Η εκθετική ανάπτυξη του Παγκόσμιου Ιστού και η συνεχής διασπορά του σε διάφορους τομείς της καθημερινότητας, έχει τροφοδοτήσει την ανάπτυξη μίας νέας γενιάς εφαρμογών, οι οποίες χαρακτηρίζονται πλέον από μεγάλο βαθμό πολυπλοκότητας. Η ανάπτυξη τέτοιων εφαρμογών είναι στην ουσία ένα υβρίδιο που συνδυάζει παραδοσιακά Πληροφοριακά Συστήματα με εφαρμογές Υπερμέσων (Hypermedia). Αυτός ο συνδυασμός θέτει νέες προκλήσεις στις υπάρχουσες προσεγγίσεις σχεδιασμού και παραγωγής λογισμικού. Στα πλαίσια της συγκεκριμένης διδακτορικής διατριβής, διερευνώνται θέματα βελτίωσης της απόδοσης εφαρμογών Παγκόσμιου Ιστού (ιδιαίτερα απαιτητικών σε δεδομένα - data intensive), σε ολόκληρο τον κύκλο ζωής τους. Βασικός στόχος είναι η βελτίωση της απόδοσης εφαρμογών, σε πρώτο επίπεδο στα πλαίσια του σχεδιασμού, ανάπτυξης και συντήρησης τους και σε δεύτερο επίπεδο στα πλαίσια της διάθεσής τους προς τον τελικό χρήστη. Στο πρώτο κεφάλαιο της διδακτορικής διατριβής παρουσιάζεται η τρέχουσα κατάσταση σε σχέση με τις μεθοδολογίες σχεδιασμού και ανάπτυξης εφαρμογών Παγκόσμιου Ιστού που έχουν προταθεί από την ερευνητική κοινότητα μέχρι σήμερα. Γίνεται μία προσπάθεια να αναγνωριστούν και να χαρακτηριστούν οι διάφορες κατηγορίες λύσεων και παρουσιάζεται μία πρώτου επιπέδου αξιολόγηση σε σχέση με την επάρκεια που παρουσιάζουν στις απαιτήσεις της διαδικασίας ανάπτυξης εφαρμογών Παγκόσμιου Ιστού. Επιπλέον, επισημαίνονται διάφορα ανοιχτά προβλήματα και αναλύονται οι πιθανές μελλοντικές τάσεις. Ακόμη, αναλύεται σε μεγαλύτερο βάθος η μεθοδολογία και η αντίστοιχη γλώσσα μοντελοποίησης εφαρμογών Παγκόσμιου Ιστού WebML, καθώς αποτελεί τη βάση (γλώσσα επίδειξης) πάνω στην οποία θα στηριχτεί η παρουσίαση των τεχνικών και μεθόδων που προτείνονται στα επόμενα δύο κεφάλαια της διδακτορικής διατριβής. Στη συνέχεια, συζητούνται θέματα σε σχέση με τη μεθοδολογική προσέγγιση που χρησιμοποιήθηκε για το σχεδιασμό συγκεκριμένων παραδειγμάτων πραγματικών εφαρμογών και αναλύονται τα πλεονεκτήματα και τα αντίστοιχα μειονεκτήματα που παρουσιάστηκαν. Το δεύτερο κεφάλαιο επικεντρώνεται σε θέματα αξιολόγησης και αναδιάταξης του εννοιολογικού σχήματος-μοντέλου εφαρμογών Παγκόσμιου Ιστού. Εισάγεται η έννοια των Κλώνων Μοντέλου (Model Clones), ως μικρότερα μοντέλα υπερκειμένου που επαναλαμβάνονται σε ένα ευρύτερο μοντέλο εφαρμογής και η έννοια των Οσμών Μοντέλου (Model Smells), ως ενδείξεις ύπαρξης κλώνων. Παρουσιάζεται μία μέθοδος ανίχνευσης πιθανών προβλημάτων αποδοτικότητας, συνέπειας, ευχρηστίας και ποιότητας στο επίπεδο του σχήματος υπερκειμένου της εφαρμογής μέσω της εξόρυξης κλώνων μοντέλου. Έτσι μπορεί να επιτευχθεί ο αποδοτικός επανασχεδιασμός και η βελτίωση της συνολικής ποιότητάς της, σε επίπεδο διαχείρισης δεδομένων, διάταξης του υπερκειμένου και παρουσίασης του περιεχομένου. Επιπλέον, παρέχονται μετρικές αξιολόγησης, οι οποίες δίνουν τη δυνατότητα ποσοτικοποίησης της "ακατάλληλης" επαναχρη-σιμοποίησης των κλώνων και προτείνονται κανόνες αναδιάταξης του μοντέλου της εφαρμογής. Τέλος, αναλύονται θέματα αυτοματοποίησης της διαδικασίας αναδιάταξης του μοντέλου της εφαρμογής με βάση τους κλώνους μοντέλου που έχουν ανιχνευθεί. Οι τεχνικές που παρουσιάζονται μπορούν να εφαρμοστούν κατά τη διάρκεια σχεδιασμού της εφαρμογής, καθώς και κατά τη διάρκεια συντήρησης και επανασχεδιασμού της. Βασικός στόχος είναι να υποστηριχτεί η ανάγκη να προσεγγιστούν όλες οι πτυχές αποδοτικού και ποιοτικού σχεδιασμού από την αρχή του κύκλου ανάπτυξης εφαρμογών Παγκόσμιου Ιστού. Στο τρίτο κεφάλαιο μελετάται το πρόβλημα εντοπισμού αποδοτικών σχεδιαστικών λύσεων και σχεδιαστικών προτύπων μέσα στο εννοιολογικό σχήμα-μοντέλο μίας ή περισσότερων εφαρμογών Παγκόσμιου Ιστού. Τα σχεδιαστικά πρότυπα παράγονται από πεπειραμένους σχεδιαστές λογισμικού, οι οποίοι εμπειρικά μελετούν μια σειρά από επιτυχημένες εφαρμογές και στη συνέχεια ορίζουν ένα ή περισσότερα από αυτά. Επιπλέον, το μεγαλύτερο ποσοστό σχεδιαστικών προτύπων μέχρι σήμερα, έχει προταθεί από ένα πολύ μικρό αριθμό σχεδιαστών. Με στόχο την αντιμετώπιση του παραπάνω προβλήματος, προτείνεται μία μέθοδος αυτόματης εξόρυξης αποτελεσματικών σχεδιαστικών λύσεων κατά τη διάρκεια σχεδίασης (ή συντήρησης και επανασχεδιασμού) μίας εφαρμογής, στο επίπεδο του μοντέλου της. Η συγκεκριμένη μεθοδολογική προσέγγιση, στην περίπτωση που εφαρμοστεί σε εννοιολογικά σχήματα πολλών εφαρμογών μίας συγκεκριμένης κατηγορίας, μπορεί να οδηγήσει στον προσδιορισμό Πλαισίων Ανάπτυξης Εφαρμογών για τον αποδοτικό σχεδιασμό εφαρμογών της συγκεκριμένης αυτής κατηγορίας, ή ακόμα και στον αυτόματο εντοπισμό σχεδιαστικών προτύπων. Τέλος, παρουσιάζεται ο συνδυασμός της μεθόδου με υψηλότερου επιπέδου γλώσσες χειρισμού μοντέλου εφαρμογών, ώστε να επιτευχθεί η αυτοματοποίηση της εφαρμογής των αποδοτικών σχεδιαστικών λύσεων που ανακτήθηκαν με τη χρήση της, για τη δημιουργία ή επέκταση του εννοιολογικού σχήματος μίας εφαρμογής. Στο τελευταίο κεφάλαιο της διδακτορικής διατριβής γίνεται διερεύνηση του προβλήματος της συνεχώς αυξανόμενης κίνησης στον Παγκόσμιο Ιστό και της επίδρασης που έχει αυτό στην ποιότητα των εφαρμογών που βασίζονται στο συγκεκριμένο περιβάλλον. Σύμφωνα με πρόσφατες έρευνες, η κίνηση στον Παγκόσμιο Ιστό διπλασιάζεται κάθε χρόνο. Οι χρήστες απαιτούν όλο και μεγαλύτερο όγκο πληροφορίας από τους Ιστοχώρους του Παγκόσμιου Ιστού, ενώ παράλληλα θέλουν να ξοδέψουν όσο το δυνατόν μικρότερο χρόνο για την καταφόρτωση δεδομένων (downloading). Για το λόγο αυτό, όλο και περισσότερο εύρος ζώνης Διαδικτύου απαιτείται και οι παροχείς πρόσβασης στο Διαδίκτυο (ISPs) προσπαθούν να λύσουν το πρόβλημα κατασκευάζοντας δίκτυα υψηλών ταχυτήτων. Στο συγκεκριμένο κεφάλαιο παρουσιάζεται μία μέθοδος μείωσης του χρόνου καταφόρτωσης ιστοσελίδων με τη χρήση αλγορίθμων συμπίεσης δεδομένων. Επίσης, παρουσιάζεται μια περιπτωσιολογική μελέτη (case study) που υπολογίζει τη μείωση του χρόνου που απαιτείται για να καταφορτωθεί πλήρως μία ιστοσελίδα και να παραδοθεί στον τελικό χρήστη. Επιπλέον, αναλύεται ο τρόπος υπολογισμού του ποσοστού μείωσης του όγκου των μεταφερόμενων δεδομένων, των πόρων σε εύρος ζώνης και του χρόνου απόκρισης, όταν το χαρακτηριστικό συμπίεσης του πρωτοκόλλου HTTP/1.1 ενεργοποιηθεί. / The exponential growth of the Web and its capillar diffusion in a variety of productive contexts are nurturing a novel generation of applications, characterized by a large degree of complexity. The development of such applications is a hybrid between traditional Information Systems development and Hypermedia authoring. This combination challenges the existing tools and approaches for software production. In this dissertation we take an in-depth look at a wide range of aspects concerning the performance improvement of data-intensive Web applications. The main goal is to improve the performance at all levels of the application life-cycle. At a first level we focus on the processes of design, development and maintenance of Web applications and at a second level on their effective delivery to their end users. In the first chapter we present the current practices and methodological approaches proposed by the research community, in order to provide a firm and effective framework for the design/modeling and development of Web applications. We evidentiate the software engineering, architectural, and applicative issues of Web development, and compare the current approaches on Web modeling, in order to identify open problems and potential extensions. We provide an in-depth analysis of Web Modeling Language (WebML), as it will be utilized for the demonstration of the methods and techniques proposed in the next two chapters. Finally, we summarize the results and report on the advantages and disadvantages identified during the design and development of four real life web applications using a modeling language. The second chapter focuses on evaluating and refactoring the conceptual schemas of Web applications. We introduce the notion of Model Clones, as partial conceptual schemas that are repeated within a broader application model and the notion of Model Smells, as certain blocks in the Web applications model, that imply the possibility of refactoring. We illustrate a methodology for detecting and evaluating the existence of potential model clones, in order to identify problems in an application

Οι δείκτες αποτελεσματικότητας μιας διαδικασίας μετρούν τον βαθμό στον οποίο μια διαδικασία, που βρίσκεται σε στατιστική ισορροπία, παράγει προϊόντα τα οποία ικανοποιούν τις προδιαγραφές του πελάτη. Στη διπλωματική αυτή εργασία δίνονται οι ορισμοί διαφόρων τέτοιων δεικτών που έχουν προταθεί από τη βιβλιογραφία, για μονοδιάστατες και διδιάστατες μεταβλητές, οι οποίες ακολουθούν κανονική κατανομή. Παρουσιάζονται οι ιδιότητες καθώς και οι σχέσεις μεταξύ των δεικτών αυτών και αναλύονται τα μειονεκτήματα και τα πλεονεκτήματα της χρήσης τους. Δίνονται εκτιμητές κάποιων δεικτών και ιδιότητες αυτών όπως αναμενόμενη τιμή, διασπορά, συνάρτηση πυκνότητας. Κατασκευάζονται επίσης διαστήματα εμπιστοσύνης και έλεγχοι υποθέσεων για τους εκτιμητές των δεικτών. Τέλος, παρουσιάζονται αριθμητικά παραδείγματα και εφαρμογές των δεικτών αποτελεσματικότητας στη βιομηχανία. / Process capability indices are intended to provide single-number assessment of the capability, of a process in statistical control, to produce items that meet the customer΄s specifications. We present the definitions of various such indices that have been proposed for univariate and bivariate normal distributions. We refer to their properties, the relations among them and the weaknesses or benefits from their use. Estimators of the indices are considered and their properties such as expected value, variance and probability density function are derived. Confidence intervals and tests of hypothesis are constructed for their estimators. Finally, numerical examples and applications of process capability indices in industry are presented.

Στόχος της εργασίας είναι η μελέτη, ανάπτυξη και αξιολόγηση συνεργατικών εφαρμογών σε φορητές συσκευές. Για την μελέτη αυτή, αναπτύχθηκε ένα παιχνίδι διάχυτου υπολογισμού, το οποίο υποστηρίζει την χρήση του από πολλούς παίκτες ταυτόχρονα και μπορεί να παιχτεί παράλληλα σε διαφορετικές πόλεις από διαφορετικές ομάδες παικτών. Το παιχνίδι αυτό ανήκει σε ένα αναδυόμενο είδος παιχνιδιών που αναμιγνύουν την πραγματικότητα με τον εικονικό ψηφιακό κόσμο, χρησιμοποιώντας τον πραγματικό χώρο σαν το περιβάλλον του παιχνιδιού. Το παιχνίδι που αναπτύχθηκε εδώ χρησιμοποιεί σαν βασικά στοιχεία την μπλόφα, την παραπλάνηση και την ανάθεση ρόλων. Για την ανάπτυξή του ακολουθήθηκε ένα επαναληπτικό μοντέλο σχεδιασμού με την αξιολόγηση να παίρνει μέρος με διάφορες τεχνικές και μεθόδους στα διάφορα στάδια ανάπτυξης. Η υλοποίηση πραγματοποιήθηκε για κινητά τηλέφωνα με λειτουργικό σύστημα Android, μια επίσης καινούργια πλατφόρμα για φορητές συσκευές από την Google και την OHA. / The aim of this project is the design, development and evaluation of collaborative applications on mobile devices. For this study, a pervasive game was developed, which supports the use of it by many players simultaneously and can be played simultaneously in different cities by different groups of players. This game belongs to an emerging genre that mixes reality with the virtual digital world, using the real space as the gaming environment. The game was developed here uses the main elements of the bluff, deception and the assignment of roles. For its development an iterative design model was followed. The evaluation phase took place with various techniques and methods in different stages of development. The implementation was made for mobile phones running Android, also a new platform for mobile devices from Google and the OHA.

Οι εφαρμογές πολυμέσων έχουν αποκτήσει τα τελευταία χρόνια μία αυξανόμενη ζήτηση από τους χρήστες γενικά του Διαδικτύου καθώς προσφέρουν νέες και ποικιλόμορφες δυνατότητες ανταλλαγής πληροφοριών εικόνας και ήχου. Όμως οι εφαρμογές αυτές υπόκεινται σε περιορισμούς που έχουν να κάνουν κυρίως με τη φύση τους και χαρακτηρίζονται από τις υψηλές απαιτήσεις σε ρυθμό μετάδοσης δεδομένων (bandwidth-consuming applications) και την ευαισθησία τους στις καθυστερήσεις που παρουσιάζονται κατά τη μετάδοση των πακέτων από τον αποστολέα στο παραλήπτη (delay-sensitive applications). Από την άλλη μεριά οι εφαρμογές αυτές φέρεται ότι είναι λιγότερο ευαίσθητες στις απώλειες των πακέτων (packet-loss tolerant applications). Το ζητούμενο όμως με τις εφαρμογές πολυμέσων, πέρα από το εύρος των υπηρεσιών τις οποίες προσφέρουν, είναι και η παρεχόμενη ποιότητα των υπηρεσιών (Quality of Service, QOS) στο τελικό χρήστη. Η ποιότητα αυτή των υπηρεσιών συνδέεται άμεσα με τα προαναφερόμενα χαρακτηριστικά των εφαρμογών πολυμέσων. Η μέχρι τώρα προσέγγιση από την ερευνητική κοινότητα αλλά και τις εταιρείες παροχής υπηρεσιών Διαδικτύου (Internet Service Providers), σε ότι αφορά την εξασφάλιση της ποιότητας υπηρεσιών, έχει εστιασθεί είτε στην επιμέρους βελτιστοποίηση της απόδοσης των πρωτοκόλλων μετάδοσης, είτε στην εγκατάσταση επιπλέον εξοπλισμού για τη δημιουργία δικτύων διανομής πολυμέσων (Content Distribution Networks, CDNs) που τοποθετούνται συνήθως κοντά στον τελικό χρήστη. Επιπρόσθετα η αυξανόμενη προσπάθεια της ερευνητικής κοινότητας με σκοπό την αύξηση της ποιότητας υπηρεσιών προσέφερε νέες καινοτόμες λύσεις με την μορφή των υπηρεσιών-αρχιτεκτονικών όπως οι Ολοκληρωμένες Υπηρεσίες (Integrated services, Intserv) και οι Διαφοροποιημένες Υπηρεσίες (Differentiated Services, Diffserv) οι οποίες φιλοδοξούν να προσφέρουν εγγυήσεις ποιότητας υπηρεσιών σε συγκεκριμένες ομάδες χρηστών. Όμως και οι δύο αυτές αρχιτεκτονικές δεν κατάφεραν μέχρι τώρα να αποτελέσουν μια ολοκληρωμένη λύση για τη παροχή εγγυήσεων ποιότητας υπηρεσιών στο χρήστη λόγω των μεγάλων δυσκολιών στην εφαρμογή τους που έχουν να κάνουν τόσο με χρηματοοικονομικά κριτήρια όσο και με τη ίδια τη δομή του Διαδικτύου. Έτσι βλέπουμε ότι παρόλη τη πρόοδο που έχει γίνει μέχρι σήμερα στη τεχνολογία των δικτύων η παροχή ποιότητας υπηρεσίας στο Διαδίκτυο από άκρο σε άκρο δεν είναι ακόμη στις μέρες μας εφικτή με αποτέλεσμα οι υπηρεσίες μετάδοσης πολυμέσων στο Διαδίκτυο – π.χ “youtube” – να επηρεάζονται σημαντικά από τις όποιες μεταβολές στη κατάσταση του δικτύου. Προς το σκοπό αυτό η ερευνητική κοινότητα έχει στραφεί στη μελέτη μηχανισμών οι οποίοι θα είναι να θέση να προσαρμόζουν το ρυθμό μετάδοσης της πολυμεσικής πληροφορίας, ανάλογα με τις εκάστοτε συνθήκες του δικτύου, έτσι ώστε να προσφέρουν τη μέγιστη δυνατή ποιότητα υπηρεσίας στο τελικό χρήστη. Η προσπάθεια αυτή μπορεί να κατηγοριοποιηθεί σε δύο μεγάλες κατηγορίες ανάλογα με το τρόπο δρομολόγησης της πολυμεσικής πληροφορίας, όπως παρακάτω: • Μηχανισμοί προσαρμογής για unicast μετάδοση: Σε αυτή τη περίπτωση οι μηχανισμοί προσαρμογής προσαρμόζουν το ρυθμό μετάδοσης της πληροφορίας από ένα σημείο (αποστολέας) προς ένα σημείο (παραλήπτης). • Μηχανισμοί προσαρμογής εκπομπής πολλαπλής διανομής (multicast): Στη περίπτωση αυτή οι μηχανισμοί προσαρμογής προσαρμόζουν το ρυθμό μετάδοσης της πληροφορίας που λαμβάνει χώρα από ένα σημείο (αποστολέας) προς πολλά σημεία (παραλήπτες). Σε ότι αφορά τη unicast μετάδοση την επικρατέστερη πρόταση αποτελεί ο μηχανισμός ελέγχου συμφόρησης με την ονομασία TCP Friendly Rate Control (TFRC) που έχει γίνει αποδεκτός ως διεθνές πρότυπο από τη Internet Engineering Task Force (IETF). Στη περιοχή της multicast εκπομπής ο μηχανισμός TCP-friendly Multicast Congestion Control (TFMCC) έχει γίνει επίσης αποδεκτός ως πειραματικό πρότυπο από την IETF. Παρόλα αυτά όμως εργαστηριακές μελέτες και πειράματα έχουν δείξει ότι τόσο ο μηχανισμός TFRC όσο και ο TFMCC δεν είναι και οι πλέον κατάλληλοι μηχανισμοί προσαρμογής για τη μετάδοση πολυμέσων. Τα κυριότερα προβλήματα αφορούν στη “φιλικότητα” των μηχανισμών αυτών προς το πρωτόκολλο Transmission Control Protocol (TCP) καθώς και στις απότομες διακυμάνσεις του ρυθμού μετάδοσης. Ιδιαίτερα οι απότομες διακυμάνσεις του ρυθμού μετάδοσης είναι ένα στοιχείο μη επιθυμητό από τις εφαρμογές πολυμέσων και ιδιαίτερα από τις εφαρμογές πολυμέσων πραγματικού χρόνου. Στη περιοχή των ασυρμάτων δικτύων τα προβλήματα τα οποία αντιμετωπίζονται κατά τη μετάδοση των πολυμέσων δεν έχουν τόσο άμεση σχέση με τη συμφόρηση του δικτύου (αυτή παρατηρείται κυρίως στα ενσύρματα δίκτυα), όσο με τις απώλειες των πακέτων που είναι ένα άμεσο αποτέλεσμα του μέσου διάδοσης. Η μέχρι τώρα προσέγγιση αφορά στην επιμέρους βελτιστοποίηση των διαφόρων πρωτοκόλλων των στρωμάτων του OSI έτσι ώστε να μειωθούν τα προβλήματα διάδοσης και να ελαχιστοποιηθούν οι απώλειες πακέτων και οι καθυστερήσεις από τον αποστολέα στο παραλήπτη. Κατά τα τελευταία χρόνια όμως κερδίζει όλο και περισσότερο έδαφος μια διαφορετική προσέγγιση η οποία έχει επικρατήσει να ονομάζεται διεθνώς ως “cross-layer optimization-adaptation”. Κατά τη προσέγγιση αυτή διαφαίνεται ότι θα μπορούσαμε να πετύχουμε τη βελτιστοποίηση της παρεχόμενης ποιότητας στις εφαρμογές πολυμέσων μέσω κάποιων μηχανισμών προσαρμογής, που θα εμπλέκουν περισσότερα του ενός εκ των στρωμάτων του OSI στις τρέχουσες συνθήκες του δικτύου. Η μεθοδολογία, οι προκλήσεις, οι περιορισμοί καθώς και οι εφαρμογές της διαστρωματικής (cross layer) προσαρμογής αποτελούν ένα ανοικτό ερευνητικό πεδίο το οποίο βρίσκεται αυτή τη στιγμή σε εξέλιξη. Σκοπός της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής είναι καταρχήν η μελέτη των υπαρχόντων μηχανισμών ελέγχου συμφόρησης που αφορούν τα ενσύρματα δίκτυα μη εγγυημένης ποιότητας, όπως το Διαδίκτυο. Προς τη κατεύθυνση αυτή αξιολογούνται αρχικά οι υπάρχοντες μηχανισμοί ελέγχου συμφόρησης και διαπιστώνονται τα κυριότερα προβλήματα τα οποία σχετίζονται με τη ποιότητα υπηρεσιών. Η αξιολόγηση γίνεται με βάση τα κριτήρια που αφορούν τόσο στη φιλικότητα των μηχανισμών αυτών προς το TCP όσο και στα κριτήρια που αφορούν τη ποιότητα υπηρεσιών των εφαρμογών πολυμέσων. Η αξιολόγηση αυτή μας οδηγεί στο σχεδιασμό νέων πρωτοκόλλων τα οποία υπόσχονται υψηλότερη φιλικότητα προς το TCP και καλύτερη ποιότητα υπηρεσιών. Ένα σημαντικό στοιχείο που διαφοροποιεί τα πρωτόκολλα αυτά από τις άλλες προσεγγίσεις είναι η ομαλή (smooth) συμπεριφορά κατά την οποία ελαχιστοποιούνται οι απότομες μεταβολές του ρυθμού μετάδοσης, που είναι μη επιθυμητές από τις εφαρμογές πολυμέσων, διατηρώντας παράλληλα ένα υψηλό ρυθμό απόκρισης στις απότομες μεταβολές των συνθηκών του δικτύου. Ένα δεύτερο σημαντικό στοιχείο της εργασίας αυτής είναι οι προσθήκες στις βιβλιοθήκες του προσομοιωτή ns-2 οι οποίες είναι ήδη αντικείμενο εκμετάλλευσης από άλλους ερευνητές. Για το σκοπό αυτό τα νέα πρωτόκολλα καθορίζονται πλήρως και ενσωματώνονται στις βιβλιοθήκες του προσομοιωτή ns-2 έτσι ώστε να είναι διαθέσιμα στην ερευνητική κοινότητα ως μέρος του προσομοιωτή, για περαιτέρω μελέτη και αξιολόγηση. Επεκτείνονται παράλληλα υπάρχοντα ερευνητικά εργαλεία προσομοιώσεων τα οποία επιτρέπουν την ανάλυση και την αξιολόγηση υπαρχόντων και μελλοντικών μηχανισμών προσαρμογής με βάση κριτήρια ποιότητας που αφορούν ειδικά τις εφαρμογές πολυμέσων, πλέον των “κλασσικών” κριτηρίων που σχετίζονται με μετρικά δικτύων. Σε ότι αφορά στα ασύρματα δίκτυα μελετάται η διαστρωματική προσαρμογή και εάν και κατά πόσο είναι δυνατό να επιτευχθεί η αύξηση της ποιότητας της παρεχόμενης υπηρεσίας μέσα από την εφαρμογή μια τέτοιας σχεδίασης. Μελετώνται οι διάφοροι τρόποι και μεθοδολογίες σχεδίασης μιας διαστρωματικής προσαρμογής και προτείνεται ένα νέο πλαίσιο με το οποίο είναι δυνατό να αυξήσουμε τη ποιότητα υπηρεσίας σε υβριδικά δίκτυα, που αποτελούνται τόσο από ενσύρματους όσο και από ασύρματους χρήστες. / Multimedia applications have gained in recent years an increasing demand from Internet users as they offer new opportunities and diverse multimedia services. These applications, however, are subject to restrictions which mainly have to do with its nature and are characterized by high requirements of the transmission rates (bandwidth-consuming applications) and their sensitivity to delays in the transmission of packets by the consignor to consignee (delay-sensitive applications). On the other hand, allegedly these applications are less sensitive to packet losses (packet-loss tolerant applications). The issue, however, with multimedia applications, except for the scope of the services which offer, is the Quality of Services (QoS) that is offered to the end user. This quality of services is directly linked to the above characteristics of multimedia applications. The approach so far by the research community and also the Internet Service Providers (ISPs), as regards ensuring the quality of service, has focused either to individually optimizing the efficiency of transmission protocols, or in the installation of additional equipment (servers) for the establishment of distribution networks (Content Distribution Networks, CDNS) which are normally positioned close to the final user. In addition, the growing effort of the research community with a view to increasing the quality of service offered new innovative solutions in the form of services-architectures like the Integrated Services (Intserv) and Differentiated Services (Diffserv ) which aspire to offer guarantees of quality of services in specific user groups. But these two architectures failed until now to become the solution for the provision of guarantees of quality of services to the end user due to difficulties in applying them which have to do with financial criteria and the structure of the Internet itself. Therefore, we can see that despite the progress made so far in networks technology the provision of QoS across the Internet is not still feasible with the result that multimedia services via the Internet (for example “YouTube”) are significantly affected by the changes of the network conditions. To this course, the research community has directed to the study of mechanisms which will be able to adjust the transmission rate of multimedia data, according to the conditions of the network, so as to offer the best possible quality of service to the end user. This effort could be classified into two broad categories, according to the way the multimedia information is routed, as follows: • Adaptation mechanisms for unicast transmission: In this case the adaptation mechanisms regulate the transmission rate between the sender and the receiver in a unicast connection. • Adaptation mechanisms for multicast transmission: In this case the adaptation mechanisms regulate the transmission rate between the sender and a group of receivers. Regarding the unicast transmission the predominant proposal is the congestion control mechanism that is termed as the “TCP-friendly Rate Control (TFRC) and has been accepted as an international standard by the Internet Engineering Task Force (IETF). In the area of multicast transmission the TCP-friendly Multicast Congestion Control (TFMCC) has also become acceptable as an experimental standard from IETF. Nevertheless, laboratory studies and experiments have shown that both TFRC and TFMCC are not the most suitable adaptation mechanisms for multimedia transmission. The main problems have to do with its friendliness towards the Transmission Connection Protocol (TCP) and the sudden fluctuations in the transmission. rate. These sharp variations of the transmission rates are an attribute non desirable by multimedia applications and particularly by real-time applications. In the area of wireless networks the problems with the transmission of multimedia data are not directly linked to the congestion of the network (this mainly occurs in wired networks) as the packet losses are a direct result of the free space propagation. The approach so far has aimed at the individual optimization of the various protocols of the OSI model so as to reduce the transmission problems and minimize packet losses and the delays from the sender to the end user. In recent years, however, a different approach which has prevailed to be termed internationally as “cross-layer optimization-adaptation” has earned more and more space. Under this approach we could be able to succeed the optimization of the service, regarding the quality of multimedia applications, by means of some adaptation mechanisms which will involve more than one of the OSI layers to current network conditions. The methodology, the challenges, the restrictions and the applications of cross layer adaptation constitute an open research area which is currently in progress. The aim of this dissertation is firs the study of the existing congestion control mechanisms which mainly concern best-effort wired networks, such as the Internet. In this direction we evaluate the existing congestion/flow control mechanisms and record the main problems related to the quality of service. The performance evaluation is based on criteria relating both to TCP-friendliness and the quality of service of multimedia applications. This performance evaluation leads us to the design of new protocols which promise greater TCP-friendliness and better quality of service. An important element that distinguishes these protocols of the other approaches is the “smooth” behavior by which we minimize the high oscillations of the transmission rate, which are not desirable by multimedia applications, while maintaining a high response to sudden changes of network conditions. A second important element of this dissertation is the additions we have made to the libraries of the ns-2 simulator which are already exploited by other researchers. For this purpose the new protocols are fully defined and incorporated into the ns-2 libraries so as to be available to the research community as part of the simulator, for further studies and evaluation. At the same time we expand existing research tools in order to enable the analysis and evaluation of existing and future mechanisms based on quality criteria specific to multimedia applications, along with network-centric criteria. Regarding the wireless networks we study the cross layer adaptation and how it is possible to achieve the increase in the quality of service by implementing such a design. We study the various ways and design methodologies of a cross layer adaptation and propose a new framework with which it is possible to increase the quality of service in hybrid networks consisting of both by wired and wireless users.

Η πιο σημαντική εξέλιξη της τελευταίας δεκαετίας στον τομέα της εκπαιδευτικής τεχνολογίας αφορά την αλλαγή προσανατολισμών για τη θέση των Τεχνολογιών της Πληροφορίας και των Επικοινωνιών (ΤΠΕ) στην εκπαιδευτική διαδικασία. Απομακρυνόμαστε πλέον από τη λογική του υπολογιστή ως μεμονωμένη θέση εργασίας, προς τη λογική της χρήσης υπολογιστικών συστημάτων. Η εξάπλωση του Διαδικτύου (Web. 2.0), η εμφάνιση των εποικοδομιστικών και κοινωνικοπολιτισμικών θεωριών μάθησης, καθώς και η γνώση γενικότερα, και η επιστημονική γνώση ειδικότερα, συνθέτουν σήμερα ένα σύγχρονο τεχνολογικό και παιδαγωγικό πλαίσιο μέσα στο οποίο διδασκαλία και μάθηση αποκτούν νέες διαστάσεις και δημιουργούν καινοτόμες εκπαιδευτικές πρακτικές. Όλο και περισσότεροι μαθητές χρειάζονται να αποκτήσουν πρόσβαση στην εκπαίδευση οποτεδήποτε και οπουδήποτε. Τα διαδικτυακά Συστήματα Διαχείρισης της Μάθησης παίζουν σημαντικό ρόλο στην εξ Αποστάσεως Εκπαίδευση ενώ χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο σε συνθήκες παραδοσιακής διδασκαλίας. Τα Συστήματα Διαχείρισης της Μάθησης διαφοροποιούνται από τα «κλασσικά» περιβάλλοντα διδασκαλίας, ως προς το βαθμό χρήσης της τεχνολογίας και τη μετατόπιση του ελέγχου και της ευθύνης της μαθησιακής πορείας στους μαθητές. Η μετατόπιση του ελέγχου προς τους μαθητές επιδρά θετικά στη μαθησιακή αποτελεσματικότητα (Chou και Liu, 2005). Σκοπός των Συστημάτων Διαχείρισης της Μάθησης είναι η κάλυψη της απόστασης ανάμεσα στο εκπαιδευτικό περιεχόμενο και τον εκπαιδευόμενο και η ρύθμιση των κοινωνικών αλληλεπιδράσεων ώστε να καταστούν οι χρήστες τους ενεργοί συμμετέχοντες και όχι απλοί δέκτες πληροφοριών. Τα Συστήματα Διαχείρισης της Μάθησης αναπτύσσονται ραγδαία και εφαρμόζονται σε ποικίλες μαθησιακές καταστάσεις σε όλες τις βαθμίδες της εκπαίδευσης και ιδιαίτερα στην τριτοβάθμια (Concannon et al., 2005). Η χρήση τους ανέδειξε νέες εκπαιδευτικές πρακτικές όπως το μεικτό ή συνδυαστικό μοντέλο μάθησης (blended learning) (Garrison και Kanuca, 2004), που χρησιμοποιεί συνδυασμό παραδοσιακών παραδόσεων, διαδικτυακών εφαρμογών και μαθησιακού περιεχομένου, ώστε να αξιοποιούνται ταυτόχρονα τα πλεονεκτήματα πραγματικής και εικονικής τάξης. Στην συγκεκριμένη εργασία παρουσιάζεται αρχικά το απαραίτητο θεωρητικό υπόβαθρο απαντώντας σε ερευνητικά ερωτήματα όπως τι είναι το Ελεύθερο Λογισμικό, πως οι Τεχνολογίες της Πληροφορίας και των Επικοινωνιών σχετίζονται με την Εκπαίδευση, ποια είναι τα σημερινά δεδομένα στο χώρο της εξ Αποστάσεως Εκπαίδευσης, ποιες είναι συνοπτικά οι θεωρίες μάθησης που σχετίζονται με την εξ Αποστάσεως Εκπαίδευση, ποιες είναι οι πιο γνωστές εφαρμογές Ανοιχτού Κώδικα που χρησιμοποιούνται για τη Διαχείριση της Μάθησης από απόσταση καθώς και το αν υποστηρίζουν οι πιο διαδεδομένες πλατφόρμες κατάλληλο εκπαιδευτικό υλικό που να συμβάλλει στην ποιοτική εξ Αποστάσεως Εκπαίδευση. Μιας και υπάρχουν ήδη πολλές συγκριτικές μελέτες που εξετάζουν τα υπάρχοντα Συστήματα Διαχείριση της Μάθησης από πλευράς τεχνικών χαρακτηριστικών, δυνατοτήτων ή κόστους, η παρούσα εργασία επικεντρώνεται στη σχέση τεσσάρων συγκεκριμένων συστημάτων με τις θεωρίες μάθησης χωρίς ωστόσο να παραβλέπεται και η τεχνική όψη της σύγκρισης. Τα αποτελέσματα της εργασίας συνεισφέρουν στο πεδίο της εξ Αποστάσεως Εκπαίδευσης και συγκεκριμένα στην ένταξη των Τεχνολογιών Πληροφορίας και Επικοινωνιών στην εκπαιδευτική διαδικασία με την αξιοποίηση των κατάλληλων Συστημάτων Διαχείρισης της Μάθησης. Στη συνέχεια σχεδιάζεται και περιγράφεται ένα Εικονικό Σύστημα Μάθησης που απευθύνεται σε μαθητές των πρώτων τάξεων του Δημοτικού σχολείου, ενώ έχει προηγηθεί μια έρευνα σε Δημοτικά Σχολεία για να συγκεντρωθούν οι απαραίτητες πληροφορίες από όλα τα εμπλεκόμενα μέρη. Η αρχιτεκτονική του συστήματος και τα use cases παρουσιάζονται στο τέλος της εργασίας. / -

Στην παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζονται βασικές έννοιες και μέθοδοι για την ασφάλεια ιστοσελίδων και ιδιαίτερα των site με web application προσανατολισμό, χωρίς αυτό να σημαίνει ότι αρκετές τεχνικές προστασίας και σφάλματα που θα εντοπίσουμε δεν μπορούν να συναντηθούν και σε άλλου σκοπού ιστοσελίδες. Αρχικά, γίνεται αναφορά στο τι είναι μια εφαρμογή ιστού (web app) και ποια είναι τα στοιχεία που την αποτελούν. Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας έρευνες, παρουσιάζονται κάποιες από τις πιο “δημοφιλείς” επιθέσεις που γίνονται σε ιστοσελίδες και περιγράφεται πιο διεξοδικά ποια αδύνατα σημεία της δομής των ιστοσελίδων εκμεταλλεύονται. Παράλληλα, γίνεται αναφορά στο πως και με ποια εργαλεία μπορούμε να εντοπίσουμε και να κλείσουμε τα κενά ασφαλείας που τυχόν έχει μία εφαρμογή ιστού. Τέλος, παρουσιάζεται η εφαρμογή που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της εργασίας με σκοπό να γίνει επίδειξη συγκεκριμένων επιθέσεων και σφαλμάτων που παρατηρούνται στο διαδίκτυο. / In the following pages basic principals and methods are presented in order to secure websites and web applications. I begin by mentioning what is a web application. Moreover, by using statistics and recent researches from various sources i mention the most common web app attack methods and which vulnerabilities can be found in a web app and how to prevent exploiting, something we can accomplish by using various penetration testing tools. Finally, by using a basic web app some web attacks are shown so that it will become more clear how these attacks work.

Αντικείμενο της διπλωματικής εργασίας είναι η σχεδίαση ενός βιοϊατρικού συστήματος που είναι κατάλληλο για την ανίχνευση εμβοών σε ασθενείς. Το σύστημα αυτό αποτελείται από ένα αναλογικό τμήμα το οποίο περιλαμβάνει τους εξαγωγείς ενέργειας ζώνης συχνοτήτων για τα alpha, gamma και theta waves του εγκεφάλου που τροφοδοτούν τα αντίστοιχα κανάλια του συστήματος. Επίσης, το σύστημα περιλαμβάνει και ένα ψηφιακό τμήμα αποτελούμενο από συγκριτές ρεύματος και μια πύλη AND και το οποίο θα χρησιμεύσει για την λήψη της απόφασης σχετικά με το αν πάσχει ή όχι ο ασθενής. Η έξοδος του συστήματος θα οδηγεί ένα σύστημα ανάδρασης, ο οποίος θα προσαρμόζει τα επίπεδα έντασης των αντίστοιχων σημάτων που δέχεται ο ασθενής για την αποφυγή της εμφάνισης του φαινομένου της εμβοής. Η υλοποίηση του συστήματος γίνεται με χρήση MOS transistors τα οποία λειτουργούν στην περιοχή υποκατωφλίου. Η χρήση μικρών ρευμάτων πόλωσης δίνει τη δυνατότητα για σχεδίαση συστημάτων με χαμηλή κατανάλωση ισχύος και ταυτόχρονα επιτρέπει την υλοποίηση μεγάλων τιμών αντιστάσεων, οι οποίες είναι απαραίτητες για την πραγματοποίηση μεγάλων σταθερών χρόνου που απαιτούνται για τη διαχείριση των χαμηλής συχνότητας βιοϊατρικών σημάτων. Στόχος της διπλωματικής εργασίας είναι η ανάπτυξη πρωτότυπης τοπολογίας για το αναλογικό τμήμα του συστήματος. Αυτό επιτεύχθηκε με την ανάπτυξη νέων δομών φίλτρων τα οποία λειτουργούν στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου. Οι κύριοι λόγοι υιοθέτησης αυτής της τεχνικής είναι ότι προσφέρει ταυτόχρονα τα παρακάτω: (α) δυνατότητα επεξεργασίας σημάτων τα οποία είναι μεγαλύτερα από το ρεύμα πόλωσης, λόγω της ενσωματωμένης λειτουργίας σε τάξη-ΑΒ, (β) δυνατότητα λειτουργίας με καλή γραμμικότητα σε πολύ χαμηλή τάση τροφοδοσίας, (γ) ηλεκτρονική ρύθμιση των συχνοτικών χαρακτηριστικών τους από το ρεύμα πόλωσης, (δ) υλοποίηση φίλτρων χωρίς αντιστάτες, (ε) υλοποίηση φίλτρων με χρήση μόνο γειωμένων πυκνωτών. Η σχεδίαση των κυκλωμάτων, τόσο σε επίπεδο σχηματικού, όσο και σε επίπεδο μασκών, έγινε με τη χρήση του λογισμικού Cadence και με το Design Kit που παρέχεται από την τεχνολογία AMS CMOS C35 0.35μm. Συγκρινόμενη με την αντίστοιχη ήδη προταθείσα δομή ανιχνευτή εμβοών, η προτεινόμενη τοπολογία προσφέρει τα παρακάτω ελκυστικά χαρακτηριστικά: (α) μειωμένη κατανάλωση ισχύος και (β) λειτουργία του αναλογικού τμήματος σε μικρότερη τάση τροφοδοσίας (0.5V). / Subject of this M. Sc.Τhesis is the design of a biomedical system that is suitable for detecting tinnitus in patients. This system consists of an analog subsystem comprising band energy extractors for alpha, gamma and theta waves of the EEG that feed the channels of the system. The system also includes a digital section composed of current comparator and AND gate, which will serve as a decision on whether or not the suffering patient. The output of the system will drive a feedback system, which will adjust the intensity levels of the respective signals received by the patient to prevent the occurrence of the phenomenon of tinnitus. The system implementation is done using MOS transistors operating in the subthreshold region. The use of low-level bias currents allows for system design with low power consumption and, simultaneously, enables the implementation of large values of resistors that are necessary for the realization of large time constants required for the handling of low frequency biomedical signals. The aim of this thesis is to develop novel topology for the analog subsystem. Tjhis was achieved through the development ddevelopment of novel structures of filters using the concept of filtering in the Sinh-Domain. The main reasons for using this technique is that it simultaneously offers the following attractive characteristics: (a) capability for processing signals which are larger than the bias current, due to the inherent class-AB operation, (b) ability to achieve a relative high linearity at very low power supply voltage, (c) electronic adjustment of frequency characteristics through the bias current, (d) implementation of filters without resistors, and (e) implementation of filters using only grounded capacitors. The design of circuits, both at schematic and post-layout levels was performed using the Cadence software and the Design Kit provided by the AMS CMOS C35 0.35μm technology. Compared with the corresponding already proposed structure tinnitus detector, the proposed topology to offer the following attractive features: (a) reduced power consumption, and (b) operation of the analog section in lower supply voltage (0.5V).

Τα Δίκτυα Αισθητήρων αποτελούνται από ένα μεγάλο αριθμό μικρών αυτόνομων συσκευών, που αλληλεπιδρούν με το άμεσο περιβάλλον τους μέσω αισθητήρων, συλλέγουν δεδομένα και τα προωθούν προς ένας σταθερό, συνήθως, κέντρο ελέγχου, με αναμεταδόσεις στους ενδιάμεσους κόμβους. Η διαδικασία αυτή έχει ως αποτέλεσμα τη μεγάλη κατανάλωση ενέργειας στις συσκευές, ιδιαίτερα σε αυτές που βρίσκονται κοντά στο κέντρο ελέγχου, αφού πρέπει να αναμεταδίδουν και τα δεδομένα που φτάνουν από το υπόλοιπο δίκτυο προς το κέντρο ελέγχου. Για την επίτευξη μιας πιο ισορροπημένης και αποδοτικής διαδικασίας συλλογής δεδομένων, τα τελευταία χρόνια έχει υιοθετηθεί μια νέα προσέγγιση, όπου το κέντρο ελέγχου είναι κινητό. Η βασική ιδέα είναι ότι το κέντρο ελέγχου διαθέτει σημαντικά και εύκολα ανανεώσιμα αποθέματα ενέργειας, επομένως μπορεί να κινείται στην περιοχή όπου έχει αναπτυχθεί το δίκτυο αισθητήρων, αναλαμβάνοντας να συλλέξει τα δεδομένα από τους κόμβους με πολύ μικρό κόστος. Ωστόσο, η μετάδοση των δεδομένων μπορεί να παρουσιάζει σημαντικές καθυστερήσεις. Συλλογή δεδομένων με προσαρμοστικούς χρόνους αναμονής: Στην παρούσα διατριβή αναπτύχθηκαν πρωτόκολλα ελέγχου της κίνησης ενός κέντρου ελέγχου σε δίκτυο αισθητήρων με ανομοιογενή ανάπτυξη των κόμβων αισθητήρων, με στόχο την αποδοτική, ως προς την ενέργεια και τον χρόνο παράδοσης, συλλογή των δεδομένων. Πιο συγκεκριμένα, αρχικά παρουσιάζεται ένα πρωτόκολλο με βάση το οποίο το κέντρο ελέγχου διαιρεί νοητά το δίκτυο σε περιοχές τις οποίες και επισκέπτεται διαδοχικά, σταματώντας σε κάθε περιοχή για ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα, ώστε να συλλέξει τα δεδομένα. Προτείνουμε δύο τρόπους κίνησης του κέντρου ελέγχου, ντετερμινιστικό και τυχαίο. Στην τυχαία κίνηση, η επιλογή της επόμενης περιοχής την οποία θα επισκεφτεί το κέντρο ελέγχου γίνεται με τυχαίο τρόπο, εισάγοντας όμως ένα όρο μεροληψίας, έτσι ώστε να προτιμούνται περιοχές που έχουν δεχτεί λιγότερες επισκέψεις. Επιπλέον η μέθοδός μας αποφασίζει το χρόνο παύσης σε κάθε περιοχή λαμβάνοντας υπόψιν κάποιες βασικές παραμέτρους του δικτύου, όπως τα αρχικά αποθέματα ενέργειας των κόμβων αισθητήρων και την πυκνότητα της κάθε περιοχής, έτσι ώστε να παραμένει περισσότερο χρόνο σε περιοχές με μεγαλύτερη πυκνότητα, άρα και μεγαλύτερη ποσότητα πληροφορίας. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται η γρήγορη κάλυψη όλου του δικτύου, καθώς επίσης και η δίκαιη εξυπηρέτηση των επιμέρους περιοχών του δικτύου. Προσαρμοστικοί τυχαίοι περίπατοι Στη συνέχεια, μελετάται η χρήση τυχαίων περιπάτων κατά την κίνηση του κέντρου ελέγχου σε δίκτυα αισθητήρων με στόχο την επίτευξη ενός ικανοποιητικού σημείου ισορροπίας μεταξύ κατανάλωσης ενέργειας και καθυστέρησης στην παράδοση των μηνυμάτων. Για την ικανοποίηση του στόχου αυτού, προτείνουμε τρεις νέους τυχαίους περιπάτους, τους α) Τυχαίος Περίπατος με Αδράνεια, κατά τον οποίο το κινούμενο αντικείμενο τείνει να διατηρεί την ίδια κατεύθυνση στην κίνησή του όσο ανακαλύπτει κόμβους αισθητήρων που δεν έχει επισκεφτεί και αλλάζει την κατεύθυνσή του όταν φτάνει σε κόμβους που έχει ξαναεπισκεφτεί, β) Explore-and-Go, κατά τον οποίο το κινούμενο αντικείμενο τείνει να εκτελεί μια Brownian κίνηση γύρω από την περιοχή του όσο υπάρχουν κόμβοι που δεν έχουν δεχτεί επίσκεψη, γ) Curly Random Walk, όπου το κινούμενο αντικείμενο διαπερνάει όλη την περιοχή του δικτύου ξεκινώντας από το κέντρο και επεκτείνοντας την κίνησή του με συνεχόμενες κυκλικές κινήσεις προς τα έξω. Για την εφαρμογή των τυχαίων περιπάτων χρησιμοποιούμε ένα νοητό πλέγμα ώστε να καλύπτουμε την περιοχή του δικτύου αισθητήρων• οι περίπατοι κινούνται πάνω στους κόμβους του πλέγματος. Αν και στις περισσότερες περιπτώσεις οι τυχαίοι περίπατοι μελετώνται σε Gn,p και Grid γράφους, τα δίκτυα αισθητήρων μοντελοποιούνται με μεγαλύτερη ακρίβεια χρησιμοποιώντας το μοντέλο των Random Geometric Graphs (RGG), εφόσον έτσι αναπαρίσταται καλύτερα η χωρική εγγύτητα του δικτύου. Οι παραπάνω τυχαίοι περίπατοι δεν δίνουν τα επιθυμητά αποτελέσματα όταν τρέχουν σε RGG. Έτσι οδηγηθήκαμε στο σχεδιασμό ενός νέου τυχαίου περιπάτου, του γ-Stretched Random Walk, η βασική ιδέα του οποίου είναι να μεροληπτεί υπέρ της επίσκεψης των πιο μακρινών γειτόνων του τρέχοντος κόμβου έτσι ώστε να μειώσει στο ελάχιστο τις επικαλύψεις στις επισκέψεις. Αλγόριθμοι που λαμβάνουν υπόψιν την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία στο δίκτυο: Εκτός από τη μελέτη της κίνησης του κέντρου ελέγχου σε δίκτυα αισθητήρων, στη διατριβή αυτή παρουσιάζεται μια πρώτη προσπάθεια μελέτης θεμάτων σχετικά με την επίγνωση της εκπομπή ακτινοβολίας σε περιβάλλοντα όπου λειτουργούν πολλαπλά ετερογενή ασύρματα δίκτυα. Ως ακτινοβολία σε ένα σημείου του τρισδιάστατου χώρου καλούμε τη συνολική ποσότητητα ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που δέχεται το σημείο αυτό. Έτσι, καταρχάς μελετάμε σε αναλυτικό επίπεδο την ακτινοβολία σε διάφορες γνωστές τοπολογίες (τυχαίες, πλέγματα) και κατόπιν επικεντρώνουμε το ενδιαφέρον μας στην εύρεση ενός μονοπατιού ελάχιστης ακτινοβολίας το οποίο ακολουθείται από κάποιο άτομο που κινείται στην περιοχή που καλύπτεται από ένα ασύρματο δίκτυο αισθητήρων. Προτείνουμε τρεις ευρετικές μεθόδους για την εύρεση του μονοπατιού καθώς το άτομο κινείται, ενώ υπολογίζουμε και την οffline λύση χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο ελάχιστου μονοπατιού. Κατόπιν, εξετάζουμε το θεμελιώδες πρόβλημα της διάδοσης των δεδομένων σε ασύρματα δίκτυα αισθητήρων, προσπαθώντας τόσο να παραμείνει γρήγορη η διαδικασία παράδοσης των μηνυμάτων, παράλληλα όμως και η συνολική ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που παράγεται από τις συνεχείς ασύρματες μεταδόσεις να διατηρηθεί σε χαμηλά επίπεδα. Αυτό επιτυγχάνεται αρχικά χρησιμοποιώντας κάποιες άπληστες ευρετικές μεθόδους που όμως λαμβάνουν υπόψιν την ακτινοβολία. Επιπλέον, οι μέθοδοι αυτοί συνδυάζονται με μεθόδους που πραγματοποιούν back-off στο χρόνο, χρησιμοποιώντας τοπικές ιδιότητες του δικτύου (όπως ο αριθμός γειτόνων, η απόσταση από το κέντρο ελέγχου), έτσι ώστε «απλωθεί» κατά κάποιο τρόπο η ακτινοβολία τόσο ως προς το χρόνο αλλά και ως προς το χώρο. Τα προτεινόμενα πρωτόκολλα αξιολογήθηκαν πειραματικά μέσω προσομοίωσης, χρησιμοποιώντας ποικίλες τιμές για βασικές παραμέτρους του δικτύου και σύγκρινοντάς τα με σχετικές υπάρχουσες ευρέως αποδεκτές μεθόδους. Συστημικές Εφαρμογές: Τέλος, στη διατριβή παρουσιάζονται κάποιες συστημικές εφαρμογές ασύρματων δικτύων αισθητήρων σε κτίρια. Συγκεκριμένα, η πρώτη εφαρμογή αναλαμβάνει σε περίπτωση ανίχνευσης φωτιάς, την εύρεση του ελάχιστου μονοπατιού μακριά από το σημείο όπου έγινε η ανίχνευση. Επιπλέον, παρέχει καθοδήγηση στους ενοίκους του κτιρίου (οι οποίοι μοντελοποιούνται από ένα κινούμενο ρομπότ) έτσι ώστε να εγκαταλείψουν με ασφάλεια το κτίριο. Η επόμενη εφαρμογή παρουσιάζει τη δυνατότητα της απρόσκοπτης διασύνδεσης αυτοματισμών έξυπνων κτιρίων, αποτελούμενων από ενσωματωμένα συστήματα, στο διαδίκτυο και την αφαιρετικοποίησή τους ως απλά web services. Η προσέγγιση αυτή έχει στόχο την δημιουργία ενός ευέλικτου, εύκολα κλιμακώσιμου συστήματος που είναι προσβάσιμο και ελεγχόμενο απομακρυσμένα. Η προσέγγιση που ακολουθήθηκε και παρουσιάζεται στην παρούσα διατριβή περιλαμβάνει την ανάπτυξη ενός αριθμού αισθητήρων μέσα σε ένα κτίριο, οι οποίοι αποκτούν IPv6 διεύθυνση ώστε να είναι προσβάσιμοι διαδικτυακά, ενώ παράλληλα διασυνδέονται με ηλεκτρικές συσκευές του κτιρίου για σχηματισμό αυτοματισμών. Τέλος αναπτύχθηκε μία web εφαρμογή για απομακρυσμένη διαχείριση του δικτύου και του κτιρίου γενικότερα. / Wireless Sensor Networks consist of a large number of small, autonomous devices, that are able to interact with their environment by sensing and collaborate to fulfill their tasks, as, usually, a single node is incapable of doing so; and they use wireless communication to enable this collaboration. The collected data is disseminated to a static control point – data sink in the network, using node to node - multi-hop data propagation. However, sensor devices consume significant amounts of energy in addition to increased implementation complexity, since a routing protocol is executed. Also, a point of failure emerges in the area near the control center where nodes relay the data from nodes that are farther away. Recently, a new approach has been developed that shifts the burden from the sensor nodes to the sink. The main idea is that the sink has significant and easily replenishable energy reserves and can move inside the area the sensor network is deployed, in order to acquire the data collected by the sensor nodes at very low energy cost. However, the need to visit all the regions of the network may result in large delivery delays. Data collection with biased stop times: In this work we have developed protocols that control the movement of the sink in wireless sensor networks with non-uniform deployment of the sensor nodes, in order to succeed an efficient (with respect to both energy and latency) data collection. More specifically, we first propose a protocol, where the sink partitions the network area in equal square regions and then performs a network traversal by visiting each area sequentially. Also, it pauses in each area for a certain amount of time, in order to collect the data. Two network traversal methods are proposed, a deterministic and a random one. When the sink moves in a random manner, the selection of the next area to visit is done in a biased random manner depending on the frequency of visits of its neighbor areas. Thus, less frequently visited areas are favored. Moreover, our method locally determines the stop time needed to serve each region with respect to some global network resources, such as the initial energy reserves of the nodes and the density of the region, stopping for a greater time interval at regions with higher density, and hence more traffic load. In this way, we achieve accelerated coverage of the network as well as fairness in the service time of each region. Besides randomized mobility, we also propose an optimized deterministic trajectory without visit overlaps, including direct (one-hop) sensor-to-sink data transmissions only. Adaptive random walks: Afterwards, in order to achieve satisfactory energy-latency trade-offs the use of random walks for the sink' s motion pattern is studied. Towards this direction three new random walks evaluated on a grid overlaying the wireless sensor network are proposed. The first one is the Random Walk with Inertia where the sink tends to keep the same direction as long as it discovers new nodes, while changing direction when it encounters already visited ones. The second one is the Explore-and-Go Random Walk, where as long as there are undiscovered nodes on the nearby sub-regions of the network it tends to make a Brownian-like motion until all this area is covered. When no new sensors are discovered, it performs a more or less straight-line walk in order to move to a different, possibly unvisited area. The last one is the Curly Random Walk where the sink traverses the network area beginning from the center and expanding its traversal to the entire network area with consecutive circular-like moves. In random walk studies the Gn,p and Grid graph models are well established. However, wireless sensor networks are more accurately modeled via Random Geometric Graphs (RGG), as RGG better capture certain characteristics of WSN's such as link existence dependencies of neighbouring nodes due to geometric proximity. The above mentioned random walks do not behave well on this particular graph model, thus a new random walk was defined, the so called γ-stretched random walk. Its basic idea is to favour visiting distant neighbours of the current node towards reducing node overlap. Radiation-aware algorithms: Except for the issue of mobility in wireless sensor networks, in this work we also attempt (probably for the first time from a distributed networking perspective) to investigate the aspect of electromagnetic radiation in modern and future heterogeneous wireless networks. We call “radiation” at a target elementary surface the total amount of electromagnetic quantity (in terms of energy or power density) it is exposed to. Thus, we first evaluate, both mathematically and by simulation, the radiation in well known sensor network topologies (random, grid) and then focus on the minimum radiation path problem of finding low radiation trajectories for a person moving in a sensor network. We propose three online heuristics and then we identify the (offline) optimum path given by the shortest paths' algorithm. Afterwards, we focus on the fundamental problem of efficient data propagation in wireless sensor networks, trying to keep latency low while maintaining at low levels the radiation cumulated by wireless transmissions. We first propose greedy and oblivious routing heuristics that are radiation aware. We then combine them with temporal back-off schemes that use local properties of the network (e.g. number of neighbours, distance from sink) in order to “spread” radiation in a spatio-temporal way. Al the proposed protocols were evaluated via simulation, in diverse network settings and comparatively to related state of the art solutions. Systems and applications: Finally, in this work we present two applications of wireless sensor networks in buildings. More specifically, the first application, in the event of a fire inside a monitored building, uses the information from the deployed sensor network in order to find the shortest safest path away from the emergency and provides navigation guidance to the occupants (modelled by a mobile robot), in order to safely evacuate the building. The second application addresses networked embedded systems enabling the seamless interconnection of smart building automations to the Internet and their abstractions as web services, using the latest technologies based on IPv6, such as 6LOWPAN, COAP and RESTLess Architecture.

Η παρούσα Διπλωματική Εργασία εστίασε το ενδιαφέρον της στην διερεύνηση των μοντέλων για νευρώνες (neuron models) ικανών να μιμηθούν την φυσική λειτουργία των βιολογικών νευρώνων. Συγκεκριμένα, έγινε μελέτη κάποιων μοντέλων για νευρώνες που παρουσιαστήκαν τα τελευταία χρόνια και στην συνέχεια, σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε ένα από τα μοντέλα αυτά κάνοντας χρήση κυκλωμάτων χαμηλής τάσης τροφοδοσίας στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου (Sinh-Domain). Η γρήγορη ανάπτυξη της μικροηλεκτρονικής στην υλοποίηση συστημάτων υψηλής αξιοπιστίας και απόδοσης μικρού βάρους και όγκου όπως φορητών ηλεκτρονικών πολυμέσων, επικοινωνιών, βιοϊατρικών συσκευών, ωθεί στην σχεδίαση των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων που τα απαρτίζουν με μειωμένη κατανάλωση ισχύος και κατ’ επέκταση χαμηλής τάσης τροφοδοσίας. Αρχικά, γίνεται μια εισαγωγή για τη σχεδίαση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων για λειτουργία σε περιβάλλον χαμηλής τάσης τροφοδοσίας. Ακολούθως, δίνεται η περιγραφή της δομής και της λειτουργίας ενός βιολογικού νευρώνα και στην συνέχεια η περιγραφή των δύο βασικών μοντέλων νευρώνα (neuron models) που μελετήθηκαν στα πλαίσια της συγκεκριμένης εργασίας. Επίσης, παρουσιάζεται μία πρόσφατη υλοποίηση του βασικού μοντέλου νευρώνα των Mihalas και Niebur που ερευνάται στα πλαίσια της παρούσας εργασίας, στο πεδίο του λογαρίθμου καθώς και τα μοτίβα αιχμών τα οποία είναι ικανό να παράγει το συγκεκριμένο μοντέλο στο πεδίο του λογαρίθμου. Τον πυρήνα στην σχεδίαση των συγκεκριμένων μοντέλων για νευρώνες που μελετώνται, αποτελεί η τοπολογία του Tau-Cell. Η συγκεκριμένη βαθμίδα χρησιμοποιείται για την συστηματική σχεδίαση φίλτρων στο πεδίο του λογαρίθμου (Log-Domain filters). Έπειτα, αναλύεται η μέθοδος σχεδίασης κυκλωμάτων, και συγκεκριμένα φίλτρων, χαμηλής τάσης τροφοδοσίας στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου (Sinh-Domain). Παρουσιάζονται οι βασικούς τελεστές καθώς και τα βασικά cells, για την σχεδίαση κυκλωμάτων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου (Sinh-Domain). Στην συνέχεια, περιγράφεται η σχεδίαση της τοπολογίας του Tau-Cell η οποία όπως αναφέραμε, αποτελεί τον πυρήνα στην υλοποίηση μοντέλων για νευρώνες, στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου και επιβεβαιώνεται η ορθή λειτουργία της συγκεκριμένης βαθμίδας, με την σχεδίαση και εξομοίωση φίλτρων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου, με βασικό στοιχείο το Tau-Cell στο Analog Design Environment του λογισμικού της Cadence σε τεχνολογία της AMS CMOS 0.35μm. Αφότου έχει ολοκληρωθεί η σχεδίαση του Tau-Cell στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου, περιγράφεται στην συνέχεια η υλοποίηση του μοντέλου νευρώνα των Mihalas και Niebur στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου. Κάνοντας χρήση της βαθμίδας του Tau-Cell στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου, γίνεται η υλοποίηση και στην συνέχεια η εξομοίωση, δύο βασικών κυκλωμάτων του μοντέλου, με βάση την ήδη υπάρχουσα υλοποίηση τους στο πεδίο του λογαρίθμου, ικανών να παράγουν διάφορα μοτίβα αιχμών (spiking patterns) με βάση το συγκεκριμένο μοντέλο του νευρώνα. Η ορθή λειτουργία των δύο αυτών κυκλωμάτων του μοντέλου με βάση τα μοτίβα αιχμών (spiking patterns) που είναι ικανά να παράγουν, επιβεβαιώνεται από τις εξομοιώσεις στο περιβάλλον του Analog Design Environment του λογισμικού της Cadence σε τεχνολογία της AMS CMOS 0.35μm. Τέλος, παρουσιάζεται η φυσική σχεδίαση (layout) των δύο βασικών κυκλωμάτων του μοντέλου νευρώνα καθώς και τα αποτελέσματα από την post-layout εξομοίωση του μοντέλου. Η φυσική σχεδίαση πραγματοποιήθηκε μέσω του λογισμικού Cadence το οποίο και περιέχει το περιβάλλον φυσικής σχεδίασης αναλογικών ηλεκτρονικών κυκλωμάτων Virtuoso Layout Editor. Η τεχνολογία που χρησιμοποιήθηκε αναφέρεται ως AMS C35D4 CMOS διαστάσεων 0.35μm. / This present M.Sc. Thesis is focused its interest in the study of neuron models that emulate the physical behavior of biological neurons. More specifically, we present a study of some neuron models that have been presented the last years and we proceed with the design and the implementation one of them using low voltage circuits in the Sinh-Domain. Τhe radical technological developments of microelectronics in the systems implementation with high reliability and performance, such as portable electronic devices for multimedia, communications and biomedical systems, demand the design of integrated circuits with reduced power consumption and thus low voltage supply. Initially, an introduction for the design of integrated circuits in low voltage environment is given and, also, the description of the structure and behavior of a biological neuron. Next, an analysis of two recently introduced neuron models realized in the Log-Domain, from which the Mihalas and Niebur neuron model constitutes the basic model studied in the context of this work and, also, the basic spiking patterns, that this implementation of the Mihalas-Niebur neuron model is capable of producing. The core in the implementation of this neuron models, is the topology of Tau-Cell. The topology of Tau-Cell is used for the systematic design of filters in the Log-Domain. Thereafter, is given an analysis of the method of designing low voltage circuits and more specifically filters, in the Sinh-Domain. The basic operators and the principal cells, for designing circuits in the Sinh-Domain are presented. Then, the design and implementation of the Tau-Cell topology which as mentioned is the core for the implementation of neuron models, is realized in the Sinh-Domain. The proper operation of this topology is confirmed through the design and simulation of filters in the Sinh-Domain, in the Analog Design Environment of Cadence using the AMS CMOS 0.35μm technology. After the design of the Tau-Cell in the Sinh-Domain, we continue with the implementation of the Mihalas-Niebur neuron model. Using the topology of Tau-Cell in the Sinh-Domain, we proceed with the implementation and the simulation of the basic two topologies of the neuron model based on the existing implementation in the Log-Domain. The implemented topologies of the neuron are capable of producing spiking patterns based to the Mihalas-Niebur neuron model. The proper operation of these topologies based on the spiking patterns that are capable of producing, is confirmed through the design and simulation in the Sinh-Domain, in the Analog Design Environment of Cadence using the AMS CMOS 0.35μm technology. Finally, is presented the layout design of the main two topologies of the neuron model and also the results of the post-layout simulations. The layout was conducted via the Cadence software through Virtuoso Layout Editor. The technology used is referred as AMS C35D4 CMOS in 0.35μm dimensions.

Το mHealth, η χρήση δηλαδή φορητών τεχνολογιών για την βελτίωση των παρεχόμενων υπηρεσιών υγείας, είναι σήμερα ένα από τα πιο ταχέως αναπτυσσόμενα πεδία της ηλεκτρονικής υγείας (eHealth). Ο αριθμός των επαγγελματιών υγείας που υιοθετούν έξυπνα κινητά τηλέφωνα (smartphones) για την εκτέλεση πληθώρας λειτουργιών αυξάνεται συνεχώς, εξαιτίας των δυνατοτήτων και της φορητότητας που αυτά παρέχουν. Ταυτόχρονα, τα σφάλματα στη φαρμακευτική αγωγή είναι από τα πιο συνηθισμένα ιατρικά λάθη με επιπτώσεις τόσο στην υγεία του ασθενούς όσο και στις δαπάνες στην υγεία. Η χορήγηση φαρμάκων είναι μια πολύπλοκη διαδικασία, καθώς απαιτεί από τον ειδικό της υγείας την ανάλυση πληθώρας παραγόντων και την ανάκτηση, επεξεργασία και διαχείριση μεγάλου όγκου πληροφορίας. Σύμφωνα με τη βιβλιογραφία, η χρήση τεχνολογιών πληροφορικής για την υποβοήθηση των επαγγελματιών υγείας στη λήψη αποφάσεων κατά τη συνταγογράφηση, μπορεί να συμβάλει σημαντικά στη μείωση των σφαλμάτων φαρμακευτικής αγωγής. Στο πλαίσιο της παρούσας διπλωματικής εργασίας, προχωρήσαμε στη διερεύνηση και αξιολόγηση των σημαντικότερων εφαρμογών έξυπνων κινητών συσκευών για το φάρμακο, με στόχο την εξαγωγή χρήσιμων συμπερασμάτων για τα χαρακτηριστικά και τις λειτουργίες που ενσωματώνουν. Ένα από τα βασικά συμπεράσματα της έρευνας ήταν η απουσία αντίστοιχης εφαρμογής για τα φάρμακα που είναι εγκεκριμένα από τον Εθνικό Οργανισμό Φαρμάκων (ΕΟΦ). Ως εκ τούτου, προχωρήσαμε στο σχεδιασμό και την ανάπτυξη εφαρμογής για τον έλεγχο ασυμβασιών μεταξύ φαρμάκων, η οποία παρέχει επιπλέον τη δυνατότητα προβολής πληροφοριών συνταγολογίου για τα φάρμακα του ΕΟΦ. Ο σχεδιασμός της εφαρμογής έγινε λαμβάνοντας υπόψη τις ανάγκες και τις απαιτήσεις μελλοντικών χρηστών, όπως οι επαγγελματίες υγείας και οι ασθενείς, προκειμένου να διασφαλιστεί η λειτουργικότητα και η ευχρηστία της. Η εν λόγω εφαρμογή προορίζεται για έξυπνες κινητές συσκευές που διαθέτουν λειτουργικό σύστημα Android, ενώ η πληροφορία που ενσωματώνει βασίζεται αποκλειστικά στο εθνικό συνταγολόγιο του ΕΟΦ. / Mobile Health or mHealth, namely the use of mobile and wireless technologies in order to improve health services and achieve health goals, is today one of the most rapidly expanding fields of electronic health (eHealth). The number of health professionals that adopt smartphones to perform multiple tasks, during their everyday medical practice, is increasing constantly. This is due to the fact that smartphones provide advanced computing capabilities and high portability. Simultaneously, medication errors are among the most common medical errors which have negative impact both for the health of the patient and the expenditure on health sector. Drug prescribing is quite a complex procedure, considering the fact that requires the health expert to analyze multiple factors and retrieve, process, manage and digest large volume of information. According to the literature, the use of information technologies to assist health professionals in decision-making when prescribing drugs, can contribute significantly to the reduction of medication errors. In the context of our work, we explored and evaluated the major smartphone applications for drugs, aiming to the extraction of useful conclusions about the features and functions that they incorporate. One of the research key findings was the absence of a corresponding application for the drugs that are approved by the National Drug Organization of Greece. Therefore, we design and develop an application for checking drug-drug interactions which additionally provides the ability to view national formulary information about drugs. The analysis and design of the application was implemented in collaboration with future users, such as health professionals and patients, in order to ensure that will meet their needs and requirements and at the same time will remain user friendly. This application is intended for Android smart mobile devices (e.g. smartphones, tablet PCs) and the information that integrates is solely based on the national formulary of the National Drug Organization of Greece.