Στη παρούσα διπλωματική εργασία ασχολούμαστε με την ανάπτυξη τεχνικών για υλοποίηση ενός κατανεμημένου φίλτρου Kalman σε ένα Δίκτυο Αισθητήρων (WSN). Τα δίκτυα αυτά έχουν γνωρίσει τα τελευταία χρόνια ραγδαία ανάπτυξη λόγω των εξαιρετικά πολλών εφαρμογών τους σε διάφορα πεδία της ανθρώπινης δραστηριότητας. Το πρόβλημα που πραγματευόμαστε εδώ είναι η προσπάθεια εκτίμησης της κατάστασης μιας στοχαστικής διαδικασίας που επιτηρείται-παρακολουθείται απο το δίκτυο. Οι κόμβοι-αισθητήρες που συναπαρτίζουν αυτά τα δίκτυα έχουν συνήθως περιορίσμενες δυνατότητες ¨αίσθησης¨, πράγμα που σημαίνει ότι κάθε μεμονωμένος κόμβος αδυνατεί να παράξει μια καλή εκτίμηση της κατάστασης. Διάφορες τεχνικές εχούν προταθεί για την επίλυση τέτοιου είδους προβλημάτων όπως το κεντρικό Φίλτρο Kalman ή διάφορες αποκεντρωμένες προσεγγίσεις, οι οποιές είχαν όμως υψηλό υπολογιστικό κόστος και τις καθιστούσαν πρακτικά μη υλοποιήσιμες, ειδικά για δίκτυα με μεγάλο αριθμό κόμβων. Έτσι στη παρούσα εργασία , χρησιμοποιώντας ως εργαλείο την θεώρια των αλγορίθμων ¨Κοινής Συμφωνίας¨ (Consensus Algorithms) , κατασκευάζουμε Αλγορίθμους χαμήλης πολυπλοκότητας, για την υλοποίηση ενός Kατανεμημένου Φίλτρου Kalman, θεωρώντας ότι όλοι οι κόμβοι είναι ομότιμοι (peer-to-peer αρχιτεκτονικές), κάθε κόμβος επικοινωνεί μόνο με τους γειτονικούς του και δεν υπάρχουν Fusion Centers. Παρουσιάζουμε έτσι τρεις διαφορετικούς επαναληπτικούς αλγορίθμους βασιζομένων σε δύο διαφορετικές λογικές και τέλος προσομοιώνουμε και αξιολογούμε την επίδοση καθενός από αυτούς. / In this thesis we deal with the development of techniques for implementing a distributed Kalman filter in a sensor network (WSN). Ιn recent years these networks have experienced rapid growth, due to the numerous applications in various fields of human activity. The problem we discuss here is the attempt to estimate the state of a stochastic process which is monitored by nodes-sensors. The nodes that constitute these networks usually have limited “sense” capabilities, which means that each node is unable to produce a good estimate of the state, using only its own measurements. Various techniques have been proposed to solve this kind of problems, such as the Central Kalman Filter or several decentralized approaches, which did have a high computational cost that renders them impractical, especially for networks with a high number of nodes. Thus, in the present work, , we construct low complexity algorithms for the implementation of a Distirbuted Kalman Filter, using as a tool the theory of Consensus Algorithms and assuming that all nodes are peers (peer-to-peer architectures), each node communicates only with its neighboring and no Fusion Centers exist. Τhus, we present three different iterative algorithms based on two different approaches and finally simulate and evaluate the performance of each of them.

Οι τελευταίες εξελίξεις στα πεδία της ασύρματης μετάδοσης ενέργειας και των υλικών μπαταρίας προσφέρουν καινούριες δυνατότητες για τη διαχείριση της διαθέσιμης ενέργειας στα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων. Στο πρώτο πεδίο, έχει αποδειχθεί ότι, μέσω ισχυρά συζευγμένων μαγνητικών συντονισμών, η αποδοτικότητα μεταφοράς 60 watts ισχύος σε απόσταση δύο μέτρων φτάνει το 40% και σε απόσταση ενός μέτρου φτάνει το 75%. Επίσης, εμπορικά προϊόντα που κάνουν χρήση αυτής της τεχνολογίας, ήδη κυκλοφορούν στην αγορά. Στο δεύτερο πεδίο, πραγματοποιήθηκε πρόσφατα άκρως ταχεία φόρτιση με μπαταρίες LiFePO4, επιτρέποντας πλήρη φόρτιση σε μερικά μόνο δευτερόλεπτα. Αυτές οι τεχνολογικές εξελίξεις ανοίγουν το δρόμο προς ένα νέο παράδειγμα για τα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων, τα Ασύρματα Επαναφορτιζόμενα Δίκτυα Αισθητήρων, τα οποία αποτελούνται από κόμβους αίσθησης (στάσιμους ή κινητούς) και έναν ή περισσότερους κινητούς κόμβους με υψηλό απόθεμα ενέργειας. Οι τελευταίοι, χρησιμοποιώντας τις προαναφερθείσες τεχνολογίες, επιτυγχάνουν γρήγορη ασύρματη φόρτιση των κόμβων αίσθησης. Με αυτόν τον τρόπο, μας δίνεται η δυνατότητα διαχείρισης του πολύ περιορισμένου πόρου της ενέργειας στο δίκτυο, με περισσότερη λεπτομέρεια και αποδοτικότητα. Σημαντικό είναι το γεγονός ότι, από την προοπτική των κόμβων αίσθησης, η διαχείριση της ενέργειας μπορεί να πραγματοποιηθεί παθητικά και χωρίς την υπολογιστική και επικοινωνιακή επιβάρυνση που εισάγουν σύνθετοι αλγόριθμοι διαχείρισης ενέργειας. Επίσης, η διαδικασία φόρτισης μπορεί να πραγματοποιηθεί με πρωτόκολλα τα οποία μελετώνται και σχεδιάζονται ανεξάρτητα από το υποκείμενο πρωτόκολλο δρομολόγησης που χρησιμοποιείται για την μετάδοση των δεδομένων. Το πρόβλημα. Έστω ένα Ασύρματα Επαναφορτιζόμενο Δίκτυο Αισθητήρων στο οποίο οι κόμβοι αίσθησης μεταδίδουν δεδομένα σε ένα κέντρο ελέγχου χρησιμοποιώντας ένα πρωτόκολλο δρομολόγησης και ο κινητός κόμβος φόρτισης, με απόθεμα ενέργειας σημαντικά μεγαλύτερο από έναν κόμβο αίσθησης, είναι ικανός να αναπληρώνει ασύρματα την ενέργεια των κόμβων αίσθησης. Το πρόβλημα που εξετάζουμε είναι η εύρεση της καλύτερης διαμόρφωσης του κινητού κόμβου φόρτισης, με σκοπό τη βελτίωση της ενεργειακής αποδοτικότητας του δικτύου και της παράτασης της διάρκειας ζωής των κόμβων. Η συνεισφορά μας. Αν και έχουν γίνει ήδη σημαντικές ερευνητικές προσπάθειες για την ενεργειακά αποδοτική δρομολόγηση του κινητού κόμβου αίσθησης, οι περισσότερες προτεινόμενες λύσεις στη βιβλιογραφία μέχρι στιγμής υποθέτουν ολική γνώση επάνω στο δίκτυο. Αντιθέτως, οι λύσεις που παρέχουμε είναι πλήρως κατανεμημένες και προσαρμοστικές, και βασίζονται σε τοπική δικτυακή πληροφορία. Επίσης, τα πρωτόκολλά μας για τον κινητό κόμβο αίσθησης μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε συνδυασμό με κάθε πρωτόκολλο δρομολόγησης και προσαρμόζονται στην κατανομή των κόμβων αίσθησης στο επίπεδο. Τέλος αναγνωρίζουμε και σχεδιάζουμε σημαντικές παραμέτρους της διαδικασίας φόρτισης, όπως i) το ποσό της συνολικής αρχικής ενέργειας του δικτύου που δεσμεύει ο κινητός κόμβος φόρτισης, ii) το επίπεδο στο οποίο πρέπει να αναπληρώνεται η ενέργεια του κάθε κόμβου αίσθησης, iii) ποιες τροχιές πρέπει να ακολουθεί ο κινητός κόμβος φόρτισης ώστε να φορτίσει τους κόμβους αίσθησης. / Recent advances in the fields of wireless energy transmission and batteries material offer new possibilities for managing the available energy in WSNs. In the first field, the technology of highly efficient wireless energy transmission was proposed for efficient, non-radiative energy transmission over mid-range. It has been shown that through strongly coupled magnetic resonances, the efficiency of transferring 60 watts of power over a distance in excess of 2 meters is as high as 40%. Industry research also demonstrated that it is possible to improve transferring 60 watts of power over a distance of up to one meter with efficiency of 75%. At present, commercial products utilizing wireless energy transmission have been available on the market. In the second field, ultra-fast charging was recently realized in LiFePO4 by creating a fast ion-conducting surface phase through controlled off-stoichiometry. These technologies lead the way towards a new paradigm for wireless sensor networks; the Wireless Rechargeable Sensor Networks (WRSNs), which consist of sensor nodes that may be either stationary or mobile, as well as few mobile nodes with high energy supplies. The latter, by using wireless energy transmission technologies are capable of fast charging sensor nodes. This way, the highly constrained resource of energy can be managed in great detail and more efficiently. Another important aspect is the fact that energy management in WRSNs can be performed passively from the perspective of sensor nodes and without the computational and communicational overhead introduced by complex energy management algorithms. Finally, WRSNs allow energy management to be studied and designed independently of the underlying routing protocol used for data propagation. The Problem. Let a Wireless Rechargeable Sensor Network consisting of a set of stationary sensor nodes and a special mobile node called Mobile Charger. The sensor nodes are deployed uniformly at random over a network area and propagate data to a Sink using a routing protocol. The Mobile Charger has finite energy supplies, that are significantly greater than those of a single sensor node, and is capable of charging the sensors. The problem we study is identifying best possible configuration of the Mobile Charger in order to improve energy efficiency and to prolong the lifetime of the network. Our Contribution. While considerable research efforts have been invested into energy efficient scheduling of the Mobile Charger, proposed solutions in the literature so far require a global knowledge of the state of the network. On the contrary, the solutions proposed in this work are fully distributed and adaptive, and rely solely on local information. Furthermore, our proposed algorithm for the Mobile Charger can be used in combination with any underlying routing protocol and adapts on the distribution of sensors in the network area. We identify and investigate the following trade-offs: i) how the total available energy of the network should be split between sensor nodes and the Mobile Charger ii) given that the energy the charger may deliver to the nodes is finite, whether each sensor will be fully or partially charged and iii) what is the trajectory the Mobile Charger should follow in order to charge the sensor nodes.

Στην παρούσα εργασία περιγράφεται μια νέα προσέγγιση στο πρόβλημα του εντοπισμού θέσης πολλαπλών πηγών στα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων. Ο αλγόριθμος που προτείνεται βασίζεται σε μια εναλλακτική ερμηνεία της πληροφορίας που παρέχεται από το δίκτυο (υπό τη μορφή της λαμβανόμενης ισχύος του σήματος από κάθε κόμβο- αισθητήρα). Στα πλαίσια της εργασίας διεξάχθηκαν εκτενή πειράματα για την αξιολόγηση της μεθόδου όσον αφορά στην απόδοση, συναρτήσει διαφόρων παραμέτρων του προβλήματος. / This work describes a new approach to the energy-based multiple source localization problem in wireless sensor networks. The algorithm that is proposed in the present work is based on a alternative interpretation of the information that is provided by the network (under the form of received signal strength in each sensor-node). Extensive simulations have been conducted to characterize the performance of this method under various parameters.

Τα δίκτυα αισθητήρων είναι μια εξειδικευμένη κατηγορία κατανεμημένων δικτύων, η οποία τα τελευταία χρόνια έχει συγκεντρώσει το ενδιαφέρον της ερευνητικής κοινότητας, λόγω του ευρύτατου πεδίου εφαρμογών της. Τα δίκτυα αυτά αποτελούνται από συσκευές που διαθέτουν αισθητήρες (sensors) και ενδεχομένως μηχανισμούς δράσης (actuators) και είναι διασκορπισμένες στο χώρο, με δυνατότητα επικοινωνίας μεταξύ τους και επεξεργασίας σε ένα βαθμό της πληροφορίας που διακινούν στο δίκτυο. Στόχος των δικτύων αυτών είναι η παρακολούθηση της εξέλιξης ενός φαινόμενου, ή η ανίχνευση περιβαλλοντικών συνθηκών και η αποστολή των δεδομένων που συλλέγονται σε έναν κεντρικό κόμβο, το κέντρο ελέγχου. Οι δυνατότητες των συσκευών είναι κατά κανόνα περιορισμένες, λόγω του μικρού μεγέθους τους, του χαμηλού κόστους τους και ενίοτε του αναλώσιμου ρόλου τους. Οι εφαρμογές των δικτύων αυτών ποικίλουν, από εφαρμογές στην επιστήμη γεωργίας ακριβείας, στην πυρανίχνευση και την παρακολούθηση συνθηκών περιβάλλοντος σε κτιριακές εγκαταστάσεις, μέχρι εφαρμογές ανίχνευσης κίνησης των εχθρικών μονάδων σε πεδίο μάχης, ή παρακολούθησης φαινόμενου που εξελίσσεται σε δυσπρόσιτη περιοχή. Μερικές από τις βασικές προκλήσεις που προκύπτουν σε αυτά τα δίκτυα, λόγω της φύσης τους, είναι η βέλτιστη διαχείριση των ενεργειακών πόρων κάθε κόμβου, η αποδοτική συνδυαστική επεξεργασία των διακινούμενων μηνυμάτων και η αξιόπιστη δρομολόγηση της πληροφορίας που συλλέγεται προς το κέντρο ελέγχου, καθώς και η δυναμική και αυτόνομη οργάνωση του δικτύου. Η εξέλιξη των δικτύων αισθητήρων σε συνδυασμό με την επιθυμία υλοποίησης περίπλοκων και περισσότερο ολοκληρωμένων εφαρμογών, οδήγησε σε δίκτυα που περιέχουν ετερογενείς κόμβους, όπως για παράδειγμα κόμβους με διαφορετική αρχιτεκτονική, διαφορετικούς αισθητήρες, με διαφορετικές επεξεργαστικές και επικοινωνιακές ικανότητες ή και κόμβους με δυνατότητες κίνησης ή επιτέλεσης εργασιών (actuators) σε απόκριση εντολών που λαμβάνουν από το κέντρο ελέγχου. Επιπρόσθετα, σε πολλές εφαρμογές διαφαίνεται η ανάγκη για διασύνδεση πολλαπλών δικτύων αισθητήρων και διάδοση της πληροφορίας που συλλέγουν μέσω του διαδικτύου προς απομακρυσμένους εξυπηρετητές με αυξημένες επεξεργαστικές ικανότητες, προς βάσεις δεδομένων, συσκευές pda ή κινητά τηλέφωνα, σταθμούς εργασίας τελικών χρηστών και άλλες συσκευές. Δημιουργείται με αυτόν τον τρόπο ένα ευρύτερο ετερογενές δίκτυο επικάλυψης (overlay sensor network), η διαχείριση και αποδοτική χρήση του οποίου απαιτεί νέες αρχιτεκτονικές οργάνωσης των επιμέρους δικτύων, προσαρμοσμένα πρωτόκολλα διάδοσης πληροφορίας και πλατφόρμες που διευκολύνουν τον προγραμματισμό των δικτύων αυτών. Για το λόγο αυτό η επιστημονική κοινότητα επικεντρώνει το ενδιαφέρον της στο σχεδιασμό ειδικών περιβαλλόντων λογισμικού που μεσολαβούν ανάμεσα στον προγραμματιστή εφαρμογών και τα ετερογενή δίκτυα αισθητήρων, τα οποία ανήκουν στην κατηγορία των middleware. Τα περιβάλλοντα αυτά αναλαμβάνουν να διαχειριστούν θέματα χαμηλού επιπέδου ή και ανώτερων επιπέδων στα δίκτυα αισθητήρων, που δεν θα έπρεπε να απασχολούν τον προγραμματιστή κάθε φορά που επιθυμεί να υλοποιήσει μια εφαρμογή. Απώτερος σκοπός είναι να παρέχουν υπηρεσίες υψηλού επιπέδου και ομοιογενείς λογικές αφαιρέσεις πάνω στα ετερογενή δίκτυα, ενώ είναι επιθυμητή η αποδοτική λειτουργία τους σε παγκόσμια κλίμακα όπου πολλά γεωγραφικά διάσπαρτα δίκτυα συνεργάζονται για να παρέχουν τις υπηρεσίες τους με οργανωμένο και καλά ορισμένο τρόπο. Η δική μας συνεισφορά στην έρευνα του πεδίου αυτού, έγκειται πρώτα στη μελέτη ήδη διαθέσιμων προτάσεων middleware για τον προγραμματισμό και τη διασύνδεση πολλαπλών και ετερογενών δικτύων αισθητήρων, με σκοπό τον εντοπισμό των θεμάτων και προβλημάτων που αντιμετώπισαν κατά το σχεδιασμό τους, την ανάλυση της αρχιτεκτονικής τους και την αξιολόγηση της απόδοσής τους. Επιθυμώντας να δώσουμε τη δική μας πρόταση στο πεδίο των middleware για δίκτυα αισθητήρων και αξιοποιώντας τα συμπεράσματά μας από την μελέτη των άλλων προτάσεων, σχεδιάσαμε και υλοποιήσαμε το middleware σύστημα ShareSense II. Το σύστημα ShareSense II προέρχεται από τον επανασχεδιασμό τού αρχικού και απλούστερου ShareSense και ενσωματώνει το middleware jWebDust επεκτείνοντας κατά ένα τρόπο την αρχιτεκτονική του, ώστε να υποστηρίζει δίκτυα επικάλυψης (overlay sensor networks) μεγάλης κλίμακας. Η πλατφόρμα του ShareSense II σχεδιάστηκε για να παρέχει λογική αφαίρεση των δικτύων αισθητήρων, ώστε ο προγραμματιστής να μπορεί εύκολα να ρυθμίσει τις υπηρεσίες που παρέχει ένα δίκτυο επικάλυψης, να διαχειρίζεται τις λειτουργίες των επιμέρους δικτύων, να μπορεί να προγραμματίσει δυναμικά τη συμπεριφορά τους και να καθορίσει τον τρόπο παρουσίασης της χρήσιμης πληροφορίας που αποκομίζει από αυτά, στον τελικό χρήστη. Βασιζόμενοι στην ευέλικτη υποδομή των peer-to-peer δικτύων, προτείνουμε μια λύση για τη διασύνδεση πολλαπλών ετερογενών δικτύων αισθητήρων με συσκευές και σταθμούς εργασίας πάνω από το διαδίκτυο. Δώσαμε έμφαση στην επεκτασιμότητα της αρχιτεκτονικής ως προς τις υποστηριζόμενες υπηρεσίες και τύπους δικτύων, την αξιοποίηση και τη συνεργασία με υπάρχοντα middleware που διαχειρίζονται κάποια επιμέρους δίκτυα και την παροχή χρήσιμων διεπαφών για την εύκολη υλοποίηση πρακτικών εφαρμογών. Υλοποιήσαμε, τέλος, μια εφαρμογή η οποία στηρίζεται στην πλατφόρμα του ShareSense II για να τεκμηριώσουμε την επάρκεια της αρχιτεκτονικής του συστήματός μας και να εντοπίσουμε τα σημεία όπου απαιτείται βελτίωσή της. Η εφαρμογή χρησιμοποιεί το περιβάλλον του Google Earth για την παρακολούθηση των επιμέρους δικτύων που συμμετέχουν στο σύστημα, επιτρέποντας παράλληλα τη δυναμική υποβολή ερωτημάτων και την αντιστοίχιση των δικτύων σε τρισδιάστατα μοντέλα κτιρίων και άλλων περιοχών, ώστε να είναι άμεση και εύληπτη η παρουσίαση της πληροφορίας στον τελικό χρήστη. / Sensor networks are a special case of distributed networks, which in the recent years have become increasingly interesting to the scientific community, due to their wide range of applications. These networks are comprised of devices that have sensors attached to them and possibly even actuators, and are scattered in a field, being able to comminucate with each other and process -to a certain degree- information that they forward in the network. Among the goals of these networks are the monitoring of physical phenomena, the detection of special events or conditions and consequently the communication of the acquired information towards a control center. These devices usually have strict constraints on their capabilities due to their small size, their low production cost and quite often their expendable role. The applications of these networks vary, from applications in the precision agriculture field, fire detection and monitoring environmental conditions in buildings and offices, to applications for the detection of enemy units' movements in the battlefield or observing a physical phenomenon in a inaccessible location. Some of the important challeges that emerge for these networks are the optimal management of the power resources of each node, the efficient aggregation of the in-network messages and the reliable routing of information acquired towards the control center, as well as the autonomous and adaptive network operation. The evolution in the sensor netorks research in combination with the desire to implement even more sophisticated applications, has led to highly heterogeneous networks, where nodes belong to different architectures, they use various sensor models, and they have different processing and communicating capabilities. Additionally, in many applications there is the need to interconnect multiple sensor networks and to distribute the information collected locally towards remote servers, databases, pda devices or cell phones, workstations and other end user devices. Thus, a new type of networks, the overlay networks, emerges. The administration and effecient usage of these networks require new management architectures for the local networs, adaptive protocols for the distribution of information and new software platforms that simplify application programming. Following these developments, the scientific community has focused in designing middleware software for the sensor networks. Such software have the role of managing low level or intermediate level issues, that should not burden a programmer every time s/he needs to design and implement a new application. The main goal of middleware is to provide high level services and unified logical abstractions over heterogeneous sensor networks, and to perform well in a global scale where multiple geographically disparate networks cooperate to provide services in an organized and well defined manner. Our contribution to this field, is foremost to study the state of the art middleware projects for overlay sensor networks, in an effort to understand the issues and problems that were faced during their design, to analyze their architecure and evaluate their performance. We have used the results of this study to design and implement a new middleware architecture, which we have named ShareSense II. Our middleware comes from the redesign and expansion of its simpler predecessor, the original ShareSense middleware, and also integrates the jwebdust middleware, bringing the services of that middleware to the large scal overlay networks. The ShareSense II platfrom was designed to provide logical abstractions for sensor networks, so that the programmer is able to tweak their services, maange the resources of the local networks and build flexible applications. For our overlay netowrk we have embedded an efficient peer-to-peer infrastructure that performs well in networks with frequent and temporary node disconnections and large scale applications. Finally, we implemented an application that uses the ShareSense II middleware, in order to show the benefits of our design and also locate the parts of the architecture that need further optimization. Our application uses the Google Earth software to monitor geographically disparate networks that participate in ShareSense II, allowing the online issuing of queries, as well as matching 3d models of buildings (and other areas) to local networks, in order to display information to the end user in an interesting and exciting way.

Η παρούσα διπλωματική έχει ως στόχο την παρουσίαση και ανάπτυξη ενός πλήρους πληροφοριακού συστήματος που είναι δυνατόν η εφαρμογή του στο πραγματικό κόσμο να καθιστά ένα σπίτι ως «έξυπνο». Ο σκοπός της δημιουργίας του συστήματος αυτού είναι η μέτρηση και η καταχώρηση των συνθηκών που επικρατούν σε ένα χώρο και ο εντοπισμός κινήσεων που γίνονται μέσα σε αυτόν ώστε να εκτελεστούν κάποιες λειτουργίες αυτόματα. Το εν λόγω πληροφοριακό σύστημα αποτελείται από έναν κεντρικό υπολογιστή ο οποίος συνδέεται με ένα δίκτυο από διάφορους αισθητήρες, με μια βάση δεδομένων και έχει δυνατότητα επικοινωνίας με κινητό τηλέφωνο μέσω 3G δικτύου ώστε να υπάρχει απομακρυσμένη πρόσβαση σε όλες τις λειτουργίες. Έτσι η ανάπτυξη και η παρουσίαση αυτού του συστήματος δίνει τη δυνατότητα δημιουργίας ενός έξυπνου σπιτιού με εξατομικευμένες προδιαγραφές και δυνατότητα επέκτασης του συστήματος. Εν κατακλείδι, η παρούσα διπλωματική εργασία, θέλει να αναδείξει την ευκολία, την απλότητα, την ευελιξία, αλλά και την χρησιμότητα που έχει ένα έξυπνο σπίτι. Παρουσιάζει ουσιαστικά την καρδιά του έξυπνου σπιτιού, ποιες είναι οι βασικές του μονάδες, πώς λειτουργούν και πώς αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. / This Thesis aims at presenting and developing a complete system which can apply in the real world to make a home "smart." The purpose of creating this system is the measurement and recording of conditions of the house (humidity, temperature, light density etc) and monitor movements inside restricted areas in order to automate and trigger different operations. This information system consists of a central computer which is connected to a network of several sensors, a database and is also capable of remote access with mobile phone via 3G network. Thus the development and presentation of this system enables the creation of a smart home with personalized specifications and scalability of the system. In conclusion, this thesis wants to demonstrate the ease, simplicity, flexibility, and the utility a smart home has. Presents the heart of the smart house, what are the basic units, how they work and how they interact.

Ένα ασύρματο δίκτυο αισθητήρων αποτελείται από χωρικά κατανεμημένες αυτόνομες συσκευές, οι οποίες χρησιμοποιούν αισθητήρες για την συνεργατική παρακολούθηση φυσικών και περιβαλλοντικών συνθηκών. Ένας κόμβος ενός δικτύου αισθητήρων συνήθως αποτελείται από ένα μικροελεγκτή, ένα ραδιο-πομποδέκτη, μια πηγή ενέργειας, η οποία συχνά είναι μια μπαταρία και διαφόρων ειδών αισθητήρες (π.χ. θερμοκρασίας, υγρασίας, φωτεινότητας). Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων προσφέρουν οικονομικά βιώσιμες λύσεις σε ποικίλες εφαρμογές. Δίκτυα τέτοιου τύπου δραστηριοποιούνται σε βιοιατρικές, στρατιωτικές, βιομηχανικές εφαρμογές καθώς και εφαρμογές παρακολούθησης του φυσικού περιβάλλοντος. Επιπλέον, τα δίκτυα αισθητήρων είναι κλειδί για τη δημιουργία έξυπνων χώρων που ενθέτουν τεχνολογία πληροφορίας στα καθημερινά περιβάλλοντα εργασίας και κατοικίας. Λόγω της χρήσης τέτοιων δικτύων σε περιβάλλοντα που ανταλλάσσονται ευαίσθητες πληροφορίες, δημιουργούνται θέματα ασφάλειας και μυστικότητας. Χαρακτηριστικά των διαφόρων εφαρμογών όπως η λειτουργία σε αντίξοα περιβάλλοντα, η ελλιπής γνώση της τοπολογίας του δικτύου, οι δυνατότητες αυτο-οργάνωσης και αυτόματης διόρθωσης λειτουργιών και η λειτουργία χωρίς ανθρώπινη επιτήρηση καθιστούν τη διατήρηση της ασφάλειας μια μεγάλη πρόκληση. Ένας κλάδος που παρέχει λύσεις σε προβλήματα ασφαλείας είναι αυτός της κρυπτογραφίας. Η κρυπτογραφία είναι μια καλά εδραιωμένη επιστημονική περιοχή, με πρωτόκολλα και πρότυπα τα οποία τυγχάνουν ευρείας αναγνώρισης. Παρόλα αυτά, η χρήση τους σε περιβάλλοντα περιορισμένων πόρων όπως αυτά των ασυρμάτων δικτύων αισθητήρων, απαιτεί προσαρμογές. Η απαίτηση αυτή προκύπτει λόγω των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών των δικτύων αυτών και των κόμβων που τα απαρτίζουν όπως η χαμηλή υπολογιστική ισχύς, οι περιορισμένες δυνατότητες αποθήκευσης και η περιορισμένη διαθέσιμη ενέργεια καθώς και η επικοινωνία ασύρματης φύσης που υιοθετείται. Ένα επιπλέον πρόβλημα που παρουσιάζεται στα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων, είναι η ετερογένεια. Οι συσκευές αισθητήρων που παράγονται από τη βιομηχανία σήμερα, έχουν διαφορετικές υπολογιστικές δυνατότητες και εκτελούν διαφορετικά λειτουργικά συστήματα. Κάποιες αποτελούνται από μικροεπεξεργαστές 8-bit και έχουν ελάχιστη ποσότητα μνήμης RAM, ενώ άλλες έχουν πολύ μεγάλη υπολογιστική δύναμη και μπορούν να εκτελέσουν desktop λειτουργικά συστήματα όπως Linux. Έτσι, ενώ είναι σχετικά εύκολο να αναπτύξει κανείς μια εφαρμογή για μια συγκεκριμένη πλατφόρμα, είναι πολύ δύσκολο να γράψει γενικό κώδικα ανεξάρτητο της πλατφόρμας μεταγλώτισσης. Έτσι, υπάρχοντες υλοποιημένοι αλγόριθμοι και εφαρμογές πρέπει να τροποποιούνται κατάλληλα για να μπορούν να προσαρμοστούν σε διαφορετικά περιβάλλοντα ανάπτυξης. Μια απάντηση στο παραπάνω πρόβλημα δίνει η βιβλιοθήκη Wiselib η οποία προσφέρει ένα προγραμματιστικό περιβάλλον για την ανάπτυξη γενικών αλγορίθμων που έχουν ως στόχο την εκτέλεσή τους σε ετερογενή δίκτυα αισθητήρων. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι να προσφέρει λύσεις στα δύο προαναφερθέντα προβλήματα, ανάπτυσσοντας κρυπτογραφικούς αλγόριθμους για ετερογενή ασύρματα δίκτυα αισθητήρων. Για την επίτευξη του σκοπού αυτού, αναπτύσουμε μια κρυπτογραφική βιβλιοθήκη στο προγραμματιστικό περιβάλλον της Wiselib, μιας γενικής βιβλιοθήκης αλγορίθμων για ετερογενή δίκτυα αισθητήρων. Η Wiselib είναι υλοποιημένη σε C++ και με χρήση τεχνικών όπως τα πρότυπα και οι inline συναρτήσεις, επιτρέπει τη συγγραφή γενικού κώδικα ο οποίος αναλύεται και δεσμεύεται κατά τη διαδικασία μεταγλώττισσης χωρίς να δημιουργείται πλεονασμός μνήμης ή υπολογισμού. Λόγω των απαιτήσεων ασφαλείας που δημιουργούνται από τις εφαρμογές δικτύων αισθητήρων καθώς και των περιορισμένων υπολογιστικών πόρων, η κρυπτογραφική μας βιβλιοθήκη παρέχει αλγορίθμους τόσο συμμετρικής όσο και ασυμμετρικής κρυπτογραφίας. Οι αλγόριθμοι ασυμμετρικής κρυπτογραφίας βασίζονται στην κρυπτογραφία ελλειπτικών καμπυλών. Οι ελλειπτικές καμπύλες αποτελούν ένα ιδανικό σύστημα για ανάπτυξη κρυπτογραφίας δημοσίου κλειδιού σε ενσωματωμένα περιβάλλοντα τα οποία υστερούν σε επεξεργαστική ισχύ, μνήμη και ενέργεια. Αυτό ισχύει διότι τα συστήματα ελλειπτικών καμπυλών προσφέρουν το ίδιο επίπεδο ασφάλειας με άλλα κρυπτοσυστήματα (π.χ. RSA) με χρήση πολύ μικρότερου μεγέθους κλειδιών. Έτσι, συνολικά η βιβλιοθήκη μας παρέχει τους εξής αλγορίθμους: τον αλγόριθμο συμμετρικής κρυπτογράφησης AES, τον αλγόριθμο κατακερματισμού SHA-1, το σχήμα συμφωνίας κλειδιών Diffie Hellman (ECDH), τον αλγόριθμο ασυμμετρικής κρυπτογράφησης ECIES και το σχήμα ψηφιακής υπογραφής ECDSA. Για την ανάλυση της απόδοσης της κρυπτογραφικής μας βιβλιοθήκης γίνεται πειραματική αξιολόγηση (χρόνος εκτέλεσης, ενέργεια,μέγεθος μεταφρασμένου κώδικα) των παραπάνω αλγορίθμων σε δύο συσκευές ( iSense, TelosB) με διαφορετικές επεξεργαστικές δυνατότητες (16 MHz, 8 MHz) που τρέχουν διαφορετικά λειτουργικά συστήματα (iSense OS, Contiki Sky). Το γεγονός ότι αξιολογήσαμε τους κρυπτογραφικούς αλγορίθμους σε δύο συσκευές διαφορετικών δυνατοτήτων και περιβαλλόντων ανάπτυξης, αποδεικνύει τη γενικότητα της υλοποίησης μας.Τέλος, για να αποδείξουμε την ευκολία χρήσης των υλοποιημένων αλγορίθμων παρουσιάζουμε τρεις εφαρμογές δικτύων αισθητήρων που τους χρησιμοποιούνε. Πιο συγκεκριμένα, επιδεικνύουμε πως οι κρυπτογραφικοί αλγόριθμοι μπορούν να συνδυαστούν με αλγορίθμους δρομολόγησης και ομαδοποίησης που παρέχει η βιβλιοθήκη Wiselib, με αποτέλεσμα να δημιουργηθούν ασφαλείς εφαρμογές δικτύων αισθητήρων. / A wireless sensor network consists of spatially distributed autonomous devices, that use sensors in order to cooperatively monitor natural and environmental conditions. A wireless sensor network node typically consists of a micro-processor, a radio transceiver, an energy source (usually a battery) and various kinds of sensors that measure different environmental conditions (e.g. temperature, humidity, lightness). Wireless sensor networks are economically viable solutions to various applications. Networks of this type are used in biomedical, military, industrial as well as in applications that monitor the natural environment. Moreover, sensor networks are a key for the creation of smart spaces that introduce information technology in everyday environments like those of home and work. Because sensor networks are typically deployed in environments where sensitive information is communicated, security and privacy issues arise. Application characteristics like deployment in adverse environments, the incomplete knowledge of the network topology, the possibility of self-organization and the operation without human surveillance make the maintenance of security a big challenge. Cryptography is a science field that provides solutions to security problems. Cryptography is a well established science field that has provided protocols and standards of wide acceptance. However, the use of such protocols and standards in resource constrained environments, like those of sensor networks, requires changes and adaptations. This applies due to the special characteristics of such networks and the devices that consist them, e.g. the restricted processing power, the limited storage possibility and energy as well as the wireless nature of communication. A second problem that arises in wireless sensor networks is that of heterogeneity. The nodes produced by the industry today have different processing possibilities and execute various operating systems. Some nodes consist of 8-bit micro-processors that offer tiny amounts of RAM memory, whereas others are produced with 32-bit processors that can even execute desktop operating systems like Linux. Thus, while it is easy for a developer to implement a platform specific application, it is quite difficult to write some generic platform independent code. In order to re-use implemented applications and algorithms in different development environments a programmer has to make adaptations and changes according to the new platform specifications. A solution to this problem is provided by Wiselib. Wiselib offers an development environment suitable for the implementation of generic algorithms that can be compiled and executed on heterogenous wireless sensor networks. The objective of this work is to provide solutions to the aforementioned sensor network problems (security, heterogeneity). For this reason, we develop a cryptographic library on the generic program environment of Wiselib, a generic algorithm library for heterogenous sensor networks. Wiselib is implemented in C++ and employing advanced techniques, like templates and inline functions, it allows writing of generic code that can be allocated and resolved during compilation without producing computation or memory overhead. Due to the security requirements imposed by the sensor network applications and the resource restrictions by the sensor nodes, our cryptographic library provides symmetric as well as asymmetric cryptographic algorithms. The public key algorithms are based on elliptic curve cryptography. Elliptic curves consist an ideal system for the development of public key cryptography in resource constrained environments that offer restricted computation power, memory and energy. That is because elliptic curve cryptosystems offer the same level of security with other public key cryptosystems (e.g. RSA), using much smaller key sizes. Thus, in total our cryptographic library provides the following algorithms: the symmetric encryption algorithm AES, the hash algorithm SHA-1, the key agreement scheme Diffie Hellman (ECDH), the public key encryption algorithm ECIES and the signature scheme ECDSA. In order to evaluate the performance of our cryptographic library we experimentally test (in terms of execution time, compiled code size, energy consumption) its algorithms on two devices (iSense, TelosB) with different processing possibilities (16 MHz, 8 MHz) that execute different operating systems (iSense OS, Contiki Sky). The fact that we evaluated the cryptographic algorithms on two different devices with unlike capabilities and that execute different operating systems proves that our implementation is generic. Finally, in order to prove the ease of use of the implemented cryptographic algorithms we present three sensor network applications that employ them. More precisely, we show how our cryptographic algorithms can be combined with routing and clustering algorithms (provided by Wiselib), resulting in secure sensor network applications.

Η διπλωματική εργασία συνίσταται στην ανάπτυξη ασύρματου δικτύου αισθητήρων και Προγραμματιζόμενων Λογικών Ελεγκτών (PLCs) στο χώρο του Εργαστηρίου Γενικής Ηλεκτροτεχνίας για την παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο ορισμένων φυσικών μεγεθών. Η διάταξη χωρίζεται σε δύο τμήματα. Το πρώτο αφορά το ασύρματο δίκτυο αισθητήρων (WSN) και περιλαμβάνει τους αισθητήρες, τους πομπούς αποστολής δεδομένων από τους αισθητήρες και το δέκτη λήψης δεδομένων από όλους τους πομπούς. Το δεύτερο αφορά το ασύρματο δίκτυο των PLCs και περιλαμβάνει τα PLCs, τους επικοινωνιακούς επεξεργαστές και τις μονάδες ασύρματης επικοινωνίας, για την επιτυχή ανταλλαγή δεδομένων μεταξύ τους. Επίσης, χρησιμοποιείται το λογισμικό WinCC – Flexible για τη δημιουργία εποπτικού σταθμού παρακολούθησης των τιμών των μεγεθών (σύστημα SCADA). Βασικός σκοπός της εργασίας είναι η ενοποίηση των δύο δικτύων ώστε να είναι δυνατή η μεταφορά δεδομένων μεταξύ των διάφορων συσκευών, σύμφωνα με τις απαιτήσεις μια πιθανής απλής βιομηχανικής διεργασίας. Οι αισθητήρες είναι διασκορπισμένοι στο χώρο του εργαστηρίου και παίρνουν μετρήσεις για ένα φυσικό μέγεθος ο καθένας. Τα μεγέθη προς μέτρηση είναι: εξωτερική θερμοκρασία, εσωτερική θερμοκρασία, υγρασία, πίεση δικτύου πεπιεσμένου αέρα, ύψος, ρεύμα και βάρος. Κάθε αισθητήρας είναι ηλεκτρικά συνδεδεμένος με ένα πομπό, ο οποίος αναλαμβάνει τη μετάδοση των μετρήσεών του σε ένα δέκτη. Ο πομπός μεταδίδει δεδομένα μέσω της μονάδας επικοινωνίας XBEE, η οποία εσωκλείεται μαζί με το ολοκληρωμένο κύκλωμα λειτουργίας της σε περίβλημα κατάλληλο για την προστασία της σε απαιτητικές βιομηχανικές συνθήκες. Κάθε ζευγάρι αισθητήρα και πομπού μετάδοσης συνιστά ένα περιφερειακό κόμβο του WSN. Όλα τα δεδομένα λαμβάνονται από τον κεντρικό κόμβο – δέκτη του WSN. Από τον κεντρικό κόμβο είναι δυνατή η απεικόνιση των μετρήσεων σε κατάλληλο περιβάλλον του λογισμικού TC-Central, που συνοδεύει τις συσκευές του WSN, καθώς και η ανατροφοδότηση τους στο ασύρματο δίκτυο των PLCs. Το λογισμικό TC-Central χρησιμοποιείται επιπλέον για τη ρύθμιση βασικών παραμέτρων του WSN, όπως είναι η διεύθυνση των πομπών στο δίκτυο και ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων. Για την ανατροφοδότηση των μετρήσεων στο δίκτυο των PLCs χρησιμοποιούνται οι 4 αναλογικές έξοδοι του κεντρικού κόμβου του WSN. Τα 3 PLCs της διάταξης διασυνδέονται τόσο ενσύρματα, μέσω δικτύου PROFIBUS-DP, όσο και ασύρματα μέσω τοπολογίας Σημείο-προς-Σημείο. Στην παρούσα εφαρμογή χρησιμοποιείται μόνο η ασύρματη σύνδεση μεταξύ των PLCs, όπου αυτά ακολουθούν μέθοδο πρόσβασης στο δίκτυο κυρίου – εξαρτημένου, με έναν κύριο και δύο εξαρτημένους σταθμούς. Κάθε PLC περιλαμβάνει επικοινωνιακό επεξεργαστή CP 342-5 για την ενσύρματη σύνδεση, καθώς και επικοινωνιακό επεξεργαστή CP 340 και μονάδα ασύρματης επικοινωνίας ARM-IOS RS232/485 για την ασύρματη σύνδεση. Ο επικοινωνιακός επεξεργαστής αποτελεί το συνδετικό κρίκο μεταξύ της μνήμης του PLC και της μονάδας επικοινωνίας. Σε περίπτωση μετάδοσης δεδομένων, αυτά μεταφέρονται από τη μνήμη στον επεξεργαστή και στη συνέχεια στη μονάδα επικοινωνίας, ενώ σε περίπτωση λήψης ακολουθείται η αντίστροφη πορεία. Από τις αναλογικές εξόδους του δέκτη, τα μεγέθη μεταφέρονται μέσω καλωδιακής σύνδεσης, στην κάρτα αναλογικών εισόδων ενός εκ των εξαρτημένων PLC. Από εκεί μεταδίδονται στον άλλο εξαρτημένο, μέσω του κύριου σταθμού, ο οποίος συνδέεται με το σύστημα SCADA. Στο χώρο του εργαστηρίου έχει αναρτηθεί οθόνη, για την απεικόνιση των τιμών των μεγεθών σε όσους βρίσκονται εντός. / The thesis consists in developing a wireless sensors and programmable logical controllers (PLCs) network in Systems and Measurements Laboratory in order to monitor on-line some physical values. The experimental set-up is divided in two parts. The first part is related to the wireless sensors network (WSN) and consists of the sensors, the transceivers and the receiver, which collects data among all sensor nodes. The second part is related to the PLCs' wireless network and consists of the PLCs, the communication processors and the wireless networking modules. In addition, software WinCC-Flexible is used in order to implement a monitoring station of measured values (SCADA system). The thesis' basic goal is to unify the networks, so that data transfer among used devices is achieved, according to the standards of a possible industrial application. Sensors are dispersed in the laboratory and measure a physical value per each. The measured values are: outdoor and indoor temperature, relative humidity, pneumatics' network pressure, height, current and weight. Each sensor is electrically connected to a transceiver, which transmits measured data to the receiver. The transceiver transmits data through the radio frequency module XBEE, which is enclosed into a special cover, suitable for protection in demanding industrial conditions. Each sensor-transceiver pair constitutes a WSN's sensor node. All data is received by the WSN's central node-receiver. On-line monitoring of all measured values is possible through the receiver, by use of TC-Central software, which is also used in order to set WSN's parameters, such as sensor nodes' addresses and data sample rate. Moreover, the receiver contains four analog outputs, which can be used to redirect four received signal in external devices. These analog outputs unify the two wireless networks, by retransmitting four selected measured values to the PLCs' network. The PLCs' network consists of 3 PLCs, networked both wired (PROFIBUS-DP) and wireless (Point-to-Point topology). In the current application only the wireless connection between the PLCs is used, following master / slave media access method, including 1 master station and 2 slave stations. Each PLC includes a communication processor CP 342-5 for wired connection, as well as a communication processor CP 340 and a RF module ARM-IOS RS232/485 for wireless connection. The communication processor connects the PLC's memory and RF module. A PLCs' network slave station is connected to the SCADA system. In the laboratory, a screen has been posted, so that measured values can be visible by everyone inside.

Στην εργασία αυτή μελετήθηκαν αρχιτεκτονικές χρονοπρογραμματισμού διεργασιών σε κόμβο ασύρματου δικτύου αισθητήρων, ο οποίος έχει πηγή περιορισμένης και μεταβλητής ισχύος. Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων αποτελούνται από κόμβους που επικοινωνούν και ανταλλάσουν δεδομένα μεταξύ τους. Κάθε κόμβος πρέπει να έχει μεγάλη αυτονομία λειτουργίας και μικρή κατανάλωση ενέργειας. Στην εργασία αυτή προσομοιώθηκε ένα μοντέλο ενός κόμβου με πηγή ενέργειας την ηλιακή ισχύ, καθώς και ένα σύνολο διεργασιών με συγκεκριμένα χαρακτηριστικά και προθεσμίες εκτέλεσης. Εξετάστηκε η βέλτιστη διαχείριση της ενέργειας για την επιτυχή εκτέλεση των διεργασιών. Αρχικά μελετήθηκαν διάφοροι αλγόριθμοι χρονοπρογραμματισμού των διεργασιών του κόμβου (task scheduling), προσομοιώθηκε ένας βέλτιστος αλγόριθμος πραγματικού χρόνου (Lazy Scheduling Algorithm), μελετήθηκε και συγκρίθηκε η συμπεριφορά του. Στο επόμενο στάδιο, σχεδιάσθηκε μία αρχιτεκτονική για τον αλγόριθμο αυτό και υλοποιήθηκε με τη γλώσσα VHDL. Το υλικό, που προέκυψε με διαδικασία σύνθεσης της περιγραφής VHDL, προσομοιώθηκε και διαπιστώθηκε η αποτελεσματικότητα και η χαμηλή κατανάλωση ενέργειας του. Στο τελικό στάδιο βελτιώθηκε η αρχιτεκτονική του υλικού και μειώθηκε ακόμη περισσότερο η κατανάλωση ενέργειας. / -

Στην διδακτορική διατριβή αναπτύξαμε ασφαλή και έμπιστα πρωτόκολλα επικοινωνιών εισάγοντας ένα νέο μοντέλο έμπιστου συστήματος που ικανοποιεί τις συνεχώς εξελισσόμενες απαιτήσεις των υπολογιστικών συστημάτων. Για την ανάπτυξη του μοντέλου μας συνδυάσαμε την μαθηματική λογική και τα φαινόμενα κατωφλίου που προκύπτουν ασυμπτωτικά στην ανάπτυξη των συνδυαστικών δομών. Η βασική ιδέα της διδακτορικής διατριβής είναι ότι στα δυναμικά γενικά συστήματα υπολογισμού δεν μπορεί η έννοια της εμπιστοσύνης και της ασφάλειας να είναι στατική. Πιστεύουμε ότι ένα έμπιστο και ασφαλές σύστημα θα πρέπει να μελετάται με στατιστικές, ασυμπτωτικές παραμέτρους, καθώς τα τμήματα του συστήματος εξελίσσονται. Κατά συνέπεια, ο κύριος στόχος μας είναι να καθορίσουμε την εμπιστοσύνη ως μια ιδιότητα του συστήματος που «εμφανίζεται» όταν ισχύουν ασυμπωτικά, σχεδόν βέβαια ένα σύνολο λογικών ιδιοτήτων στις τυχαίες δομές επικοινωνίας, οι οποίες διαμορφώνουν τα συστήματα υπολογισμού. Στην διδακτορική διατριβή καθορίζονται διάφορες ιδιότητες που σχετίζονται με την ασφάλεια και εμπιστοσύνη του συστήματος και εκφράζονται χρησιμοποιώντας την λογική πρώτης ή δεύτερης τάξης και ταυτόχρονα ορίζονται και οι προϋποθέσεις κάτω από τις οποίες αυτές οι ιδιότητες εμφανίζονται στο όριο τους, καθώς το σύστημα αυξάνεται. Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιούμε μοντέλα γράφων που μπορούν ρεαλιστικά να περιγράψουν ένα δυναμικό και συνεχώς εξελισσόμενο δίκτυο και δείχνουμε ότι αυτά τα μοντέλα μπορεί να χρησιμοποιηθούν για να ικανοποιούν διάφορες ``καλές'' ιδιότητες, οι οποίες του επιτρέπουν μια ασφαλή επικοινωνία. Το τελευταίο διάστημα παρουσιάζουν αρκετό ερευνητικό και επιστημονικό ενδιαφέρον τα ασύρματά δίκτυα που χρησιμοποιούν συσκευές με μικρούς πόρους σε μνήμη και ενέργεια. Επιπλέον η διδακτορική διατριβή περιλαμβάνει τον σχεδιασμό και την υλοποίηση νέων κρυπτογραφικών πρωτοκόλλων διαχείρισης κλειδιού σε τέτοια ασύρματα δυναμικά δίκτυα . Εδώ παρουσιάζουμε κρυπτογραφικά πρωτόκολλα που είναι κατάλληλα για μια μη στατική δομή δικτύου, τα οποία δεν απαιτούν συγκεκριμένη τοπολογία δικτύου και στηρίζονται μόνο στις απλές περιορισμένου φάσματος ανταλλαγές μηνυμάτων. Για να μπορέσουμε να αναπτύξουμε αυτά τα πρωτόκολλα βασιστήκαμε σε γνωστές κρυπταναλιτικές μεθόδους χρησιμοποιώντας πρωτόκολλα κρυπτογράφησης και αποκρυπτογράφησης. Τέλος η μελέτη μας δίνει έμφαση στα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των πρωτοκόλλων μας δεδομένης της διαθέσιμης τεχνολογίας, των αντίστοιχων κριτηρίων αποδοτικότητας (ενέργεια, χρόνος) και του παρεχόμενου επιπέδου ασφάλειας. / In this Phd thesis,, we try to use formal logic and threshold phenomena that asymptotically emerge with certainty in order to build new trust models and to evaluate the existing one. The departure point of our work is that dynamic, global computing systems are not amenable to a static viewpoint of the trust concept, no matter how this concept is formalized. We believe that trust should be a statistical, asymptotic concept to be studied in the limit as the system's components grow according to some growth rate. Thus, our main goal is to define trust as an emerging system property that ``appears'' or "disappears" when a set of properties hold, asymptotically with probability$ 0$ or $1$ correspondingly . Here we try to combine first and second order logic in order to analyze the trust measures of specific network models. Moreover we can use formal logic in order to determine whether generic reliability trust models provide a method for deriving trust between peers/entities as the network's components grow. Our approach can be used in a wide range of applications, such as monitoring the behavior of peers, providing a measure of trust between them, assessing the level of reliability of peers in a network. Wireless sensor networks are comprised of a vast number of ultra-small autonomous computing, communication and sensing devices, with restricted energy and computing capabilities, that co-operate to accomplish a large sensing task. Sensor networks can be very useful in practice. Such systems should at least guarantee the confidentiality and integrity of the information reported to the controlling authorities regarding the realization of environmental events. Therefore, key establishment is critical for the protection in wireless sensor networks and the prevention of adversaries from attacking the network. Finally in this dissertation we also propose three distributed group key establishment protocols suitable for such energy constrained networks. This dissertation is composed of two parts. Part I develops the theory of the first and second order logic of graphs - their definition, and the analysis of their properties that are expressible in the {\em first order language} of graphs. In part II we introduce some new distributed group key establishment protocols suitable for sensor networks. Several key establishment schemes are derived and their performance is demonstrated.

Η αλματώδης πρόοδος στις ασύρματες επικοινωνίες έχει φέρει ως αποτέλεσμα την δυνατότητα δημιουργίας μικρών σε μέγεθος μικροϋπολογιστικών συστημάτων που έχουν την δυνατότητα ασύρματης διασύνδεσης. Λόγω του μικρού μεγέθους αυτών είναι δυνατή η μεταφορά τους ακόμα και από φυσικά πρόσωπα και άρα προσφέρουν με τον τρόπο αυτό το πλεονέκτημα φορητότητας. Παράλληλα η επιθυμία για δημιουργία δικτύων μεγάλης κλίμακας με χρήση τέτοιων συσκευών χωρίς την δυνατότητα σταθερής παροχής ενέργειας δημιούργησε την ανάγκη μικρής εμβέλειας μετάδοσης και άρα πολλαπλών επαναμεταδόσεων ανά πακέτο δεδομένων μέχρι να φτάσει στον τελικό προορισμό του. Το ερευνητικό αντικείμενο αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι η πρόταση μίας ολοκληρωμένης ασύρματης δομής που θα παρέχει δυνατότητες ασύρματης διασύνδεσης σε δίκτυα μεγάλης κλίμακας χωρίς ύπαρξη κεντρικής διαχείρισης. Το πρόβλημα της εύρεσης διαδρομών σε ένα ασύρματο δίκτυο κινούμενων αισθητήρων αποτελεί ένα πολύ δύσκολο εγχείρημα, ακόμα δε περισσότερο αν λάβουμε υπόψη μας και το ασύρματο μέσο που είναι ένα μη-ντετερμινιστικό φυσικό μέσο δικτύου. Η ύπαρξη απαιτήσεων πραγματικού χρόνου παρ’ όλες τις δυσκολίες υπάρχει σε εφαρμογές δικτύων κινούμενων αισθητήρων και δυσκολεύει περαιτέρω την σχεδίαση μιας δομής που θα διατηρεί διασυνδεσιμότητα μεταξύ των αισθητήρων του δικτύου ενώ παράλληλα θα ικανοποιεί τις απαιτήσεις πραγματικού χρόνου. Πρόσθετα οι δυναμικές συνθήκες που παρατηρούνται σε ένα ασύρματο δίκτυο κινούμενων αισθητήρων όσον αφορά σημαντικές παραμέτρους λειτουργίας όπως μεταβλητό φορτίο εφαρμογής, ταχύτητα φυσικής κίνησης του κινούμενου αισθητήρα και αριθμός συγκέντρωσης τους στην ίδια ασύρματη περιοχή καθώς και η μη ύπαρξη σταθερής παροχής ενέργειας, δημιουργούν την ανάγκη σχεδίασης μιας ασύρματης δομής που θα έχει την δυνατότητα να προσαρμόζεται στις εκάστοτε συνθήκες του δικτύου. Υποστηρίζοντας δυνατότητα προσαρμογής στις εκάστοτε συνθήκες του δικτύου ενώ παράλληλα εξυπηρετούνται οι απαιτήσεις πραγματικού χρόνου, δημιουργείται η δυνατότητα μείωσης του προσθετόμενου πρωτοκολλικού δικτυακού φόρτου άρα και μείωση της ενεργειακής κατανάλωσης του κινούμενου αισθητήρα. Προχωρώντας περαιτέρω, η λειτουργία του πρωτοκόλλου δρομολόγησης μπορεί επίσης να βελτιστοποιηθεί ώστε να εξυπηρετεί τα δρομολογούμενα πακέτα με μεγαλύτερη επιτυχία. Η παρούσα διδακτορική διατριβή έρχεται να καλύψει την ανάγκη για τεχνικές προσαρμοστικότητας σε ασύρματα δίκτυα στις εκάστοτε συνθήκες του δικτύου και να παρουσιάσει μια πρόταση πρότυπης υλοποίησης που να βελτιστοποιεί την λειτουργία του ασύρματου δικτύου, παρακολουθώντας σε πραγματικό χρόνο κρίσιμες μεταβλητές της λειτουργίας. Τα κυριότερα αποτελέσματα της παρούσας διδακτορικής διατριβής παρουσιάζονται παρακάτω: • Μελέτη και ανάλυση της εν γένη συμπεριφοράς υπαρχόντων προτεινόμενων δομών για την δρομολόγηση σε ασύρματα κινούμενα δίκτυα αισθητήρων. • Σχεδίαση και ανάλυση πρότυπης υβριδικής δομής στηριζόμενη σε γνωστούς αποδεκτούς αλγορίθμους δρομολόγησης. • Μελέτη και ανάλυση των μεταβλητών λειτουργίας και εξαγωγή των κρίσιμων μεταβλητών μέσω των οποίων μπορεί να γίνει η αναγνώριση κατάστασης του ασύρματου δικτύου. • Σχεδίαση, ανάλυση και υλοποίηση πρότυπου αλγορίθμου ελέγχου και προσαρμογής λειτουργίας της ασύρματης δομής στις εκάστοτε συνθήκες λειτουργίας του δικτύου. • Πλήρης υλοποίηση πρότυπης δικτυακής ασύρματης αρχιτεκτονικής με δυνατότητες αναπροσαρμογής σε μεταβλητές συνθήκες δικτύου. • Λήψη και δημοσίευση πλήρους συνόλου μετρήσεων μέσω προσομοίωσης της προτεινόμενης δομής με χρήση παγκοσμίου φήμης λογισμικού προσομοίωσης δικτύων και απόδειξη της επιτυγχανόμενης βελτίωσης λειτουργίας του δικτύου. / The progress in wireless telecommunications has resulted in the creation of small sized microprocessor systems that are wireless enabled. Due to the small size of these systems, they are considered portable since they can even be carried by a person. Furthermore, the need to create large scale wireless networks using such systems, without a fixed power supply, has created the constraint of small communication range for such devices. This leads to multiple retransmissions of data packets in order to reach their final destination within the wireless network. This communication is often referred to as multihop communication. The research objective of this thesis is to propose a new wireless architecture that will provide wireless connectivity for large scale wireless ad-hoc networks without the need of central management. The problem of finding a route, or even worse, the optimal route in a wireless ad-hoc network is very difficult and gets even worse if we consider the nature of the wireless medium that is un-deterministic and probably the less predictable medium used in networks. The need of real time constraints in wireless ad-hoc networks exists however, making even more difficult the design of a wireless architecture that will provide connectivity in the domain of a wireless network while managing to succeed in satisfying the real time constraints. Furthermore the dynamic nature of a wireless mobile network as far as important functional variables are concerned, like application load, speed of node movement, rate of connectivity in the same wireless domain, as well as the lack of a fixed power supply, create the need of adaptivity support, based on network status, in any wireless module designed to address the above problems. Supporting an adaptivity functionality based on the wireless network status, while managing to meet the real time constrains imposed from the application, we manage to lower the overhead of the network protocol, hence reducing the energy consumption of the wireless node. Moving forward, the functionality of the routing protocol itself is enhanced so as to route the data packets to the destination node with higher rates of success. This dissertation manages to fulfill the need for techniques of adaptivity in wireless ad-hoc networks by presenting a new wireless architecture, that is enhancing the general behavior of a wireless network by monitoring in real time various critical network variables and change the protocols behavior to adapt to changing network condition. The more important results of this dissertation are presented below: • Study and analysis of general behavior of already existing routing protocols for ad-hoc wireless networks. • Design and analysis of a prototype hybrid module, based on existing routing algorithms. • Study and analysis of functional variables, extraction of critical functional variables that can be used to identify the status of the wireless network within a certain domain. • Design, analysis and implementation of a prototype algorithm that controls and adapts the general functionality of the wireless module based on the network status. • Implementation prototype of a wireless architecture supporting automatic real time adaptability to network status based on real time monitoring of network variables. • Collection and publication of a full set of tests by using a world wide known software tool to simulate data networks, and proof of the resulted functionality enhancement of the wireless network’s behaviour.