Efficient Data Management with Applications to IoT

The Internet of Things (IoT) consists of a worldwide “network of networks,” composed by billions of interconnected heterogeneous devices denoted as things or “Smart Objects” (SOs). Significant research efforts have been dedicated to port the experience gained in the design of the Internet to the IoT, with the goal of maximizing interoperability, using the Internet Protocol (IP) and designing specific protocols like the Constrained Application Protocol (CoAP), which have been widely accepted as drivers for the effective evolution of the IoT. This first wave of standardization can be considered successfully concluded and we can assume that communication with and between SOs is no longer an issue. At this time, to favor the widespread adoption of the IoT, it is crucial to provide mechanisms that facilitate IoT data management and the development of services enabling a real interaction with things. Several reference IoT scenarios have real-time or predictable latency requirements, dealing with billions of device collecting and sending an enormous quantity of data. These features create a new need for architectures specifically designed to handle this scenario, hear denoted as “Big Stream”. In this thesis a new Big Stream Listener-based Graph architecture is proposed. Another important step, is to build more applications around the Web model, bringing about the Web of Things (WoT). As several IoT testbeds have been focused on evaluating lower-layer communication aspects, this thesis proposes a new WoT Testbed aiming at allowing developers to work with a high level of abstraction, without worrying about low-level details. Finally, an innovative SOs-driven User Interface (UI) generation paradigm for mobile applications in heterogeneous IoT networks is proposed, to simplify interactions between users and things.

Advanced receivers for next generation wireless communication systems

Despite extensive progress on the theoretical aspects of spectral efficient communication systems, hardware impairments, such as phase noise, are the key bottlenecks in next generation wireless communication systems. The presence of non-ideal oscillators at the transceiver introduces time varying phase noise and degrades the performance of the communication system. Significant research literature focuses on joint synchronization and decoding based on joint posterior distribution, which incorporate both the channel and code graph. These joint synchronization and decoding approaches operate on well designed sum-product algorithms, which involves calculating probabilistic messages iteratively passed between the channel statistical information and decoding information. Channel statistical information, generally entails a high computational complexity because its probabilistic model may involve continuous random variables. The detailed knowledge about the channel statistics for these algorithms make them an inadequate choice for real world applications due to power and computational limitations. In this thesis, novel phase estimation strategies are proposed, in which soft decision-directed iterative receivers for a separate A Posteriori Probability (APP)-based synchronization and decoding are proposed. These algorithms do not require any a priori statistical characterization of the phase noise process. The proposed approach relies on a Maximum A Posteriori (MAP)-based algorithm to perform phase noise estimation and does not depend on the considered modulation/coding scheme as it only exploits the APPs of the transmitted symbols. Different variants of APP-based phase estimation are considered. The proposed algorithm has significantly lower computational complexity with respect to joint synchronization/decoding approaches at the cost of slight performance degradation. With the aim to improve the robustness of the iterative receiver, we derive a new system model for an oversampled (more than one sample per symbol interval) phase noise channel. We extend the separate APP-based synchronization and decoding algorithm to a multi-sample receiver, which exploits the received information from the channel by exchanging the information in an iterative fashion to achieve robust convergence. Two algorithms based on sliding block-wise processing with soft ISI cancellation and detection are proposed, based on the use of reliable information from the channel decoder. Dually polarized systems provide a cost-and spatial-effective solution to increase spectral efficiency and are competitive candidates for next generation wireless communication systems. A novel soft decision-directed iterative receiver, for separate APP-based synchronization and decoding, is proposed. This algorithm relies on an Minimum Mean Square Error (MMSE)-based cancellation of the cross polarization interference (XPI) followed by phase estimation on the polarization of interest. This iterative receiver structure is motivated from Master/Slave Phase Estimation (M/S-PE), where M-PE corresponds to the polarization of interest. The operational principle of a M/S-PE block is to improve the phase tracking performance of both polarization branches: more precisely, the M-PE block tracks the co-polar phase and the S-PE block reduces the residual phase error on the cross-polar branch. Two variants of MMSE-based phase estimation are considered; BW and PLP.

Implications of query caching for JXTA peers

This dissertation studies the caching of queries and how to cache in an efficient way, so that retrieving previously accessed data does not need any intermediary nodes between the data-source peer and the querying peer in super-peer P2P network. A precise algorithm was devised that demonstrated how queries can be deconstructed to provide greater flexibility for reusing their constituent elements. It showed how subsequent queries can make use of more than one previous query and any part of those queries to reconstruct direct data communication with one or more source peers that have supplied data previously. In effect, a new query can search and exploit the entire cached list of queries to construct the list of the data locations it requires that might match any locations previously accessed. The new method increases the likelihood of repeat queries being able to reuse earlier queries and provides a viable way of by-passing shared data indexes in structured networks. It could also increase the efficiency of unstructured networks by reducing traffic and the propensity for network flooding. In addition, performance evaluation for predicting query routing performance by using a UML sequence diagram is introduced. This new method of performance evaluation provides designers with information about when it is most beneficial to use caching and how the peer connections can optimize its exploitation.

Characterizing Internet worm spatial-temporal infection structures

Since the Morris worm was released in 1988, Internet worms continue to be one of top security threats. For example, the Conficker worm infected 9 to 15 million machines in early 2009 and shut down the service of some critical government and medical networks. Moreover, it constructed a massive peer-to-peer (P2P) botnet. Botnets are zombie networks controlled by attackers setting out coordinated attacks. In recent years, botnets have become the number one threat to the Internet. The objective of this research is to characterize spatial-temporal infection structures of Internet worms, and apply the observations to study P2P-based botnets formed by worm infection. First, we infer temporal characteristics of the Internet worm infection structure, i.e., the host infection time and the worm infection sequence, and thus pinpoint patient zero or initially infected hosts. Specifically, we apply statistical estimation techniques on Darknet observations. We show analytically and empirically that our proposed estimators can significantly improve the inference accuracy. Second, we reveal two key spatial characteristics of the Internet worm infection structure, i.e., the number of children and the generation of the underlying tree topology formed by worm infection. Specifically, we apply probabilistic modeling methods and a sequential growth model. We show analytically and empirically that the number of children has asymptotically a geometric distribution with parameter 0.5, and the generation follows closely a Poisson distribution. Finally, we evaluate bot detection strategies and effects of user defenses in P2P-based botnets formed by worm infection. Specifically, we apply the observations of the number of children and demonstrate analytically and empirically that targeted detection that focuses on the nodes with the largest number of children is an efficient way to expose bots. However, we also point out that future botnets may self-stop scanning to weaken targeted detection, without greatly slowing down the speed of worm infection. We then extend the worm spatial infection structure and show empirically that user defenses, e.g. , patching or cleaning, can significantly mitigate the robustness and the effectiveness of P2P-based botnets. To counterattack, we evaluate a simple measure by future botnets that enhances topology robustness through worm re-infection.

Enhanced skip -list search algorithm in 3-layer mediator framework

The Three-Layer distributed mediation architecture, designed by Secure System Architecture laboratory, employed a layered framework of presence, integration, and homogenization mediators. The architecture does not have any central component that may affect the system reliability. A distributed search technique was adapted in the system to increase its reliability. An Enhanced Chord-like algorithm (E-Chord) was designed and deployed in the integration layer. The E-Chord is a skip-list algorithm based on Distributed Hash Table (DHT) which is a distributed but structured architecture. DHT is distributed in the sense that no central unit is required to maintain indexes, and it is structured in the sense that indexes are distributed over the nodes in a systematic manner. Each node maintains three kind of routing information: a frequency list, a successor/predecessor list, and a finger table. None of the nodes in the system maintains all indexes, and each node knows about some other nodes in the system. These nodes, also called composer mediators, were connected in a P2P fashion. ^ A special composer mediator called a global mediator initiates the keyword-based matching decomposition of the request using the E-Chord. It generates an Integrated Data Structure Graph (IDSG) on the fly, creates association and dependency relations between nodes in the IDSG, and then generates a Global IDSG (GIDSG). The GIDSG graph is a plan which guides the global mediator how to integrate data. It is also used to stream data from the mediators in the homogenization layer which connected to the data sources. The connectors start sending the data to the global mediator just after the global mediator creates the GIDSG and just before the global mediator sends the answer to the presence mediator. Using the E-Chord and GIDSG made the mediation system more scalable than using a central global schema repository since all the composers in the integration layer are capable of handling and routing requests. Also, when a composer fails, it would only minimally affect the entire mediation system. ^

Network approaches for the analysis of resting state fMRI data

Negli ultimi anni la teoria dei network è stata applicata agli ambiti più diversi, mostrando proprietà caratterizzanti tutti i network reali. In questo lavoro abbiamo applicato gli strumenti della teoria dei network a dati cerebrali ottenuti tramite MRI funzionale “resting”, provenienti da due esperimenti. I dati di fMRI sono particolarmente adatti ad essere studiati tramite reti complesse, poiché in un esperimento si ottengono tipicamente più di centomila serie temporali per ogni individuo, da più di 100 valori ciascuna. I dati cerebrali negli umani sono molto variabili e ogni operazione di acquisizione dati, così come ogni passo della costruzione del network, richiede particolare attenzione. Per ottenere un network dai dati grezzi, ogni passo nel preprocessamento è stato effettuato tramite software appositi, e anche con nuovi metodi da noi implementati. Il primo set di dati analizzati è stato usato come riferimento per la caratterizzazione delle proprietà del network, in particolare delle misure di centralità, dal momento che pochi studi a riguardo sono stati condotti finora. Alcune delle misure usate indicano valori di centralità significativi, quando confrontati con un modello nullo. Questo comportamento `e stato investigato anche a istanti di tempo diversi, usando un approccio sliding window, applicando un test statistico basato su un modello nullo pi`u complesso. Il secondo set di dati analizzato riguarda individui in quattro diversi stati di riposo, da un livello di completa coscienza a uno di profonda incoscienza. E' stato quindi investigato il potere che queste misure di centralità hanno nel discriminare tra diversi stati, risultando essere dei potenziali bio-marcatori di stati di coscienza. E’ stato riscontrato inoltre che non tutte le misure hanno lo stesso potere discriminante. Secondo i lavori a noi noti, questo `e il primo studio che caratterizza differenze tra stati di coscienza nel cervello di individui sani per mezzo della teoria dei network.

Progettazione e sviluppo di un' applicazione mobile basata su Wi-Fi Direct per la comunicazione tra veicoli e pedoni

Questo documento di tesi si incentra principalmente sullo studio delle reti wireless mobili e dei relativi scenari di utilizzo. In particolare, come esse vengono applicate per il riconoscimento e la prevenzione di incidenti stradali. Vista l’importanza di questo problema a livello di sicurezza stradale, ho deciso di sviluppare un' applicazione per smartphone Android, in grado di riconoscere le attività di uso quotidiano dell’utente e associarle a dei comportamenti, come ad esempio quello di un ciclista, di un pedone o di un automobilista. Nel caso in cui, in uno scenario stradale i dispositivi si trovassero ad una distanza ravvicinata, possono comunicare tramite una connessione Wi-Fi Direct il loro ruolo e lanciare messaggi di pericolo per avvisare la loro presenza, in modo da prevenire collisioni stradali. La realtà in cui si vuole collocare questa applicazione è quella che viene chiamata Pedestrian Detection, già idea di General Motors, che la sta sviluppando sui futuri veicoli che metterà in produzione nei prossimi anni e che sicuramente integreranno funzionalità aggiuntive per la segnalazione di pericoli tramite smartphone e Wi-Fi Direct.

Architettura cloud per lo sviluppo multi-piattaforma di Sistemi Operativi: Principi generali

Vengono analizzate le strategie di rilascio delle principali Distribuzioni Linux e i metodi per la compilazione automatizzata del software. Si propone quindi una nuova metodologia sia per il rilascio di media installabili e sia per la pacchettizzazione. Sfruttando le tecnologie del campo DevOps, si introduce quindi un alto grado di scalabilità anche in ambienti Cloud, grazie anche alla riproducibilità di ogni componente dell'infrastruttura proposta. Vedremo quindi come questo approccio aumenta l'automatizzazione nei cicli produttivi per la realizzazione della Distribuzione Sabayon Linux e per la definizione di un'infrastruttura automatizzata attualmente in production.

Architettura cloud per lo sviluppo multi-piattaforma di Sistemi Operativi: Applicazioni specifiche

Il mondo dell’Internet of Things e del single board computing sono settori in forte espansione al giorno d’oggi e le architetture ARM sono, al momento, i dominatori in questo ambito. I sistemi operativi e i software si stanno evolvendo per far fronte a questo cambiamento e ai nuovi casi d’uso che queste tecnologie introducono. In questa tesi ci occuperemo del porting della distribuzione Linux Sabayon per queste architetture, la creazione di un infrastruttura per il rilascio delle immagini e la compilazione dei pacchetti software.

Leap Aided Modelling (LAM) in Blender

L'evoluzione tecnologica e l'utilizzo crescente della computer grafica in diversi settori stanno suscitando l'interesse di sempre più persone verso il mondo della modellazione 3D. I software di modellazione, tuttavia, si presentano spesso inadeguati all'utilizzo da parte di utenti senza esperienza, soprattutto a causa dei comandi di navigazione e modellazione poco intuitivi. Dal punto di vista dell'interazione uomo-computer, questi software devono infatti affrontare un grande ostacolo: il rapporto tra dispositivi di input 2D (come il mouse) e la manipolazione di una scena 3D. Il progetto presentato in questa tesi è un addon per Blender che consente di utilizzare il dispositivo Leap Motion come ausilio alla modellazione di superfici in computer grafica. L'obiettivo di questa tesi è stato quello di progettare e realizzare un'interfaccia user-friendly tra Leap e Blender, in modo da potere utilizzare i sensori del primo per facilitare ed estendere i comandi di navigazione e modellazione del secondo. L'addon realizzato per Blender implementa il concetto di LAM (Leap Aided Modelling: modellazione assistita da Leap), consentendo quindi di estendere le feature di Blender riguardanti la selezione, lo spostamento e la modifica degli oggetti in scena, la manipolazione della vista utente e la modellazione di curve e superfici Non Uniform Rational B-Splines (NURBS). Queste estensioni sono state create per rendere più veloci e semplici le operazioni altrimenti guidate esclusivamente da mouse e tastiera.

Riconoscimento real-time di gesture tramite tecniche di machine learning

Il riconoscimento delle gesture è un tema di ricerca che sta acquisendo sempre più popolarità, specialmente negli ultimi anni, grazie ai progressi tecnologici dei dispositivi embedded e dei sensori. Lo scopo di questa tesi è quello di utilizzare alcune tecniche di machine learning per realizzare un sistema in grado di riconoscere e classificare in tempo reale i gesti delle mani, a partire dai segnali mioelettrici (EMG) prodotti dai muscoli. Inoltre, per consentire il riconoscimento di movimenti spaziali complessi, verranno elaborati anche segnali di tipo inerziale, provenienti da una Inertial Measurement Unit (IMU) provvista di accelerometro, giroscopio e magnetometro. La prima parte della tesi, oltre ad offrire una panoramica sui dispositivi wearable e sui sensori, si occuperà di analizzare alcune tecniche per la classificazione di sequenze temporali, evidenziandone vantaggi e svantaggi. In particolare, verranno considerati approcci basati su Dynamic Time Warping (DTW), Hidden Markov Models (HMM), e reti neurali ricorrenti (RNN) di tipo Long Short-Term Memory (LSTM), che rappresentano una delle ultime evoluzioni nel campo del deep learning. La seconda parte, invece, riguarderà il progetto vero e proprio. Verrà impiegato il dispositivo wearable Myo di Thalmic Labs come caso di studio, e saranno applicate nel dettaglio le tecniche basate su DTW e HMM per progettare e realizzare un framework in grado di eseguire il riconoscimento real-time di gesture. Il capitolo finale mostrerà i risultati ottenuti (fornendo anche un confronto tra le tecniche analizzate), sia per la classificazione di gesture isolate che per il riconoscimento in tempo reale.

Sviluppo di una interfaccia per l'integrazione della piattaforma inerziale X-Nucleo con una rete di sensori wireless

Questo elaborato presenta il progetto di una interfaccia per l'aggiunta di sensori inerziali ad un nodo di una WSN (Wireless Sensor Network) �finalizzato al monitoraggio delle frane. Analizzando i vantaggi che avrebbe portato l'utilizzo di ulteriori sensori, si �e cercato di fornire un valido approccio di progettazione; in particolare l'idea �e quella di integrarli con un giroscopio ed un accelerometro aventi applicazioni in altri settori. Con questo particolare utilizzo, essi possono portare ad un miglior monitoraggio riuscendo a rilevare i movimenti in modo dettagliato ed a riconoscere i falsi allarmi. Nell'approccio che si intende suggerire verranno sfruttate schede per la prototipazione rapida, user-friendly e con costi decisamente accessibili, adatte alla sperimentazione elettronica e per lo sviluppo di nuovi dispositivi. Attraverso l'utilizzo di ambienti di sviluppo appositamente creati, si sono simulate le comunicazioni tra nodo e scheda di sensori, mettendo in evidenza i vantaggi ottenuti. Buona parte del progetto ha riguardato la programmazione in linguaggio C/C++, con una particolare attenzione al risparmio energetico.

Sperimentazione di protocolli di routing su topologie di rete ibride

In questa tesi si è voluto interfacciare dispositivi di nuova generazione (Raspberry Pi), presenti in una topologia di rete già implementata, con dispositivi di vecchia generazione, come Router Cisco e Switch HP. Questi ultimi sono dispositivi fisici, mentre i Raspberry, tramite tool mininet e altre impostazioni, possono generare dispositivi virtuali. Si è quindi applicato un interfacciamento tra le due tipologie di apparati, creando una rete nuova, e adatta come caso a ricoprire le reti attuali, siccome questo è un esempio di come con poche modifiche si può intervenire su qualsiasi rete già operativa. Si sono quindi osservati i criteri generali su cui operano sia i router, che gli switch, e si sono osservati come questi interagiscono con un flusso di dati attraverso vari protocolli, alcuni rifacenti al modello ISO/OSI, altri all'OSPF.

Progetto e sviluppo di un middleware per l’interfacciamento di sensori per la domotica in ambiente Java

La diffusione di soluzioni domotiche dipende da tecnologie abilitanti che supportino la comunicazione tra i numerosi agenti delle reti. L’obiettivo della tesi è progettare e realizzare un middleware per sensori distribuiti Java-based chiamato SensorNetwork, che permetta ad un agente domotico di effettuare sensing sull’ambiente. Le funzionalità principali del sistema sono uniformità di accesso a sensori eterogenei distribuiti, alto livello di automazione (autoconfigurazione e autodiscovery dei nodi), configurazione a deployment time, modularità, semplicità di utilizzo ed estensione con nuovi sensori. Il sistema realizzato è basato su un’architettura a componente-container che permette l’utilizzo di sensori all’interno di stazioni di sensori e che supporti l’accesso remoto per mezzo di un servizio di naming definito ad-hoc.

Opportunistic Contact Graph Routing

L'ambiente di questa tesi è quello del Delay and Disruption Tolerant Networks (DTN), un'architettura di rete di telecomunicazioni avente come obiettivo le comunicazioni tra nodi di reti dette “challenged”, le quali devono affrontare problemi come tempi di propagazione elevati, alto tasso di errore e periodi di perdita delle connessioni. Il Bunde layer, un nuovo livello inserito tra trasporto e applicazione nell’architettura ISO/OSI, ed il protocollo ad esso associato, il Bundle Protocol (BP), sono stati progettati per rendere possibili le comunicazioni in queste reti. A volte fra la ricezione e l’invio può trascorrere un lungo periodo di tempo, a causa della indisponibilità del collegamento successivo; in questo periodo il bundle resta memorizzato in un database locale. Esistono varie implementazioni dell'architettura DTN come DTN2, implementazione di riferimento, e ION (Interplanetary Overlay Network), sviluppata da NASA JPL, per utilizzo in applicazioni spaziali; in esse i contatti tra i nodi sono deterministici, a differenza delle reti terrestri nelle quali i contatti sono generalmente opportunistici (non noti a priori). Per questo motivo all’interno di ION è presente un algoritmo di routing, detto CGR (Contact Graph Routing), progettato per operare in ambienti con connettività deterministica. È in fase di ricerca un algoritmo che opera in ambienti non deterministici, OCGR (Opportunistic Contact Graph Routing), che estende CGR. L’obiettivo di questa tesi è quello di fornire una descrizione dettagliata del funzionamento di OCGR, partendo necessariamente da CGR sul quale è basato, eseguire dei test preliminari, richiesti da NASA JPL, ed analizzarne i risultati per verificare la possibilità di utilizzo e miglioramento dell’algoritmo. Sarà inoltre descritto l’ambiente DTN e i principali algoritmi di routing per ambienti opportunistici. Nella parte conclusiva sarà presentato il simulatore DTN “The ONE” e l’integrazione di CGR e OCGR al suo interno.