Model driven design for embedded systems

Questo lavoro di tesi si focalizza sulla modellazione di sistemi software in grado far interagire piattaforme elettroniche differenti tra loro.

Studio di modelli matematici per la verifica e la progettazione di impianti di digestione anaerobica su scala di laboratorio e industriale

Il lavoro di Dottorato si è incentrato con successo sullo studio della possibilità di applicare il modello ADM1 per la descrizione e verifica di impianti industriali di digestione anaerobica. Dai dati sperimentali il modello e l'implementazione in software di analisi numerica si sono rivelati strumenti efficaci. Il software sviluppato è stato utilizzato come strumento di progettazione di impianti alimentati con biomasse innovative, analizzate con metodiche biochimiche (BMP) in scala di laboratorio. Lo studio è stato corredato con lo studio di fattibilità di un impianto reale con verifica di ottimo economico.

Authoring tools and management information systems: study of a generalizable architecture

The need to effectively manage the documentation covering the entire production process, from the concept phase right through to market realise, constitutes a key issue in the creation of a successful and highly competitive product. For almost forty years the most commonly used strategies to achieve this have followed Product Lifecycle Management (PLM) guidelines. Translated into information management systems at the end of the '90s, this methodology is now widely used by companies operating all over the world in many different sectors. PLM systems and editor programs are the two principal types of software applications used by companies for their process aotomation. Editor programs allow to store in documents the information related to the production chain, while the PLM system stores and shares this information so that it can be used within the company and made it available to partners. Different software tools, which capture and store documents and information automatically in the PLM system, have been developed in recent years. One of them is the ''DirectPLM'' application, which has been developed by the Italian company ''Focus PLM''. It is designed to ensure interoperability between many editors and the Aras Innovator PLM system. In this dissertation we present ''DirectPLM2'', a new version of the previous software application DirectPLM. It has been designed and developed as prototype during the internship by Focus PLM. Its new implementation separates the abstract logic of business from the real commands implementation, previously strongly dependent on Aras Innovator. Thanks to its new design, Focus PLM can easily develop different versions of DirectPLM2, each one devised for a specific PLM system. In fact, the company can focus the development effort only on a specific set of software components which provides specialized functions interacting with that particular PLM system. This allows shorter Time-To-Market and gives the company a significant competitive advantage.

Enhancing quality of service in software-defined networks

Resource management is of paramount importance in network scenarios and it is a long-standing and still open issue. Unfortunately, while technology and innovation continue to evolve, our network infrastructure system has been maintained almost in the same shape for decades and this phenomenon is known as “Internet ossification”. Software-Defined Networking (SDN) is an emerging paradigm in computer networking that allows a logically centralized software program to control the behavior of an entire network. This is done by decoupling the network control logic from the underlying physical routers and switches that forward traffic to the selected destination. One mechanism that allows the control plane to communicate with the data plane is OpenFlow. The network operators could write high-level control programs that specify the behavior of an entire network. Moreover, the centralized control makes it possible to define more specific and complex tasks that could involve many network functionalities, e.g., security, resource management and control, into a single framework. Nowadays, the explosive growth of real time applications that require stringent Quality of Service (QoS) guarantees, brings the network programmers to design network protocols that deliver certain performance guarantees. This thesis exploits the use of SDN in conjunction with OpenFlow to manage differentiating network services with an high QoS. Initially, we define a QoS Management and Orchestration architecture that allows us to manage the network in a modular way. Then, we provide a seamless integration between the architecture and the standard SDN paradigm following the separation between the control and data planes. This work is a first step towards the deployment of our proposal in the University of California, Los Angeles (UCLA) campus network with differentiating services and stringent QoS requirements. We also plan to exploit our solution to manage the handoff between different network technologies, e.g., Wi-Fi and WiMAX. Indeed, the model can be run with different parameters, depending on the communication protocol and can provide optimal results to be implemented on the campus network.

The secret life of software applications

One of the most undervalued problems by smartphone users is the security of data on their mobile devices. Today smartphones and tablets are used to send messages and photos and especially to stay connected with social networks, forums and other platforms. These devices contain a lot of private information like passwords, phone numbers, private photos, emails, etc. and an attacker may choose to steal or destroy this information. The main topic of this thesis is the security of the applications present on the most popular stores (App Store for iOS and Play Store for Android) and of their mechanisms for the management of security. The analysis is focused on how the architecture of the two systems protects users from threats and highlights the real presence of malware and spyware in their respective application stores. The work described in subsequent chapters explains the study of the behavior of 50 Android applications and 50 iOS applications performed using network analysis software. Furthermore, this thesis presents some statistics about malware and spyware present on the respective stores and the permissions they require. At the end the reader will be able to understand how to recognize malicious applications and which of the two systems is more suitable for him. This is how this thesis is structured. The first chapter introduces the security mechanisms of the Android and iOS platform architectures and the security mechanisms of their respective application stores. The Second chapter explains the work done, what, why and how we have chosen the tools needed to complete our analysis. The third chapter discusses about the execution of tests, the protocol followed and the approach to assess the “level of danger” of each application that has been checked. The fourth chapter explains the results of the tests and introduces some statistics on the presence of malicious applications on Play Store and App Store. The fifth chapter is devoted to the study of the users, what they think about and how they might avoid malicious applications. The sixth chapter seeks to establish, following our methodology, what application store is safer. In the end, the seventh chapter concludes the thesis.

Un Laboratorio Virtuale distribuito per il test di applicazioni

In questo elaborato andremo a descrivere, sia a livello strutturale che implementativo, il progetto sperimentale da noi ideato volto alla creazione di un laboratorio virtuale di testing. Lo scopo principale del laboratorio è appunto quello di delocalizzare la fase preliminare di testing di un'applicazione; nel nostro caso specifico siamo partiti dallo scenario riguardante la rete ferroviaria ed abbiamo preso in esame il software utilizzato per la gestione del traffico. Il vincolo principale che grava su questo progetto è che l'applicazione da collaudare non deve minimamente essere modificata, e ciò significa che occorre creare intorno ad essa un ambiente di testing conforme alle caratteristiche in cui il software si aspetta di operare. Ed è qui che entra in gioco la virtualizzazione.

Software tools and efficient algorithms for the feature detection, feature tracking, event localization, and visualization of large sets of atmospheric data

Data sets describing the state of the earth's atmosphere are of great importance in the atmospheric sciences. Over the last decades, the quality and sheer amount of the available data increased significantly, resulting in a rising demand for new tools capable of handling and analysing these large, multidimensional sets of atmospheric data. The interdisciplinary work presented in this thesis covers the development and the application of practical software tools and efficient algorithms from the field of computer science, aiming at the goal of enabling atmospheric scientists to analyse and to gain new insights from these large data sets. For this purpose, our tools combine novel techniques with well-established methods from different areas such as scientific visualization and data segmentation. In this thesis, three practical tools are presented. Two of these tools are software systems (Insight and IWAL) for different types of processing and interactive visualization of data, the third tool is an efficient algorithm for data segmentation implemented as part of Insight.Insight is a toolkit for the interactive, three-dimensional visualization and processing of large sets of atmospheric data, originally developed as a testing environment for the novel segmentation algorithm. It provides a dynamic system for combining at runtime data from different sources, a variety of different data processing algorithms, and several visualization techniques. Its modular architecture and flexible scripting support led to additional applications of the software, from which two examples are presented: the usage of Insight as a WMS (web map service) server, and the automatic production of a sequence of images for the visualization of cyclone simulations. The core application of Insight is the provision of the novel segmentation algorithm for the efficient detection and tracking of 3D features in large sets of atmospheric data, as well as for the precise localization of the occurring genesis, lysis, merging and splitting events. Data segmentation usually leads to a significant reduction of the size of the considered data. This enables a practical visualization of the data, statistical analyses of the features and their events, and the manual or automatic detection of interesting situations for subsequent detailed investigation. The concepts of the novel algorithm, its technical realization, and several extensions for avoiding under- and over-segmentation are discussed. As example applications, this thesis covers the setup and the results of the segmentation of upper-tropospheric jet streams and cyclones as full 3D objects. Finally, IWAL is presented, which is a web application for providing an easy interactive access to meteorological data visualizations, primarily aimed at students. As a web application, the needs to retrieve all input data sets and to install and handle complex visualization tools on a local machine are avoided. The main challenge in the provision of customizable visualizations to large numbers of simultaneous users was to find an acceptable trade-off between the available visualization options and the performance of the application. Besides the implementational details, benchmarks and the results of a user survey are presented.

Studio e analisi di software per il porting di codice a 64 bit

XCModel è un sistema CAD, basato su NURBS, realizzato ed utilizzato in ambiente accademico. È composto da quattro pacchetti per la modellazione 2D, 3D e la resa foto-realistica, ognuno dotato di una propria interfaccia grafica. Questi pacchetti sono in costante evoluzione: sia per le continua evoluzioni dell’hardware che ai cambiamenti degli standard software. Il sistema nel complesso raccoglie la conoscenza e l’esperienza nella modellazione geometrica acquisita nel tempo dai progettisti. XCModel, insieme ai suoi sottosistemi, sono stati progettati per diventare un laboratorio di insegnamento e ricerca utile a sperimentare ed imparare metodi ed algoritmi nella modellazione geometrica e nella visualizzazione grafica. La natura principalmente accademica, e la conseguente funzione divulgativa, hanno richiesto continui aggiornamenti del programma affinché potesse continuare a svolgere la propria funzione nel corso degli anni. La necessità di continuare a ad evolversi, come software didattico, anche con il moderno hardware, è forse il principale motivo della scelta di convertire XCModel a 64 bit; una conversione che ho svolto in questa tesi. Come molte altre applicazioni realizzate a 32 bit, la maggior parte del codice viene eseguito correttamente senza problemi. Vi sono però una serie di problematiche, a volte molto subdole, che emergono durante la migrazione delle applicazioni in generale e di XCModel in particolare. Questa tesi illustra i principali problemi di portabilità riscontrati durante il porting a 64 bit di questo pacchetto seguendo il percorso da me intrapreso: mostrerò gli approcci adottati, i tool utilizzati e gli errori riscontrati.

Integrazione dei flussi informativi nell'automazione del laboratorio analisi

In virtù della crescente importanza dell’impiego del software nel settore dei dispositivi medici, come software indipendente (stand-alone) oppure come software incorporato in un altro dispositivo medico, un requisito essenziale per il suo utilizzo è la validazione secondo lo stato dell’arte. La certificazione come dispositivo medico diviene in tal modo fonte di garanzia e di sicurezza per il suo impiego. Il Sistema Informativo di Laboratorio (LIS), supportando il processo operativo dei dispositivi medico-diagnostici in vitro, necessita di una regolamentazione in tale direzione. Il workflow del Laboratorio Analisi, suddiviso in fasi preanalitica, analitica e postanalitica, ha beneficiato dell’introduzione di un sistema informatico in grado di gestire le richieste di esami dei pazienti e di processare e memorizzare le informazioni generate dalle apparecchiature presenti nel laboratorio. Più di ogni altro scenario clinico, il Laboratorio Analisi si presta ad essere organizzato sfruttando un modello di gestione fortemente integrato. Le potenzialità ad esso connesse garantiscono un aumento di produttività, una riduzione degli errori di laboratorio e una maggior sicurezza sia per i professionisti sanitari che per l’intero processo analitico. Per l’importanza clinica affidata al dato di laboratorio, la sua diffusione deve avvenire in maniera veloce e sicura; ciò è possibile se il ritorno elettronico dei risultati al medico richiedente si avvale dello standard HL7, il cui utilizzo è promosso dal modello IHE. La presenza di un unico database sanitario contenente anagrafiche univoche, facilmente aggiornabili, riduce il rischio di errata identificazione del paziente e, in particolare, offre la possibilità di disporre dei risultati di esami precedenti, opportunità particolarmente utile nel delineare il quadro clinico di pazienti cronici. Tale vantaggio e molte altre strategie, in grado di migliorare la qualità dell’assistenza e dell’outcome clinico, permettono di definire il laboratorio clinico come “motore di appropriatezza”.

Arald: an architecture for name resolution, disambiguation and linking of linked data through semantics

La capacità di estrarre entità da testi, collegarle tra loro ed eliminare possibili ambiguità tra di esse è uno degli obiettivi del Web Semantico. Chiamato anche Web 3.0, esso presenta numerose innovazioni volte ad arricchire il Web con dati strutturati comprensibili sia dagli umani che dai calcolatori. Nel reperimento di questi temini e nella definizione delle entities è di fondamentale importanza la loro univocità. Il nostro orizzonte di lavoro è quello delle università italiane e le entities che vogliamo estrarre, collegare e rendere univoche sono nomi di professori italiani. L’insieme di informazioni di partenza, per sua natura, vede la presenza di ambiguità. Attenendoci il più possibile alla sua semantica, abbiamo studiato questi dati ed abbiamo risolto le collisioni presenti sui nomi dei professori. Arald, la nostra architettura software per il Web Semantico, estrae entità e le collega, ma soprattutto risolve ambiguità e omonimie tra i professori delle università italiane. Per farlo si appoggia alla semantica dei loro lavori accademici e alla rete di coautori desumibile dagli articoli da loro pubblicati, rappresentati tramite un data cluster. In questo docu delle università italiane e le entities che vogliamo estrarre, collegare e rendere univoche sono nomi di professori italiani. Partendo da un insieme di informazioni che, per sua natura, vede la presenza di ambiguità, lo abbiamo studiato attenendoci il più possibile alla sua semantica, ed abbiamo risolto le collisioni che accadevano sui nomi dei professori. Arald, la nostra architettura software per il Web Semantico, estrae entità, le collega, ma soprattutto risolve ambiguità e omonimie tra i professori delle università italiane. Per farlo si appoggia alla semantica dei loro lavori accademici e alla rete di coautori desumibile dagli articoli da loro pubblicati tramite la costruzione di un data cluster.

Formulazione e messa a punto di una metodologia per il progetto di ventilatori per gallerie del vento con applicazione al "long-pipe" del laboratorio CICLoPE : analisi attraverso l'impiego di modelli matematici in MATLAB

Nell'ottica di un futuro riprogetto, totale o parziale, del ventilatore della galleria del vento del progetto CICLoPE dell'Università di Bologna, è stato messo a punto, grazie a modelli matematici di letteratura, un algoritmo per la determinazione della geometria delle pale di un fan. La procedura si basa su ipotesi di incompressibilità e assenza di vortici di estremità ed è in grado di fornire la geometria del ventilatore una volta che sono state fissate: le condizioni richieste nella sezione di test, l'efficienza del tunnel e alcune proprietà del ventilatore stesso (ad esempio tipologia di profilo aerodinamico e numero di pale). L'algoritmo è in grado di lavorare solamente con la configurazione ventilatore seguito da profili raddrizzatori, ma è in previsione un'estensione che consentirà di studiare anche la configurazione a fan controrotanti (come quella del CICLoPE). Con questo software sono state progettate numerose soluzioni diverse per studiare il legame tra rendimento e geometria del ventilatore. Inoltre sono stati individuati i parametri che permettono di ottenere una pala con rastremazione e svergolatura trascurabili, con lo scopo di abbassare i costi del manufatto. In particolare è stato dimostrato come le configurazioni con diametro della nacelle grande (superiore al 65\% del diametro della sezione di potenza) siano particolarmente adatte a fornire rendimenti alti con la minima complicatezza della pala. Per quanto riguarda l'efficienza aerodinamica del profilo, i test comparativi indicano che questo parametro influisce relativamente poco sul rendimento del macchinario ma modifica profondamente la geometria della pala. Efficienze elevate tendono, secondo lo studio, a richiedere pale estremamente rastremate e poco svergolate; questo porta a preferire l'adozione di profili mediamente efficienti ma dall'ampio intervallo operativo in termini di angolo di attacco.

Elaborazione di Big Data: un’applicazione dello Speed Layer di Lambda Architecture

I Big Data hanno forgiato nuove tecnologie che migliorano la qualità della vita utilizzando la combinazione di rappresentazioni eterogenee di dati in varie discipline. Occorre, quindi, un sistema realtime in grado di computare i dati in tempo reale. Tale sistema viene denominato speed layer, come si evince dal nome si è pensato a garantire che i nuovi dati siano restituiti dalle query funcions con la rapidità in cui essi arrivano. Il lavoro di tesi verte sulla realizzazione di un’architettura che si rifaccia allo Speed Layer della Lambda Architecture e che sia in grado di ricevere dati metereologici pubblicati su una coda MQTT, elaborarli in tempo reale e memorizzarli in un database per renderli disponibili ai Data Scientist. L’ambiente di programmazione utilizzato è JAVA, il progetto è stato installato sulla piattaforma Hortonworks che si basa sul framework Hadoop e sul sistema di computazione Storm, che permette di lavorare con flussi di dati illimitati, effettuando l’elaborazione in tempo reale. A differenza dei tradizionali approcci di stream-processing con reti di code e workers, Storm è fault-tolerance e scalabile. Gli sforzi dedicati al suo sviluppo da parte della Apache Software Foundation, il crescente utilizzo in ambito di produzione di importanti aziende, il supporto da parte delle compagnie di cloud hosting sono segnali che questa tecnologia prenderà sempre più piede come soluzione per la gestione di computazioni distribuite orientate agli eventi. Per poter memorizzare e analizzare queste moli di dati, che da sempre hanno costituito una problematica non superabile con i database tradizionali, è stato utilizzato un database non relazionale: HBase.

The Small Project Observatory: Visualizing Software Ecosystems

Software evolution research has focused mostly on analyzing the evolution of single software systems. However, it is rarely the case that a project exists as standalone, independent of others. Rather, projects exist in parallel within larger contexts in companies, research groups or even the open-source communities. We call these contexts software ecosystems, and on this paper we present The Small Project Observatory, a prototype tool which aims to support the analysis of project ecosystems through interactive visualization and exploration. We present a case-study of exploring an ecosystem using our tool, we describe about the architecture of the tool, and we distill the lessons learned during the tool-building experience.