Simulation of SLA-based VM-scaling algorithms for cloud-distributed applications

Cloud Computing has evolved to become an enabler for delivering access to large scale distributed applications running on managed network-connected computing systems. This makes possible hosting Distributed Enterprise Information Systems (dEISs) in cloud environments, while enforcing strict performance and quality of service requirements, defined using Service Level Agreements (SLAs). {SLAs} define the performance boundaries of distributed applications, and are enforced by a cloud management system (CMS) dynamically allocating the available computing resources to the cloud services. We present two novel VM-scaling algorithms focused on dEIS systems, which optimally detect most appropriate scaling conditions using performance-models of distributed applications derived from constant-workload benchmarks, together with SLA-specified performance constraints. We simulate the VM-scaling algorithms in a cloud simulator and compare against trace-based performance models of dEISs. We compare a total of three SLA-based VM-scaling algorithms (one using prediction mechanisms) based on a real-world application scenario involving a large variable number of users. Our results show that it is beneficial to use autoregressive predictive SLA-driven scaling algorithms in cloud management systems for guaranteeing performance invariants of distributed cloud applications, as opposed to using only reactive SLA-based VM-scaling algorithms.

Desing and Validation of a Light Inference System to Support Embedded Context Reasoning

Embedded context management in resource-constrained devices (e.g. mobile phones, autonomous sensors or smart objects) imposes special requirements in terms of lightness for data modelling and reasoning. In this paper, we explore the state-of-the-art on data representation and reasoning tools for embedded mobile reasoning and propose a light inference system (LIS) aiming at simplifying embedded inference processes offering a set of functionalities to avoid redundancy in context management operations. The system is part of a service-oriented mobile software framework, conceived to facilitate the creation of context-aware applications—it decouples sensor data acquisition and context processing from the application logic. LIS, composed of several modules, encapsulates existing lightweight tools for ontology data management and rule-based reasoning, and it is ready to run on Java-enabled handheld devices. Data management and reasoning processes are designed to handle a general ontology that enables communication among framework components. Both the applications running on top of the framework and the framework components themselves can configure the rule and query sets in order to retrieve the information they need from LIS. In order to test LIS features in a real application scenario, an ‘Activity Monitor’ has been designed and implemented: a personal health-persuasive application that provides feedback on the user’s lifestyle, combining data from physical and virtual sensors. In this case of use, LIS is used to timely evaluate the user’s activity level, to decide on the convenience of triggering notifications and to determine the best interface or channel to deliver these context-aware alerts.d

Videoconference capacity Leasing on Hybrid Clouds.

This paper proposes a new methodology focused on implementing cost effective architectures on Cloud Computing systems. With this methodology the paper presents some disadvantages of systems that are based on single Cloud architectures and gives some advices for taking into account in the development of hybrid systems. The work also includes a validation of these ideas implemented in a complete videoconference service developed with our research group. This service allows a great number of users per conference, multiple simultaneous conferences, different client software (requiring transcodification of audio and video flows) and provides a service like automatic recording. Furthermore it offers different kinds of connectivity including SIP clients and a client based on Web 2.0. The ideas proposed in this article are intended to be a useful resource for any researcher or developer who wants to implement cost effective systems on several Clouds

Semantic middleware development for the Internet of Things

After the extraordinary spread of the World Wide Web during the last fifteen years, engineers and developers are pushing now the Internet to its next border. A new conception in computer science and networks communication has been burgeoning during roughly the last decade: a world where most of the computers of the future will be extremely downsized, to the point that they will look like dust at its most advanced prototypes. In this vision, every single element of our “real” world has an intelligent tag that carries all their relevant data, effectively mapping the “real” world into a “virtual” one, where all the electronically augmented objects are present, can interact among them and influence with their behaviour that of the other objects, or even the behaviour of a final human user. This is the vision of the Internet of the Future, which also draws ideas of several novel tendencies in computer science and networking, as pervasive computing and the Internet of Things. As it has happened before, materializing a new paradigm that changes the way entities interrelate in this new environment has proved to be a goal full of challenges in the way. Right now the situation is exciting, with a plethora of new developments, proposals and models sprouting every time, often in an uncoordinated, decentralised manner away from any standardization, resembling somehow the status quo of the first developments of advanced computer networking, back in the 60s and the 70s. Usually, a system designed after the Internet of the Future will consist of one or several final user devices attached to these final users, a network –often a Wireless Sensor Network- charged with the task of collecting data for the final user devices, and sometimes a base station sending the data for its further processing to less hardware-constrained computers. When implementing a system designed with the Internet of the Future as a pattern, issues, and more specifically, limitations, that must be faced are numerous: lack of standards for platforms and protocols, processing bottlenecks, low battery lifetime, etc. One of the main objectives of this project is presenting a functional model of how a system based on the paradigms linked to the Internet of the Future works, overcoming some of the difficulties that can be expected and showing a model for a middleware architecture specifically designed for a pervasive, ubiquitous system. This Final Degree Dissertation is divided into several parts. Beginning with an Introduction to the main topics and concepts of this new model, a State of the Art is offered so as to provide a technological background. After that, an example of a semantic and service-oriented middleware is shown; later, a system built by means of this semantic and service-oriented middleware, and other components, is developed, justifying its placement in a particular scenario, describing it and analysing the data obtained from it. Finally, the conclusions inferred from this system and future works that would be good to be tackled are mentioned as well. RESUMEN Tras el extraordinario desarrollo de la Web durante los últimos quince años, ingenieros y desarrolladores empujan Internet hacia su siguiente frontera. Una nueva concepción en la computación y la comunicación a través de las redes ha estado floreciendo durante la última década; un mundo donde la mayoría de los ordenadores del futuro serán extremadamente reducidas de tamaño, hasta el punto que parecerán polvo en sus más avanzado prototipos. En esta visión, cada uno de los elementos de nuestro mundo “real” tiene una etiqueta inteligente que porta sus datos relevantes, mapeando de manera efectiva el mundo “real” en uno “virtual”, donde todos los objetos electrónicamente aumentados están presentes, pueden interactuar entre ellos e influenciar con su comportamiento el de los otros, o incluso el comportamiento del usuario final humano. Ésta es la visión del Internet del Futuro, que también toma ideas de varias tendencias nuevas en las ciencias de la computación y las redes de ordenadores, como la computación omnipresente y el Internet de las Cosas. Como ha sucedido antes, materializar un nuevo paradigma que cambia la manera en que las entidades se interrelacionan en este nuevo entorno ha demostrado ser una meta llena de retos en el camino. Ahora mismo la situación es emocionante, con una plétora de nuevos desarrollos, propuestas y modelos brotando todo el rato, a menudo de una manera descoordinada y descentralizada lejos de cualquier estandarización, recordando de alguna manera el estado de cosas de los primeros desarrollos de redes de ordenadores avanzadas, allá por los años 60 y 70. Normalmente, un sistema diseñado con el Internet del futuro como modelo consistirá en uno o varios dispositivos para usuario final sujetos a estos usuarios finales, una red –a menudo, una red de sensores inalámbricos- encargada de recolectar datos para los dispositivos de usuario final, y a veces una estación base enviando los datos para su consiguiente procesado en ordenadores menos limitados en hardware. Al implementar un sistema diseñado con el Internet del futuro como patrón, los problemas, y más específicamente, las limitaciones que deben enfrentarse son numerosas: falta de estándares para plataformas y protocolos, cuellos de botella en el procesado, bajo tiempo de vida de las baterías, etc. Uno de los principales objetivos de este Proyecto Fin de Carrera es presentar un modelo funcional de cómo trabaja un sistema basado en los paradigmas relacionados al Internet del futuro, superando algunas de las dificultades que pueden esperarse y mostrando un modelo de una arquitectura middleware específicamente diseñado para un sistema omnipresente y ubicuo. Este Proyecto Fin de Carrera está dividido en varias partes. Empezando por una introducción a los principales temas y conceptos de este modelo, un estado del arte es ofrecido para proveer un trasfondo tecnológico. Después de eso, se muestra un ejemplo de middleware semántico orientado a servicios; después, se desarrolla un sistema construido por medio de este middleware semántico orientado a servicios, justificando su localización en un escenario particular, describiéndolo y analizando los datos obtenidos de él. Finalmente, las conclusiones extraídas de este sistema y las futuras tareas que sería bueno tratar también son mencionadas.

Design and Validation of a Light Inference System to Support Embedded Context Reasoning

Embedded context management in resource-constrained devices (e.g. mobile phones, autonomous sensors or smart objects) imposes special requirements in terms of lightness for data modelling and reasoning. In this paper, we explore the state-of-the-art on data representation and reasoning tools for embedded mobile reasoning and propose a light inference system (LIS) aiming at simplifying embedded inference processes offering a set of functionalities to avoid redundancy in context management operations. The system is part of a service-oriented mobile software framework, conceived to facilitate the creation of context-aware applications?it decouples sensor data acquisition and context processing from the application logic. LIS, composed of several modules, encapsulates existing lightweight tools for ontology data management and rule-based reasoning, and it is ready to run on Java-enabled handheld devices. Data management and reasoning processes are designed to handle a general ontology that enables communication among framework components. Both the applications running on top of the framework and the framework components themselves can configure the rule and query sets in order to retrieve the information they need from LIS. In order to test LIS features in a real application scenario, an ?Activity Monitor? has been designed and implemented: a personal health-persuasive application that provides feedback on the user?s lifestyle, combining data from physical and virtual sensors. In this case of use, LIS is used to timely evaluate the user?s activity level, to decide on the convenience of triggering notifications and to determine the best interface or channel to deliver these context-aware alerts.

Identifying the core competence as a key requirement for business model innovation. The case of Airlines as a service industry

Core competencies form the basis of an organization’s skills and the basic element of a successful strategic execution. Identifying and strengthening the core competencies enhances flexibility thereby strategically positioning a firm for responding to competition in the dynamic marketplace and can be the difference in quality among firms that follow the same business model. A correct understanding of the concept of business models, employing the right core competencies, organizing them effectively and building the business model around the competencies that are constantly gained and assimilated can result in enhanced business performance and thus having implications for firms that want to innovate their business models. Flexibility can be the firm’s agility to shift focus in response to external factors such as changing markets, new technologies or competition and a firm’s success can be gauged by the ability it displays in this transition. Although industry transformations generally emanate from technological changes, recent examples suggests they may also be due to the introduction of new business models and nowhere is it more relevant than in the airline industry. An analysis of the business model flexibility of 17 Airlines from Asia, Europe and Oceania, that is done with core competence as the indicator reveals a picture of inconsistencies in the core competence strategy of certain airlines and the corresponding reduction in business performance. The performance variations are explained from a service oriented core competence strategy employed by airlines that ultimately enables them in having a flexible business model that not only increases business performance but also helps in reducing the uncertainties in the internal and external operating environments. This is more relevant in the case of airline industry, as the product (the air transportation of passengers) minus the service competence is all the same.

Failure Detectors in Homonymous Distributed Systems (with an Application to Consensus).

This paper is on homonymous distributed systems where processes are prone to crash failures and have no initial knowledge of the system membership (?homonymous? means that several processes may have the same identi?er). New classes of failure detectors suited to these systems are ?rst de?ned. Among them, the classes H? and H? are introduced that are the homonymous counterparts of the classes ? and ?, respectively. (Recall that the pair h?,?i de?nes the weakest failure detector to solve consensus.) Then, the paper shows how H? and H? can be implemented in homonymous systems without membership knowledge (under different synchrony requirements). Finally, two algorithms are presented that use these failure detectors to solve consensus in homonymous asynchronous systems where there is no initial knowledge ofthe membership. One algorithm solves consensus with hH?, H?i, while the other uses only H?, but needs a majority of correct processes. Observe that the systems with unique identi?ers and anonymous systems are extreme cases of homonymous systems from which follows that all these results also apply to these systems. Interestingly, the new failure detector class H? can be implemented with partial synchrony, while the analogous class A? de?ned for anonymous systems can not be implemented (even in synchronous systems). Hence, the paper provides us with the ?rst proof showing that consensus can be solved in anonymous systems with only partial synchrony (and a majority of correct processes).

Smart Spaces and Smart Objects interoperability Architecture (S3OiA)

The presented work aims to contribute towards the standardization and the interoperability off the Future Internet through an open and scalable architecture design. We present S³OiA as a syntactic/semantic Service-Oriented Architecture that allows the integration of any type of object or device, not mattering their nature, on the Internet of Things. Moreover, the architecture makes possible the use of underlying heterogeneous resources as a substrate for the automatic composition of complex applications through a semantic Triple Space paradigm. Created applications are dynamic and adaptive since they are able to evolve depending on the context where they are executed. The validation scenario of this architecture encompasses areas which are prone to involve human beings in order to promote personal autonomy, such as home-care automation environments and Ambient Assisted Living.

An Internet of Things approach for managing smart services provided by wearable devices.

The Internet of Things (IoT) is growing at a fast pace with new devices getting connected all the time. A new emerging group of these devices are the wearable devices, and Wireless Sensor Networks are a good way to integrate them in the IoT concept and bring new experiences to the daily life activities. In this paper we present an everyday life application involving a WSN as the base of a novel context-awareness sports scenario where physiological parameters are measured and sent to the WSN by wearable devices. Applications with several hardware components introduce the problem of heterogeneity in the network. In order to integrate different hardware platforms and to introduce a service-oriented semantic middleware solution into a single application, we propose the use of an Enterprise Service Bus (ESB) as a bridge for guaranteeing interoperability and integration of the different environments, thus introducing a semantic added value needed in the world of IoT-based systems. This approach places all the data acquired (e.g., via Internet data access) at application developers disposal, opening the system to new user applications. The user can then access the data through a wide variety of devices (smartphones, tablets, computers) and Operating Systems (Android, iOS, Windows, Linux, etc.).

Valuation: Developer support for by-references to by-value type conversion.

Modern object oriented languages like C# and JAVA enable developers to build complex application in less time. These languages are based on selecting heap allocated pass-by-reference objects for user defined data structures. This simplifies programming by automatically managing memory allocation and deallocation in conjunction with automated garbage collection. This simplification of programming comes at the cost of performance. Using pass-by-reference objects instead of lighter weight pass-by value structs can have memory impact in some cases. These costs can be critical when these application runs on limited resource environments such as mobile devices and cloud computing systems. We explore the problem by using the simple and uniform memory model to improve the performance. In this work we address this problem by providing an automated and sounds static conversion analysis which identifies if a by reference type can be safely converted to a by value type where the conversion may result in performance improvements. This works focus on C# programs. Our approach is based on a combination of syntactic and semantic checks to identify classes that are safe to convert. We evaluate the effectiveness of our work in identifying convertible types and impact of this transformation. The result shows that the transformation of reference type to value type can have substantial performance impact in practice. In our case studies we optimize the performance in Barnes-Hut program which shows total memory allocation decreased by 93% and execution time also reduced by 15%.

Open Technologies for prototyping the Internet of Things

The worldwide "hyper-connection" of any object around us is the challenge that promises to cover the paradigm of the Internet of Things. If the Internet has colonized the daily life of more than 2000 million1 people around the globe, the Internet of Things faces of connecting more than 100000 million2 "things" by 2020. The underlying Internet of Things’ technologies are the cornerstone that promises to solve interrelated global problems such as exponential population growth, energy management in cities, and environmental sustainability in the average and long term. On the one hand, this Project has the goal of knowledge acquisition about prototyping technologies available in the market for the Internet of Things. On the other hand, the Project focuses on the development of a system for devices management within a Wireless Sensor and Actuator Network to offer some services accessible from the Internet. To accomplish the objectives, the Project will begin with a detailed analysis of various “open source” hardware platforms to encourage creative development of applications, and automatically extract information from the environment around them for transmission to external systems. In addition, web platforms that enable mass storage with the philosophy of the Internet of Things will be studied. The project will culminate in the proposal and specification of a service-oriented software architecture for embedded systems that allows communication between devices on the network, and the data transmission to external systems. Furthermore, it abstracts the complexities of hardware to application developers. RESUMEN. La “hiper-conexión” a nivel mundial de cualquier objeto que nos rodea es el desafío al que promete dar cobertura el paradigma de la Internet de las Cosas. Si la Internet ha colonizado el día a día de más de 2000 millones1 de personas en todo el planeta, la Internet de las Cosas plantea el reto de conectar a más de 100000 millones2 de “cosas” para el año 2020. Las tecnologías subyacentes de la Internet de las Cosas son la piedra angular que prometen dar solución a problemas globales interrelacionados como el crecimiento exponencial de la población, la gestión de la energía en las ciudades o la sostenibilidad del medioambiente a largo plazo. Este Proyecto Fin de Carrera tiene como principales objetivos por un lado, la adquisición de conocimientos acerca de las tecnologías para prototipos disponibles en el mercado para la Internet de las Cosas, y por otro lado el desarrollo de un sistema para la gestión de dispositivos de una red inalámbrica de sensores que ofrezcan unos servicios accesibles desde la Internet. Con el fin de abordar los objetivos marcados, el proyecto comenzará con un análisis detallado de varias plataformas hardware de tipo “open source” que estimulen el desarrollo creativo de aplicaciones y que permitan extraer de forma automática información del medio que les rodea para transmitirlo a sistemas externos para su posterior procesamiento. Por otro lado, se estudiarán plataformas web identificadas con la filosofía de la Internet de las Cosas que permitan el almacenamiento masivo de datos que diferentes plataformas hardware transfieren a través de la Internet. El Proyecto culminará con la propuesta y la especificación una arquitectura software orientada a servicios para sistemas empotrados que permita la comunicación entre los dispositivos de la red y la transmisión de datos a sistemas externos, así como facilitar el desarrollo de aplicaciones a los programadores mediante la abstracción de la complejidad del hardware.

Modelo basado en técnicas de procesamiento de lenguaje natural para extraer y anotar información de publicaciones científicas

La rápida evolución experimentada en los últimos años por las tecnologías de Internet ha estimulado la proliferación de recursos software en varias disciplinas científicas, especialmente en bioinformática. En la mayoría de los casos, la tendencia actual es publicar dichos recursos como servicios accesibles libremente a través de Internet, utilizando tecnologías y patrones de diseño definidos para la implementación de Arquitecturas Orientadas a Servicios (SOA). La combinación simultánea de múltiples servicios dentro de un mismo flujo de trabajo abre la posibilidad de crear aplicaciones potencialmente más útiles y complejas. La integración de dichos servicios plantea grandes desafíos, tanto desde un punto de vista teórico como práctico, como por ejemplo, la localización y acceso a los recursos disponibles o la coordinación entre ellos. En esta tesis doctoral se aborda el problema de la identificación, localización, clasificación y acceso a los recursos informáticos disponibles en Internet. Con este fin, se ha definido un modelo genérico para la construcción de índices de recursos software con información extraída automáticamente de artículos de la literatura científica especializada en un área. Este modelo consta de seis fases que abarcan desde la selección de las fuentes de datos hasta el acceso a los índices creados, pasando por la identificación, extracción, clasificación y “curación” de la información relativa a los recursos. Para verificar la viabilidad, idoneidad y eficiencia del modelo propuesto, éste ha sido evaluado en dos dominios científicos diferentes—la BioInformática y la Informática Médica—dando lugar a dos índices de recursos denominados BioInformatics Resource Inventory (BIRI) y electronic-Medical Informatics Repository of Resources(e-MIR2) respectivamente. Los resultados obtenidos de estas aplicaciones son presentados a lo largo de la presente tesis doctoral y han dado lugar a varias publicaciones científicas en diferentes revistas JCR y congresos internacionales. El impacto potencial y la utilidad de esta tesis doctoral podrían resultar muy importantes teniendo en cuenta que, gracias a la generalidad del modelo propuesto, éste podría ser aplicado en cualquier disciplina científica. Algunas de las líneas de investigación futuras más relevantes derivadas de este trabajo son esbozadas al final en el último capítulo de este libro. ABSTRACT The rapid evolution experimented in the last years by the Internet technologies has stimulated the proliferation of heterogeneous software resources in most scientific disciplines, especially in the bioinformatics area. In most cases, current trends aim to publish those resources as services freely available over the Internet, using technologies and design patterns defined for the implementation of Service-Oriented Architectures (SOA). Simultaneous combination of various services into the same workflow opens the opportunity of creating more complex and useful applications. Integration of services raises great challenges, both from a theoretical to a practical point of view such as, for instance, the location and access to the available resources or the orchestration among them. This PhD thesis deals with the problem of identification, location, classification and access to informatics resources available over the Internet. On this regard, a general model has been defined for building indexes of software resources, with information extracted automatically from scientific articles from the literature specialized in the area. Such model consists of six phases ranging from the selection of data sources to the access to the indexes created, covering the identification, extraction, classification and curation of the information related to the software resources. To verify the viability, feasibility and efficiency of the proposed model, it has been evaluated in two different scientific domains—Bioinformatics and Medical Informatics—producing two resources indexes named BioInformatics Resources Inventory (BIRI) and electronic-Medical Informatics Repository of Resources (e-MIR2) respectively. The results and evaluation of those systems are presented along this PhD thesis, and they have produced different scientific publications in several JCR journals and international conferences. The potential impact and utility of this PhD thesis could be of great relevance considering that, thanks to the generality of the proposed model, it could be successfully extended to any scientific discipline. Some of the most relevant future research lines derived from this work are outlined at the end of this book.

Desarrollo de una aplicación Android para administración y gestión de la información de registro de servicios en una plataforma SOA

Este Proyecto Fin de Grado está enmarcado dentro de las actividades del GRyS (Grupo de Redes y Servicios de Próxima Generación) con las Smart Grids. En la investigación actual sobre Smart Grids se pretenden alcanzar los siguientes objetivos: . Integrar fuentes de energías renovables de manera efectiva. . Aumentar la eficiencia en la gestión de la demanda y suministro de forma dinámica. . Reducir las emisiones de CO2 dando prioridad a fuentes de energía verdes. . Concienciar del consumo de energía mediante la monitorización de dispositivos y servicios. . Estimular el desarrollo de un mercado vanguardista de tecnologías energéticamente eficientes con nuevos modelos de negocio. Dentro del contexto de las Smart Grids, el interés del GRyS se extiende básicamente a la creación de middlewares semánticos y tecnologías afines, como las ontologías de servicios y las bases de datos semánticas. El objetivo de este Proyecto Fin de Grado ha sido diseñar y desarrollar una aplicación para dispositivos con sistema operativo Android, que implementa una interfaz gráfica y los métodos necesarios para obtener y representar información de registro de servicios de una plataforma SOA (Service-Oriented Architecture). La aplicación permite: . Representar información relativa a los servicios y dispositivos registrados en una Smart Grid. . Guardar, cargar y compartir por correo electrónico ficheros HTML con la información anterior. . Representar en un mapa la ubicación de los dispositivos. . Representar medidas (voltaje, temperatura, etc.) en tiempo real. . Aplicar filtros por identificador de dispositivo, modelo o fabricante. . Realizar consultas SPARQL a bases de datos semánticas. . Guardar y cagar consultas SPARQL en ficheros de texto almacenados en la tarjeta SD. La aplicación, desarrollada en Java, es de código libre y hace uso de tecnologías estándar y abiertas como HTML, XML, SPARQL y servicios RESTful. Se ha tenido ocasión de probarla con la infraestructura del proyecto europeo e-Gotham (Sustainable-Smart Grid Open System for the Aggregated Control, Monitoring and Management of Energy), en el que participan 17 socios de 5 países: España, Italia, Estonia, Finlandia y Noruega. En esta memoria se detalla el estudio realizado sobre el Estado del arte y las tecnologías utilizadas en el desarrollo del proyecto, la implementación, diseño y arquitectura de la aplicación, así como las pruebas realizadas y los resultados obtenidos. ABSTRACT. This Final Degree Project is framed within the activities of the GRyS (Grupo de Redes y Servicios de Próxima Generación) with the Smart Grids. Current research on Smart Grids aims to achieve the following objectives: . To effectively integrate renewable energy sources. . To increase management efficiency by dynamically matching demand and supply. . To reduce carbon emissions by giving priority to green energy sources. . To raise energy consumption awareness by monitoring products and services. . To stimulate the development of a leading-edge market for energy-efficient technologies with new business models. Within the context of the Smart Grids, the interest of the GRyS basically extends to the creation of semantic middleware and related technologies, such as service ontologies and semantic data bases. The objective of this Final Degree Project has been to design and develop an application for devices with Android operating system, which implements a graphical interface and methods to obtain and represent services registry information in a Service-Oriented Architecture (SOA) platform. The application allows users to: . Represent information related to services and devices registered in a Smart Grid. . Save, load and share HTML files with the above information by email. . Represent the location of devices on a map. . Represent measures (voltage, temperature, etc.) in real time. . Apply filters by device id, model or manufacturer. . SPARQL query semantic database. . Save and load SPARQL queries in text files stored on the SD card. The application, developed in Java, is open source and uses open standards such as HTML, XML, SPARQL and RESTful services technologies. It has been tested in a real environment using the e-Gotham European project infrastructure (Sustainable-Smart Grid Open System for the Aggregated Control, Monitoring and Management of Energy), which is participated by 17 partners from 5 countries: Spain, Italy, Estonia, Finland and Norway. This report details the study on the State of the art and the technologies used in the development of the project, implementation, design and architecture of the application, as well as the tests performed and the results obtained.

Contributions to the Resilience Management in the Internet of Things

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

Design and development of compact optical systems = Diseño y desarrollo de sistemas ópticos compactos

Esta tesis considera dos tipos de aplicaciones del diseño óptico: óptica formadora de imagen por un lado, y óptica anidólica (nonimaging) o no formadora de imagen, por otro. Las ópticas formadoras de imagen tienen como objetivo la obtención de imágenes de puntos del objeto en el plano de la imagen. Por su parte, la óptica anidólica, surgida del desarrollo de aplicaciones de concentración e iluminación, se centra en la transferencia de energía en forma de luz de forma eficiente. En general, son preferibles los diseños ópticos que den como resultado sistemas compactos, para ambos tipos de ópticas (formadora de imagen y anidólica). En el caso de los sistemas anidólicos, una óptica compacta permite tener costes de producción reducidos. Hay dos razones: (1) una óptica compacta presenta volúmenes reducidos, lo que significa que se necesita menos material para la producción en masa; (2) una óptica compacta es pequeña y ligera, lo que ahorra costes en el transporte. Para los sistemas ópticos de formación de imagen, además de las ventajas anteriores, una óptica compacta aumenta la portabilidad de los dispositivos, que es una gran ventaja en tecnologías de visualización portátiles, tales como cascos de realidad virtual (HMD del inglés Head Mounted Display). Esta tesis se centra por tanto en nuevos enfoques de diseño de sistemas ópticos compactos para aplicaciones tanto de formación de imagen, como anidólicas. Los colimadores son uno de los diseños clásicos dentro la óptica anidólica, y se pueden utilizar en aplicaciones fotovoltaicas y de iluminación. Hay varios enfoques a la hora de diseñar estos colimadores. Los diseños convencionales tienen una relación de aspecto mayor que 0.5. Con el fin de reducir la altura del colimador manteniendo el área de iluminación, esta tesis presenta un diseño de un colimador multicanal. En óptica formadora de imagen, las superficies asféricas y las superficies sin simetría de revolución (o freeform) son de gran utilidad de cara al control de las aberraciones de la imagen y para reducir el número y tamaño de los elementos ópticos. Debido al rápido desarrollo de sistemas de computación digital, los trazados de rayos se pueden realizar de forma rápida y sencilla para evaluar el rendimiento del sistema óptico analizado. Esto ha llevado a los diseños ópticos modernos a ser generados mediante el uso de diferentes técnicas de optimización multi-paramétricas. Estas técnicas requieren un buen diseño inicial como punto de partida para el diseño final, que será obtenido tras un proceso de optimización. Este proceso precisa un método de diseño directo para superficies asféricas y freeform que den como resultado un diseño cercano al óptimo. Un método de diseño basado en ecuaciones diferenciales se presenta en esta tesis para obtener un diseño óptico formado por una superficie freeform y dos superficies asféricas. Esta tesis consta de cinco capítulos. En Capítulo 1, se presentan los conceptos básicos de la óptica formadora de imagen y de la óptica anidólica, y se introducen las técnicas clásicas del diseño de las mismas. El Capítulo 2 describe el diseño de un colimador ultra-compacto. La relación de aspecto ultra-baja de este colimador se logra mediante el uso de una estructura multicanal. Se presentará su procedimiento de diseño, así como un prototipo fabricado y la caracterización del mismo. El Capítulo 3 describe los conceptos principales de la optimización de los sistemas ópticos: función de mérito y método de mínimos cuadrados amortiguados. La importancia de un buen punto de partida se demuestra mediante la presentación de un mismo ejemplo visto a través de diferentes enfoques de diseño. El método de las ecuaciones diferenciales se presenta como una herramienta ideal para obtener un buen punto de partida para la solución final. Además, diferentes técnicas de interpolación y representación de superficies asféricas y freeform se presentan para el procedimiento de optimización. El Capítulo 4 describe la aplicación del método de las ecuaciones diferenciales para un diseño de un sistema óptico de una sola superficie freeform. Algunos conceptos básicos de geometría diferencial son presentados para una mejor comprensión de la derivación de las ecuaciones diferenciales parciales. También se presenta un procedimiento de solución numérica. La condición inicial está elegida como un grado de libertad adicional para controlar la superficie donde se forma la imagen. Basado en este enfoque, un diseño anastigmático se puede obtener fácilmente y se utiliza como punto de partida para un ejemplo de diseño de un HMD con una única superficie reflectante. Después de la optimización, dicho diseño muestra mejor rendimiento. El Capítulo 5 describe el método de las ecuaciones diferenciales ampliado para diseños de dos superficies asféricas. Para diseños ópticos de una superficie, ni la superficie de imagen ni la correspondencia entre puntos del objeto y la imagen pueden ser prescritas. Con esta superficie adicional, la superficie de la imagen se puede prescribir. Esto conduce a un conjunto de tres ecuaciones diferenciales ordinarias implícitas. La solución numérica se puede obtener a través de cualquier software de cálculo numérico. Dicho procedimiento también se explica en este capítulo. Este método de diseño da como resultado una lente anastigmática, que se comparará con una lente aplanática. El diseño anastigmático converge mucho más rápido en la optimización y la solución final muestra un mejor rendimiento. ABSTRACT We will consider optical design from two points of view: imaging optics and nonimaging optics. Imaging optics focuses on the imaging of the points of the object. Nonimaging optics arose from the development of concentrators and illuminators, focuses on the transfer of light energy, and has wide applications in illumination and concentration photovoltaics. In general, compact optical systems are necessary for both imaging and nonimaging designs. For nonimaging optical systems, compact optics use to be important for reducing cost. The reasons are twofold: (1) compact optics is small in volume, which means less material is needed for mass-production; (2) compact optics is small in size and light in weight, which saves cost in transportation. For imaging optical systems, in addition to the above advantages, compact optics increases portability of devices as well, which contributes a lot to wearable display technologies such as Head Mounted Displays (HMD). This thesis presents novel design approaches of compact optical systems for both imaging and nonimaging applications. Collimator is a typical application of nonimaging optics in illumination, and can be used in concentration photovoltaics as well due to the reciprocity of light. There are several approaches for collimator designs. In general, all of these approaches have an aperture diameter to collimator height not greater than 2. In order to reduce the height of the collimator while maintaining the illumination area, a multichannel design is presented in this thesis. In imaging optics, aspheric and freeform surfaces are useful in controlling image aberrations and reducing the number and size of optical elements. Due to the rapid development of digital computing systems, ray tracing can be easily performed to evaluate the performance of optical system. This has led to the modern optical designs created by using different multi-parametric optimization techniques. These techniques require a good initial design to be a starting point so that the final design after optimization procedure can reach the optimum solution. This requires a direct design method for aspheric and freeform surface close to the optimum. A differential equation based design method is presented in this thesis to obtain single freeform and double aspheric surfaces. The thesis comprises of five chapters. In Chapter 1, basic concepts of imaging and nonimaging optics are presented and typical design techniques are introduced. Readers can obtain an understanding for the following chapters. Chapter 2 describes the design of ultra-compact collimator. The ultra-low aspect ratio of this collimator is achieved by using a multichannel structure. Its design procedure is presented together with a prototype and its evaluation. The ultra-compactness of the device has been approved. Chapter 3 describes the main concepts of optimizing optical systems: merit function and Damped Least-Squares method. The importance of a good starting point is demonstrated by presenting an example through different design approaches. The differential equation method is introduced as an ideal tool to obtain a good starting point for the final solution. Additionally, different interpolation and representation techniques for aspheric and freeform surface are presented for optimization procedure. Chapter 4 describes the application of differential equation method in the design of single freeform surface optical system. Basic concepts of differential geometry are presented for understanding the derivation of partial differential equations. A numerical solution procedure is also presented. The initial condition is chosen as an additional freedom to control the image surface. Based on this approach, anastigmatic designs can be readily obtained and is used as starting point for a single reflective surface HMD design example. After optimization, the evaluation shows better MTF. Chapter 5 describes the differential equation method extended to double aspheric surface designs. For single optical surface designs, neither image surface nor the mapping from object to image can be prescribed. With one more surface added, the image surface can be prescribed. This leads to a set of three implicit ordinary differential equations. Numerical solution can be obtained by MATLAB and its procedure is also explained. An anastigmatic lens is derived from this design method and compared with an aplanatic lens. The anastigmatic design converges much faster in optimization and the final solution shows better performance.