On solving fair exchange and related distributed problems in Byzantine environments

Abstract The solvability of the problem of fair exchange in a synchronous system subject to Byzantine failures is investigated in this work. The fair exchange problem arises when a group of processes are required to exchange digital items in a fair manner, which means that either each process obtains the item it was expecting or no process obtains any information on, the inputs of others. After introducing a novel specification of fair exchange that clearly separates safety and liveness, we give an overview of the difficulty of solving such a problem in the context of a fully-connected topology. On one hand, we show that no solution to fair exchange exists in the absence of an identified process that every process can trust a priori; on the other, a well-known solution to fair exchange relying on a trusted third party is recalled. These two results lead us to complete our system model with a flexible representation of the notion of trust. We then show that fair exchange is solvable if and only if a connectivity condition, named the reachable majority condition, is satisfied. The necessity of the condition is proven by an impossibility result and its sufficiency by presenting a general solution to fair exchange relying on a set of trusted processes. The focus is then turned towards a specific network topology in order to provide a fully decentralized, yet realistic, solution to fair exchange. The general solution mentioned above is optimized by reducing the computational load assumed by trusted processes as far as possible. Accordingly, our fair exchange protocol relies on trusted tamperproof modules that have limited communication abilities and are only required in key steps of the algorithm. This modular solution is then implemented in the context of a pedagogical application developed for illustrating and apprehending the complexity of fair exchange. This application, which also includes the implementation of a wide range of Byzantine behaviors, allows executions of the algorithm to be set up and monitored through a graphical display. Surprisingly, some of our results on fair exchange seem contradictory with those found in the literature of secure multiparty computation, a problem from the field of modern cryptography, although the two problems have much in common. Both problems are closely related to the notion of trusted third party, but their approaches and descriptions differ greatly. By introducing a common specification framework, a comparison is proposed in order to clarify their differences and the possible origins of the confusion between them. This leads us to introduce the problem of generalized fair computation, a generalization of fair exchange. Finally, a solution to this new problem is given by generalizing our modular solution to fair exchange

Kassanhallintakäytännöt Suomen kunnissa

Kassanhallintakirjallisuus on pitkälti normatiivista tai yksittäisiä kohteita ja niiden kassanhallinnanosa-alueita tarkastelevaa case-tutkimusta. Sen sijaan kassanhallintaa laajalla tutkimuskohdejoukolla strategia- ja järjestelmävalintojen näkökulmasta tarkastelevia tutkimuksia on tehty vain vähän. Tämä suomalaista kuntakenttää tarkastelevaeksploratiivinen tutkimus antaa kuvan rakenne-, strategia- ja järjestelmävalinnoista, joita kunnat ovat painottaneet kassanhallinnassaan vuosina 2000 - 2002. Tutkimuksen metodologisena viitekehyksenä käytetty kontingenssilähestymistapaan pohjautuva konfiguratiivinen systeemimalli mahdollisti suuren tutkimuskohdejoukonstrategia- ja järjestelmäkäytäntöjen erojen kvantitatiivisen analysoinnin. Ryhmittelyanalyysin avulla tutkimusdatasta muodostui neljä strategia- ja järjestelmäpainotuksiltaan toisistaan eroavaa kuntaryhmää, ja tutkimustulokset osoittivat kuntien kassanhallintakäytäntöjen olevan hyvin samankaltaisia yksityissektorin vastaaviin käytäntöihin verrattuna; myös julkissektorin kassanhallinnassa painotetaan kustannustehokkuutta. Kustannustehokkuusstrategian rinnalla vastaajakunnat painottivat sijoitus-, lainanhoito- ja riskienhallintastrategioita sekä em. strategioiden toteuttamista tukevia rakenne- ja järjestelmävalintoja. Myös pienempienkuntien havaittiin tukeutuneen samoihin strategia- ja järjestelmäpainotuksiin kuin isommat kunnat, vaikka esim. järjestelmien käytännön tietohallintaratkaisuissa saattaa esiintyä kuntakoosta johtuvia eroja. Lisäksi joustavuusstrategian painoarvo osana kuntien kassanhallintastrategioita oli suuri. Tämä on johdonmukaista, sillä kassapositioiden ennakoimattomat muutokset edellyttävät nopeaa päätöksentekoa. Kustannustehokkuusajattelulla, kassanhoitokokonaisuuden ymmärtämisellä ja uusien kassanhoitotekniikoiden sekä rahoitusinstrumenttien selektiivisellä käytöllä on mahdollista vaikuttaa kuntien rahoituksenhoidon nettokustannuksiin.

Kulmastabiilisuuden mallinnus

Työn tavoitteena oli kartoittaa vaihtoehtoisia menetelmiä perinteiselle aikatasossa tapahtuvalle kulmastabiilisuuden mallinnukselle käyttövarmuustarkastelussa. Vaihtoehtoisiin menetelmiin tutustuttiin kirjallisuuden avulla ja valittiin menetelmä testattavaksi pohjoismaisessa yhteiskäyttöjärjestelmässä. Vaihtoehtoisen menetelmän ominaisuusvaatimuksiin kuului nopeampi laskenta, luotettava stabiilien ja epästabiilien tilanteiden seulontakyky ja menetelmän antama indeksi stabiilisuus-/epästabiilisuusasteesta. Pääasiassa menetelmät, joihin tutustuttiin, arvioivat vain transienttia stabiilisuutta. SIME-menetelmä soveltui myös dynaamisen stabiilisuuden arviointiin. Suomessa voi dynaamisella stabiilisuudella olla tulevaisuudessa merkittävä rooli käyttövarmuustarkasteluissa. SIME-menetelmän toimivuutta testattiin osin yksinkertaistetulla Nordel-verkkomallilla, ja saadut tulokset olivat lupaavia. Menetelmä täytti uudelle menetelmälle asetetut vaatimukset, vaikka ongelmiakin esiintyi. Testauksessa käytetyn menetelmän edelleen kehittäminen ja menetelmän testaaminen täydellisellä verkkomallilla on suositeltavaa.

Virtuaaliprototyypin käyttö kallioporakoneen dynamiikan analysoinnissa

Työn tavoitteena oli selvittää kaupallisen dynamiikan simulointiohjelmiston soveltuvuus kallioporakoneen dynamiikan analysointiin. Työssä mallinnettiin parametrisoitu virtuaaliprototyyppi uudenlaisella toimintaperiaatteella toimivasta kallioporakoneesta. Virtuaaliprototyyppiä on tarkoitus käyttää fyysisen prototyypin mitoituksessa sekä porakoneen toiminnan simuloinnissa ja suorituskyvyn arvioinnissa ennen ensimmäisen fyysisen prototyypin valmistamista. Mallinnus tehtiin ADAMS -ohjelmistoa ja siihen liitettävää ADAMS/Hydraulics -moduulia käyttäen. Mallinnuksessa kiinnitettiin huomiota erityisesti porakoneessa esiintyvien vuotovirtauksien huomioimiseen. ADAMS -ohjelmisto soveltuu hyvin hydraulisen iskuporakoneen dynaamisten ilmiöiden simulointiin. Koska fyysistä prototyyppiä ei ole vielä olemassa, ei mallin toimintaa voida kuitenkaan tämän tutkimuksen puitteissa verifioida mittauksin. Simuloitujen tulosten perusteella voidaan todeta uuden toimintaperiaatteen olevan käyttökelpoinen kallion poraukseen. Parametrisoitua virtuaaliprototyyppiä voidaan käyttää tehokkaasti hyväksi tuotekehitysvaiheessa sekä se voidaan liittää osaksi laajempaa ja yksityiskohtaisempaa porauslaitteen simulointimallia.

Yhtenäistetyn mallinnuskielen hyödyntäminen betoniaseman ohjausjärjestelmän kehityksessä

Yhtenäistetty mallinnuskieli, Unified Modeling Language (UML), on saavuttanut ohjelmistoteollisuudessa defacto standardin mallinnuskielen aseman. UML:n pääasiallinen käyttökohde on ollut ohjelmistojärjestelmien mallinnus, mutta sitä on sovellettu myös muillakin ongelma-alueilla, kuten erilaisten prosessien mallinnuksessa. Tässä diplomityössä mallinnetaan eräs betoniaseman ohjausjärjestelmä käyttäen UML:ää. Työssä perehdytään alan kirjallisuuden avulla siihen, miten teollisuus on hyödyntänyt UML:ää prosessien ohjausjärjestelmien mallinnuksessa. Kirjallisuudesta saatua tietoa sovelletaan betoniaseman ohjausjärjestelmän mallinnuksessa. Luotua mallia analysoidaan sen oikeellisuuden ja käytettävyyden perusteella. Työssä havaittiin, että UML soveltuu hyvin betoniaseman ohjausjärjestelmän kaltaisen teollisuusprosessin ohjauksen mallinnukseen. UML-mallilla voidaan kuvata järjestelmän rakenne ja toiminta kattavasti. Luotua mallia voidaan hyödyntää suoraan ohjausjärjestelmän jatkokehityksessä. Julkista tutkimustietoa aiheesta on kuitenkin niukasti saatavilla, joten lisätarve julkiselle tutkimukselle on olemassa.

Suorituskyvyn analysointijärjestelmän rakentaminen pk-yrityksessä

Tutkimuksen päätavoite oli kehittää suorituskyvyn analysointijärjestelmä metalliteollisuuden alihankintaa suorittavalle pk-yritykselle. Lisäksi tutkittiin toimintatapoja, jotka edesauttavat menestyksekkään analysointijärjestelmän rakentamista. Tutkimuksessa käsiteltiin myös mittausjärjestelmän hyötyjä ja haittoja pk-yritykselle. Tutkimuksen teoreettisessa osassa käsitellään yleisesti suorituskykyä, esitellään erilaisia suorituskyvyn analysointijärjestelmiä ja selvitetään järjestelmien eroja. Lisäksi esitellään erilaisia prosessimalleja, joiden avulla yritys voi rakentaa suorituskyvyn analysointijärjestelmän. Tutkimuksen empiirisessä osassa esitellään yrityksessä läpikäyty prosessimalli, jonka avulla rakennettiin suorituskyvyn analysointijärjestelmä. Yrityksessä läpikäydyn prosessin pohjana toimi SAKE-prosessimalli, mutta ideoita haettiin myös Toivasen mallista. Tutkimuksen tuloksena syntyi teoreettinen paketti suorituskyvyn analysoinnista ja malli suorituskyvyn analysointijärjestelmästä. Teoreettinen paketti toimi hyvänä pohjana ja tarjosi taustatietoa aiheesta projektissa mukana olleille henkilöille. Tutkimuksen tuloksena syntynyt malli soveltuu parhaiten metallin mekaanista työstöä suorittavalle yritykselle, mutta myös muut yritykset voivat ottaa tästä mallia. Hyödyllisimmäksi näkökulmaksi voi nostaa itse prosessin, jonka avulla päästään tarkastelemaan yrityksen menestymisen taustalla olevia tekijöitä.

Control of permanent magnet linear synchronous motor in motion control applications

The aim of the thesis is to study the principles of the permanent magnet linear synchronous motor (PMLSM) and to develop a simulator model of direct force controlled PMLSM. The basic motor model is described by the traditional two-axis equations. The end effects, cogging force and friction model are also included into the final motor model. Direct thrust force control of PMLSM is described and modelled. The full system model is proven by comparison with the data provided by the motor manufacturer.

Analyzing the cost-efficiency and performance of a payroll department by benchmarking

Tämän diplomityön tavoitteena oli analysoida Stora Enson palkkakeskuksen ja sen henkilöstöhallinnon järjestelmän, SAP HR:n, kustannustehokkuutta ja suorituskykyä. Tutkimuksessa käytettiin apuna benchmarkingia. Viisi suurta suomalaisyritystä osallistui benchmarkingiin. Benchmarkingin pääkohteena oli yritysten välinen kustannusvertailu. Kyselyssä perehdyttiin myös yritysten järjestelmien suorituskykyyn. Tuloksien perusteella Stora Enson palkkakeskus tarjoaa kustannustehokkaan ja kilpailukykyisen ratkaisun, joka menestyy hyvin vertailussa muihin suomalaisiin yrityksiin.

Centralized Motion Control of a Linear Tooth Belt Drive: Analysis of the Performance and Limitations

A centralized robust position control for an electrical driven tooth belt drive is designed in this doctoral thesis. Both a cascaded control structure and a PID based position controller are discussed. The performance and the limitations of the system are analyzed and design principles for the mechanical structure and the control design are given. These design principles are also suitable for most of the motion control applications, where mechanical resonance frequencies and control loop delays are present. One of the major challenges in the design of a controller for machinery applications is that the values of the parameters in the system model (parameter uncertainty) or the system model it self (non-parametric uncertainty) are seldom known accurately in advance. In this thesis a systematic analysis of the parameter uncertainty of the linear tooth beltdrive model is presented and the effect of the variation of a single parameter on the performance of the total system is shown. The total variation of the model parameters is taken into account in the control design phase using a Quantitative Feedback Theory (QFT). The thesis also introduces a new method to analyze reference feedforward controllers applying the QFT. The performance of the designed controllers is verified by experimentalmeasurements. The measurements confirm the control design principles that are given in this thesis.

Construction and calibration of TDR probes for volumetric water content estimation in a Distroferric Red Latosol

The determination of volumetric water content of soils is an important factor in irrigation management. Among the indirect methods for estimating, the time-domain reflectometry (TDR) technique has received a significant attention. Like any other technique, it has advantages and disadvantages, but its greatest disadvantage is the need of calibration and high cost of acquisition. The main goal of this study was to establish a calibration model for the TDR equipment, Trase System Model 6050X1, to estimate the volumetric water content in a Distroferric Red Latosol. The calibration was carried out in a laboratory with disturbed soil samples under study, packed in PVC columns of a volume of 0.0078m³. The TDR probes were handcrafted with three rods and 0.20m long. They were vertically installed in soil columns, with a total of five probes per column and sixteen columns. The weightings were carried out in a digital scale, while daily readings of dielectric constant were obtained in TDR equipment. The linear model θν = 0.0103 Ka + 0.1900 to estimate the studied volumetric water content showed an excellent coefficient of determination (0.93), enabling the use of probes in indirect estimation of soil moisture.

Energy-efficient control strategies for variable speed driven parallel pumping systems based on pump operation point monitoring with frequency converters

The pumping processes requiring wide range of flow are often equipped with parallelconnected centrifugal pumps. In parallel pumping systems, the use of variable speed control allows that the required output for the process can be delivered with a varying number of operated pump units and selected rotational speed references. However, the optimization of the parallel-connected rotational speed controlled pump units often requires adaptive modelling of both parallel pump characteristics and the surrounding system in varying operation conditions. The available information required for the system modelling in typical parallel pumping applications such as waste water treatment and various cooling and water delivery pumping tasks can be limited, and the lack of real-time operation point monitoring often sets limits for accurate energy efficiency optimization. Hence, alternatives for easily implementable control strategies which can be adopted with minimum system data are necessary. This doctoral thesis concentrates on the methods that allow the energy efficient use of variable speed controlled parallel pumps in system scenarios in which the parallel pump units consist of a centrifugal pump, an electric motor, and a frequency converter. Firstly, the suitable operation conditions for variable speed controlled parallel pumps are studied. Secondly, methods for determining the output of each parallel pump unit using characteristic curve-based operation point estimation with frequency converter are discussed. Thirdly, the implementation of the control strategy based on real-time pump operation point estimation and sub-optimization of each parallel pump unit is studied. The findings of the thesis support the idea that the energy efficiency of the pumping can be increased without the installation of new, more efficient components in the systems by simply adopting suitable control strategies. An easily implementable and adaptive control strategy for variable speed controlled parallel pumping systems can be created by utilizing the pump operation point estimation available in modern frequency converters. Hence, additional real-time flow metering, start-up measurements, and detailed system model are unnecessary, and the pumping task can be fulfilled by determining a speed reference for each parallel-pump unit which suggests the energy efficient operation of the pumping system.

Operatiivisen tason suorituskyvyn mallimittariston kehittäminen logistiikkapalveluyritykselle

Tutkimuksen tavoitteena oli kehittää mallimittaristo logistiikkapalvelualalla toimivan yrityksen operatiivisen tason suorituskyvyn seurantaan ja toiminnanohjausta varten, päivittäisen johtamisen tueksi. Tutkimus suoritettiin pääosin toiminta-analyyttisena, yhden yrityksen empiirisenä tapaustutkimuksena. Tutkimuksen kohdeyrityksen toiminnanmittaus perustuu tällä hetkellä pääasiassa taloudellisiin mittareihin ja muutamaan kyselyyn. Toiminnanohjauksen ja – kehittämisen, päätöksenteon tueksi tarvitaan, taloudellisten mittareiden lisäksi, mittareita, joilla pystytään seuraamaan suorituskyvyn taustalla vaikuttavien tekijöiden kehittymistä. Tutkimuksen kohdeyrityksen operatiivisen tason suorituskyvyn mallimittariston suunnittelussa haluttiin varmistaa, että jatkossa mittaamisella vaikutettaisiin seuraustekijöiden lisäksi myös syytekijöihin, selkiyttää liiketoiminnan tavoitteet, operatiivisen tason näkökulmasta, ja mittaamisen tavoite. Tutkimuksessa esitelty mallimittaristo on suunniteltu, tasapainotetun mittariston viitekehyksen avulla. Mittariston näkökulmiksi valittiin: talous, sidosryhmä (asiakas), prosessi ja henkilöstö. Mittariston tuottaman tiedon tavoitteena on toiminnanohjauksen, -kehittämisen ja päätöksenteon tukeminen, kun mittaustulokset ja trendi ovat yhdessä paikassa, on tiedonhaku ja - hyödyntäminen helpompaa. Mallimittaristoa ei testattu eikä käyttöönotettu tutkimuksessa.

Recuperação da solução de soda cáustica usada no tratamento do couro bovino na produção de gelatina

No tratamento de couro bovino para a produção de gelatina utiliza-se uma solução de soda cáustica com função de dissolver substâncias orgânicas indesejáveis, como proteínas e gorduras. Para evitar seu descarte como efluente, procurou-se viabilizar um processo de purificação da soda cáustica, evitando seu desperdício e ainda tornando-o adequado para reutilização no processo. A microfiltração, a ultrafiltração e a nanofiltração são técnicas potenciais para esta separação, dependendo do tipo e tamanho dos sólidos existentes. Experimentos de ultrafiltração foram realizados na unidade de micro/ultrafiltração Koch Membrane System Model Protosep modified IV, nas pressões transmembrana de 2,5; 3,5 e 4,5 kgf/cm² e temperaturas de 25 e 50 °C. Utilizaram-se membranas cerâmicas (material TiO2/alfa-Al2O3) tubulares com diâmetro médio de corte de 0,01, 0,05 e 0,10 µm. O trabalho foi dividido em duas etapas: na primeira selecionou-se a melhor pressão para cada membrana, e na segunda adotou-se a pressão de 3,5 kgf/cm², usou-se uma alimentação centrifugada e outra peneirada para então definir a membrana. As melhores condições operacionais foram determinadas em termos de fluxo de permeado e qualidade de produto. Com os resultados obtidos, observaram-se as melhores condições operacionais: pressão de 3,5 kgf/cm², temperatura de 25 °C e membrana com diâmetro médio de poros de 0,01 µm.

Computational models for and from biology : simple gene assembly and reaction systems

The advancement of science and technology makes it clear that no single perspective is any longer sufficient to describe the true nature of any phenomenon. That is why the interdisciplinary research is gaining more attention overtime. An excellent example of this type of research is natural computing which stands on the borderline between biology and computer science. The contribution of research done in natural computing is twofold: on one hand, it sheds light into how nature works and how it processes information and, on the other hand, it provides some guidelines on how to design bio-inspired technologies. The first direction in this thesis focuses on a nature-inspired process called gene assembly in ciliates. The second one studies reaction systems, as a modeling framework with its rationale built upon the biochemical interactions happening within a cell. The process of gene assembly in ciliates has attracted a lot of attention as a research topic in the past 15 years. Two main modelling frameworks have been initially proposed in the end of 1990s to capture ciliates’ gene assembly process, namely the intermolecular model and the intramolecular model. They were followed by other model proposals such as templatebased assembly and DNA rearrangement pathways recombination models. In this thesis we are interested in a variation of the intramolecular model called simple gene assembly model, which focuses on the simplest possible folds in the assembly process. We propose a new framework called directed overlap-inclusion (DOI) graphs to overcome the limitations that previously introduced models faced in capturing all the combinatorial details of the simple gene assembly process. We investigate a number of combinatorial properties of these graphs, including a necessary property in terms of forbidden induced subgraphs. We also introduce DOI graph-based rewriting rules that capture all the operations of the simple gene assembly model and prove that they are equivalent to the string-based formalization of the model. Reaction systems (RS) is another nature-inspired modeling framework that is studied in this thesis. Reaction systems’ rationale is based upon two main regulation mechanisms, facilitation and inhibition, which control the interactions between biochemical reactions. Reaction systems is a complementary modeling framework to traditional quantitative frameworks, focusing on explicit cause-effect relationships between reactions. The explicit formulation of facilitation and inhibition mechanisms behind reactions, as well as the focus on interactions between reactions (rather than dynamics of concentrations) makes their applicability potentially wide and useful beyond biological case studies. In this thesis, we construct a reaction system model corresponding to the heat shock response mechanism based on a novel concept of dominance graph that captures the competition on resources in the ODE model. We also introduce for RS various concepts inspired by biology, e.g., mass conservation, steady state, periodicity, etc., to do model checking of the reaction systems based models. We prove that the complexity of the decision problems related to these properties varies from P to NP- and coNP-complete to PSPACE-complete. We further focus on the mass conservation relation in an RS and introduce the conservation dependency graph to capture the relation between the species and also propose an algorithm to list the conserved sets of a given reaction system.

Tietoturvallisuuden hallintajärjestelmät terveydenhuollon organisaatiossa

Tietoturvallisuuden hallintajärjestelmä on organisaation laatujärjestelmän osa, joka keskittyy tietoturvallisuuteen liittyvien riskien hallintaan. Tässä työssä esitellään erityisesti terveydenhuoltoalaan liittyviä tietoturvavaatimuksia ja vertaillaan kuutta tietoturvallisuuden hallintajärjestelmämallia. Työssä tutkitaan millaisia eroja tietoturvallisuuden hallintajärjestelmien rakenteessa ja kattavuudessa on ja miten ne kykenevät vastaamaan terveydenhuoltoalan tietoturvaan liittyviin erityistarpeisiin. Lopputuloksena valitaan parhaiten soveltuva tietoturvallisuuden hallintajärjestelmä esimerkkiorganisaatiolle, joka on julkisomisteinen kuntoutusyhtiö. Arvioitavia hallintajärjestelmämalleja ovat TCSEC, ITSEC, Common Criteria, SOGP, VAHTI-ohjeet sekä ISO/IEC 27001 -standardiperhe. Tietoturvallisuuden hallintajärjestelmämalleja verrataan kahdesta aiemmasta tutkimuksesta sovellettujen vertailumallien pohjalta. Vertailun perusteella todetaan TCSEC, ITSEC ja Common Criteria –standardien olevan muita arvioituja hallintajärjestelmämalleja suppeampia ja soveltuvan parhaiten tekniseen tuotekehitystoimintaan. Laajempia SOGP-, VAHTI- ja ISO/IEC 27001 –malleja verrataan vielä erikseen terveydenhuollon sekä esimerkkiyrityksen erityistarpeisiin nähden ja lopputuloksena päädytään valitsemaan esimerkkiyritykselle parhaiten soveltuvaksi hallintajärjestelmämalliksi ISO/IEC 27001.