The city as a learning gamified platform

The area of mobile city guides has grown really fast in the last years based on new mobile capabilities. This growth has been fostered by the evolution of ubiquitous systems and the great penetration of smartphones in the society. In this paper we propose a generic model to support a new way of visiting the city: instead of as a place for tourism, we see it as a place for learning in which located educational resources are available for end users. The model has been conceived as a way to encourage them to create their own educational tours, in which Learning Points Of Interest are set up to be discovered. Two main use cases are supported by the model: formal (conducted by a teacher) and informal (no educator is related to the learning experience) outdoor mobile learning. Details about the impact of the conjunction of tourism, learning and gamification dimensions in the model design, as well as about the model itself are provided. Finally, a mobile application prototype developed in the context of the FI-CONTENT European project is presented as a proof of concept of the model.

Assessment of CTF boiling transition and critical heat flux modeling capabilities using the OECD/NRC BFBT and PSBT benchmark databases

Over the last few years, the Pennsylvania State University (PSU) under the sponsorship of the US Nuclear Regulatory Commission (NRC) has prepared, organized, conducted, and summarized two international benchmarks based on the NUPEC data—the OECD/NRC Full-Size Fine-Mesh Bundle Test (BFBT) Benchmark and the OECD/NRC PWR Sub-Channel and Bundle Test (PSBT) Benchmark. The benchmarks’ activities have been conducted in cooperation with the Nuclear Energy Agency/Organization for Economic Co-operation and Development (NEA/OECD) and the Japan Nuclear Energy Safety (JNES) Organization. This paper presents an application of the joint Penn State University/Technical University of Madrid (UPM) version of the well-known sub-channel code COBRA-TF (Coolant Boiling in Rod Array-Two Fluid), namely, CTF, to the steady state critical power and departure from nucleate boiling (DNB) exercises of the OECD/NRC BFBT and PSBT benchmarks. The goal is two-fold: firstly, to assess these models and to examine their strengths and weaknesses; and secondly, to identify the areas for improvement.

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

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

On-the-fly dynamic reprogramming mechanism for increasing the energy efficiency and supporting multi-experimental capabilities in WSNs

Remote reprogramming capabilities are one of the major concerns in WSN platforms due to the limitations and constraints that low power wireless nodes poses, especially when energy efficiency during the reprogramming process is a critical factor for extending the battery life of the devices. Moreover, WSNs are based on low-rate protocols in which as greater the amount of data is sent, the more the possibility to lose packets during the transmitting process is. In order to overcome these limitations, in this work a novel on-the-fly reprogramming technique for modifying and updating the application running on the wireless sensor nodes is designed and implemented, based on a partial reprogramming mechanism that significantly reduces the size of the files to be downloaded to the nodes, therefore diminishing their power/time consumption. This powerful mechanism also addresses multi-experimental capabilities because it provides the possibility to download, manage, test and debug multiple applications into the wireless nodes, based on a memory map segmentation of the core. Being an on-the-fly reprogramming process, no additional resources to store and download the configuration file are needed.

Active learning and generic competences in an operating systems course

The Bologna Declaration and the implementation of the European Higher Education Area are promoting the use of active learning methodologies. The aim of this study is to evaluate the effects obtained after applying active learning methodologies to the achievement of generic competences as well as to the academic performance. This study has been carried out at the Universidad Politécnica de Madrid, where these methodologies have been applied to the Operating Systems I subject of the degree in Technical Engineering in Computer Systems. The fundamental hypothesis tested was whether the implementation of active learning methodologies (cooperative learning and problem based learning) favours the achievement of certain generic competences (‘teamwork’ and ‘planning and time management’) and also whether this fact improved the academic performance of our students. The original approach of this work consists in using psychometric tests to measure the degree of acquired student’s generic competences instead of using opinion surveys, as usual. Results indicated that active learning methodologies improve the academic performance when compared to the traditional lecture/discussion method, according to the success rate obtained. These methods seem to have as well an effect on the teamwork competence (the perception of the behaviour of the other members in the group) but not on the perception of each students’ behaviour. Active learning does not produce any significant change in the generic competence ‘planning and time management'.

Integrating Generic Competences into Engineering Curricula

The new degrees in Spanish universities generated as a result of the Bologna process, stress a new dimension: the generic competencies to be acquired by university students (leadership, problem solving, respect for the environment, etc.). At Universidad Polite¿cnica de Madrid a teaching model was defined for two degrees: Graduate in Computer Engineering and Graduate in Software Engineering. Such model incorporates the training, development and assessment of generic competencies planned in these curricula. The aim of this paper is to describe how this model was implemented in both degrees. The model has three components. The first refers to a set of seven activities for introducing mechanisms for training, development and assessment of generic competencies. The second component aims to coordinate actions that implement the competencies across courses (in space and time). The third component consists of a series of activities to perform quality control. The implementation of generic competencies was carried out in first year courses (first and second semesters), together with the planning for second year courses (third and fourth semesters). We managed to involve a high percentage of first-year courses (80%) and the contacts that have been initiated suggest a high percentage in the second year as well.

Diseño para el Desarrollo

Resumen El Diseño, que apenas está considerado en las políticas de desarrollo, por su parte tampoco ha prestado la adecuada atención a los aspectos de justicia y de desarrollo global. Encontramos los antecedentes del Diseño para el Desarrollo en la “transferencia de tecnología y en la imitación”; en las “tecnologías apropiadas” de los años 70; en la moda de hacer negocios para la “base de la pirámide (BoP)”; más recientemente en el concepto de “innovación apropiada”; y últimamente en el “enfoque de las capacidades”, que engloba cuestiones sobre justicia, igualdad y desarrollo. En este artículo de revisión se realiza una aproximación a la situación actual del Diseño para el Desarrollo, incluyendo productos e iniciativas empresariales, académicas e investigadoras. Para ello, se ha realizado una revisión en buscadores generalistas y en publicaciones especializadas, accesibles desde la Universidad Politécnica de Madrid. Los resultados obtenidos abarcan desde productos comerciales, repositorios en línea de tecnologías de desarrollo, documentación abierta para el diseño/adaptación de productos para el desarrollo, conferencias, revistas, grupos de investigación, iniciativas emprendedoras, etc. Se trata de un tema que no tiene una univoca expresión y que está siendo tratado en muchas áreas, tanto de las ciencias sociales, como técnicas y sanitarias. Abstract The design, which is hardly considered in development policies, has not paid adequate attention to justice and global development issues. The antecedents of Design for Development are found in the "technology transfer and imitation"; in "appropriate technologies" of the 70s; in the fashion of doing business for the "base of the pyramid (BoP)"; more recently in the concept of "appropriate innovation"; and lately in the "capabilities approach" which includes questions about justice, equality and development. In this article review is performed an approach to the current situation of Design for Development including: products, business models and academic and research perspectives. In order to achieve it, the review has been conducted through search engines in generic and specialized publications, accessible from the Polytechnic University of Madrid. The results obtained include from commercial products, online repository development technologies, open documentation for design / adaptation of products for development, to conferences, journals, research groups, entrepreneurial initiatives, etc. This is a topic that has no unambiguous expression and that is being addressed in many areas, as in the social sciences and technical and health sciences. Resumo O projeto, que dificilmente pode ser considerada nas políticas de desenvolvimento, enquanto isso não prestou a atenção suficiente às questões da justiça e do desenvolvimento global. Encontramos a história do Projeto para o Desenvolvimento na "transferência de tecnologia e na imitação"; em "tecnologias apropriadas" dos anos 70; na forma de fazer negócios para a "base da pirâmide (BoP)"; mais recentemente, o conceito de "inovação apropriado"; e, ultimamente, a "abordagem de capacidades", que inclui perguntas sobre justiça, igualdade e desenvolvimento. Neste artigo de revisão existe uma abordagem para a situação atual do projeto de desenvolvimento, incluindo produtos e iniciativas empresariais, acadêmicos e investigadoras. Para isso, realizamos uma revisão nos motores de busca gerais e publicações especializadas, acessível a partir da Universidade Politécnica de Madrid. Os resultados variam de produtos comerciais tecnologias de desenvolvimento repositório on-line, documentação aberta para o projeto / adaptação de produtos para o desenvolvimento, conferências, revistas, grupos de pesquisa, iniciativas empresariais, etc. Este é um tema que não tem um só significado e que esta sendo tratado em muitas áreas, tanto nas ciências sociais, como técnicas e sanitarias.

Deep reactive ion etching of auxetic structures: present capabilities and challenges

Auxetic materials (or metamaterials) have negative Poisson ratios (NPR) and display the unexpected properties of lateral expansion when stretched, and equal and opposing densification when compressed. Such auxetic materials are being used more frequently in the development of novel products, especially in the fields of intelligent expandable actuators, shape-morphing structures, and minimally invasive implantable devices. Although several micromanufacturing technologies have already been applied to the development of auxetic materials and devices, additional precision is needed to take full advantage of their special mechanical properties. In this study, we present a very promising approach for the development of auxetic materials and devices based on the use of deep reactive ion etching (DRIE). The process stands out for its precision and its potential applications to mass production. To our knowledge, it represents the first time this technology has been applied to the manufacture of auxetic materials with nanometric details. We take into account the present capabilities and challenges linked to the use of DRIE in the development of auxetic materials and auxetic-based devices.

Internet of things virtualization and identity management via fiware generic enablers

La iniciativa FIWARE ofrece un conjunto de APIs potentes que proporcionan la base para una innovación rápida y eficiente en el Internet del Futuro. Estas APIs son clave en el desarrollo de aplicaciones que usan tecnologías muy recientes e innovadoras, como el Internet de las cosas o la Gestión de Identidad en módulos de seguridad. Este documento presenta el desarrollo de una aplicación web de FIWARE usando componentes virtualizados en máquinas virtuales. La aplicación web está basada en “la fábrica de chocolate de Willy Wonka” como una implementación metafórica de una aplicación de seguridad e IoT en un entorno industrial. El componente principal es un servidor web en node.js que conecta con varios componentes de FIWARE, conocidos como “Generic Enablers”. La implementación está compuesta por dos módulos principales: el módulo de IoT y el módulo de seguridad. El módulo de IoT gestiona los sensores instalados por Willy Wonka en las salas de fábrica para monitorizar varios parámetros como, por ejemplo, la temperatura, la presión o la ocupación. El módulo de IoT crea y recibe información de contexto de los sensores virtuales. Esta información de contexto es gestionada y almacenada en un componente de FIWARE conocido como Context Broker. El Context Broker está basado en mecanismos de subscripciones que postean los datos de los sensores en la aplicación, en tiempo real y cuando estos cambian. La conexión con el cliente se produce mediante Web Sockets (socket.io). El módulo de seguridad gestiona las cuentas y la información de los usuarios, les autentica en la aplicación usando una cuenta de FIWARE y comprueba la autorización para acceder a distintos recursos. Distintos roles son creados con distintos permisos asignados. Por ejemplo, Willy Wonka puede tener acceso a todos los recursos, mientras que un Oompa Loopa encargado de la sala del chocolate solo deberías de tener acceso a los recursos de su sala. Este módulo está compuesto por tres componentes: el Gestor de Identidades, el PEP Proxy y el PDP AuthZForce. El gestor de identidades almacena las cuentas de FIWARE de los usuarios y permite la autenticación Single Sing On usando el protocolo OAuth2. Tras logearse, los usuarios autenticados reciben un token de autenticación que es usado después por el AuthZForce para comprobar el rol y permiso asociado del usuario. El PEP Proxy actúa como un servidor proxy que redirige las peticiones permitidas y bloquea las no autorizadas.

Optimizing the reliability and resource efficiency of MapReduce-based systems

Debido al gran incremento de datos digitales que ha tenido lugar en los últimos años, ha surgido un nuevo paradigma de computación paralela para el procesamiento eficiente de grandes volúmenes de datos. Muchos de los sistemas basados en este paradigma, también llamados sistemas de computación intensiva de datos, siguen el modelo de programación de Google MapReduce. La principal ventaja de los sistemas MapReduce es que se basan en la idea de enviar la computación donde residen los datos, tratando de proporcionar escalabilidad y eficiencia. En escenarios libres de fallo, estos sistemas generalmente logran buenos resultados. Sin embargo, la mayoría de escenarios donde se utilizan, se caracterizan por la existencia de fallos. Por tanto, estas plataformas suelen incorporar características de tolerancia a fallos y fiabilidad. Por otro lado, es reconocido que las mejoras en confiabilidad vienen asociadas a costes adicionales en recursos. Esto es razonable y los proveedores que ofrecen este tipo de infraestructuras son conscientes de ello. No obstante, no todos los enfoques proporcionan la misma solución de compromiso entre las capacidades de tolerancia a fallo (o de manera general, las capacidades de fiabilidad) y su coste. Esta tesis ha tratado la problemática de la coexistencia entre fiabilidad y eficiencia de los recursos en los sistemas basados en el paradigma MapReduce, a través de metodologías que introducen el mínimo coste, garantizando un nivel adecuado de fiabilidad. Para lograr esto, se ha propuesto: (i) la formalización de una abstracción de detección de fallos; (ii) una solución alternativa a los puntos únicos de fallo de estas plataformas, y, finalmente, (iii) un nuevo sistema de asignación de recursos basado en retroalimentación a nivel de contenedores. Estas contribuciones genéricas han sido evaluadas tomando como referencia la arquitectura Hadoop YARN, que, hoy en día, es la plataforma de referencia en la comunidad de los sistemas de computación intensiva de datos. En la tesis se demuestra cómo todas las contribuciones de la misma superan a Hadoop YARN tanto en fiabilidad como en eficiencia de los recursos utilizados. ABSTRACT Due to the increase of huge data volumes, a new parallel computing paradigm to process big data in an efficient way has arisen. Many of these systems, called dataintensive computing systems, follow the Google MapReduce programming model. The main advantage of these systems is based on the idea of sending the computation where the data resides, trying to provide scalability and efficiency. In failure-free scenarios, these frameworks usually achieve good results. However, these ones are not realistic scenarios. Consequently, these frameworks exhibit some fault tolerance and dependability techniques as built-in features. On the other hand, dependability improvements are known to imply additional resource costs. This is reasonable and providers offering these infrastructures are aware of this. Nevertheless, not all the approaches provide the same tradeoff between fault tolerant capabilities (or more generally, reliability capabilities) and cost. In this thesis, we have addressed the coexistence between reliability and resource efficiency in MapReduce-based systems, looking for methodologies that introduce the minimal cost and guarantee an appropriate level of reliability. In order to achieve this, we have proposed: (i) a formalization of a failure detector abstraction; (ii) an alternative solution to single points of failure of these frameworks, and finally (iii) a novel feedback-based resource allocation system at the container level. Finally, our generic contributions have been instantiated for the Hadoop YARN architecture, which is the state-of-the-art framework in the data-intensive computing systems community nowadays. The thesis demonstrates how all our approaches outperform Hadoop YARN in terms of reliability and resource efficiency.

Contribuciones en sistemas de adquisición de datos inteligentes para entornos de fusión por confinamiento magnético

Los sistemas de adquisición de datos utilizados en los diagnósticos de los dispositivos de fusión termonuclear se enfrentan a importantes retos planteados en los dispositivos de pulso largo. Incluso en los dispositivos de pulso corto, en los que se analizan los datos después de la descarga, existen aún una gran cantidad de datos sin analizar, lo cual supone que queda una gran cantidad de conocimiento por descubrir dentro de las bases de datos existentes. En la última década, la comunidad de fusión ha realizado un gran esfuerzo para mejorar los métodos de análisis off‐line para mejorar este problema, pero no se ha conseguido resolver completamente, debido a que algunos de estos métodos han de resolverse en tiempo real. Este paradigma lleva a establecer que los dispositivos de pulso largo deberán incluir dispositivos de adquisición de datos con capacidades de procesamiento local, capaces de ejecutar avanzados algoritmos de análisis. Los trabajos de investigación realizados en esta tesis tienen como objetivo determinar si es posible incrementar la capacidad local de procesamiento en tiempo real de dichos sistemas mediante el uso de GPUs. Para ello durante el trascurso del periodo de experimentación realizado se han evaluado distintas propuestas a través de casos de uso reales elaborados para algunos de los dispositivos de fusión más representativos como ITER, JET y TCV. Las conclusiones y experiencias obtenidas en dicha fase han permitido proponer un modelo y una metodología de desarrollo para incluir esta tecnología en los sistemas de adquisición para diagnósticos de distinta naturaleza. El modelo define no sólo la arquitectura hardware óptima para realizar dicha integración, sino también la incorporación de este nuevo recurso de procesamiento en los Sistemas de Control de Supervisión y Adquisición de Datos (SCADA) utilizados en la comunidad de fusión (EPICS), proporcionando una solución completa. La propuesta se complementa con la definición de una metodología que resuelve las debilidades detectadas, y permite trazar un camino de integración de la solución en los estándares hardware y software existentes. La evaluación final se ha realizado mediante el desarrollo de un caso de uso representativo de los diagnósticos que necesitan adquisición y procesado de imágenes en el contexto del dispositivo internacional ITER, y ha sido testeada con éxito en sus instalaciones. La solución propuesta en este trabajo ha sido incluida por la ITER IO en su catálogo de soluciones estándar para el desarrollo de sus futuros diagnósticos. Por otra parte, como resultado y fruto de la investigación de esta tesis, cabe destacar el acuerdo llevado a cabo con la empresa National Instruments en términos de transferencia tecnológica, lo que va a permitir la actualización de los sistemas de adquisición utilizados en los dispositivos de fusión. ABSTRACT Data acquisition systems used in the diagnostics of thermonuclear fusion devices face important challenges due to the change in the data acquisition paradigm needed for long pulse operation. Even in shot pulse devices, where data is mainly analyzed after the discharge has finished , there is still a large amount of data that has not been analyzed, therefore producing a lot of buried knowledge that still lies undiscovered in the data bases holding the vast amount of data that has been generated. There has been a strong effort in the fusion community in the last decade to improve the offline analysis methods to overcome this problem, but it has proved to be insufficient unless some of these mechanisms can be run in real time. In long pulse devices this new paradigm, where data acquisition devices include local processing capabilities to be able to run advanced data analysis algorithms, will be a must. The research works done in this thesis aim to determining whether it is possible to increase local capacity for real‐time processing of such systems by using GPUs. For that, during the experimentation period, various proposals have been evaluated through use cases developed for several of the most representative fusion devices, ITER, JET and TCV. Conclusions and experiences obtained have allowed to propose a model, and a development methodology, to include this technology in systems for diagnostics of different nature. The model defines not only the optimal hardware architecture for achieving this integration, but also the incorporation of this new processing resource in one of the Systems of Supervision Control and Data Acquisition (SCADA) systems more relevant at the moment in the fusion community (EPICS), providing a complete solution. The final evaluation has been performed through a use case developed for a generic diagnostic requiring image acquisition and processing for the international ITER device, and has been successfully tested in their premises. The solution proposed in this thesis has been included by the ITER IO in his catalog of standard solutions for the development of their future diagnostics. This has been possible thanks to the technologic transfer agreement signed with xi National Instruments which has permitted us to modify and update one of their core software products targeted for the acquisition systems used in these devices.

Interrogating Capabilities of IoT Devices

This research is supported by the UK Research Councils’ Digital Economy IT as a Utility Network+ (EP/K003569/1) and the dot.rural Digital Economy Hub (EP/G066051/1).

Interrogating Capabilities of IoT Devices

This research is supported by the UK Research Councils’ Digital Economy IT as a Utility Network+ (EP/K003569/1) and the dot.rural Digital Economy Hub (EP/G066051/1).

In search of innovative capabilities of communities of practice : a systematic review and typology for future research

Peer reviewed

The Escherichia coli MG1655 in silico metabolic genotype: Its definition, characteristics, and capabilities

The Escherichia coli MG1655 genome has been completely sequenced. The annotated sequence, biochemical information, and other information were used to reconstruct the E. coli metabolic map. The stoichiometric coefficients for each metabolic enzyme in the E. coli metabolic map were assembled to construct a genome-specific stoichiometric matrix. The E. coli stoichiometric matrix was used to define the system's characteristics and the capabilities of E. coli metabolism. The effects of gene deletions in the central metabolic pathways on the ability of the in silico metabolic network to support growth were assessed, and the in silico predictions were compared with experimental observations. It was shown that based on stoichiometric and capacity constraints the in silico analysis was able to qualitatively predict the growth potential of mutant strains in 86% of the cases examined. Herein, it is demonstrated that the synthesis of in silico metabolic genotypes based on genomic, biochemical, and strain-specific information is possible, and that systems analysis methods are available to analyze and interpret the metabolic phenotype.