Run-Time Scalable Hardware for Reconfigurable Systems

La optimización de parámetros tales como el consumo de potencia, la cantidad de recursos lógicos empleados o la ocupación de memoria ha sido siempre una de las preocupaciones principales a la hora de diseñar sistemas embebidos. Esto es debido a que se trata de sistemas dotados de una cantidad de recursos limitados, y que han sido tradicionalmente empleados para un propósito específico, que permanece invariable a lo largo de toda la vida útil del sistema. Sin embargo, el uso de sistemas embebidos se ha extendido a áreas de aplicación fuera de su ámbito tradicional, caracterizadas por una mayor demanda computacional. Así, por ejemplo, algunos de estos sistemas deben llevar a cabo un intenso procesado de señales multimedia o la transmisión de datos mediante sistemas de comunicaciones de alta capacidad. Por otra parte, las condiciones de operación del sistema pueden variar en tiempo real. Esto sucede, por ejemplo, si su funcionamiento depende de datos medidos por el propio sistema o recibidos a través de la red, de las demandas del usuario en cada momento, o de condiciones internas del propio dispositivo, tales como la duración de la batería. Como consecuencia de la existencia de requisitos de operación dinámicos es necesario ir hacia una gestión dinámica de los recursos del sistema. Si bien el software es inherentemente flexible, no ofrece una potencia computacional tan alta como el hardware. Por lo tanto, el hardware reconfigurable aparece como una solución adecuada para tratar con mayor flexibilidad los requisitos variables dinámicamente en sistemas con alta demanda computacional. La flexibilidad y adaptabilidad del hardware requieren de dispositivos reconfigurables que permitan la modificación de su funcionalidad bajo demanda. En esta tesis se han seleccionado las FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) como los dispositivos más apropiados, hoy en día, para implementar sistemas basados en hardware reconfigurable De entre todas las posibilidades existentes para explotar la capacidad de reconfiguración de las FPGAs comerciales, se ha seleccionado la reconfiguración dinámica y parcial. Esta técnica consiste en substituir una parte de la lógica del dispositivo, mientras el resto continúa en funcionamiento. La capacidad de reconfiguración dinámica y parcial de las FPGAs es empleada en esta tesis para tratar con los requisitos de flexibilidad y de capacidad computacional que demandan los dispositivos embebidos. La propuesta principal de esta tesis doctoral es el uso de arquitecturas de procesamiento escalables espacialmente, que son capaces de adaptar su funcionalidad y rendimiento en tiempo real, estableciendo un compromiso entre dichos parámetros y la cantidad de lógica que ocupan en el dispositivo. A esto nos referimos con arquitecturas con huellas escalables. En particular, se propone el uso de arquitecturas altamente paralelas, modulares, regulares y con una alta localidad en sus comunicaciones, para este propósito. El tamaño de dichas arquitecturas puede ser modificado mediante la adición o eliminación de algunos de los módulos que las componen, tanto en una dimensión como en dos. Esta estrategia permite implementar soluciones escalables, sin tener que contar con una versión de las mismas para cada uno de los tamaños posibles de la arquitectura. De esta manera se reduce significativamente el tiempo necesario para modificar su tamaño, así como la cantidad de memoria necesaria para almacenar todos los archivos de configuración. En lugar de proponer arquitecturas para aplicaciones específicas, se ha optado por patrones de procesamiento genéricos, que pueden ser ajustados para solucionar distintos problemas en el estado del arte. A este respecto, se proponen patrones basados en esquemas sistólicos, así como de tipo wavefront. Con el objeto de poder ofrecer una solución integral, se han tratado otros aspectos relacionados con el diseño y el funcionamiento de las arquitecturas, tales como el control del proceso de reconfiguración de la FPGA, la integración de las arquitecturas en el resto del sistema, así como las técnicas necesarias para su implementación. Por lo que respecta a la implementación, se han tratado distintos aspectos de bajo nivel dependientes del dispositivo. Algunas de las propuestas realizadas a este respecto en la presente tesis doctoral son un router que es capaz de garantizar el correcto rutado de los módulos reconfigurables dentro del área destinada para ellos, así como una estrategia para la comunicación entre módulos que no introduce ningún retardo ni necesita emplear recursos configurables del dispositivo. El flujo de diseño propuesto se ha automatizado mediante una herramienta denominada DREAMS. La herramienta se encarga de la modificación de las netlists correspondientes a cada uno de los módulos reconfigurables del sistema, y que han sido generadas previamente mediante herramientas comerciales. Por lo tanto, el flujo propuesto se entiende como una etapa de post-procesamiento, que adapta esas netlists a los requisitos de la reconfiguración dinámica y parcial. Dicha modificación la lleva a cabo la herramienta de una forma completamente automática, por lo que la productividad del proceso de diseño aumenta de forma evidente. Para facilitar dicho proceso, se ha dotado a la herramienta de una interfaz gráfica. El flujo de diseño propuesto, y la herramienta que lo soporta, tienen características específicas para abordar el diseño de las arquitecturas dinámicamente escalables propuestas en esta tesis. Entre ellas está el soporte para el realojamiento de módulos reconfigurables en posiciones del dispositivo distintas a donde el módulo es originalmente implementado, así como la generación de estructuras de comunicación compatibles con la simetría de la arquitectura. El router has sido empleado también en esta tesis para obtener un rutado simétrico entre nets equivalentes. Dicha posibilidad ha sido explotada para aumentar la protección de circuitos con altos requisitos de seguridad, frente a ataques de canal lateral, mediante la implantación de lógica complementaria con rutado idéntico. Para controlar el proceso de reconfiguración de la FPGA, se propone en esta tesis un motor de reconfiguración especialmente adaptado a los requisitos de las arquitecturas dinámicamente escalables. Además de controlar el puerto de reconfiguración, el motor de reconfiguración ha sido dotado de la capacidad de realojar módulos reconfigurables en posiciones arbitrarias del dispositivo, en tiempo real. De esta forma, basta con generar un único bitstream por cada módulo reconfigurable del sistema, independientemente de la posición donde va a ser finalmente reconfigurado. La estrategia seguida para implementar el proceso de realojamiento de módulos es diferente de las propuestas existentes en el estado del arte, pues consiste en la composición de los archivos de configuración en tiempo real. De esta forma se consigue aumentar la velocidad del proceso, mientras que se reduce la longitud de los archivos de configuración parciales a almacenar en el sistema. El motor de reconfiguración soporta módulos reconfigurables con una altura menor que la altura de una región de reloj del dispositivo. Internamente, el motor se encarga de la combinación de los frames que describen el nuevo módulo, con la configuración existente en el dispositivo previamente. El escalado de las arquitecturas de procesamiento propuestas en esta tesis también se puede beneficiar de este mecanismo. Se ha incorporado también un acceso directo a una memoria externa donde se pueden almacenar bitstreams parciales. Para acelerar el proceso de reconfiguración se ha hecho funcionar el ICAP por encima de la máxima frecuencia de reloj aconsejada por el fabricante. Así, en el caso de Virtex-5, aunque la máxima frecuencia del reloj deberían ser 100 MHz, se ha conseguido hacer funcionar el puerto de reconfiguración a frecuencias de operación de hasta 250 MHz, incluyendo el proceso de realojamiento en tiempo real. Se ha previsto la posibilidad de portar el motor de reconfiguración a futuras familias de FPGAs. Por otro lado, el motor de reconfiguración se puede emplear para inyectar fallos en el propio dispositivo hardware, y así ser capaces de evaluar la tolerancia ante los mismos que ofrecen las arquitecturas reconfigurables. Los fallos son emulados mediante la generación de archivos de configuración a los que intencionadamente se les ha introducido un error, de forma que se modifica su funcionalidad. Con el objetivo de comprobar la validez y los beneficios de las arquitecturas propuestas en esta tesis, se han seguido dos líneas principales de aplicación. En primer lugar, se propone su uso como parte de una plataforma adaptativa basada en hardware evolutivo, con capacidad de escalabilidad, adaptabilidad y recuperación ante fallos. En segundo lugar, se ha desarrollado un deblocking filter escalable, adaptado a la codificación de vídeo escalable, como ejemplo de aplicación de las arquitecturas de tipo wavefront propuestas. El hardware evolutivo consiste en el uso de algoritmos evolutivos para diseñar hardware de forma autónoma, explotando la flexibilidad que ofrecen los dispositivos reconfigurables. En este caso, los elementos de procesamiento que componen la arquitectura son seleccionados de una biblioteca de elementos presintetizados, de acuerdo con las decisiones tomadas por el algoritmo evolutivo, en lugar de definir la configuración de las mismas en tiempo de diseño. De esta manera, la configuración del core puede cambiar cuando lo hacen las condiciones del entorno, en tiempo real, por lo que se consigue un control autónomo del proceso de reconfiguración dinámico. Así, el sistema es capaz de optimizar, de forma autónoma, su propia configuración. El hardware evolutivo tiene una capacidad inherente de auto-reparación. Se ha probado que las arquitecturas evolutivas propuestas en esta tesis son tolerantes ante fallos, tanto transitorios, como permanentes y acumulativos. La plataforma evolutiva se ha empleado para implementar filtros de eliminación de ruido. La escalabilidad también ha sido aprovechada en esta aplicación. Las arquitecturas evolutivas escalables permiten la adaptación autónoma de los cores de procesamiento ante fluctuaciones en la cantidad de recursos disponibles en el sistema. Por lo tanto, constituyen un ejemplo de escalabilidad dinámica para conseguir un determinado nivel de calidad, que puede variar en tiempo real. Se han propuesto dos variantes de sistemas escalables evolutivos. El primero consiste en un único core de procesamiento evolutivo, mientras que el segundo está formado por un número variable de arrays de procesamiento. La codificación de vídeo escalable, a diferencia de los codecs no escalables, permite la decodificación de secuencias de vídeo con diferentes niveles de calidad, de resolución temporal o de resolución espacial, descartando la información no deseada. Existen distintos algoritmos que soportan esta característica. En particular, se va a emplear el estándar Scalable Video Coding (SVC), que ha sido propuesto como una extensión de H.264/AVC, ya que este último es ampliamente utilizado tanto en la industria, como a nivel de investigación. Para poder explotar toda la flexibilidad que ofrece el estándar, hay que permitir la adaptación de las características del decodificador en tiempo real. El uso de las arquitecturas dinámicamente escalables es propuesto en esta tesis con este objetivo. El deblocking filter es un algoritmo que tiene como objetivo la mejora de la percepción visual de la imagen reconstruida, mediante el suavizado de los "artefactos" de bloque generados en el lazo del codificador. Se trata de una de las tareas más intensivas en procesamiento de datos de H.264/AVC y de SVC, y además, su carga computacional es altamente dependiente del nivel de escalabilidad seleccionado en el decodificador. Por lo tanto, el deblocking filter ha sido seleccionado como prueba de concepto de la aplicación de las arquitecturas dinámicamente escalables para la compresión de video. La arquitectura propuesta permite añadir o eliminar unidades de computación, siguiendo un esquema de tipo wavefront. La arquitectura ha sido propuesta conjuntamente con un esquema de procesamiento en paralelo del deblocking filter a nivel de macrobloque, de tal forma que cuando se varía del tamaño de la arquitectura, el orden de filtrado de los macrobloques varia de la misma manera. El patrón propuesto se basa en la división del procesamiento de cada macrobloque en dos etapas independientes, que se corresponden con el filtrado horizontal y vertical de los bloques dentro del macrobloque. Las principales contribuciones originales de esta tesis son las siguientes: - El uso de arquitecturas altamente regulares, modulares, paralelas y con una intensa localidad en sus comunicaciones, para implementar cores de procesamiento dinámicamente reconfigurables. - El uso de arquitecturas bidimensionales, en forma de malla, para construir arquitecturas dinámicamente escalables, con una huella escalable. De esta forma, las arquitecturas permiten establecer un compromiso entre el área que ocupan en el dispositivo, y las prestaciones que ofrecen en cada momento. Se proponen plantillas de procesamiento genéricas, de tipo sistólico o wavefront, que pueden ser adaptadas a distintos problemas de procesamiento. - Un flujo de diseño y una herramienta que lo soporta, para el diseño de sistemas reconfigurables dinámicamente, centradas en el diseño de las arquitecturas altamente paralelas, modulares y regulares propuestas en esta tesis. - Un esquema de comunicaciones entre módulos reconfigurables que no introduce ningún retardo ni requiere el uso de recursos lógicos propios. - Un router flexible, capaz de resolver los conflictos de rutado asociados con el diseño de sistemas reconfigurables dinámicamente. - Un algoritmo de optimización para sistemas formados por múltiples cores escalables que optimice, mediante un algoritmo genético, los parámetros de dicho sistema. Se basa en un modelo conocido como el problema de la mochila. - Un motor de reconfiguración adaptado a los requisitos de las arquitecturas altamente regulares y modulares. Combina una alta velocidad de reconfiguración, con la capacidad de realojar módulos en tiempo real, incluyendo el soporte para la reconfiguración de regiones que ocupan menos que una región de reloj, así como la réplica de un módulo reconfigurable en múltiples posiciones del dispositivo. - Un mecanismo de inyección de fallos que, empleando el motor de reconfiguración del sistema, permite evaluar los efectos de fallos permanentes y transitorios en arquitecturas reconfigurables. - La demostración de las posibilidades de las arquitecturas propuestas en esta tesis para la implementación de sistemas de hardware evolutivos, con una alta capacidad de procesamiento de datos. - La implementación de sistemas de hardware evolutivo escalables, que son capaces de tratar con la fluctuación de la cantidad de recursos disponibles en el sistema, de una forma autónoma. - Una estrategia de procesamiento en paralelo para el deblocking filter compatible con los estándares H.264/AVC y SVC que reduce el número de ciclos de macrobloque necesarios para procesar un frame de video. - Una arquitectura dinámicamente escalable que permite la implementación de un nuevo deblocking filter, totalmente compatible con los estándares H.264/AVC y SVC, que explota el paralelismo a nivel de macrobloque. El presente documento se organiza en siete capítulos. En el primero se ofrece una introducción al marco tecnológico de esta tesis, especialmente centrado en la reconfiguración dinámica y parcial de FPGAs. También se motiva la necesidad de las arquitecturas dinámicamente escalables propuestas en esta tesis. En el capítulo 2 se describen las arquitecturas dinámicamente escalables. Dicha descripción incluye la mayor parte de las aportaciones a nivel arquitectural realizadas en esta tesis. Por su parte, el flujo de diseño adaptado a dichas arquitecturas se propone en el capítulo 3. El motor de reconfiguración se propone en el 4, mientras que el uso de dichas arquitecturas para implementar sistemas de hardware evolutivo se aborda en el 5. El deblocking filter escalable se describe en el 6, mientras que las conclusiones finales de esta tesis, así como la descripción del trabajo futuro, son abordadas en el capítulo 7. ABSTRACT The optimization of system parameters, such as power dissipation, the amount of hardware resources and the memory footprint, has been always a main concern when dealing with the design of resource-constrained embedded systems. This situation is even more demanding nowadays. Embedded systems cannot anymore be considered only as specific-purpose computers, designed for a particular functionality that remains unchanged during their lifetime. Differently, embedded systems are now required to deal with more demanding and complex functions, such as multimedia data processing and high-throughput connectivity. In addition, system operation may depend on external data, the user requirements or internal variables of the system, such as the battery life-time. All these conditions may vary at run-time, leading to adaptive scenarios. As a consequence of both the growing computational complexity and the existence of dynamic requirements, dynamic resource management techniques for embedded systems are needed. Software is inherently flexible, but it cannot meet the computing power offered by hardware solutions. Therefore, reconfigurable hardware emerges as a suitable technology to deal with the run-time variable requirements of complex embedded systems. Adaptive hardware requires the use of reconfigurable devices, where its functionality can be modified on demand. In this thesis, Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) have been selected as the most appropriate commercial technology existing nowadays to implement adaptive hardware systems. There are different ways of exploiting reconfigurability in reconfigurable devices. Among them is dynamic and partial reconfiguration. This is a technique which consists in substituting part of the FPGA logic on demand, while the rest of the device continues working. The strategy followed in this thesis is to exploit the dynamic and partial reconfiguration of commercial FPGAs to deal with the flexibility and complexity demands of state-of-the-art embedded systems. The proposal of this thesis to deal with run-time variable system conditions is the use of spatially scalable processing hardware IP cores, which are able to adapt their functionality or performance at run-time, trading them off with the amount of logic resources they occupy in the device. This is referred to as a scalable footprint in the context of this thesis. The distinguishing characteristic of the proposed cores is that they rely on highly parallel, modular and regular architectures, arranged in one or two dimensions. These architectures can be scaled by means of the addition or removal of the composing blocks. This strategy avoids implementing a full version of the core for each possible size, with the corresponding benefits in terms of scaling and adaptation time, as well as bitstream storage memory requirements. Instead of providing specific-purpose architectures, generic architectural templates, which can be tuned to solve different problems, are proposed in this thesis. Architectures following both systolic and wavefront templates have been selected. Together with the proposed scalable architectural templates, other issues needed to ensure the proper design and operation of the scalable cores, such as the device reconfiguration control, the run-time management of the architecture and the implementation techniques have been also addressed in this thesis. With regard to the implementation of dynamically reconfigurable architectures, device dependent low-level details are addressed. Some of the aspects covered in this thesis are the area constrained routing for reconfigurable modules, or an inter-module communication strategy which does not introduce either extra delay or logic overhead. The system implementation, from the hardware description to the device configuration bitstream, has been fully automated by modifying the netlists corresponding to each of the system modules, which are previously generated using the vendor tools. This modification is therefore envisaged as a post-processing step. Based on these implementation proposals, a design tool called DREAMS (Dynamically Reconfigurable Embedded and Modular Systems) has been created, including a graphic user interface. The tool has specific features to cope with modular and regular architectures, including the support for module relocation and the inter-module communications scheme based on the symmetry of the architecture. The core of the tool is a custom router, which has been also exploited in this thesis to obtain symmetric routed nets, with the aim of enhancing the protection of critical reconfigurable circuits against side channel attacks. This is achieved by duplicating the logic with an exactly equal routing. In order to control the reconfiguration process of the FPGA, a Reconfiguration Engine suited to the specific requirements set by the proposed architectures was also proposed. Therefore, in addition to controlling the reconfiguration port, the Reconfiguration Engine has been enhanced with the online relocation ability, which allows employing a unique configuration bitstream for all the positions where the module may be placed in the device. Differently to the existing relocating solutions, which are based on bitstream parsers, the proposed approach is based on the online composition of bitstreams. This strategy allows increasing the speed of the process, while the length of partial bitstreams is also reduced. The height of the reconfigurable modules can be lower than the height of a clock region. The Reconfiguration Engine manages the merging process of the new and the existing configuration frames within each clock region. The process of scaling up and down the hardware cores also benefits from this technique. A direct link to an external memory where partial bitstreams can be stored has been also implemented. In order to accelerate the reconfiguration process, the ICAP has been overclocked over the speed reported by the manufacturer. In the case of Virtex-5, even though the maximum frequency of the ICAP is reported to be 100 MHz, valid operations at 250 MHz have been achieved, including the online relocation process. Portability of the reconfiguration solution to today's and probably, future FPGAs, has been also considered. The reconfiguration engine can be also used to inject faults in real hardware devices, and this way being able to evaluate the fault tolerance offered by the reconfigurable architectures. Faults are emulated by introducing partial bitstreams intentionally modified to provide erroneous functionality. To prove the validity and the benefits offered by the proposed architectures, two demonstration application lines have been envisaged. First, scalable architectures have been employed to develop an evolvable hardware platform with adaptability, fault tolerance and scalability properties. Second, they have been used to implement a scalable deblocking filter suited to scalable video coding. Evolvable Hardware is the use of evolutionary algorithms to design hardware in an autonomous way, exploiting the flexibility offered by reconfigurable devices. In this case, processing elements composing the architecture are selected from a presynthesized library of processing elements, according to the decisions taken by the algorithm, instead of being decided at design time. This way, the configuration of the array may change as run-time environmental conditions do, achieving autonomous control of the dynamic reconfiguration process. Thus, the self-optimization property is added to the native self-configurability of the dynamically scalable architectures. In addition, evolvable hardware adaptability inherently offers self-healing features. The proposal has proved to be self-tolerant, since it is able to self-recover from both transient and cumulative permanent faults. The proposed evolvable architecture has been used to implement noise removal image filters. Scalability has been also exploited in this application. Scalable evolvable hardware architectures allow the autonomous adaptation of the processing cores to a fluctuating amount of resources available in the system. Thus, it constitutes an example of the dynamic quality scalability tackled in this thesis. Two variants have been proposed. The first one consists in a single dynamically scalable evolvable core, and the second one contains a variable number of processing cores. Scalable video is a flexible approach for video compression, which offers scalability at different levels. Differently to non-scalable codecs, a scalable video bitstream can be decoded with different levels of quality, spatial or temporal resolutions, by discarding the undesired information. The interest in this technology has been fostered by the development of the Scalable Video Coding (SVC) standard, as an extension of H.264/AVC. In order to exploit all the flexibility offered by the standard, it is necessary to adapt the characteristics of the decoder to the requirements of each client during run-time. The use of dynamically scalable architectures is proposed in this thesis with this aim. The deblocking filter algorithm is the responsible of improving the visual perception of a reconstructed image, by smoothing blocking artifacts generated in the encoding loop. This is one of the most computationally intensive tasks of the standard, and furthermore, it is highly dependent on the selected scalability level in the decoder. Therefore, the deblocking filter has been selected as a proof of concept of the implementation of dynamically scalable architectures for video compression. The proposed architecture allows the run-time addition or removal of computational units working in parallel to change its level of parallelism, following a wavefront computational pattern. Scalable architecture is offered together with a scalable parallelization strategy at the macroblock level, such that when the size of the architecture changes, the macroblock filtering order is modified accordingly. The proposed pattern is based on the division of the macroblock processing into two independent stages, corresponding to the horizontal and vertical filtering of the blocks within the macroblock. The main contributions of this thesis are: - The use of highly parallel, modular, regular and local architectures to implement dynamically reconfigurable processing IP cores, for data intensive applications with flexibility requirements. - The use of two-dimensional mesh-type arrays as architectural templates to build dynamically reconfigurable IP cores, with a scalable footprint. The proposal consists in generic architectural templates, which can be tuned to solve different computational problems. •A design flow and a tool targeting the design of DPR systems, focused on highly parallel, modular and local architectures. - An inter-module communication strategy, which does not introduce delay or area overhead, named Virtual Borders. - A custom and flexible router to solve the routing conflicts as well as the inter-module communication problems, appearing during the design of DPR systems. - An algorithm addressing the optimization of systems composed of multiple scalable cores, which size can be decided individually, to optimize the system parameters. It is based on a model known as the multi-dimensional multi-choice Knapsack problem. - A reconfiguration engine tailored to the requirements of highly regular and modular architectures. It combines a high reconfiguration throughput with run-time module relocation capabilities, including the support for sub-clock reconfigurable regions and the replication in multiple positions. - A fault injection mechanism which takes advantage of the system reconfiguration engine, as well as the modularity of the proposed reconfigurable architectures, to evaluate the effects of transient and permanent faults in these architectures. - The demonstration of the possibilities of the architectures proposed in this thesis to implement evolvable hardware systems, while keeping a high processing throughput. - The implementation of scalable evolvable hardware systems, which are able to adapt to the fluctuation of the amount of resources available in the system, in an autonomous way. - A parallelization strategy for the H.264/AVC and SVC deblocking filter, which reduces the number of macroblock cycles needed to process the whole frame. - A dynamically scalable architecture that permits the implementation of a novel deblocking filter module, fully compliant with the H.264/AVC and SVC standards, which exploits the macroblock level parallelism of the algorithm. This document is organized in seven chapters. In the first one, an introduction to the technology framework of this thesis, specially focused on dynamic and partial reconfiguration, is provided. The need for the dynamically scalable processing architectures proposed in this work is also motivated in this chapter. In chapter 2, dynamically scalable architectures are described. Description includes most of the architectural contributions of this work. The design flow tailored to the scalable architectures, together with the DREAMs tool provided to implement them, are described in chapter 3. The reconfiguration engine is described in chapter 4. The use of the proposed scalable archtieectures to implement evolvable hardware systems is described in chapter 5, while the scalable deblocking filter is described in chapter 6. Final conclusions of this thesis, and the description of future work, are addressed in chapter 7.

Approximate Relational Reasoning for Probabilistic Programs

La seguridad verificada es una metodología para demostrar propiedades de seguridad de los sistemas informáticos que se destaca por las altas garantías de corrección que provee. Los sistemas informáticos se modelan como programas probabilísticos y para probar que verifican una determinada propiedad de seguridad se utilizan técnicas rigurosas basadas en modelos matemáticos de los programas. En particular, la seguridad verificada promueve el uso de demostradores de teoremas interactivos o automáticos para construir demostraciones completamente formales cuya corrección es certificada mecánicamente (por ordenador). La seguridad verificada demostró ser una técnica muy efectiva para razonar sobre diversas nociones de seguridad en el área de criptografía. Sin embargo, no ha podido cubrir un importante conjunto de nociones de seguridad “aproximada”. La característica distintiva de estas nociones de seguridad es que se expresan como una condición de “similitud” entre las distribuciones de salida de dos programas probabilísticos y esta similitud se cuantifica usando alguna noción de distancia entre distribuciones de probabilidad. Este conjunto incluye destacadas nociones de seguridad de diversas áreas como la minería de datos privados, el análisis de flujo de información y la criptografía. Ejemplos representativos de estas nociones de seguridad son la indiferenciabilidad, que permite reemplazar un componente idealizado de un sistema por una implementación concreta (sin alterar significativamente sus propiedades de seguridad), o la privacidad diferencial, una noción de privacidad que ha recibido mucha atención en los últimos años y tiene como objetivo evitar la publicación datos confidenciales en la minería de datos. La falta de técnicas rigurosas que permitan verificar formalmente este tipo de propiedades constituye un notable problema abierto que tiene que ser abordado. En esta tesis introducimos varias lógicas de programa quantitativas para razonar sobre esta clase de propiedades de seguridad. Nuestra principal contribución teórica es una versión quantitativa de una lógica de Hoare relacional para programas probabilísticos. Las pruebas de correción de estas lógicas son completamente formalizadas en el asistente de pruebas Coq. Desarrollamos, además, una herramienta para razonar sobre propiedades de programas a través de estas lógicas extendiendo CertiCrypt, un framework para verificar pruebas de criptografía en Coq. Confirmamos la efectividad y aplicabilidad de nuestra metodología construyendo pruebas certificadas por ordendor de varios sistemas cuyo análisis estaba fuera del alcance de la seguridad verificada. Esto incluye, entre otros, una meta-construcción para diseñar funciones de hash “seguras” sobre curvas elípticas y algoritmos diferencialmente privados para varios problemas de optimización combinatoria de la literatura reciente. ABSTRACT The verified security methodology is an emerging approach to build high assurance proofs about security properties of computer systems. Computer systems are modeled as probabilistic programs and one relies on rigorous program semantics techniques to prove that they comply with a given security goal. In particular, it advocates the use of interactive theorem provers or automated provers to build fully formal machine-checked versions of these security proofs. The verified security methodology has proved successful in modeling and reasoning about several standard security notions in the area of cryptography. However, it has fallen short of covering an important class of approximate, quantitative security notions. The distinguishing characteristic of this class of security notions is that they are stated as a “similarity” condition between the output distributions of two probabilistic programs, and this similarity is quantified using some notion of distance between probability distributions. This class comprises prominent security notions from multiple areas such as private data analysis, information flow analysis and cryptography. These include, for instance, indifferentiability, which enables securely replacing an idealized component of system with a concrete implementation, and differential privacy, a notion of privacy-preserving data mining that has received a great deal of attention in the last few years. The lack of rigorous techniques for verifying these properties is thus an important problem that needs to be addressed. In this dissertation we introduce several quantitative program logics to reason about this class of security notions. Our main theoretical contribution is, in particular, a quantitative variant of a full-fledged relational Hoare logic for probabilistic programs. The soundness of these logics is fully formalized in the Coq proof-assistant and tool support is also available through an extension of CertiCrypt, a framework to verify cryptographic proofs in Coq. We validate the applicability of our approach by building fully machine-checked proofs for several systems that were out of the reach of the verified security methodology. These comprise, among others, a construction to build “safe” hash functions into elliptic curves and differentially private algorithms for several combinatorial optimization problems from the recent literature.

MedVir: 3D visual interface applied to gene profile analysis

The use of data mining techniques for the gene profile discovery of diseases, such as cancer, is becoming usual in many researches. These techniques do not usually analyze the relationships between genes in depth, depending on the different variety of manifestations of the disease (related to patients). This kind of analysis takes a considerable amount of time and is not always the focus of the research. However, it is crucial in order to generate personalized treatments to fight the disease. Thus, this research focuses on finding a mechanism for gene profile analysis to be used by the medical and biologist experts. Results: In this research, the MedVir framework is proposed. It is an intuitive mechanism based on the visualization of medical data such as gene profiles, patients, clinical data, etc. MedVir, which is based on an Evolutionary Optimization technique, is a Dimensionality Reduction (DR) approach that presents the data in a three dimensional space. Furthermore, thanks to Virtual Reality technology, MedVir allows the expert to interact with the data in order to tailor it to the experience and knowledge of the expert.

Artificial metaplasticity prediction model for cognitive rehabilitation outcome in acquired brain injury patients

Objective The main purpose of this research is the novel use of artificial metaplasticity on multilayer perceptron (AMMLP) as a data mining tool for prediction the outcome of patients with acquired brain injury (ABI) after cognitive rehabilitation. The final goal aims at increasing knowledge in the field of rehabilitation theory based on cognitive affectation. Methods and materials The data set used in this study contains records belonging to 123 ABI patients with moderate to severe cognitive affectation (according to Glasgow Coma Scale) that underwent rehabilitation at Institut Guttmann Neurorehabilitation Hospital (IG) using the tele-rehabilitation platform PREVIRNEC©. The variables included in the analysis comprise the neuropsychological initial evaluation of the patient (cognitive affectation profile), the results of the rehabilitation tasks performed by the patient in PREVIRNEC© and the outcome of the patient after a 3–5 months treatment. To achieve the treatment outcome prediction, we apply and compare three different data mining techniques: the AMMLP model, a backpropagation neural network (BPNN) and a C4.5 decision tree. Results The prediction performance of the models was measured by ten-fold cross validation and several architectures were tested. The results obtained by the AMMLP model are clearly superior, with an average predictive performance of 91.56%. BPNN and C4.5 models have a prediction average accuracy of 80.18% and 89.91% respectively. The best single AMMLP model provided a specificity of 92.38%, a sensitivity of 91.76% and a prediction accuracy of 92.07%. Conclusions The proposed prediction model presented in this study allows to increase the knowledge about the contributing factors of an ABI patient recovery and to estimate treatment efficacy in individual patients. The ability to predict treatment outcomes may provide new insights toward improving effectiveness and creating personalized therapeutic interventions based on clinical evidence.

Clustering techniques for patients suffering acquired brain injury inneuro personal trainer

The study of the effectiveness of the cognitive rehabilitation processes and the identification of cognitive profiles, in order to define comparable populations, is a controversial area, but concurrently it is strongly needed in order to improve therapies. There is limited evidence about cognitive rehabilitation efficacy. Many of the trials conclude that in spite of an apparent clinical good response, differences do not show statistical significance. The common feature in all these trials is heterogeneity among populations. In this situation, observational studies on very well controlled cohort of studies, together with innovative methods in knowledge extraction, could provide methodological insights for the design of more accurate comparative trials. Some correlation studies between neuropsychological tests and patients capacities have been carried out -1---2- and also correlation between tests and morphological changes in the brain -3-. The procedures efficacy depends on three main factors: the affectation profile, the scheduled tasks and the execution results. The relationship between them makes up the cognitive rehabilitation as a discipline, but its structure is not properly defined. In this work we present a clustering method used in Neuro Personal Trainer (NPT) to group patients into cognitive profiles using data mining techniques. The system uses these clusters to personalize treatments, using the patients assigned cluster to select which tasks are more suitable for its concrete needs, by comparing the results obtained in the past by patients with the same profile.

A visual framework to accelerate knowledge discovery based on dimensionality reduction minimizing degradation of quality

Tradicionalmente, el uso de técnicas de análisis de datos ha sido una de las principales vías para el descubrimiento de conocimiento oculto en grandes cantidades de datos, recopilados por expertos en diferentes dominios. Por otra parte, las técnicas de visualización también se han usado para mejorar y facilitar este proceso. Sin embargo, existen limitaciones serias en la obtención de conocimiento, ya que suele ser un proceso lento, tedioso y en muchas ocasiones infructífero, debido a la dificultad de las personas para comprender conjuntos de datos de grandes dimensiones. Otro gran inconveniente, pocas veces tenido en cuenta por los expertos que analizan grandes conjuntos de datos, es la degradación involuntaria a la que someten a los datos durante las tareas de análisis, previas a la obtención final de conclusiones. Por degradación quiere decirse que los datos pueden perder sus propiedades originales, y suele producirse por una reducción inapropiada de los datos, alterando así su naturaleza original y llevando en muchos casos a interpretaciones y conclusiones erróneas que podrían tener serias implicaciones. Además, este hecho adquiere una importancia trascendental cuando los datos pertenecen al dominio médico o biológico, y la vida de diferentes personas depende de esta toma final de decisiones, en algunas ocasiones llevada a cabo de forma inapropiada. Ésta es la motivación de la presente tesis, la cual propone un nuevo framework visual, llamado MedVir, que combina la potencia de técnicas avanzadas de visualización y minería de datos para tratar de dar solución a estos grandes inconvenientes existentes en el proceso de descubrimiento de información válida. El objetivo principal es hacer más fácil, comprensible, intuitivo y rápido el proceso de adquisición de conocimiento al que se enfrentan los expertos cuando trabajan con grandes conjuntos de datos en diferentes dominios. Para ello, en primer lugar, se lleva a cabo una fuerte disminución en el tamaño de los datos con el objetivo de facilitar al experto su manejo, y a la vez preservando intactas, en la medida de lo posible, sus propiedades originales. Después, se hace uso de efectivas técnicas de visualización para representar los datos obtenidos, permitiendo al experto interactuar de forma sencilla e intuitiva con los datos, llevar a cabo diferentes tareas de análisis de datos y así estimular visualmente su capacidad de comprensión. De este modo, el objetivo subyacente se basa en abstraer al experto, en la medida de lo posible, de la complejidad de sus datos originales para presentarle una versión más comprensible, que facilite y acelere la tarea final de descubrimiento de conocimiento. MedVir se ha aplicado satisfactoriamente, entre otros, al campo de la magnetoencefalografía (MEG), que consiste en la predicción en la rehabilitación de lesiones cerebrales traumáticas (Traumatic Brain Injury (TBI) rehabilitation prediction). Los resultados obtenidos demuestran la efectividad del framework a la hora de acelerar y facilitar el proceso de descubrimiento de conocimiento sobre conjuntos de datos reales. ABSTRACT Traditionally, the use of data analysis techniques has been one of the main ways of discovering knowledge hidden in large amounts of data, collected by experts in different domains. Moreover, visualization techniques have also been used to enhance and facilitate this process. However, there are serious limitations in the process of knowledge acquisition, as it is often a slow, tedious and many times fruitless process, due to the difficulty for human beings to understand large datasets. Another major drawback, rarely considered by experts that analyze large datasets, is the involuntary degradation to which they subject the data during analysis tasks, prior to obtaining the final conclusions. Degradation means that data can lose part of their original properties, and it is usually caused by improper data reduction, thereby altering their original nature and often leading to erroneous interpretations and conclusions that could have serious implications. Furthermore, this fact gains a trascendental importance when the data belong to medical or biological domain, and the lives of people depends on the final decision-making, which is sometimes conducted improperly. This is the motivation of this thesis, which proposes a new visual framework, called MedVir, which combines the power of advanced visualization techniques and data mining to try to solve these major problems existing in the process of discovery of valid information. Thus, the main objective is to facilitate and to make more understandable, intuitive and fast the process of knowledge acquisition that experts face when working with large datasets in different domains. To achieve this, first, a strong reduction in the size of the data is carried out in order to make the management of the data easier to the expert, while preserving intact, as far as possible, the original properties of the data. Then, effective visualization techniques are used to represent the obtained data, allowing the expert to interact easily and intuitively with the data, to carry out different data analysis tasks, and so visually stimulating their comprehension capacity. Therefore, the underlying objective is based on abstracting the expert, as far as possible, from the complexity of the original data to present him a more understandable version, thus facilitating and accelerating the task of knowledge discovery. MedVir has been succesfully applied to, among others, the field of magnetoencephalography (MEG), which consists in predicting the rehabilitation of Traumatic Brain Injury (TBI). The results obtained successfully demonstrate the effectiveness of the framework to accelerate and facilitate the process of knowledge discovery on real world datasets.

Modelos predictivos para el estudio del abandono en centros universitarios

El abandono universitario es un problema que siempre ha afectado a las distintas universidades públicas. La Universidad Politécnica de Madrid, en concreto la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Informáticos, pretende reducir dicho abandono aplicando técnicas de Data Mining para detectar aquellos alumnos que abandonan antes de que lo hagan. Este proyecto, a través de la metodología CRISP-DM (CRoss Industry Standard Process for Data Mining) y con los datos obtenidos del SIIU (Sistema Integrado de Información Universitaria), tiene como fin identificar a los alumnos que abandonan el primer añoo para poder aplicar distintas políticas en ellos y así evitarlo. ---ABSTRACT---Early university abandonment is a problem which has affected different public universities. The Universidad Polit´ecnica de Madrid (Polytechnic University of Madrid), inparticular the Escuela Técnica Superior de Ingenieros Informáticos (Computer Science Engineering School), wants to reduce this abandonment rate using Data Mining techniques to find students who are likely to leave before they do. The purpose of this project, through CRISP-DM (CRoss Industry Standard Process for Data Mining) methodology and using the data from SIIU (Sistema Integrado de Informaci´on Universitaria), is to identify those students who leave the first year in order to apply different policies and avoid it.

Análisis de datos sobre virus Informáticos

El trabajo fin de grado que se presenta en este documento trata de “Aplicar técnicas de Data Mining a un conjunto de datos procedentes de ataques de virus informáticos interceptados en servidores de Internet”. La propuesta de este trabajo surgió de una Institución con el fin de extraer información de un conjunto de datos proveniente de ejecuciones de virus informáticos. Lamentablemente, debido a fuertes restricciones de privacidad por parte de esta Institución y así como al relevo de la persona responsable de éste área en dicha Institución, el Proyecto finalmente se canceló. Como consecuencia, y teniendo en cuenta el carácter didáctico de este trabajo fin de grado, el proyecto KDD (Knowledge Discovery in Databases) en sí y sus objetivos de negocio y objetivos de data mining, se han establecido conforme con la misma temática de predicción de ataques de virus que había planteado la Institución en el pasado, contando con una base de datos que ha sido recopilada de diferentes empresas anónimas. Para llevar un desarrollo estructurado de todas las fases del proceso KDD, se ha trabajado siguiendo como referencia una metodología para proyectos de Data Mining, “CRISP-DM”, cuyo estándar incluye un modelo y una guía, estructurados en seis fases. Como herramienta de Data Mining a utilizar, se ha elegido el software de libre distribución “WEKA”. Por último, cabe destacar que el proyecto ha concluido satisfactoriamente, lográndose cada una de las metas establecidas como proyecto de minería de datos.

Plataforma de evaluación de algoritmos para la identificación de usuarios

La minería de datos es un campo de las ciencias de la computación referido al proceso que intenta descubrir patrones en grandes volúmenes de datos. La minería de datos busca generar información similar a la que podría producir un experto humano. Además es el proceso de descubrir conocimientos interesantes, como patrones, asociaciones, cambios, anomalías y estructuras significativas a partir de grandes cantidades de datos almacenadas en bases de datos, data warehouses o cualquier otro medio de almacenamiento de información. El aprendizaje automático o aprendizaje de máquinas es una rama de la Inteligencia artificial cuyo objetivo es desarrollar técnicas que permitan a las computadoras aprender. De forma más concreta, se trata de crear programas capaces de generalizar comportamientos a partir de una información no estructurada suministrada en forma de ejemplos. La minería de datos utiliza métodos de aprendizaje automático para descubrir y enumerar patrones presentes en los datos. En los últimos años se han aplicado las técnicas de clasificación y aprendizaje automático en un número elevado de ámbitos como el sanitario, comercial o de seguridad. Un ejemplo muy actual es la detección de comportamientos y transacciones fraudulentas en bancos. Una aplicación de interés es el uso de las técnicas desarrolladas para la detección de comportamientos fraudulentos en la identificación de usuarios existentes en el interior de entornos inteligentes sin necesidad de realizar un proceso de autenticación. Para comprobar que estas técnicas son efectivas durante la fase de análisis de una determinada solución, es necesario crear una plataforma que de soporte al desarrollo, validación y evaluación de algoritmos de aprendizaje y clasificación en los entornos de aplicación bajo estudio. El proyecto planteado está definido para la creación de una plataforma que permita evaluar algoritmos de aprendizaje automático como mecanismos de identificación en espacios inteligentes. Se estudiarán tanto los algoritmos propios de este tipo de técnicas como las plataformas actuales existentes para definir un conjunto de requisitos específicos de la plataforma a desarrollar. Tras el análisis se desarrollará parcialmente la plataforma. Tras el desarrollo se validará con pruebas de concepto y finalmente se verificará en un entorno de investigación a definir. ABSTRACT. The data mining is a field of the sciences of the computation referred to the process that it tries to discover patterns in big volumes of information. The data mining seeks to generate information similar to the one that a human expert might produce. In addition it is the process of discovering interesting knowledge, as patterns, associations, changes, abnormalities and significant structures from big quantities of information stored in databases, data warehouses or any other way of storage of information. The machine learning is a branch of the artificial Intelligence which aim is to develop technologies that they allow the computers to learn. More specifically, it is a question of creating programs capable of generalizing behaviors from not structured information supplied in the form of examples. The data mining uses methods of machine learning to discover and to enumerate present patterns in the information. In the last years there have been applied classification and machine learning techniques in a high number of areas such as healthcare, commercial or security. A very current example is the detection of behaviors and fraudulent transactions in banks. An application of interest is the use of the techniques developed for the detection of fraudulent behaviors in the identification of existing Users inside intelligent environments without need to realize a process of authentication. To verify these techniques are effective during the phase of analysis of a certain solution, it is necessary to create a platform that support the development, validation and evaluation of algorithms of learning and classification in the environments of application under study. The project proposed is defined for the creation of a platform that allows evaluating algorithms of machine learning as mechanisms of identification in intelligent spaces. There will be studied both the own algorithms of this type of technologies and the current existing platforms to define a set of specific requirements of the platform to develop. After the analysis the platform will develop partially. After the development it will be validated by prove of concept and finally verified in an environment of investigation that would be define.

Neuronanatomy, neurology and Bayesian networks

Bayesian networks are data mining models with clear semantics and a sound theoretical foundation. In this keynote talk we will pinpoint a number of neuroscience problems that can be addressed using Bayesian networks. In neuroanatomy, we will show computer simulation models of dendritic trees and classification of neuron types, both based on morphological features. In neurology, we will present the search for genetic biomarkers in Alzheimer's disease and the prediction of health-related quality of life in Parkinson's disease. Most of these challenging problems posed by neuroscience involve new Bayesian network designs that can cope with multiple class variables, small sample sizes, or labels annotated by several experts.

Predicción de tráfico de contenedores a corto plazo mediante técnicas de minería de datos : redes neuronales artificiales y redes bayesianas

El correcto pronóstico en el ámbito de la logística de transportes es de vital importancia para una adecuada planificación de medios y recursos, así como de su optimización. Hasta la fecha los estudios sobre planificación portuaria se basan principalmente en modelos empíricos; que se han utilizado para planificar nuevas terminales y desarrollar planes directores cuando no se dispone de datos iniciales, analíticos; más relacionados con la teoría de colas y tiempos de espera con formulaciones matemáticas complejas y necesitando simplificaciones de las mismas para hacer manejable y práctico el modelo o de simulación; que requieren de una inversión significativa como para poder obtener resultados aceptables invirtiendo en programas y desarrollos complejos. La Minería de Datos (MD) es un área moderna interdisciplinaria que engloba a aquellas técnicas que operan de forma automática (requieren de la mínima intervención humana) y, además, son eficientes para trabajar con las grandes cantidades de información disponible en las bases de datos de numerosos problemas prácticos. La aplicación práctica de estas disciplinas se extiende a numerosos ámbitos comerciales y de investigación en problemas de predicción, clasificación o diagnosis. Entre las diferentes técnicas disponibles en minería de datos las redes neuronales artificiales (RNA) y las redes probabilísticas o redes bayesianas (RB) permiten modelizar de forma conjunta toda la información relevante para un problema dado. En el presente trabajo se han analizado dos aplicaciones de estos casos al ámbito portuario y en concreto a contenedores. En la Tesis Doctoral se desarrollan las RNA como herramienta para obtener previsiones de tráfico y de recursos a futuro de diferentes puertos, a partir de variables de explotación, obteniéndose valores continuos. Para el caso de las redes bayesianas (RB), se realiza un trabajo similar que para el caso de las RNA, obteniéndose valores discretos (un intervalo). El principal resultado que se obtiene es la posibilidad de utilizar tanto las RNA como las RB para la estimación a futuro de parámetros físicos, así como la relación entre los mismos en una terminal para una correcta asignación de los medios a utilizar y por tanto aumentar la eficiencia productiva de la terminal. Como paso final se realiza un estudio de complementariedad de ambos modelos a corto plazo, donde se puede comprobar la buena aceptación de los resultados obtenidos. Por tanto, se puede concluir que estos métodos de predicción pueden ser de gran ayuda a la planificación portuaria. The correct assets’ forecast in the field of transportation logistics is a matter of vital importance for a suitable planning and optimization of the necessary means and resources. Up to this date, ports planning studies were basically using empirical models to deal with new terminals planning or master plans development when no initial data are available; analytical models, more connected to the queuing theory and the waiting times, and very complicated mathematical formulations requiring significant simplifications to acquire a practical and easy to handle model; or simulation models, that require a significant investment in computer codes and complex developments to produce acceptable results. The Data Mining (DM) is a modern interdisciplinary field that include those techniques that operate automatically (almost no human intervention is required) and are highly efficient when dealing with practical problems characterized by huge data bases containing significant amount of information. These disciplines’ practical application extends to many commercial or research fields, dealing with forecast, classification or diagnosis problems. Among the different techniques of the Data Mining, the Artificial Neuronal Networks (ANN) and the probabilistic – or Bayesian – networks (BN) allow the joint modeling of all the relevant information for a given problem. This PhD work analyses their application to two practical cases in the ports field, concretely to container terminals. This PhD work details how the ANN have been developed as a tool to produce traffic and resources forecasts for several ports, based on exploitation variables to obtain continuous values. For the Bayesian networks case (BN), a similar development has been carried out, obtaining discreet values (an interval). The main finding is the possibility to use ANN and BN to estimate future needs of the port’s or terminal’s physical parameters, as well as the relationship between them within a specific terminal, that allow a correct assignment of the necessary means and, thus, to increase the terminal’s productive efficiency. The final step is a short term complementarily study of both models, carried out in order to verify the obtained results. It can thus be stated that these prediction methods can be a very useful tool in ports’ planning.

Presencia en Twitter de los candidatos a las elecciones madrileñas de 2015

Durante los últimos años ha aumentado la presencia de personas pertenecientes al mundo de la política en la red debido a la proliferación de las redes sociales, siendo Twitter la que mayor repercusión mediática tiene en este ámbito. El estudio del comportamiento de los políticos en Twitter y de la acogida que tienen entre los ciudadanos proporciona información muy valiosa a la hora de analizar las campañas electorales. De esta forma, se puede estudiar la repercusión real que tienen sus mensajes en los resultados electorales, así como distinguir aquellos comportamientos que tienen una mayor aceptación por parte de la la ciudadaná. Gracias a los avances desarrollados en el campo de la minería de textos, se poseen las herramientas necesarias para analizar un gran volumen de textos y extraer de ellos información de utilidad. Este proyecto tiene como finalidad recopilar una muestra significativa de mensajes de Twitter pertenecientes a los candidatos de los principales partidos políticos que se presentan a las elecciones autonómicas de Madrid en 2015. Estos mensajes, junto con las respuestas de otros usuarios, se han analizado usando algoritmos de aprendizaje automático y aplicando las técnicas de minería de textos más oportunas. Los resultados obtenidos para cada político se han examinado en profundidad y se han presentado mediante tablas y gráficas para facilitar su comprensión.---ABSTRACT---During the past few years the presence on the Internet of people related with politics has increased, due to the proliferation of social networks. Among all existing social networks, Twitter is the one which has the greatest media impact in this field. Therefore, an analysis of the behaviour of politicians in this social network, along with the response from the citizens, gives us very valuable information when analysing electoral campaigns. This way it is possible to know their messages impact in the election results. Moreover, it can be inferred which behaviours have better acceptance among the citizenship. Thanks to the advances achieved in the text mining field, its tools can be used to analyse a great amount of texts and extract from them useful information. The present project aims to collect a significant sample of Twitter messages from the candidates of the principal political parties for the 2015 autonomic elections in Madrid. These messages, as well as the answers received by the other users, have been analysed using machine learning algorithms and applying the most suitable data mining techniques. The results obtained for each politician have been examined in depth and have been presented using tables and graphs to make its understanding easier.

Mejora de herramientas de Inteligencia de Negocio en su aplicación a la Gestión Educativa

Tras los distintos análisis diseñados por Jorge Beltrán Luna en el proyecto "Aplicación de Inteligencia de Negocio a la Gestión Educativa" [Beltrán2014] sobre el comportamiento de los alumnos de la Universidad Politécnica de Madrid en las asignaturas cursadas por estos durante el curso 2013-2014, se llegó a la conclusión que se debía desarrollar una aplicación web mediante la cual pudiesen configurarse estos análisis con distintos parámetros para adecuarlos a los requerimientos del usuario. Este proyecto ha cumplido con el objetivo anteriormente mencionado. Se ha desarrollado una aplicación web capaz de mostrar por medio de un navegador web, las gráficas y tablas generadas por el programa de minería de datos. Mediante esta aplicación el usuario puede realizar diversas funciones. Una de ellas es la de solicitar mediante el formulario recibido en la interfaz principal de la aplicación, la visualización de los resultados generados por el sistema de acuerdo con los parámetros seleccionados por el diseñador de los análisis. El usuario conseguirá observar los resultados que obtendría si ejecutase directamente los análisis desarrollados en el proyecto de Jorge Beltrán Luna [Beltrán2014] en la herramienta Rapidminer. Otra de las funciones que podría realizar el usuario sería la de realizar estos mismos análisis pero modificando sus parámetros de configuración para adecuar dichos análisis a los resultados que se quiere obtener. El resultado será el que se habría conseguido en la aplicación Rapidminer si se cambiasen los mismos parámetros que los modificados en la página web de este prototipo. Por último, se ha diseñado un botón con el cual el usuario podrá recuperar el último análisis realizado, con el fin de que no sea necesario esperar el tiempo que tarde en realizarse el análisis para visualizar los resultados. También se ha realizado una explicación detallada de la aplicación de la inteligencia de negocio en el ámbito educacional. ABSTRACT. After different analysis designed by Jorge Beltran Luna in the "Aplicación de Inteligencia de Negocio a la Gestión Educativa" [Beltrán2014] project on the behaviour of the students at the Universidad Politécnica de Madrid during the course 2013-14, the tutor of this project concluded that it should be interesting to develop a web application through which teachers could view and configure these analysis with different parameters. This project has fulfilled the aforementioned objective. A web application has been develop to show through a web browser, the graphs and charts generated by the data mining tool. Using this application, the user can perform various features. One of this features is to request, employing the formulary received in the main interface, to display an analysis according to the chosen parameters. The user will see the results that would be observed in case that the analysis had been directly executed using the project designed by Jorge Beltrán Luna [Beltrán2014] in the RapidMiner tool. Another feature that the user could perform would be to make these analysis modifying its settings Similar result would be obtained in the RapidMiner tool in the case that identical modifications were carried out in the configuration parameters. Finally, a button to allow with recall the last analysis has been implemented. It is not necessary to wait for the execution of this analysis to see newly the results. A detailed explanation on the usage of business intelligence in the educational field has also been performed.

Clasificación de tráfico de Internet mediante análisis de datos

Poder clasificar de manera precisa la aplicación o programa del que provienen los flujos que conforman el tráfico de uso de Internet dentro de una red permite tanto a empresas como a organismos una útil herramienta de gestión de los recursos de sus redes, así como la posibilidad de establecer políticas de prohibición o priorización de tráfico específico. La proliferación de nuevas aplicaciones y de nuevas técnicas han dificultado el uso de valores conocidos (well-known) en puertos de aplicaciones proporcionados por la IANA (Internet Assigned Numbers Authority) para la detección de dichas aplicaciones. Las redes P2P (Peer to Peer), el uso de puertos no conocidos o aleatorios, y el enmascaramiento de tráfico de muchas aplicaciones en tráfico HTTP y HTTPS con el fin de atravesar firewalls y NATs (Network Address Translation), entre otros, crea la necesidad de nuevos métodos de detección de tráfico. El objetivo de este estudio es desarrollar una serie de prácticas que permitan realizar dicha tarea a través de técnicas que están más allá de la observación de puertos y otros valores conocidos. Existen una serie de metodologías como Deep Packet Inspection (DPI) que se basa en la búsqueda de firmas, signatures, en base a patrones creados por el contenido de los paquetes, incluido el payload, que caracterizan cada aplicación. Otras basadas en el aprendizaje automático de parámetros de los flujos, Machine Learning, que permite determinar mediante análisis estadísticos a qué aplicación pueden pertenecer dichos flujos y, por último, técnicas de carácter más heurístico basadas en la intuición o el conocimiento propio sobre tráfico de red. En concreto, se propone el uso de alguna de las técnicas anteriormente comentadas en conjunto con técnicas de minería de datos como son el Análisis de Componentes Principales (PCA por sus siglas en inglés) y Clustering de estadísticos extraídos de los flujos procedentes de ficheros de tráfico de red. Esto implicará la configuración de diversos parámetros que precisarán de un proceso iterativo de prueba y error que permita dar con una clasificación del tráfico fiable. El resultado ideal sería aquel en el que se pudiera identificar cada aplicación presente en el tráfico en un clúster distinto, o en clusters que agrupen grupos de aplicaciones de similar naturaleza. Para ello, se crearán capturas de tráfico dentro de un entorno controlado e identificando cada tráfico con su aplicación correspondiente, a continuación se extraerán los flujos de dichas capturas. Tras esto, parámetros determinados de los paquetes pertenecientes a dichos flujos serán obtenidos, como por ejemplo la fecha y hora de llagada o la longitud en octetos del paquete IP. Estos parámetros serán cargados en una base de datos MySQL y serán usados para obtener estadísticos que ayuden, en un siguiente paso, a realizar una clasificación de los flujos mediante minería de datos. Concretamente, se usarán las técnicas de PCA y clustering haciendo uso del software RapidMiner. Por último, los resultados obtenidos serán plasmados en una matriz de confusión que nos permitirá que sean valorados correctamente. ABSTRACT. Being able to classify the applications that generate the traffic flows in an Internet network allows companies and organisms to implement efficient resource management policies such as prohibition of specific applications or prioritization of certain application traffic, looking for an optimization of the available bandwidth. The proliferation of new applications and new technics in the last years has made it more difficult to use well-known values assigned by the IANA (Internet Assigned Numbers Authority), like UDP and TCP ports, to identify the traffic. Also, P2P networks and data encapsulation over HTTP and HTTPS traffic has increased the necessity to improve these traffic analysis technics. The aim of this project is to develop a number of techniques that make us able to classify the traffic with more than the simple observation of the well-known ports. There are some proposals that have been created to cover this necessity; Deep Packet Inspection (DPI) tries to find signatures in the packets reading the information contained in them, the payload, looking for patterns that can be used to characterize the applications to which that traffic belongs; Machine Learning procedures work with statistical analysis of the flows, trying to generate an automatic process that learns from those statistical parameters and calculate the likelihood of a flow pertaining to a certain application; Heuristic Techniques, finally, are based in the intuition or the knowledge of the researcher himself about the traffic being analyzed that can help him to characterize the traffic. Specifically, the use of some of the techniques previously mentioned in combination with data mining technics such as Principal Component Analysis (PCA) and Clustering (grouping) of the flows extracted from network traffic captures are proposed. An iterative process based in success and failure will be needed to configure these data mining techniques looking for a reliable traffic classification. The perfect result would be the one in which the traffic flows of each application is grouped correctly in each cluster or in clusters that contain group of applications of similar nature. To do this, network traffic captures will be created in a controlled environment in which every capture is classified and known to pertain to a specific application. Then, for each capture, all the flows will be extracted. These flows will be used to extract from them information such as date and arrival time or the IP length of the packets inside them. This information will be then loaded to a MySQL database where all the packets defining a flow will be classified and also, each flow will be assigned to its specific application. All the information obtained from the packets will be used to generate statistical parameters in order to describe each flow in the best possible way. After that, data mining techniques previously mentioned (PCA and Clustering) will be used on these parameters making use of the software RapidMiner. Finally, the results obtained from the data mining will be compared with the real classification of the flows that can be obtained from the database. A Confusion Matrix will be used for the comparison, letting us measure the veracity of the developed classification process.

Monitorización inteligente de redes de comunicación

El avance tecnológico de los últimos años ha aumentado la necesidad de guardar enormes cantidades de datos de forma masiva, llegando a una situación de desorden en el proceso de almacenamiento de datos, a su desactualización y a complicar su análisis. Esta situación causó un gran interés para las organizaciones en la búsqueda de un enfoque para obtener información relevante de estos grandes almacenes de datos. Surge así lo que se define como inteligencia de negocio, un conjunto de herramientas, procedimientos y estrategias para llevar a cabo la “extracción de conocimiento”, término con el que se refiere comúnmente a la extracción de información útil para la propia organización. Concretamente en este proyecto, se ha utilizado el enfoque Knowledge Discovery in Databases (KDD), que permite lograr la identificación de patrones y un manejo eficiente de las anomalías que puedan aparecer en una red de comunicaciones. Este enfoque comprende desde la selección de los datos primarios hasta su análisis final para la determinación de patrones. El núcleo de todo el enfoque KDD es la minería de datos, que contiene la tecnología necesaria para la identificación de los patrones mencionados y la extracción de conocimiento. Para ello, se utilizará la herramienta RapidMiner en su versión libre y gratuita, debido a que es más completa y de manejo más sencillo que otras herramientas como KNIME o WEKA. La gestión de una red engloba todo el proceso de despliegue y mantenimiento. Es en este procedimiento donde se recogen y monitorizan todas las anomalías ocasionadas en la red, las cuales pueden almacenarse en un repositorio. El objetivo de este proyecto es realizar un planteamiento teórico y varios experimentos que permitan identificar patrones en registros de anomalías de red. Se ha estudiado el repositorio de MAWI Lab, en el que se han almacenado anomalías diarias. Se trata de buscar indicios característicos anuales detectando patrones. Los diferentes experimentos y procedimientos de este estudio pretenden demostrar la utilidad de la inteligencia de negocio a la hora de extraer información a partir de un almacén de datos masivo, para su posterior análisis o futuros estudios. ABSTRACT. The technological progresses in the recent years required to store a big amount of information in repositories. This information is often in disorder, outdated and needs a complex analysis. This situation has caused a relevant interest in investigating methodologies to obtain important information from these huge data stores. Business intelligence was born as a set of tools, procedures and strategies to implement the "knowledge extraction". Specifically in this project, Knowledge Discovery in Databases (KDD) approach has been used. KDD is one of the most important processes of business intelligence to achieve the identification of patterns and the efficient management of the anomalies in a communications network. This approach includes all necessary stages from the selection of the raw data until the analysis to determine the patterns. The core process of the whole KDD approach is the Data Mining process, which analyzes the information needed to identify the patterns and to extract the knowledge. In this project we use the RapidMiner tool to carry out the Data Mining process, because this tool has more features and is easier to use than other tools like WEKA or KNIME. Network management includes the deployment, supervision and maintenance tasks. Network management process is where all anomalies are collected, monitored, and can be stored in a repository. The goal of this project is to construct a theoretical approach, to implement a prototype and to carry out several experiments that allow identifying patterns in some anomalies records. MAWI Lab repository has been selected to be studied, which contains daily anomalies. The different experiments show the utility of the business intelligence to extract information from big data warehouse.