Integration of socioeconomic and genetic aspects involved in the conservation of animal genetic resources = Integración de aspectos socioeconómicos y genéticos involucrados en la conservación de recursos genéticos animales

El sector ganadero está siendo gradualmente dominado por sistemas intensivos y especializados en los que los factores de producción están controlados y en los que los caracteres productivos son los criterios principales para la selección de especies y razas. Entretanto, muchos de los bienes y servicios que tradicionalmente suministraba el ganado, tales como los fertilizantes, la tracción animal o materias primas para la elaboración vestimenta y calzado están siendo reemplazados por productos industriales. Como consecuencia de ambos cambios, las razas seleccionadas intensivamente, las cuales están estrechamente ligadas a sistemas agrícolas de alta producción y altos insumos, han desplazado a muchas razas autóctonas, en las que la selección prácticamente ha cesado o es muy poco intensa. Actualmente existe una mayor conciencia social sobre la situación de las razas autóctonas y muchas funciones del ganado que previamente habían sido ignoradas están siendo reconocidas. Desde hace algunas décadas, se ha aceptado internacionalmente que las razas de ganado cumplen funciones económicas, socio-culturales, medioambientales y de seguridad alimentaria. Por ello, diferentes organismos internacionales han reconocido que la disminución de los recursos genéticos de animales domésticos (RGADs) es un problema grave y han recomendado su conservación. Aun así, la conservación de RGADs es un tema controvertido por la dificultad de valorar las funciones del ganado. Esta valoración es compleja debido que los RGADs tiene una doble naturaleza privada - pública. Como algunos economistas han subrayado, el ganado es un bien privado, sin embargo debido a algunas de sus funciones, también es un bien público. De esta forma, el aumento del conocimiento sobre valor de cada una de sus funciones facilitaría la toma de decisiones en relación a su conservación y desarrollo. Sin embargo, esta valoración es controvertida puesto que la importancia relativa de las funciones del ganado varía en función del momento, del lugar, de las especies y de las razas. El sector ganadero, debido a sus múltiples funciones, está influenciado por factores técnicos, medioambientales, sociales, culturales y políticos que están interrelacionados y que engloban a una enorme variedad de actores y procesos. Al igual que las funciones del ganado, los factores que afectan a su conservación y desarrollo están fuertemente condicionados por localización geográfica. Asimismo, estos factores pueden ser muy heterogéneos incluso dentro de una misma raza. Por otro lado, es razonable pensar que el ganadero es el actor principal de la conservación de razas locales. Actualmente, las razas locales están siendo Integration of socioeconomic and genetic aspects involved in the conservation of animal genetic resources 5 explotadas por ganaderos muy diversos bajo sistemas de producción también muy diferentes. Por todo ello, es de vital importancia comprender y evaluar el impacto que tienen las motivaciones, y el proceso de toma de decisiones de los ganaderos en la estructura genética de las razas. En esta tesis doctoral exploramos diferentes aspectos sociales, económicos y genéticos involucrados en la conservación de razas locales de ganado vacuno en Europa, como ejemplo de RGADs, esperando contribuir al entendimiento científico de este complejo tema. Nuestro objetivo es conseguir una visión global de los procesos subyacentes en la conservación y desarrollo de estas razas. Pretendemos ilustrar como se pueden utilizar métodos cuantitativos en el diseño y establecimiento de estrategias de conservación y desarrollo de RGADs objetivas y adecuadas. En primer lugar, exploramos el valor económico total (VET) del ganado analizando sus componentes públicos fuera de mercado usando como caso de estudio la raza vacuna Alistana-Sanabresa (AS). El VET de cualquier bien está formado por componentes de uso y de no-uso. Estos últimos incluyen el valor de opción, el valor de herencia y el valor de existencia. En el caso del ganado local, el valor de uso directo proviene de sus productos. Los valores de uso indirecto están relacionados con el papel que cumple las razas en el mantenimiento de los paisajes y cultura rural. El valor de opción se refiere a su futuro uso potencial y el valor de herencia al uso potencial de las generaciones venideras. Finalmente, el valor de existencia está relacionado con el bienestar que produce a la gente saber que existe un recurso específico. Nuestro objetivo fue determinar la importancia relativa que tienen los componentes fuera de mercado sobre el VET de la raza AS. Para ello evaluamos la voluntad de la gente a pagar por la conservación de la AS mediante experimentos de elección (EEs) a través de encuestas. Estos experimentos permiten valorar individualmente los distintos componentes del VET de cualquier bien. Los resultados los analizamos mediante de uso de modelos aleatorios logit. Encontramos que las funciones públicas de la raza AS tienen un valor significativo. Sus valores más importantes son el valor de uso indirecto como elemento cultural Zamorano y el valor de existencia (ambos representaron el 80% de VET). Además observamos que el valor que gente da a las funciones públicas de la razas de ganado dependen de sus características socioeconómicas. Los factores que condicionaron la voluntad a pagar para la conservación de la raza AS fueron el lugar de residencia (ciudad o pueblo), el haber visto animales de la raza o haber consumido sus productos y la actitud de los encuestados ante los conflictos entre el desarrollo económico y el medioambiente. Por otro lado, encontramos que no todo el mundo tiene una visión completa e integrada de todas las funciones públicas de la raza AS. Por este motivo, los programas o actividades de concienciación sobre su estado deberían hacer hincapié en este aspecto. La existencia de valores públicos de la raza AS implica que los ganaderos deberían recibir compensaciones económicas como pago por las funciones públicas que cumple su raza local. Las compensaciones asegurarían un tamaño de población que permitiría que la raza AS siga realizando estas funciones. Un mecanismo para ello podría ser el desarrollo del turismo rural relacionado con la raza. Esto aumentaría el valor de uso privado mientras que supondría un elemento añadido a las estrategias de conservación y desarrollo. No obstante, los ganaderos deben analizar cómo aprovechar los nichos de mercado existentes, así como mejorar la calidad de los productos de la raza prestando especial atención al etiquetado de los mismos. Una vez evaluada la importancia de las funciones públicas de las razas locales de ganado, analizamos la diversidad de factores técnicos, económicos y sociales de la producción de razas locales de ganado vacuno existente en Europa. Con este fin analizamos el caso de quince razas locales de ocho países en el contexto de un proyecto de colaboración internacional. Investigamos las diferencias entre los países para determinar los factores comunes clave que afectan a la viabilidad de las razas locales. Para ello entrevistamos mediante cuestionarios a un total de 355 ganaderos en las quince razas. Como indicador de viabilidad usamos los planes de los ganaderos de variación del tamaño de las ganaderías. Los cuestionarios incluían diferentes aspectos económicos, técnicos y sociales con potencial influencia en las dinámicas demográficas de las razas locales. Los datos recogidos los analizamos mediante distintas técnicas estadísticas multivariantes como el análisis discriminante y la regresión logística. Encontramos que los factores que afectan a la viabilidad de las razas locales en Europa son muy heterogéneos. Un resultado reseñable fue que los ganaderos de algunos países no consideran que la explotación de su raza tenga un alto valor social. Este hecho vuelve a poner de manifiesto la importancia de desarrollar programas Europeos de concienciación sobre la importancia de las funciones que cumplen las razas locales. Además los países analizados presentaron una alta variabilidad en cuanto a la importancia de los mercados locales en la distribución de los productos y en cuanto al porcentaje en propiedad del total de los pastos usados en las explotaciones. Este estudio reflejó la variabilidad de los sistemas y medios de producción (en el sentido socioeconómico, técnico y ecológico) que existe en Europa. Por ello hay que ser cautos en la implementación de las políticas comunes en los diferentes países. También encontramos que la variabilidad dentro de los países puede ser elevada debido a las diferencias entre razas, lo que implica que las políticas nacionales deber ser suficientemente flexibles para adaptarse a las peculiaridades de cada una de las razas. Por otro lado, encontramos una serie de factores comunes a la viabilidad de las razas en los distintos países; la edad de los ganaderos, la colaboración entre ellos y la apreciación social de las funciones culturales, medioambientales y sociales del ganado local. El envejecimiento de los ganaderos de razas locales no es solo un problema de falta de transferencia generacional, sino que también puede suponer una actitud más negativa hacia la inversión en las actividades ganaderas y en una menor capacidad de adaptación a los cambios del sector. La capacidad de adaptación de los ganaderos es un factor crucial en la viabilidad de las razas locales. Las estrategias y políticas de conservación comunes deben incluir las variables comunes a la viabilidad de las razas manteniendo flexibilidad suficiente para adaptarse a las especificidades nacionales. Estas estrategias y políticas deberían ir más allá de compensación económica a los ganaderos de razas locales por la menor productividad de sus razas. Las herramientas para la toma de decisiones ayudan a generar una visión amplia de la conservación y desarrollo de las razas locales. Estas herramientas abordan el diseño de estrategias de conservación y desarrollo de forma sistemática y estructurada. En la tercera parte de la tesis usamos una de estas herramientas, el análisis DAFO (Debilidades, Amenazas, Fortalezas y Oportunidades), con este propósito, reconociendo que la conservación de RGADs depende de los ganaderos. Desarrollamos un análisis DAFO cuantitativo y lo aplicamos a trece razas locales de ganado vacuno de seis países europeos en el contexto del proyecto de colaboración mencionado anteriormente. El método tiene cuatro pasos: 1) la definición del sistema; 2) la identificación y agrupación de los factores influyentes; 3) la cuantificación de la importancia de dichos factores y 4) la identificación y priorización de estrategias. Identificamos los factores utilizando multitud de agentes (multi-stakeholder appproach). Una vez determinados los factores se agruparon en una estructura de tres niveles. La importancia relativa de los cada uno de los factores para cada raza fue determinada por grupos de expertos en RGADs de los países integrados en el citado proyecto. Finalmente, desarrollamos un proceso de cuantificación para identificar y priorizar estrategias. La estructura de agrupación de factores permitió analizar el problema de la conservación desde el nivel general hasta el concreto. La unión de análisis específicos de cada una de las razas en un análisis DAFO común permitió evaluar la adecuación de las estrategias a cada caso concreto. Identificamos un total de 99 factores. El análisis reveló que mientras los factores menos importantes son muy consistentes entre razas, los factores y estrategias más relevantes son muy heterogéneos. La idoneidad de las estrategias fue mayor a medida que estas se hacían más generales. A pesar de dicha heterogeneidad, los factores influyentes y estrategias más importantes estaban ligados a aspectos positivos (fortalezas y oportunidades) lo que implica que el futuro de estas razas es prometedor. Los resultados de nuestro análisis también confirmaron la gran relevancia del valor cultural de estas razas. Las factores internos (fortalezas y debilidades) más importantes estaban relacionadas con los sistemas de producción y los ganaderos. Las oportunidades más relevantes estaban relacionadas con el desarrollo y marketing de nuevos productos mientras que las amenazas más importantes se encontraron a la hora de vender los productos actuales. Este resultado implica que sería fructífero trabajar en la motivación y colaboración entre ganaderos así como, en la mejora de sus capacidades. Concluimos que las políticas comunes europeas deberían centrarse en aspectos generales y ser los suficientemente flexibles para adaptarse a las singularidades de los países y las razas. Como ya se ha mencionado, los ganaderos juegan un papel esencial en la conservación y desarrollo de las razas autóctonas. Por ello es relevante entender que implicación puede tener la heterogeneidad de los mismos en la viabilidad de una raza. En la cuarta parte de la tesis hemos identificado tipos de ganaderos con el fin de entender cómo la relación entre la variabilidad de sus características socioeconómicas, los perfiles de las ganaderías y las dinámicas de las mismas. El análisis se ha realizado en un contexto sociológico, aplicando los conceptos de capital cultural y económico. Las tipologías se han determinado en función de factores socioeconómicos y culturales indicadores del capital cultural y capital económico de un individuo. Nuestro objetivo era estudiar si la tipología socioeconómica de los ganaderos afecta al perfil de su ganadería y a las decisiones que toman. Entrevistamos a 85 ganaderos de la raza Avileña-Negra Ibérica (ANI) y utilizamos los resultados de dichas entrevistas para ilustrar y testar el proceso. Definimos los tipos de ganaderos utilizando un análisis de clúster jerarquizado con un grupo de variables canónicas que se obtuvieron en función de cinco factores socioeconómicos: el nivel de educación del ganadero, el año en que empezó a ser ganadero de ANI, el porcentaje de los ingresos familiares que aporta la ganadería, el porcentaje de propiedad de la tierra de la explotación y la edad del ganadero. La tipología de los ganaderos de ANI resultó ser más compleja que en el pasado. Los resultados indicaron que los tipos de ganaderos variaban en muchos aspectos socioeconómicos y en los perfiles de sus Integration of socioeconomic and genetic aspects involved in the conservation of animal genetic resources 9 ganaderías. Los tipos de ganaderos determinados toman diferentes decisiones en relación a la modificación del tamaño de su ganadería y a sus objetivos de selección. Por otro lado, reaccionaron de forma diferente ante un hipotético escenario de reducción de las compensaciones económicas que les planteamos. En este estudio hemos visto que el capital cultural y el económico interactúan y hemos explicado como lo hacen en los distintos tipos de ganaderos. Por ejemplo, los ganaderos que poseían un mayor capital económico, capital cultural formal y capital cultural adquirido sobre la raza, eran los ganaderos cuyos animales tenían una mayor demanda por parte de otros ganaderos, lo cual podría responder a su mayor prestigio social dentro de la raza. Uno de los elementos claves para el futuro de la raza es si este prestigio responde a una superioridad genética de las animales. Esto ocurriría si los ganaderos utilizaran las herramientas que tienen a su disposición a la hora de seleccionar animales. Los tipos de ganaderos identificados mostraron también claras diferencias en sus formas de colaboración y en su reacción a una hipotética variación de las compensaciones económicas. Aunque algunos tipos de ganaderos mostraron un bajo nivel de dependencia a estas compensaciones, la mayoría se manifestaron altamente dependientes. Por ello cualquier cambio drástico en la política de ayudas puede comprometer el desarrollo de las razas autóctonas. La adaptación las políticas de compensaciones económicas a la heterogeneidad de los ganaderos podría aumentar la eficacia de las mismas por lo que sería interesante explorar posibilidades a este respecto. Concluimos destacando la necesidad de desarrollar políticas que tengan en cuenta la heterogeneidad de los ganaderos. Finalmente abordamos el estudio de la estructura genética de poblaciones ganaderas. Las decisiones de los ganaderos en relación a la selección de sementales y su número de descendientes configuran la estructura demográfica y genética de las razas. En la actualidad existe un interés renovado por estudiar las estructuras poblacionales debido a la influencia potencial de su estratificación sobre la predicción de valores genómicos y/o los análisis de asociación a genoma completo. Utilizamos dos métodos distintos, un algoritmo de clústeres basados en teoría de grafos (GCA) y un algoritmo de clustering bayesiano (STRUCTURE) para estudiar la estructura genética de la raza ANI. Prestamos especial atención al efecto de la presencia de parientes cercanos en la población y de la diferenciación genética entre subpoblaciones sobre el análisis de la estructura de la población. En primer lugar evaluamos el comportamiento de los dos algoritmos en poblaciones simuladas para posteriormente analizar los genotipos para 17 microsatélites de 13343 animales de 57 ganaderías distintas de raza ANI. La ANI es un ejemplo de raza con relaciones complejas. Por otro lado, utilizamos el archivo de pedigrí de la raza para estudiar el flujo de genes, calculando, entre otras cosas, la contribución de cada ganadería a la constitución genética de la raza. En el caso de las poblaciones simuladas, cuando el FST entre subpoblaciones fue suficientemente alto, ambos algoritmos, GCA y STRUCTURE, identificaron la misma estructura genética independientemente de que existieran o no relaciones familiares. Por el contrario, cuando el grado de diferenciación entre poblaciones fue bajo, el STRUCTURE identificó la estructura familiar mientras que GCA no permitió obtener ningún resultado concluyente. El GCA resultó ser un algoritmo más rápido y eficiente para de inferir la estructura genética en poblaciones con relaciones complejas. Este algoritmo también puede ser usado para reducir el número de clústeres a testar con el STRUTURE. En cuanto al análisis de la población de ANI, ambos algoritmos describieron la misma estructura, lo cual sugiere que los resultados son robustos. Se identificaron tres subpoblaciones diferenciadas que pudieran corresponderse con tres linajes distintos. Estos linajes estarían directamente relacionados con las ganaderías que han tenido una mayor contribución a la constitución genética de la raza. Por otro lado, hay un conjunto muy numeroso de individuos con una mezcla de orígenes. La información molecular describe una estructura estratificada de la población que se corresponde con la evolución demográfica de la raza. Es esencial analizar en mayor profundidad la composición de este último grupo de animales para determinar cómo afecta a la variabilidad genética de la población de ANI. SUMMARY Summary Livestock sector is gradually dominated by intensive and specialized systems where the production environment is controlled and the production traits are the main criteria for the selection of species and breeds. In the meantime, the traditional use of domestic animals for draught work, clothes and manure has been replaced by industrial products. As a consequence of both these changes, the intensively selected breeds closely linked with high-input highoutput production systems have displaced many native breeds where the selection has practically ceased or been very mild. People are now more aware of the state of endangerment among the native breeds and the previously ignored values of livestock are gaining recognition. For some decades now, the economic, socio-cultural, environmental and food security function of livestock breeds have been accepted worldwide and their loss has been recognized as a major problem. Therefore, the conservation of farm animal genetic resources (FAnGR) has been recommended. The conservation of FAnGR is controversial due to the complexity of the evaluation of its functions. This evaluation is difficult due to the nature of FAnGR both as private and public good. As some economists have highlighted, livestock animals are private goods, however, they are also public goods by their functions. Therefore, there is a need to increase the knowledge about the value of all livestock functions since to support the decision-making for the sustainable conservation and breeding of livestock. This is not straightforward since the relative importance of livestock functions depends on time, place, species and breed. Since livestock play a variety of roles, their production is driven by interrelated and everchanging economic, technical, environmental, social, cultural and political elements involving an enormous range of stakeholders. Not only FAnGR functions but also the importance of factors affecting the development and conservation of FAnGR can be very different across geographical areas. Furthermore, heterogeneity can be found even within breeds. Local breeds are nowadays raised by highly diverse farmers in equally diverse farms. It is quite reasonable to think that farmer is the major actor in the in situ conservation of livestock breeds. Thus, there is a need to understand the farmers’ motivations, decision making processes and the impact of their decisions on the genetic structure of breeds. In this PhD thesis we explore different social, economic and genetic aspects involved in the conservation of local cattle breeds, i.e. FAnGR, in Europe seeking to contribute to the scientific understanding of this complex issue. We aim to achieve a comprehensive view of the processes involved in the conservation and development of local cattle breeds and have made special efforts in discussing the implications of the research results in this respect. The final outcome of the thesis is to illustrate how quantitative methods can be exploited in designing and establishing sound strategies and programmes for the conservation and development of local livestock breeds. Firstly we explored the public non-market attributes of the total economic value (TEV) of livestock, using the Spanish Alistana-Sanabresa (AS) cattle breed as a case study. Total economic value of any good comprises both use and non-use components, where the latter include option, bequest and existence values. For livestock, the direct use values are mainly stemming from production outputs. Indirect use values relate to the role of livestock as a maintainer of rural culture and landscape. The option value is related to the potential use of livestock, the bequest values relate to the value associated with the inheritance of the resources to future generation and the existence values relate to the utility perceived by people from knowing that specific resources exist. We aimed to determine the relative importance of the non-market components of the TEV of the AS breed, the socio-economic variables that influence how people value the different components of TEV and to assess the implications of the Spanish national conservation strategy for the AS breed. To do so, we used a choice experiment (CE) approach and applied the technique to assess people’s willingness to pay (WTP) for the conservation of AS breed. The use of CE allows the valuation of the individual components of TEV for a given good. We analysed the choice data using a random parameter logit (RPL) model. AS breed was found to have a significant public good value. Its most important values were related to the indirect use value due to the maintenance of Zamorian culture and the existence value (both represent over 80% of its TEV). There were several socioeconomic variables influencing people’s valuation of the public service of the breed. In the case of AS breed, the place of living (city or rural area), having seen animals of the breed, having eaten breed products and the respondents’ attitude towards economic development – environment conflicts do influence people’s WTP for AS conservation. We also found that people do not have a complete picture of all the functions and roles that AS breed as AnGR. Therefore, the actions for increasing awareness of AS should go to that direction. The farmers will need incentives to exploit some of the public goods values and maintain the breed population size at socially desirable levels. One such mechanism could be related to the development of agritourism, which would enhance the private good value and provide an important addition to the conservation and utilisation strategy. However, the farmers need a serious evaluation on how to invest in niche product development or how to improve product quality and brand recognition. Using the understanding on the importance of the public function of local cattle we tried to depict the current diversity regarding technical, economic and social factors found in local cattle farming across Europe. To do so we focused in an international collaborative project on the case of fifteen local cattle breeds in eight European countries. We investigated the variation among the countries to detect the common key elements, which affect the viability of local breeds. We surveyed with interviews a total of 355 farms across the fifteen breeds. We used the planned herd size changes by the farmer as an indicator of breed viability. The questionnaire included several economic, technical and social aspects with potential influence on breeds’ demographic trends. We analysed the data using multivariate statistical techniques, such as discriminat analysis and logistic regression. The factors affecting a local breed’s viability were highly heterogeneous across Europe. In some countries, farmers did not recognise any high social value attached to keeping a local cattle breed. Hence there is a need to develop communication programmes across EU countries making people aware about the diversity and importance of values associated to raising local breeds. The countries were also very variable regarding the importance of local markets and the percentage of farm land owned by the farmers. Despite the country specificities, there were also common factors affecting the breed viability across Europe. The factors were from different grounds, from social, such as the age of the farmer and the social appreciation of their work, to technicalorganizational, such as the farmers’ attitude to collaborating with each other. The heterogeneity found reflects the variation in breeding systems and production environment (in the socioeconomic, technical and ecological sense) present in Europe. Therefore, caution should be taken in implementing common policies at the country level. Variability could also be rather high within countries due to breed specificities. Therefore, the national policies should be flexible to adapt to the specificities. The variables significantly associated with breed viability should be positively incorporated in the conservation strategies, and considered in developing common and/or national policies. The strategy preparation and policy planning should go beyond the provision of a general economic support to compensate farmers for the lower profitability of local breeds. Of particular interest is the observation that the opportunity for farmer collaboration and the appreciation by the society of the cultural, environmental and social role of local cattle farming were positively associated with the breed survival. In addition, farmer's high age is not only a problem of poor generation transfer but it is also a problem because it might lead to a lower attitude to investing in farming activities and to a lower ability to adapt to environment changes. The farmers’ adaptation capability may be a key point for the viability of local breeds. Decision making tools can help to get a comprehensive view on the conservation and development of local breeds. It allows us to use a systematic and structured approach for identifying and prioritizing conservation and development strategies. We used SWOT (Strengths, Weaknesses Opportunities and Threats) analysis for this purpose and recognized that many conservation and development projects rely on farmers. We developed a quantified SWOT method and applied it in the aforementioned collaborative research to a set of thirteen cattle breeds in six European countries. The method has four steps: definition of the system, identification and grouping of the driving factors, quantification of the importance of driving factors and identification and prioritization of the strategies. The factors were determined following a multi-stakeholder approach and grouped with a three level structure. FAnGR expert groups ranked the factors and a quantification process was implemented to identify and prioritize strategies. The structure of the SWOT analysis allowed analyzing the conservation problem from general down to specific perspectives. Joining breed specific analyses into a common SWOT analysis permitted comparison of breed cases across countries. We identified 99 driving factors across breeds. The across breed analysis revealed that irrelevant factors were consistent. There was high heterogeneity among the most relevant factors and strategies. The strategies increased eligibility as they lost specificity. Although the situation was very heterogeneous, the most promising factors and strategies were linked to the positive aspects (Strengths and Opportunities). Therefore, the future of the studied local breed is promising. The results of our analysis also confirmed the high relevance of the cultural value of the breeds. The most important internal factors (strengths and weaknesses) were related farmers and production systems. The most important opportunities were found in developing and marketing new products, while the most relevant threats were found in selling the current conventional products. In this regard, it should be fruitful to work on farmers’ motivation, collaboration, and capacity building. We conclude that European policies should focus on general aspects and be flexible enough to be adapted to the country and breed specificities. As mentioned, farmers have a key role in the conservation and development of a local cattle breed. Therefore, it is very relevant to understand the implications of farmer heterogeneity within a breed for its viability. In the fourth part of the thesis, we developed a general farmer typology to help analyzing the relations between farmer features and farm profiles, herd dynamics and farmers’ decision making. In the analysis we applied and used the sociological framework of economic and cultural capital and studied how the determined farmer types were linked to farm profiles and breeding decisions, among others. The typology was based on measurable socioeconomic factors indicating the economic and cultural capital of farmers. A group of 85 farmers raising the Spanish Avileña-Negra Ibérica (ANI) local cattle breed was used to illustrate and test the procedure. The farmer types were defined by a hierarchical cluster analysis with a set of canonical variables derived from the following five the socioeconomic factors: the formal educational level of the farmer, the year the farmer started keeping the ANI breed, the percentage of the total family income covered by the farm, the percentage of the total farm land owned by the farmer and the farmer’s age. The present ANI farmer types were much more complex than what they were in the past. We found that the farmer types differed in many socioeconomic aspects and in the farms profile. Furthermore, the types also differentiate farmers with respect to decisions about changing the farm size, breeding aims and stated reactions towards hypothetical subsidy variation. We have verified that economic and cultural capitals are not independent and further showed how they are interacting in the different farmer types. The farmers related to the types with high economic, institutionalized and embodied cultural capitals had a higher demand of breeding animals from others farmers of the breed, which may be related to the higher social prestige within the breed. One of the key implications of this finding for the future of the breed is whether or not the prestige of farmers is related to genetic superiority of their animals, what is to say, that it is related with a sound use of tools that farmers have available to make selection decisions. The farmer types differed in the form of collaboration and in the reactions to the hypothetical variation in subsidies. There were farmers with low dependency on subsidies, while most of them are highly dependent on subsidies. Therefore, any drastic change in the subsidy programme might have influence on the development of local breeds. The adaptation of these programme to the farmers’ heterogeneity might increase its efficacy, thus it would be interesting to explore ways of doing it. We conclude highlighting the need to have a variety of policies, which take into account the heterogeneity among the farmers. To finish we dealt with the genetic structure of livestock populations. Farmers’ decisions on the breeding animals and their progeny numbers shape the demographic and genetic structure of the breeds. Nowadays there is a renovated interest in studying the population structure since it can bias the prediction of genomic breeding values and genome wide association studies. We determined the genetic structure of ANI breed using two different methods, a graphical clustering algorithm (GCA) and a Bayesian clustering algorithm (STRUCTURE) were used. We paid particular attention to the influence that the presence of closely related individuals and the genetic differentiation of subpopulations may have on the inferences about the population structure. We first evaluated the performance of the algorithms in simulated populations. Then we inferred the genetic structure of the Spanish cattle breed ANI analysing a data set of 13343 animals (genotyped for 17 microsatellites) from 57 herds. ANI breed is an example of a population with complex relationships. We used the herdbook to study the gene flow, estimation among other things, the contribution of different herds to the genetic composition of the ANI breed. For the simulated scenarios, when FST among subpopulations was sufficiently high, both algorithms consistently inferred the correct structure regardless of the presence of related individuals. However, when the genetic differentiation among subpopulations was low, STRUCTURE identified the family based structure while GCA did not provide any consistent picture. The GCA was a fast and efficient method to infer genetic structure to determine the hidden core structure of a population with complex history and relationships. GCA could also be used to narrow down the number of clusters to be tested by STRUCTURE. Both, STRUCTURE and GCA describe a similar structure for the ANI breed suggesting that the results are robust. ANI population was found to have three genetically differentiated clusters that could correspond to three genetic lineages. These are directly related to the herds with a major contribution to the breed. In addition, ANI breed has also a large pool made of individuals with an admixture of origins. The genetic structure of ANI, assessed by molecular information, shows a stratification that corresponds to the demographic evolution of the breed. It will be of great importance to learn more about the composition of the pool and study how it is related to the existing genetic variability of the breed.

Contribution to multiuser videoconferencing systems based on cloud computing

Multi-user videoconferencing systems offer communication between more than two users, who are able to interact through their webcams, microphones and other components. The use of these systems has been increased recently due to, on the one hand, improvements in Internet access, networks of companies, universities and houses, whose available bandwidth has been increased whilst the delay in sending and receiving packets has decreased. On the other hand, the advent of Rich Internet Applications (RIA) means that a large part of web application logic and control has started to be implemented on the web browsers. This has allowed developers to create web applications with a level of complexity comparable to traditional desktop applications, running on top of the Operating Systems. More recently the use of Cloud Computing systems has improved application scalability and involves a reduction in the price of backend systems. This offers the possibility of implementing web services on the Internet with no need to spend a lot of money when deploying infrastructures and resources, both hardware and software. Nevertheless there are not many initiatives that aim to implement videoconferencing systems taking advantage of Cloud systems. This dissertation proposes a set of techniques, interfaces and algorithms for the implementation of videoconferencing systems in public and private Cloud Computing infrastructures. The mechanisms proposed here are based on the implementation of a basic videoconferencing system that runs on the web browser without any previous installation requirements. To this end, the development of this thesis starts from a RIA application with current technologies that allow users to access their webcams and microphones from the browser, and to send captured data through their Internet connections. Furthermore interfaces have been implemented to allow end users to participate in videoconferencing rooms that are managed in different Cloud provider servers. To do so this dissertation starts from the results obtained from the previous techniques and backend resources were implemented in the Cloud. A traditional videoconferencing service which was implemented in the department was modified to meet typical Cloud Computing infrastructure requirements. This allowed us to validate whether Cloud Computing public infrastructures are suitable for the traffic generated by this kind of system. This analysis focused on the network level and processing capacity and stability of the Cloud Computing systems. In order to improve this validation several other general considerations were taken in order to cover more cases, such as multimedia data processing in the Cloud, as research activity has increased in this area in recent years. The last stage of this dissertation is the design of a new methodology to implement these kinds of applications in hybrid clouds reducing the cost of videoconferencing systems. Finally, this dissertation opens up a discussion about the conclusions obtained throughout this study, resulting in useful information from the different stages of the implementation of videoconferencing systems in Cloud Computing systems. RESUMEN Los sistemas de videoconferencia multiusuario permiten la comunicación entre más de dos usuarios que pueden interactuar a través de cámaras de video, micrófonos y otros elementos. En los últimos años el uso de estos sistemas se ha visto incrementado gracias, por un lado, a la mejora de las redes de acceso en las conexiones a Internet en empresas, universidades y viviendas, que han visto un aumento del ancho de banda disponible en dichas conexiones y una disminución en el retardo experimentado por los datos enviados y recibidos. Por otro lado también ayudó la aparación de las Aplicaciones Ricas de Internet (RIA) con las que gran parte de la lógica y del control de las aplicaciones web comenzó a ejecutarse en los mismos navegadores. Esto permitió a los desarrolladores la creación de aplicaciones web cuya complejidad podía compararse con la de las tradicionales aplicaciones de escritorio, ejecutadas directamente por los sistemas operativos. Más recientemente el uso de sistemas de Cloud Computing ha mejorado la escalabilidad y el abaratamiento de los costes para sistemas de backend, ofreciendo la posibilidad de implementar servicios Web en Internet sin la necesidad de grandes desembolsos iniciales en las áreas de infraestructuras y recursos tanto hardware como software. Sin embargo no existen aún muchas iniciativas con el objetivo de realizar sistemas de videoconferencia que aprovechen las ventajas del Cloud. Esta tesis doctoral propone un conjunto de técnicas, interfaces y algoritmos para la implentación de sistemas de videoconferencia en infraestructuras tanto públicas como privadas de Cloud Computing. Las técnicas propuestas en la tesis se basan en la realización de un servicio básico de videoconferencia que se ejecuta directamente en el navegador sin la necesidad de instalar ningún tipo de aplicación de escritorio. Para ello el desarrollo de esta tesis parte de una aplicación RIA con tecnologías que hoy en día permiten acceder a la cámara y al micrófono directamente desde el navegador, y enviar los datos que capturan a través de la conexión de Internet. Además se han implementado interfaces que permiten a usuarios finales la participación en salas de videoconferencia que se ejecutan en servidores de proveedores de Cloud. Para ello se partió de los resultados obtenidos en las técnicas anteriores de ejecución de aplicaciones en el navegador y se implementaron los recursos de backend en la nube. Además se modificó un servicio ya existente implementado en el departamento para adaptarlo a los requisitos típicos de las infraestructuras de Cloud Computing. Alcanzado este punto se procedió a analizar si las infraestructuras propias de los proveedores públicos de Cloud Computing podrían soportar el tráfico generado por los sistemas que se habían adaptado. Este análisis se centró tanto a nivel de red como a nivel de capacidad de procesamiento y estabilidad de los sistemas. Para los pasos de análisis y validación de los sistemas Cloud se tomaron consideraciones más generales para abarcar casos como el procesamiento de datos multimedia en la nube, campo en el que comienza a haber bastante investigación en los últimos años. Como último paso se ideó una metodología de implementación de este tipo de aplicaciones para que fuera posible abaratar los costes de los sistemas de videoconferencia haciendo uso de clouds híbridos. Finalmente en la tesis se abre una discusión sobre las conclusiones obtenidas a lo largo de este amplio estudio, obteniendo resultados útiles en las distintas etapas de implementación de los sistemas de videoconferencia en la nube.

A proposal for a flexible scheduling and memory management scheme for non-deterministic, andparallel execution of logic programs

In this paper, we examine the issue of memory management in the parallel execution of logic programs. We concentrate on non-deterministic and-parallel schemes which we believe present a relatively general set of problems to be solved, including most of those encountered in the memory management of or-parallel systems. We present a distributed stack memory management model which allows flexible scheduling of goals. Previously proposed models (based on the "Marker model") are lacking in that they impose restrictions on the selection of goals to be executed or they may require consume a large amount of virtual memory. This paper first presents results which imply that the above mentioned shortcomings can have significant performance impacts. An extension of the Marker Model is then proposed which allows flexible scheduling of goals while keeping (virtual) memory consumption down. Measurements are presented which show the advantage of this solution. Methods for handling forward and backward execution, cut and roll back are discussed in the context of the proposed scheme. In addition, the paper shows how the same mechanism for flexible scheduling can be applied to allow the efficient handling of the very general form of suspension that can occur in systems which combine several types of and-parallelism and more sophisticated methods of executing logic programs. We believe that the results are applicable to many and- and or-parallel systems.

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

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

The dicode workbench: A flexible framework for the integration of information and web services

Aiming to address requirements concerning integration of services in the context of ?big data?, this paper presents an innovative approach that (i) ensures a flexible, adaptable and scalable information and computation infrastructure, and (ii) exploits the competences of stakeholders and information workers to meaningfully confront information management issues such as information characterization, classification and interpretation, thus incorporating the underlying collective intelligence. Our approach pays much attention to the issues of usability and ease-of-use, not requiring any particular programming expertise from the end users. We report on a series of technical issues concerning the desired flexibility of the proposed integration framework and we provide related recommendations to developers of such solutions. Evaluation results are also discussed.

Real time passenger information systems and quality of bus services

One of the main problems in urban areas is the steady growth in car ownership and traffic levels. Therefore, the challenge of sustainability is focused on a shift of the demand for mobility from cars to collective means of transport. For this end, buses are a key element of the public transport systems. In this respect Real Time Passenger Information (RTPI) systems help citizens change their travel behaviour towards more sustainable transport modes. This paper provides an assessment methodology which evaluates how RTPI systems improve the quality of bus services in two European cities, Madrid and Bremerhaven. In the case of Madrid, bus punctuality has increased by 3%. Regarding the travellers perception, Madrid raised its quality of service by 6% while Bremerhaven increased by 13%. On the other hand, the users ́ perception of Public Transport (PT) image increased by 14%.

Evaluación de protocolos de encaminamiento en una red inalámbrica mallada desplegada en una zona rural

The implementation of wireless communication systems in rural areas through the deployment of data networks in infrastructure mode is often inadequate due to its high cost and no fault tolerant centralized structure. Mesh networks can overcome these limitations while increases the coverage area in a more flexible way. This paper proposes the performance evaluation of the routing protocols IEEE 802.11s and Batman-Adv on an experimental wireless mesh network deployed in a rural environment called Lachocc, which is a community located at 4700 MASL in the Huancavelica region in Peru. The evaluation was based on the measurement of quality of service parameters such as bandwidth, delay and delay variation. As a result, it was determined that both protocols offer a good performance, but in most of the cases, Batman-Adv provides slightly better performance

New selective earth faults only current directional method for isolated neutral systems

In order to achieve total selectivity at electrical distribution networks it is of great importance to analyze the defect currents at ungrounded power systems. This information will help to grant selectivity at electrical distribution networks ensuring that only the defect line or feeder is removed from service. In the present work a new selective and directional protection method for ungrounded power systems is evaluated. The new method measures only defect currents to detect earth faults and works with a directional criterion to determine the line under faulty conditions. The main contribution of this new technique is that it can detect earth faults in outgoing lines at any type of substation avoiding the possible mismatch of traditional directional earth fault relays. This detection technique is based on the comparison of the direction of a reference current to the direction of all earth fault capacitive currents at all the feeders connected to the same bus bars. This new method has been validated through computer simulations. The results for the different cases studied are remarkable, proving total validity and usefulness of the new method.

Dreams: A tool for the design of dynamically reconfigurable embedded and modular systems

Dynamically Reconfigurable Systems are attracting a growing interest, mainly due to the emergence of novel applications based on this technology. However, commercial tools do not provide enough flexibility to design solutions, while keeping an acceptable design productivity. In this paper, a novel design flow is proposed, targeting dynamically reconfigurable systems. It is fully supported by a tool called Dreams, which is able to implement flexible systems, starting from a set of netlists corresponding to the modules, as well as a system description provided by the user. The tool automatically post-processes the nets, implementing a solution for the communications between reconfigurable regions, as well as the handling of routing conflicts, by means of a custom router. Since the design process of every module and the static system are independent, the proposed flow is compatible with system upgrade at run-time. In this paper, a use case corresponding to the design of a highly regular and parallel mesh-type architecture is described, in order to show the architectural flexibility offered by the tool.

A Coreference Service for Enterprise Application Integration using Linked Data

The use of semantic and Linked Data technologies for Enterprise Application Integration (EAI) is increasing in recent years. Linked Data and Semantic Web technologies such as the Resource Description Framework (RDF) data model provide several key advantages over the current de-facto Web Service and XML based integration approaches. The flexibility provided by representing the data in a more versatile RDF model using ontologies enables avoiding complex schema transformations and makes data more accessible using Web standards, preventing the formation of data silos. These three benefits represent an edge for Linked Data-based EAI. However, work still has to be performed so that these technologies can cope with the particularities of the EAI scenarios in different terms, such as data control, ownership, consistency, or accuracy. The first part of the paper provides an introduction to Enterprise Application Integration using Linked Data and the requirements imposed by EAI to Linked Data technologies focusing on one of the problems that arise in this scenario, the coreference problem, and presents a coreference service that supports the use of Linked Data in EAI systems. The proposed solution introduces the use of a context that aggregates a set of related identities and mappings from the identities to different resources that reside in distinct applications and provide different views or aspects of the same entity. A detailed architecture of the Coreference Service is presented explaining how it can be used to manage the contexts, identities, resources, and applications which they relate to. The paper shows how the proposed service can be utilized in an EAI scenario using an example involving a dashboard that integrates data from different systems and the proposed workflow for registering and resolving identities. As most enterprise applications are driven by business processes and involve legacy data, the proposed approach can be easily incorporated into enterprise applications.

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.

Large-Scale smart grids as system of systems

Smart Grids are advanced power networks that introduce intelligent management, control, and operation systems to address the new challenges generated by the growing energy demand and the appearance of renewal energies. In the literature, Smart Grids are presented as an exemplar SoS: systems composed of large heterogeneous and independent systems that leverage emergent behavior from their interaction. Smart Grids are currently scaling up the electricity service to millions of customers. These Smart Grids are known as Large-Scale Smart Grids. From the experience in several projects about Large-Scale Smart Grids, this paper defines Large-Scale Smart Grids as a SoS that integrate a set of SoS and conceptualizes the properties of this SoS. In addition, the paper defines the architectural framework for deploying the software architectures of Large-Scale Smart Grid SoS.

Quality of bus services performance: benefits of real time passenger information systems

One of the main problems in urban areas is the steady growth in car ownership and traffic levels. Therefore, the challenge of sustainability is focused on a shift of the demand for mobility from cars to collective means of transport. For this purpose, buses are a key element of the public transport systems. In this respect Real Time Passenger Information (RTPI) systems help people change their travel behaviour towards more sustainable transport modes. This paper provides an assessment methodology which evaluates how RTPI systems improve the quality of bus services performance in two European cities, Madrid and Bremerhaven. In the case of Madrid, bus punctuality has increased by 3%. Regarding the travellers perception, Madrid raised its quality of service by 6% while Bremerhaven increased by 13%. On the other hand, the users¿ perception of Public Transport (PT) image increased by 14%.

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

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

Force sensor of a climbing robot derived from its own flexible structure

One of the most important design constraints of a climbing robot is its own weight. When links or legs are used as a locomotion system they tend to be composed of special lightweight materials, or four-bars-linkage mechanisms are designed to reduce the weight with small rigidity looses. In these cases, flexibility appears and undesirable effects, such as dynamics vibrations, must be avoided at least when the robot moves at low speeds. The knowledge of the real tip position requires the computation of its compliance or stiffness matrix and the external forces applied to the structure. Gravitational forces can be estimated, but external tip forces need to be measured. This paper proposes a strain gauge system which achieves the following tasks: (i) measurement of the external tip forces, and (ii) estimation of the real tip position (including flexibility effects). The main advantages of the proposed system are: (a) the use of external force sensors is avoided, and (b) a substantial reduction of the robot weight is achieved in comparison with other external force measurement systems. The proposed method is applied to a real symmetric climbing robot and experimental results are presented.