Η παρούσα μεταπτυχιακή εργασία καταπιάνεται με την περιοχή των Aσύρματων Δικτύων Αισθητήρων και τα προβλήματα που αυτά αντιμετωπίζουν στην αποδοτική δρομολόγηση της πληροφορίας. Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων είναι πολύπλοκα συστήματα που αποτελούνται από έναν αριθμό από σχετικά απλές και αυτόνομες συσκευές αίσθησης, οι οποίες αναπτύσσονται σε μια γεωγραφική περιοχή. Η ιδιομορφία των συσκευών αυτών έγκειται στο ότι αντιμετωπίζουν περιορισμούς όσων αφορά τόσο το ενεργειακό τους απόθεμα και συνεπώς την επιχειρησιακή ζωή τους, όσο και στις ικανότητές τους να επεξεργάζονται, αποθηκεύουν και zεκπέμπουν πληροφορία. Η χρησιμότητα των Ασύρματων Δικτύων Αισθητήρων (ΑΔΑ) στηρίζεται στην ικανότητά τους να αναπτύσσονται εύκολα και σχετικά φθηνά, σε μια περιοχή ενδιαφέροντος στην οποία και παρακολουθούν κάποιο συγκεκριμένο φαινόμενο. Επιπλέον φροντίζουν να ενημερώνουν τους σταθμούς βάσης για την κατάσταση και την εξέλιξη του φαινομένου. Στο πλαίσιο αυτό έχουν αναπτυχθεί μια σειρά από αρχιτεκτονικές ασύρματων αισθητήριων κόμβων αλλά και ποικίλα πρωτόκολλα επικοινωνίας αυτών, τα οποία τα δομούν σε δίκτυα. Η συνεισφορά μας έγκειται στην πρόταση τριών νέων πρωτοκόλλων επικοινωνίας για τα ΑΔΑ τα οποία προσπαθούν να εφαρμόσουν την ιδέα της Δικαιοσύνης επιδιώκοντας να βελτιώσουν τόσο την απόδοση των ΑΔΑ όσο και να επιμηκύνουν την επιχειρησιακή τους ζωή. Τα πρωτόκολλα που παρουσιάζουμε άντλησαν την έμπνευσή τους από το πρωτόκολλο PFR (Πρωτόκολλο Πιθανοτικής Προώθησης των Χατζηγιαννάκη, Δημητρίου, Νικολετσέα και Σπυράκη). Όλα τα προτεινόμενα πρωτόκολλα κατηγοριοποιούνται στο επίπεδο Δικτύου του μοντέλου OSI. / This MSc thesis is about Wireless Sensor Networks and focuses on the problems these networks face in order to route information efficiently Wireless Sensor Networks (WSNs) are complex systems which consist of a number of relative simple autonomous sensing devices. These devices are deployed on a geographical area. The particularity of them lies on the fact that they face serious limitations concerning their energy reserves and consequently their operational life as well as regarding their computational, storage and communication capabilities. WSN's usefulness is mainly about its ability of easy and cheap deployment on an area of concern, where it monitors a particular phenomenon. Moreover the WSN's nodes take the initiative to inform certain base stations regarding the status and evolution of this phenomenon. In this context there is a great volume of work in relation to sensor node architectures and communication protocols which turn these numbers of devices to working networks. Our contribution sums up to the proposal of three novel communication protocols for WSNs, which attempt to enforce the idea of Fairness in order to better WSN�s performance and elongate their life. These protocols are highly influenced by PFR protocol introduced by Chatzigiannakis, Demetriou, Nikoletseas and Spirakis. All the proposed protocols belong to the network layer of the OSI standard.

- / -

Η παρούσα εργασία διαπραγματεύεται το Σύστημα Παρουσίας και Στιγμιαίου Μηνύματος (Presence and Instant Messaging System) πάνω σε αρχιτεκτονικά πλαίσια που στηρίζονται στο πρωτόκολλο SIP, π.χ. το IMS. Σκοπός μας είναι μέσω της εφαρμογής που υλοποιούμε, να μπορεί ένας χρήστης να απολαμβάνει την υπηρεσία παρουσίας με τη βοήθεια γραπτού κειμένου (text). Στο Κεφάλαιο 1, δίνεται μια εισαγωγή σχετικά με τις έννοιες αλλά και τις οντότητες που πλαισιώνουν το μηχανισμό αυτό. Εν συνεχεία, παραθέτουμε την αρχιτεκτονική του συστήματος, δηλαδή τη γραφική διεπαφή, με την οποία ο χρήστης αλληλεπιδρά. Στο Κεφάλαιο 3, ακολουθεί λεπτομερής περιγραφή της υλοποίησης και δίνονται επεξηγήσεις για συγκεκριμένα σημεία του κώδικα. Στο κεφάλαιο 4, δύο χρήστες τρέχουν παράλληλα την εφαρμογή και παρουσιάζεται το σύστημα μας τόσο από τη μεριά των χρηστών όσο και από τη μεριά του εξυπηρετητή. Στο Κεφάλαιο 5, γίνεται αναφορά σε πολύπλοκα σενάρια και δίνονται περιγραφικές λύσεις που μπορούν να αποτελέσουν βάση για τον αναγνώστη εκείνο που επιθυμεί να διευρύνει περισσότερο τους ορίζοντές του στο συγκεκριμένο αντικείμενο. Τέλος, στο παράρτημα βρίσκεται ο πηγαίος κώδικας καθώς επίσης και τα αρχεία που χρειάστηκε να τροποποιήσουμε προκειμένου ο εξυπηρετητής να μας προσφέρει την αντίστοιχη υπηρεσία. / This thesis discusses the "Presence and Instant Messaging System" on an architectural framework based on the protocol SIP, eg IMS. Our goal is to implement an application that a typical user can interract with. This application provides this service using written text (text). Chapter 1 is an introduction to the concepts and entities in the specific area. Subsequently, we present the architecture of the system, ie the graphical interface of our application. In Chapter 3, we give a detailed description of the implementation plus explanations on specific parts of the code. In Chapter 4, two users run simultaneously our implementation.In Chapter 5, we refer to complex scenarios and we give solutions for them.Finally, in the Annex we attach the source code as well as the files that we had to modify for the server in order to offer us this service.

Στα Ad-Hoc ασύρματα δύκτυα για τη διασφάλιση της εμπιστευτικότητας και της ακεραιότητας των μεταδιδόμενων δεδομένων χρησιμοποιούνται συμμετρικοί και ασύμμετροι κρυπταλγόριθμοι. Η επιλογή συμμετρικού ή αύμμετρου κρυπταλγορίθμου επηρεάζεται κυρίως από τους διαθέσιμους αποθηκευτικούς και υπολογιστικούς πόρους που διαθέτουν οι σταθμοί του δικτύου. Τα πρωτόκολλα συμφωνίας κλειδιού χρησιμοποιούνται για τον καθορισμό του βασικού μυστικού που διακρίνει την επικοινωνία τους. Στην προκείμενη διπλωματική εργασία μελετάται η πολυπλοκότητα των πρωτοκόλλων συμφωνίας κλειδιού, αναλύεται ένας υπάρχον αλγόριθμος πρωτοκόλλου που στηρίζεται σε τεχνικές εύρεσης και διόρθωσης λαθών και επιτυγχάνεται η προσομοίωση αυτού (k-place elimination protocol). Ακόμη προτείνονται και προσομοιώνονται δύο νέα πρωτόκολλα συμφωνίας κλειδιού και μελετόνται τα αποτελέσματα τους σε υπολογιστική συστοιχία με τη χρήση του παράλληλου προγραμματιστικού περιβάλλοντος MPI. / In Ad-Hoc wireless networks we use symmetric or asymmetric cryptographic algorithms in order to make sure of the integrity of the sending data. We can choose between these two choices if we consider the available storage and computational resources of the stations. Key agreement protocols are used for the determining of their basic communication secret. In this master thesis I study the complexity of the key agreement protocols and I implemented the k-place elimination protocol of the paper "Distributively Increasing the Percentage of Similarities Between Strings with Applications to Key Agreement" and two new protocols (CAP and AAP).

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 εργασία αυτή επεκτείνουμε το μοντέλο των πρωτοκόλλων πληθυσμών που προτάθηκε από τους Angluin et al., ούτως ώστε να μοντελοποιήσουμε πιο ισχυρά δίκτυα αποτελούμενα από πολύ μικρά τεχνουργήματα περιορισμένων πόρων (πράκτορες), τα οποία είναι πιθανόν να ακολουθούν μη προβλέψιμη παθητική κίνηση. Οι πράκτορες αυτοί επικοινωνούν μόνο κατά ζεύγη σύμφωνα με τις επιλογές ενός εχθρικού δρομολογητή. Ένας κατευθυνόμενος (ή μη κατευθυνόμενος) γράφος επικοινωνίας αποτυπώνει την ακόλουθη πληροφορία: κάθε ακμή (u,υ) του γράφου υποδηλώνει ότι επιτρέπεται κατά τον υπολογισμό να συμβούν μία ή περισσότερες αλληλεπίδρασεις του u με τον υ στις οποίες ο u είναι ο μυητής και ο υ ο αποκρινόμενος. Το νέο χαρακτηριστικό του μοντέλου των πρωτοκόλλων πληθυσμών με διαμεσολαβητή το οποίο προτείνουμε στην παρούσα εργασία είναι η ύπαρξη ενός παθητικού παρόχου επικοινωνίας τον οποίο καλούμε διαμεσολαβητή. Ο διαμεσολαβητής είναι μία απλή βάση δεδομένων με δυνατότητες επικοινωνίας. Βασική δουλειά του είναι να διατηρεί τις επιτρεπόμενες αλληλεπιδράσεις σε κλάσεις επικοινωνίας, των οποίων ο αριθμός είναι σταθερός και ανεξάρτητος του μεγέθους του πληθυσμού. Για τον λόγο αυτό υποθέτουμε ότι κάθε πράκτορας του πληθυσμού έχει έναν μοναδικό προσδιοριστή (ίσως εργοστασιακό) τον οποίο ο ίδιος δεν μπορεί να γνωρίζει. Όταν δύο πράκτορες πρόκειται να αλληλεπιδράσουν αποστέλλουν τους μοναδικούς προσδιοριστές τους (ταυτότητες) στον διαμεσολαβητή ο οποίος τους κοινοποιεί την κλάση στην οποία ανήκει το μεταξύ τους κανάλι επικοινωνίας (δηλαδή, την κατάσταση του κατευθυνόμενου ή μη ζεύγους των προσδιοριστών τους) και οι πράκτορες ανανεώνουν την κατάστασή τους και την κατάσταση της μεταξύ τους ακμής βάσει μίας καθολικής συνάρτησης μετάβασης. Εάν η μεταξύ τους αλληλεπίδραση δεν επιτρέπεται ή, με άλλα λόγια, αν το ζεύγος αυτό δεν υπάρχει στη βάση δεδομένων του διαμεσολαβητή οι πράκτορες ενημερώνονται ότι θα πρέπει να ματαιώσουν την αλληλεπίδραση. Παρατηρούμε ότι με τον τρόπο αυτό αρχίζουμε να αποκτούμε κάποιον έλεγχο σχετικά με την ασφάλεια του δικτύου και επιπλέον μέσω του διαμεσολαβητή μπορούμε ανά πάσα στιγμή να γνωρίζουμε την τοπολογία του δικτύου. Ισοδύναμα, είναι σα να επιτρέπουμε στις ακμές του γράφου επικοινωνίας να διατηρούν καταστάσεις από ένα σύνολο καταστάσεων ακμών σταθερού πληθικού αριθμού. Ο εναλλακτικός αυτός τρόπος να δούμε το νέο μοντέλο έχει πολλά πλεονεκτήματα ως προς την τυπική μοντελοποίηση και τον σχεδιασμό πρωτοκόλλων, αφού μας επιτρέπει να παραβλέψουμε τις λεπτομέρειες υλοποίησης του διαμεσολαβητή. Επιπρόσθετα, επεκτείνουμε περαιτέρω το νέο μοντέλο επιτρέποντας στις ακμές να έχουν κόστη από ένα, επίσης, σταθερού πληθικού αριθμού σύνολο, τα οποία είναι μόνο προς ανάγνωση. Εν συνεχεία, επιτρέπουμε στους κανόνες μεταβάσεων των εκάστοτε πρωτοκόλλων να διαβάζουν τις καταστάσεις του ζεύγους πρακτόρων που αλληλεπιδρούν και την κατάσταση και το κόστος της ακμής μέσω της οποίας γίνεται η αλληλεπίδραση (αν, φυσικά, έχουμε ορίσει κόστη στο πρόβλημά μας) και να ανανεώνουν όλα αυτά τα στοιχεία πέραν από τα κόστη που είναι μόνο προς ανάγνωση. Παρατηρούμε, επομένως, ότι οι προδιαγραφές των πρωτοκόλλων του νέου μοντέλου συνεχίζουν, να είναι ανεξάρτητες του μεγέθους του πληθυσμού και συνεχίζουν να μην χρησιμοποιούν μοναδικούς προσδιοριστές, δηλαδή, το νέο μοντέλο διατηρεί τα χαρακτηριστικά της κλιμάκωσης, της ομοιομορφίας και της ανωνυμίας. Τα Πρωτόκολλα Πληθυσμών με Διαμεσολαβητή (Mediated Population Protocols - MPP) που προτείνουμε μπορούν να υπολογίσουν σταθερά ιδιότητες γράφων σχετικά με τον γράφο επικοινωνίας. Για να το δείξουμε αυτό παρουσιάζουμε πρωτόκολλα για το μεγιστοτικό ταίριασμα, την μεταβατική θήκη, τις ακμές ελαχίστου κόστους και το ελάχιστο μονοπάτι από τη ρίζα ως τα φύλλα ενός έξω-κατευθυνόμενου δέντρου και αποδεικνύουμε την ορθότητά τους. Εν συνεχεία, δείχνουμε ότι το μοντέλο των πρωτοκόλλων με διαμεσολαβητή αποτελεί ένα ισχυρότερο υπολογιστικά μοντέλο από το κλασικό μοντέλο των πρωτοκόλλων πληθυσμών. Πρώτα παρατηρούμε το προφανές, ότι, δηλαδή, το κλασικό μοντέλο των πρωτοκόλλων πληθυσμών είναι ειδική περίπτωση του νέου μοντέλου, άρα το νέο μοντέλο μπορεί να κάνει σίγουρα τουλάχιστον ότι και το κλασικό. Εν συνεχεία, παρουσιάζουμε ένα πρωτόκολλο με διαμεσολαβητή το οποίο υπολογίζει σταθερά το γινόμενο δύο θετικών ακέραιων στην περίπτωση που ο G (γράφος επικοινωνίας) είναι πλήρης κατευθυνόμενος και συνεκτικός. Τα κατηγορήματα που περιλαμβάνουν πολλαπλασιασμό δύο ακέραιων μεταβλητών δεν είναι ημιγραμμικά και έχει αποδειχθεί ότι τα κλασικά πρωτόκολλα πληθυσμών σε πλήρεις γράφους υπολογίζουν σταθερά μόνο ημιγραμμικά κατηγορήματα, άρα με τον τρόπο αυτό δείχνουμε ότι υπάρχει τουλάχιστον ένα κατηγόρημα που ενώ δεν υπολογίζεται σταθερά απ'' το βασικό μοντέλο υπολογίζεται σταθερά από το μοντέλο το οποίο προτείνουμε. Για τις ανάγκες της απόδειξης διατυπώνουμε και αποδεικνύουμε ένα γενικό Θεώρημα σχετικά με τη σύνθεση δύο πρωτοκόλλων πληθυσμών με διαμεσολαβητή, το ένα εκ των οποίων χρησιμοποιεί σταθεροποιούμενες εισόδους. Δείχνουμε, επίσης, ότι όλα τα κατηγορήματα που υπολογίζονται σταθερά απ'' το μοντέλο μας ανήκουν (μη ομοιόμορφα) στην κλάση NSPACE(m), όπου το m συμβολίζει το πλήθος των ακμών του γράφου επικοινωνίας. Τέλος, ορίζουμε τα πιθανοτικά πρωτόκολλα πληθυσμών με διαμεσολαβητή, στα οποία ο δρομολογητής επιλέγει σε κάθε βήμα την επόμενη αλληλεπίδραση ισοπίθανα μεταξύ των ακμών του γράφου επικοινωνίας και δείχνουμε ότι κάθε Peano κατηγόρημα που υπολογίζεται σταθερά από ένα πιθανοτικό MPP μπορεί να επαληθευτεί σε αιτιοκρατικό πολυωνυμικό χρόνο. / In this work we extend the population protocol model of Angluin et al., in order to model more powerful networks of very small resource limited artefacts (agents) that is possible to follow some unpredictable passive movement. These agents communicate in pairs according to the commands of an adversary scheduler. A directed (or undirected) communication graph encodes the following information: each edge (u,υ) denotes that during the computation it is possible for an interaction between u and υ to happen in which u is the initiator and υ the responder. The new characteristic of the proposed mediated population protocol model is the existance of a passive communication provider that we call mediator. The mediator is a simple database with communication capabilities. Its main purpose is to maintain the permissible interactions in communication classes, whose number is constant and independent of the population size. For this reason we assume that each agent has a unique identifier for whose existence the agent itself is not informed and thus cannot store it in its working memory. When two agents are about to interact they send their ids to the mediator. The mediator searches for that ordered pair in its database and if it exists in some communication class it sends back to the agents the state corresponding to that class. If this interaction is not permitted to the agents, or, in other words, if this specific pair does not exist in the database, the agents are informed to abord the interaction. Note that in this manner for the first time we obtain some control on the safety of the network and moreover the mediator provides us at any time with the network topology. Equivalently, we can model the mediator by communication links that are capable of keeping states from a edge state set of constant cardinality. This alternative way of thinking of the new model has many advantages concerning the formal modeling and the design of protocols, since it enables us to abstract away the implementation details of the mediator. Moreover, we extend further the new model by allowing the edges to keep readable only costs, whose values also belong to a constant size set. We then allow the protocol rules for pairwise interactions to modify the corresponding edge state by also taking into account the costs. Thus, our protocol descriptions are still independent of the population size and do not use agent ids, i.e. they preserve scalability, uniformity and anonymity. The proposed Mediated Population Protocols (MPP) can stably compute graph properties of the communication graph. We show this for the properties of maximal matchings (in undirected communication graphs), also for finding the transitive closure of directed graphs and for finding all edges of small cost. We demonstrate that our mediated protocols are stronger than the classical population protocols. First of all we notice an obvious fact: the classical model is a special case of the new model, that is, the new model can compute at least the same things with the classical one. We then present a mediated protocol that stably computes the product of two nonnegative integers in the case where G is complete directed and connected. Such kind of predicates are not semilinear and it has been proven that classical population protocols in complete graphs can compute precisely the semilinear predicates, thus in this manner we show that there is at least one predicate that our model computes and which the classical model cannot compute. To show this fact, we state and prove a general Theorem about the composition of two mediated population protocols, where the first one has stabilizing inputs. We also show that all predicates stably computable in our model are (non-uniformly) in the class NSPACE(m), where m is the number of edges of the communication graph. Finally, we define Randomized MPP and show that, any Peano predicate accepted by a Randomized MPP, can be verified in deterministic polynomial time.

Τα ασύρματα δίκτυα μικροαισθητήρων αποτελούνται από ένα πολύ μεγάλο πλήθος συσκευών που τοποθετούνται σε μία περιοχή ενδιαφέροντος και αυτοοργανώνονται σε ένα αδόμητο δίκτυο, προκειμένου να καταγράψουν/μετρήσουν/παρακολουθήσουν κάποια περιβαλλοντική μετρική ή φαινόμενο και εν συνεχεία να μεταφέρουν τα δεδομένα σε κάποιο κέντρο ελέγχου. Λόγω των πολύ περιορισμένων δυνατοτήτων των συσκευών, ειδικά όσον αφορά την εμβέλεια επικοινωνίας και τα αποθέματα ενέργειας, αλλά και λόγω του πλήθους τους, είναι απαραίτητη η ανάπτυξη νέων αλγορίθμων και πρωτοκόλλων σχεδιασμένων για τα ιδιαίτερα προβλήματα των δικτύων αισθητήρων. Στην παρούσα διατριβή παρουσιάζουμε έρευνα επικεντρωμένη στην ανάπτυξη, προσομοίωση και αξιολόγηση ενεργειακά αποδοτικών αλγορίθμων, δηλαδή βασικός στόχος είναι η ελαχιστοποίηση της κατανάλωσης ενέργειας. Παρά τη ραγδαία εξέλιξη της τεχνολογίας του υλικού το πρόβλημα βελτιστοποίησης της ενέργειας των συσκευών αισθητήρων παραμένει επίκαιρο αφού οι υπάρχουσες και άμεσα διαφαινόμενες λύσεις μέσω υλικού δεν έχουν δώσει ικανοποιητική απάντηση. Επικεντρώνουμε την έρευνά μας σε τρεις βασικές κατευθύνσεις που στοχεύουν στην εξοικονόμηση και βελτιστοποίηση της κατανάλωσης ενέργειας σε διαφορετικά επίπεδα. Κοινός στόχος είναι η μείωση του κόστους επικοινωνίας, μέσω της ανάδειξης καινοτόμων τεχνικών που δίνουν ώθηση στην ανάπτυξη νέων αλγορίθμων. Συγκεκριμένα, διερευνήσαμε τεχνικές κατανεμημένης προσαρμογής της λειτουργίας ενός πρωτοκόλλου όπου χρησιμοποιούμε πληροφορία διαθέσιμη τοπικά σε κάθε κόμβο ώστε με καθαρά τοπικές επιλογές, να βελτιώσουμε τη συνολική συμπε- ριφορά ενός πρωτοκόλλου. Επίσης προτείνουμε τεχνικές τοπικής συλλογής και εκμετάλλευσης περιορισμένης γνώσης των συνθηκών του δικτύου. Με ενεργειακά αποδοτικό τρόπο συλλέγουμε επιπλέον πληροφορία που χρησιμοποιούμε προκειμένου να επιτευχθούν βελτιστοποιήσεις όπως ο σχηματισμός ενεργειακά αποδοτικών, χαμηλής καθυστέρησης και ανθεκτικών σε σφάλματα μονοπατιών για μετάδοση δεδομένων. Ακόμα, διερευνούμε τεχνικές διαχείρισης της κινητικότητας σε περιπτώσεις δικτύων όπου χαρακτηριστικό είναι η κίνηση τόσο του κέντρου ελέγχου όσο και των συσκευών αισθητήρων. Εξετάσαμε μεθόδους διαπέρασης και κάλυψης του δικτύου από κινητά κέντρα ελέγχου που βασίζονται σε πιθανοτική κίνηση που ευνοεί την επίσκεψη κάποιων περιοχών με βάση τοπικά κριτήρια (συχνότητα προηγούμενων επισκέψεων, τοπική πυκνότητα δικτύου). Οι αλγόριθμοι που αναπτύσσουμε βασισμένοι σε αυτές τις τεχνικές λειτουργούν α) σε επίπεδο διαχείρισης της ίδιας της συσκευής, β) σε επίπεδο πρωτοκόλλου δρομολόγησης και γ) συνολικά σε επίπεδο δικτύου, αναδεικνύοντας μακροσκοπική συμπεριφορά από τοπικές αλληλεπιδράσεις. Οι αλγόριθμοι εφαρμόζονται σε περιπτώσεις δικτύων με διαφορές στην πυκνότητα, κατανομή κόμβων, διαθέσιμη ενέργεια αλλά και με ριζικές διαφοροποιήσεις στο μοντέλο αφού εξετάζουμε δίκτυα με παρουσία σφαλμάτων, σταδιακή ανάπτυξη κόμβων ακόμα και με κινούμενους κόμβους. Σε όλες αυτές τις περιπτώσεις οι τεχνικές μας πετυχαίνουν σημαντικά οφέλη γεγονός που αναδεικνύει την αξία τους σαν εργαλεία αλγοριθμικής σχεδίασης. / -

Τα τελευταία χρόνια εξελίξεις στην τεχνολογία της μικροηλεκτρονικής και των ψηφιακών επικοινωνιών έκαναν δυνατή τη δημιουργία αυτόνομων μικροσκοπικών συσκευών, εξοπλισμένων με αισθητήρες, επεξεργαστή και δυνατότητα ασύρματης επικοινωνίας, που ονομάζονται μικροαισθητήρες. Τα ασύρματα δίκτυα μικροαισθητήρων αποτελούνται από ένα μεγάλο πλήθος μικροαισθητήρων που τοποθετούνται (συνήθως με τυχαίο τρόπο) σε μία περιοχή ενδιαφέροντος προκειμένου να μετρήσουν την τιμή ενός μεγέθους ενδιαφέροντος. Λόγω των περιορισμένων δυνατοτήτων των συσκευών, τόσο σε υπολογιστικούς πόρους, μνήμη και εμβέλεια επικοινωνίας όσο και κυρίως σε αποθέματα ενέργειας, είναι αναγκαία η ανάπτυξη πρωτοκόλλων επικοινωνίας που λαμβάνουν υπόψη τους περιορισμούς αυτούς. Στο παρόν κείμενο παρουσιάζουμε νέα πρωτόκολλα για ασύρματα δίκτυα μικροαισθητήρων. Τα πρωτόκολλα καλύπτουν πολλές σημαντικές πτυχές του προβλήματος της επικοινωνίας σε αυτή την κατηγορία δικτύων, όπως είναι η αποτελεσματική διάδοση δεδομένων, η αποφυγή συγκρούσεων και η εξοικονόμηση ενέργειας. Ο σχεδιασμός τέτοιων πρωτοκόλλων απαιτεί ανάπτυξη και χρήση μη τετριμμένων αλγοριθμικών τεχνικών, όπως είναι η προσαρμοστικότητα, η ικανοποίηση \\\\EN{trade-offs}, η ετερογένεια του δικτύου ως σχεδιαστικό εργαλείο κλπ. Η ανάλυση των πρωτοκόλλων γίνεται με την διεξαγωγή εξαντλητικών πειραμάτων προσομοίωσης μεγάλης κλίμακας και την μέτρηση της απόδοσής τους σε συγκεκριμένες μετρικές. Οι επιδόσεις των πρωτοκόλλων αξιολογούνται σε σύγκριση με ευρέως αποδεκτά αντίστοιχα πρωτόκολλα που έχουν προταθεί στη διεθνή βιβλιογραφία. / In recent years, advances in technology in the areas of microelectronics and digital communications made possible the creation of tiny autonomous devices, that are equipped with sensors, a processor and wireless communication capabilities, which are called sensors. Wireless sensor networks are comprised of a large number of sensor devices which are deployed (usually in a random manner) in an area of interest, in order to measure the value of a condition. Due to the limited capabilities of the devices, in processing, memory, communication range and mostly energy supplies, it is necessary to develop communication protocols that take into account these limitations. In this work we present new protocols for wireless sensor networks. Our protocols cover many important aspects of the problem of efficient communication in this type of networks, such as efficient data propagation, collision avoidance and energy conservation. The design of such protocols requires the development and use of non-trivial algorithmic techniques, such as adaptation, satisfaction of trade-offs, using the heterogeneity of the network as a design tool etc. The analysis of the protocols is performed by conducting thorough, large scale simulation experiments and measuring their performance in various metrics. The performance of the protocols is evaluated in comparison to well known widely accepted protocols proposed in the international literature.

Στην παρούσα διατριβή αντιμετωπίζονται προβλήματα που αφορούν στην διαλειτουργικότητα, στο επίπεδο της ‘επικοινωνίας δεδομένων’, κατά την επικοινωνία διαφορετικών ιατρικών πληροφοριακών συστημάτων – ΙΠΣ, τα οποία ανήκουν σε οργανισμούς παροχής ιατρικής φροντίδας, με τον σχεδιασμό και την υλοποίηση ενός Μοντέλου Αναφοράς Ανάπτυξης – ΜΑΑ. Το ΜΑΑ προτείνει ένα πλαίσιο εργασίας για την ανάπτυξη Συστημάτων Διαχείρισης Μηνυμάτων – ΣΔΜ, ικανών να υποστηρίζουν την επικοινωνία διαφορετικών ΙΠΣ στο χώρο του Νοσοκομείου και περιγράφει: (α) την κοινή συντακτική δομή της πληροφορίας που ανταλλάσσεται, (β) τις κοινές κατατομές επικοινωνίας των οντοτήτων των ΙΠΣ, (γ) τη γενική αρχιτεκτονική του ενδιάμεσου συστήματος και (δ) ένα σύνολο διεργασιών και υπηρεσιών που υλοποιούν τη διαδικασία της μηνυματοδοσίας, αλλά και την επίβλεψη, τον έλεγχο και τη συντήρηση αυτής. Επιπλέον, η παρούσα διατριβή εστιάζεται και στην υλοποίηση ενός ΣΔΜ, το οποίο εξυπηρετεί την επικοινωνία τριών βασικών ΙΠΣ του νοσοκομείου και είναι πλήρωως συμμορφωμένο με τις προτεινόμενες προδιαγραφές. Η αξιολόγηση του ΜΑΑ πραγματοποιήθηκε με την εφαρμογή τριών διαφορετικών μεθόδων: την πρακτική εφαρμογή του ΜΑΑ, την αξιολόγηση των ‘κριτηρίων χρήσης’ του και την προσέγγιση των ‘διαστάσεων ποιότητας’. / The present dissertation addresses interoperability issues, ion the ‘data communication level’, that concern the communication between heterogeneous Medical Information Systems (MISs) of healthcare organizations, through the design and implementation of a Reference Implementation Model (RImM). The RImM introduces a framework for the implementation of Message Handling Systems (MHSs) that supports the interoperable communication of different MISs inbound and outbound healthcare organizations and concerns: (a) the common syntactic structure of the transferred information, (b) the communication profiles of the MISs’ functional entities, (c) the general architecture of the intermediate system and (d) the set of interactions and service elements that implement the messaging service and the surveillance, control and maintenance of it. Furthermore, the dissertation focuses on the implementation of such a MHS that supports the communication of three basic MISs. The efficiency estimation of the proposed RImM were assessed applying three different methods: (a) the practical application of RImM and pilot operation of the implemented MHS, (b) the evaluation of ‘criteria of use’ and (c) the evaluation of ‘quality dimensions’ that concern reference modeling.

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.