaps on the market. It becomes clear that there is no such system on the marketplace today and also that there is room to improve target market overall process efficiency through such planning tool. This thesis also provides better overall understanding of the different processes in this particular industry for the case company.

Threat modeling a factory environment using Microsoft Security Development Lifecycle methodology

The number of security violations is increasing and a security breach could have irreversible impacts to business. There are several ways to improve organization security, but some of them may be difficult to comprehend. This thesis demystifies threat modeling as part of secure system development. Threat modeling enables developers to reveal previously undetected security issues from computer systems. It offers a structured approach for organizations to find and address threats against vulnerabilities. When implemented correctly threat modeling will reduce the amount of defects and malicious attempts against the target environment. In this thesis Microsoft Security Development Lifecycle (SDL) is introduced as an effective methodology for reducing defects in the target system. SDL is traditionally meant to be used in software development, principles can be however partially adapted to IT-infrastructure development. Microsoft threat modeling methodology is an important part of SDL and it is utilized in this thesis to find threats from the Acme Corporation’s factory environment. Acme Corporation is used as a pseudonym for a company providing high-technology consumer electronics. Target for threat modeling is the IT-infrastructure of factory’s manufacturing execution system. Microsoft threat modeling methodology utilizes STRIDE –mnemonic and data flow diagrams to find threats. Threat modeling in this thesis returned results that were important for the organization. Acme Corporation now has more comprehensive understanding concerning IT-infrastructure of the manufacturing execution system. On top of vulnerability related results threat modeling provided coherent views of the target system. Subject matter experts from different areas can now agree upon functions and dependencies of the target system. Threat modeling was recognized as a useful activity for improving security.

Formal development of resilient distributed systems

Resilience is the property of a system to remain trustworthy despite changes. Changes of a different nature, whether due to failures of system components or varying operational conditions, significantly increase the complexity of system development. Therefore, advanced development technologies are required to build robust and flexible system architectures capable of adapting to such changes. Moreover, powerful quantitative techniques are needed to assess the impact of these changes on various system characteristics. Architectural flexibility is achieved by embedding into the system design the mechanisms for identifying changes and reacting on them. Hence a resilient system should have both advanced monitoring and error detection capabilities to recognise changes as well as sophisticated reconfiguration mechanisms to adapt to them. The aim of such reconfiguration is to ensure that the system stays operational, i.e., remains capable of achieving its goals. Design, verification and assessment of the system reconfiguration mechanisms is a challenging and error prone engineering task. In this thesis, we propose and validate a formal framework for development and assessment of resilient systems. Such a framework provides us with the means to specify and verify complex component interactions, model their cooperative behaviour in achieving system goals, and analyse the chosen reconfiguration strategies. Due to the variety of properties to be analysed, such a framework should have an integrated nature. To ensure the system functional correctness, it should rely on formal modelling and verification, while, to assess the impact of changes on such properties as performance and reliability, it should be combined with quantitative analysis. To ensure scalability of the proposed framework, we choose Event-B as the basis for reasoning about functional correctness. Event-B is a statebased formal approach that promotes the correct-by-construction development paradigm and formal verification by theorem proving. Event-B has a mature industrial-strength tool support { the Rodin platform. Proof-based verification as well as the reliance on abstraction and decomposition adopted in Event-B provides the designers with a powerful support for the development of complex systems. Moreover, the top-down system development by refinement allows the developers to explicitly express and verify critical system-level properties. Besides ensuring functional correctness, to achieve resilience we also need to analyse a number of non-functional characteristics, such as reliability and performance. Therefore, in this thesis we also demonstrate how formal development in Event-B can be combined with quantitative analysis. Namely, we experiment with integration of such techniques as probabilistic model checking in PRISM and discrete-event simulation in SimPy with formal development in Event-B. Such an integration allows us to assess how changes and di erent recon guration strategies a ect the overall system resilience. The approach proposed in this thesis is validated by a number of case studies from such areas as robotics, space, healthcare and cloud domain.

Distributed document migration between ERP systems by means of messaging and event sourcing

This bachelor’s thesis, written for Lappeenranta University of Technology and implemented in a medium-sized enterprise (SME), examines a distributed document migration system. The system was created to migrate a large number of electronic documents, along with their metadata, from one document management system to another, so as to enable a rapid switchover of an enterprise resource planning systems inside the company. The paper examines, through theoretical analysis, messaging as a possible enabler of distributing applications and how it naturally fits an event based model, whereby system transitions and states are expressed through recorded behaviours. This is put into practice by analysing the implemented migration systems and how the core components, MassTransit, RabbitMQ and MongoDB, were orchestrated together to realize such a system. As a result, the paper presents an architecture for a scalable and distributed system that could migrate hundreds of thousands of documents over weekend, serving its goals in enabling a rapid system switchover.