Στην εν λόγω εργασία, έγινε μια προσπάθεια καταγραφής του τεχνολογικού τοπίου της τηλεπικοινωνιακής αγοράς, με έμφαση την διαλειτουργικότητα μεταξύ των Δικτύων Κινητής Τηλεφωνίας και των Ασύρματων Δικτύων Δεδομένων και των σχετικών αλλαγών που έχει επιφέρει αυτή η διαλειτουργικότητα, τόσο στις παρεχόμενες υπηρεσίες, όσο και στα εφαρμοζόμενα επιχειρηματικά μοντέλα από πλευράς εταιρειών της συγκεκριμένης αγοράς. Στα πλαίσια αυτής της προσπάθειας, χρειάστηκε να πραγματοποιηθεί μια λεπτομερής καταγραφή των τεχνολογικών εξελίξεων, σε επίπεδο τεχνικών προδιαγραφών και προτύπων, στις παραπάνω δύο κατηγορίες δικτύων, ώστε να καταλήξουμε σε εκείνα τα πρότυπα που πλέον μπορούν να οδηγήσουν στην υλοποίηση δικτύων τα οποία θα χαρακτηρίζονται από τα παρακάτω: • θα είναι ενοποιημένα ώστε οι διαφορετικές τεχνολογικές πλατφόρμες των εταιρειών να λειτουργούν απρόσκοπτα, • θα χαρακτηρίζονται από χαμηλό κόστος, • ο τελικός χρήστης θα μπορεί να είναι συνεχώς συνδεδεμένος με κάποιο δίκτυο ασύρματης πρόσβασης και να απολαμβάνει τις υπηρεσίες που επιθυμεί, οποτεδήποτε και οπουδήποτε. Η δομή της διπλωματικής εργασίας ακολουθεί τον προαναφερθέντα τρόπο σκέψης. Στο 1ο Κεφάλαιο γίνεται μια σύντομη παρουσίαση του στόχου σε επίπεδο τεχνολογιών αλλά και υπηρεσιών, δηλαδή των αναμενόμενων αποτελεσμάτων αυτών των δικτύων νέας γενιάς, στα οποία έχουμε συνηθίσει να αναφερόμαστε ως δίκτυα 4G (4th Generation) ή δίκτυα B3G (Beyond 3G) ή τέλος ως All – IP ασύρματα δίκτυα. Στο 2ο Κεφάλαιο, γίνεται μια λεπτομερής παρουσίαση των Δικτύων Κινητής Τηλεφωνίας από τις πρώτες τους εκδοχές (1G) έως τις πλέον σύγχρονες (3.5G) που έχουν εμφανιστεί μέχρι σήμερα. Αναλύονται τόσο οι γενιές των δικτύων όσο και τα χρησιμοποιούμενα πρότυπα, σε επίπεδο αρχιτεκτονικής όσο και σε επίπεδο πρωτοκόλλων. Στη συνέχεια του κεφαλαίου υπάρχει η τεχνική περιγραφή των επικρατέστερων δικτύων κινητής τηλεφωνίας, σήμερα, δηλαδή των GSM, GPRS και UMTS, ενώ στο τέλος του κεφαλαίου υπάρχει μια σύντομη περιγραφή της διαδικασίας intersystem handover μεταξύ των GSM και UMTS. Στο 3ο Κεφάλαιο, περνάμε πλέον στα Ασύρματα Δίκτυα Δεδομένων. Γίνεται μια εκτενής περιγραφή των προτύπων που έχουν καθοριστεί και συγκεκριμένα στα πρότυπα IEEE 802.15 Wireless Personal Area Networks (WPANs) με κυριότερους εκφραστές τα δίκτυα βασιζόμενα σε Bluetooth και IrDA, το πρότυπο IEEE 802.11 Wireless Local Area Networks (WLANs) με σημαντικότερος εκπροσώπους τα WiFi και HyperLan/2, το πρότυπο IEEE 802.16 Wireless Metropolitan Area Networks (WMANs) ή αλλιώς γνωστότερο ως WiMAX και τέλος το πρότυπο IEEE 802.20 Wireless Wide Area Networks (WWANs) ή διαφορετικά Mobile Broadband Wireless Access (MWBA) το οποίο είναι υπό διερεύνηση ακόμα και φιλοδοξεί να αποτελέσει το ασύρματο ανάλογο της τεχνολογίας xDSL, καθώς θα προσφέρει ασύρματες ευρυζωνικές υπηρεσίες. Στο 4ο Κεφάλαιο παρουσιάζονται μεθοδολογίες υλοποίησης του integration μεταξύ δικτύων των δύο κατηγοριών και συγκεκριμένα παραδείγματα διαλειτουργικότητας, όπως μεταξύ GPRS ή UMTS και WLANs ή μεταξύ UMTS και WiMAX. Γίνεται εκτενής συζήτηση γύρω από τα προβλήματα που θα πρέπει να αντιμετωπιστούν, όπως η εξασφάλιση ανεκτού επιπέδου QoS, οι μηχανισμοί για handover μεταξύ των δικτύων, η διαχείριση της κινητικότητας των χρηστών και των τερματικών και δίνονται παραδείγματα δημιουργίας ενοποιημένων δικτύων, τόσο με τη τεχνική της χαλαρής όσο και με την τεχνική της ισχυρής ζεύξης. Στο τελευταίο τμήμα του Κεφαλαίου, γίνεται μια εκτενής αναφορά στις αρχιτεκτονικές διασύνδεσης ετερογενών δικτύων με IP δίκτυα κορμού, τα γνωστά All – IP networks. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στους μηχανισμούς πραγματοποίησης των handovers βάσει πολιτικών (policy based) και η χρήση τεχνικών για micromobility και macromobility σε σχέση με την κινητικότητα των τερματικών. Το 5ο Κεφάλαιο αφορά τις εφαρμογές και υλοποιήσεις ασυρμάτων δικτύων δεδομένων στον Ελληνικό χώρο, στα πλαίσια του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Κοινωνία της Πληροφορίας» και πιο συγκεκριμένα τα «Εξοπλισμός και δικτύωση σε όλες τις βαθμίδες της εκπαίδευσης», «Ασύρματα Ευρυζωνικά Δίκτυα ΟΤΑ»και «Μητροπολιτικά Ευρυζωνικά Δίκτυα Οπτικών Ινών ΟΤΑ» και ουσιαστικά αποτελούν παραδείγματα και υλοποιήσεις διασύνδεσης WiFi, WiMAX και IP backbone δικτύων όπως το ΣΥΖΕΥΞΙΣ με δυνατότητες για παροχή VoIP. / In this thesis, an effort of presenting the technological landscape of the telecommunication market takes place, with focus on the interoperability between the Mobile Telephony Networks and the Wireless Data Networks and the relative changes that have evolved through this interoperability, both regarding the provided services and the applied business models by the enterprises of the specific market. Within the frames of this effort, a detailed recording of technological developments is realised, in terms of technical specifications and standards, in the two aforementioned categories of networks, so as to conclude to those standards that are utilized by the next generation networks (4G) which will be: • Networks that will be unified so as the different technological platforms will function smoothly. • Networks that will be characterized by low cost of deployment. • The end user will be continuously connected with a wireless access network, enjoying the preferred services anywhere and anytime. The master thesis structure follows the aforementioned methodology. The 1st Chapter includes a short presentation of expected results, both in terms of technologies and services for next generation networks, which we usually refer to as 4G networks (4th Generation) or B3G networks (Beyond 3G) or finally as All - IP wireless networks (AIPN). In the 2nd Chapter, a detailed presentation of Mobile Telephony Networks takes place, from their first versions (1G) until the most modern (3.5G) that have been presented up to today. The analysis includes both the various generations of networks and the used standards, in terms of modulation and multiplexing techniques. The rest of the chapter focuses on the technical description of the prevailing networks, GSM, GPRS and UMTS, while the chapter ends with a short description of intersystem handover processes between GSM and UMTS. Τhe 3rd Chapter, includes an extensive description of the Wireless Data Networks standards such as: IEEE 802.15 Wireless Personal Area Networks (WPANs) with main representatives networks based on Bluetooth and IrDA, standard IEEE 802.11 Wireless Local Area Networks (WLANs) mainly represented by WiFi and HyperLan/2, IEEE 802.16 Wireless Metropolitan Area Networks (WMANs) standard, widely known as WiMax and finally the IEEE 802.20 Wireless Wide Area Networks (WWANs) standard, namely Mobile Broadband Wireless Access (MWBA) that is still under development and aspires to constitutes the wireless version of the xDSL technology, since it aims to provide wireless broadband services. In the 4th Chapter methodologies for integrating the two types of networks, are presented along with examples of interoperability between GPRS / UMTS and WLANs or between UMTS and WiMAX. Extensive discussion around the problems that should be faced, as the guarantee of bearable QoS level, the mechanisms for handover between the networks and the management of mobility of users and terminals, is held. Moreover, examples of integrated networks with both loose and tight coupling methodologies are presented. The last section of the chapter concerns a detailed description of architectures for interconnecting heterogeneous wireless networks over IP – based backhaul networks, namely All – IP networks, with special focus on policy based handover mechanisms and techniques for managing micromobility and macromobility issues. The 5th Chapter concerns the changes taking place in the telecommunications market deriving from the technological progress in the subject of heterogeneous wireless networks interconnection. New service packets are created, as a result of new business plans that are drawn up by the big telecommunications organizations. Finally, we present the developments in the Greek market and subsidised projects from Information Society AE, via which wireless networks have been materialised, with aim to promote Broadband Services.

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

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

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

Αντικείμενο της διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της συμπεριφοράς των WBAN (Wireless Body Area Networks) σαν μέρος του συστήματος παρακολούθησης υγείας ασύρματης τηλεϊατρικής. Αρχικά γίνεται σύντομη αναφορά στον τρόπο χρήσης των WBAN για την πραγματοποίηση της ιδέας της mHealth (mobile health) καθώς και σε ενδεικτικά ερευνητικά προγράμματα της Ευρωπαϊκής Ένωσης που περιλαμβάνουν χρήση της τεχνολογίας WBAN και της τεχνολογίας ασύρματων εμφυτεύσιμων αισθητήρων για εφαρμογές ιατρικής περίθαλψης, ενώ στη συνέχεια γίνεται περιγραφή της αρχιτεκτονικής του συστήματος ασύρματης τηλεϊατρικής. Έπειτα, περιγράφεται η αρχιτεκτονική των δύο βασικότερων πρωτοκόλλων επικοινωνίας για ασύρματους κόμβους αισθητήρων, Bluetooth Low Energy και ZigBee/IEEE 801.15.4 και αναλύεται το επίπεδο εφαρμογής του πρωτοκόλλου ZigBee. Τέλος, περιγράφεται η αρχιτεκτονική του ασύρματου κόμβου αισθητήρων και παρουσιάζονται και περιγράφονται οι τυπικές συσκευές που χρησιμοποιούνται σε ένα WBAN ιατρικής περίθαλψης. / The purpose of my diploma thesis was the study of WBAN (Wireless Body Area Networks) as part of the wireless telemedicine health-monitoring system. I focused on the architecture of the integrated telemedicine system, the architecture of the two main communication protocols used in WBANs, Bluetooth LE and ZigBee/IEEE 801.15.4, and the specification of the ZigBee Application Layer. Finally, I described the typical architecture of the wireless sensor node and the typical devices that are used in a health WBAN.

Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων (WSNs) είναι πολύ αναγνωρισμένα στις μέρες μας και γύρω από αυτά έχουν αναπτυχθεί χιλιάδες εφαρμογές που με χρήση άλλης τεχνολογίας ήταν σχεδόν ακατόρθωτες. Ένα WSN αποτελείται από κόμβους οι οποίοι είναι προγραμματισμένοι να επικοινωνούν και να συλλέγουν πληροφορίες μέσω των αισθητήρων που είναι αναρτημένοι πάνω τους. Οι πληροφορίες ή σύνολο των πληροφοριών καταλήγουν τελικά στους κόμβους που είναι προγραμματισμένοι ως τερματικοί κόμβοι ή βάσεις. Οι βάσεις είναι συνήθως συνδεδεμένες με ένα υπολογιστή και μεταφέρουν τα δεδομένα του δικτύου σε αυτόν. Τα κύρια χαρακτηριστικά των ασύρματων δικτύων αισθητήρων είναι η χαμηλή κατανάλωση ενεργείας των συσκευών-κόμβων (motes), η σταθερότητα και η απλότητα του κώδικα καθώς και η μεγάλη αξιοπιστία. Μερικές εφαρμογές των WSNs είναι για παράδειγμα η μέτρηση της υγρασίας στον τάπητα ενός γηπέδου γκολφ, η παρακολούθηση των κρίσιμων μεγεθών σε μεγάλες κατασκευές (π.χ. οι τάσεις των νημάτων μιας κρεμμαστης γέφυρας ή η παρακολούθηση της καταπόνησης των δοκών ενός ουρανοξύστη). Στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας αυτής παρουσιάζουμε ένα ασύρματο δίκτυο αισθητήρων όπου οι αισθητήρες είναι έξυπνες κάμερες! Παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον η μελέτη ενός τέτοιου δικτύου καθώς και η ανάπτυξη εφαρμογών γύρω από αυτό. / Wireless Sensor Networks (WSNs) are very much recognized these days, and thousands of applications have been developed in relation to them, which, would have been impossible if other technologies were used. A WSN is made up of nodes programmed to collect information through sensors attached to them and transmit them. The information ends up finally to the nodes which are programmed as terminal nodes or base-stations. These base-stations are usually connected to a computer and transfer the data that have been retrieved from the network to it. The main features of a WSN is the low energy consumption by the node equipment (motes), the stability and simplicity of the code as well as their great reliability. Some applications of the WSNs are, for example, the measurement of humidity in a golf course, the monitoring of the crucial sizes in great constructions (e.g. the tensions of the fibers in a suspension bridge, the monitoring of the strains of girders in a skyscraper) Within the context of this thesis, we present a WSN where the sensors are smart cameras! The study of such a network presents great interest as well as the development of applications based on it.

Ο όρος ‘Δίκτυα Επόμενης Γενιάς’ αναφέρεται σε μελλοντικά δίκτυα πρωτοποριακής λογικής και δομής, προσανατολισμένα στην υποστήριξη σύγχρονων απαιτητικών εφαρμογών και στη βελτίωση της λειτουργικότητας της τερματικής συσκευής, όπως την αντιλαμβάνεται ο χρήστης. Πολύ σημαντικά στοιχεία της νέας τηλεπικοινωνιακής πραγματικότητας που επιφέρουν τα δίκτυα αυτά, και με τα οποία σχετίζεται άμεσα η παρούσα εργασία, είναι η διάθεση προώθησης της γενικευμένης κινητικότητας των ασύρματων χρηστών και η ενθάρρυνση της σύγκλισης επιμέρους τεχνολογιών διαφορετικών δικτύων και της δημιουργίας υβριδικών ετερογενών δικτύων, με στόχο την επίτευξη καλύτερης αξιοποίησης του φάσματος και βελτίωσης των ρυθμών μετάδοσης δεδομένων. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η παρουσίαση της δομής και των λειτουργιών των Δικτύων Επόμενης Γενιάς, καθώς και ορισμένων υπαρχόντων τύπων ασύρματων δικτύων, η συνεργασία των οποίων θα μπορούσε να προσφέρει τα επιθυμητά πλεονεκτήματα. Δύο τέτοια είδη δικτύων είναι το δίκτυο κινητής τηλεφωνίας UMTS και τα τοπικά δίκτυα τεχνολογίας WLAN, τα οποία εξετάζονται ενδελεχώς ως προς τα χαρακτηριστικά τους και, κυρίως, ως προς τους μηχανισμούς διευθέτησης της περιαγωγής των χρηστών. Περιλαμβάνεται επίσης μία περιγραφή της λειτουργίας του Mobile IP, πρωτοκόλλου που θεωρείται ιδιαίτερα χρήσιμο για τη διαχείριση της κινητικότητας χρηστών ανάμεσα σε περιοχές εξυπηρέτησης διαφορετικών δικτύων. Η εργασία καταλήγει στη μοντελοποίηση των παραπάνω συστημάτων σε περιβάλλον εξομοίωσης, επιδιώκοντας την αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας του ενδεχόμενου συνδυασμού των συστημάτων UMTS και WLAN και της χρησιμότητας του Mobile IP. Το λογισμικό που χρησιμοποιείται γι’ αυτόν το σκοπό είναι το OPNET Modeler ®, ένα πρόγραμμα που αναδεικνύεται τα τελευταία χρόνια σε εργαλείο όλο και περισσότερο πολύτιμο, τόσο σε ερευνητικό όσο και σε επιχειρησιακό επίπεδο. / The term ‘Next Generation Networks’ refers to future networks of revolutionary concept and structure, oriented to the support of demanding applications and the upgrade of the terminal device’s functionality, as perceived by the user. Some very important aspects of the new telecommunications reality that is brought on by these networks, and to which this project is directly related, is the intention of promoting generalized mobility for the wireless users and the encouragement of the convergence of distinct network technologies and of the foundation of new hybrid heterogeneous networks, in order to achieve better spectrum utilization and improvement of data transmission rates. The purpose of the current diploma thesis project is to present the structure and the functions of the Next Generation Networks, as well as of some existing types of wireless networks, the cooperation of which could provide the desirable advantages. Two such network types are the UMTS mobile telephony network and the local networks of WLAN technology, that are examined thoroughly towards their characteristics and, foremost, towards their roaming arrangement mechanisms. Also included is a description of the operation of Mobile IP, a protocol that is considered particularly convenient for the management of users’ mobility between service areas of different networks. The project concludes to the modeling of the above mentioned systems in a simulation environment, aiming to evaluate the efficiency of the prospective combination of the UMTS and WLAN systems and the utility of Mobile IP. The software used for this purpose is OPNET Modeler ®, a program that has emerged during the last years as an increasingly valuable research and business tool.

Το OpenRSM (Open Remote System Management) είναι ένα εργαλείο ανοιχτού κώδικα για την απομακρυσμένη διαχείριση συστημάτων και δικτυακών συσκευών. Πρόκειται για ένα ολοκληρωμένο σύστημα που συνδυάζει και σε ορισμένες περιπτώσεις επεκτείνει έναν αριθμό εργαλείων ανοιχτού κώδικα παρέχοντας ένα κοινό περιβάλλον εργασίας με σκοπό την αποτελεσματική εκτέλεση λειτουργιών όπως: Ανακάλυψη περιουσιακών στοιχείων (Inventory), Εγκατάσταση και απεγκατάσταση λογισμικού (Deployment), Απομακρυσμένος έλεγχος σταθμών εργασίας (Remote Control), Εκτέλεση εντολών κελύφους (Command Execution). Το σύστημα μπορεί να χρησιμοποιηθεί και να υλοποιήσει οποιαδήποτε διαδικασία διαχείρισης συστημάτων και δικτύου. Έχει διερευνηθεί η χρήση του στα έξης: Διαχείριση ασύρματων access points, Ολοκλήρωση με συστήματα Grid και διαμοιρασμού υπολογιστικών πόρων. Το OpenRSM αποτελείται από μια κεντρική κονσόλα ελέγχου και διαχείρισης (Manager), έναν εξυπηρετητή διαχείρισης (Server) ο οποίος υλοποιεί την λογική εξυπηρετητή που ολοκληρώνει, προγραμματίζει, αποθηκεύει και εκτελεί τις διαχειριστικές λειτουργίες και τους πράκτορες (agents) οι οποίοι εγκαθίσταται στους διαχειριζόμενους σταθμούς και τους καθιστούν διαχειρίσιμους. Κατά την αρχική ανάπτυξη του OpenRSM επιλέχθηκε ως τεχνολογία υλοποίησης η γλώσσα προγραμματισμού Borland Delphi. Το αποτέλεσμα της συγκεκριμένης σχεδιαστικής επιλογής ήταν τα λειτουργικά τμήματα (Agent, Manager, Server) του OpenRSM να μπορούν να εγκατασταθούν μόνο σε υπολογιστές που διαθέτουν λειτουργικό σύστημα Microsoft Windows. Ο συγκεκριμένος περιορισμός σε συνδυασμό με την αυξανόμενη τα τελευταία χρόνια χρήση λειτουργικών συστημάτων που βασίζονται στον πυρήνα Linux από όλο και μεγαλύτερες ομάδες χρηστών οδήγησε στην ανάγκη επανασχεδιασμού του OpenRSM και στην εκ νέου υλοποίηση του. Βασικός σκοπός της παρούσας εργασίας αποτελεί ο επανασχεδιασμός του OpenRSM ώστε να παρέχει επιπλέον λειτουργίες και κυρίως η εκ νέου υλοποίηση του χρησιμοποιώντας ως τεχνολογία το Qt framework. Τελικός στόχος είναι η δημιουργία ενός ολοκληρωμένου συστήματος για την αποτελεσματική διαχείριση απομακρυσμένων συστημάτων που θα μπορεί να εγκατασταθεί σε όλα τα βασικά λειτουργικά συστήματα. Για τον σκοπό αυτό θα μελετηθεί η υπάρχουσα αρχιτεκτονική και θα προταθούν μια σειρά από βελτιώσεις/επεκτάσεις οι οποίες θα προσφέρουν στο σύστημα ένα σημαντικό αριθμό από νέες λειτουργίες. Οι πιο σημαντικές από αυτές είναι η ολοκλήρωση του λειτουργικού συστήματος TinyOS με το OpenRSM για την παρακολούθηση των ασύρματων δικτύων αισθητήρων (WSN) που βασίζονται σε αυτό, η δυνατότητα εγκατάστασης ενημερώσεων των εφαρμογών που έχουν εγκατασταθεί στους διαχειριζόμενους σταθμούς και η ολοκλήρωση του λογισμικού BOINC με το OpenRSM. Επιπλέον, εξετάζουμε ζητήματα που αφορούν την ενίσχυση των μηχανισμών ασφαλείας στην επικοινωνία των λειτουργικών τμημάτων του OpenRSM, καθώς και την ανάπτυξη λειτουργιών για το χρονοπρογραμματισμό των διαφόρων εργασιών και την ενεργειακή απόδοση των υπό-διαχείριση μηχανημάτων. / OpenRSM is a tool for remote management of workstations. It extends and integrates high-value open source projects in order to provide an integrated management platform. The goal has been to build a remote systems and network management platform capable to facilitate daily tasks. The system is designed to be fully functional yet simple, unlike most commercial management systems. OpenRSM is designed to offer: Inventory and assets management: information retrieval about installed assets, Software delivery: management of installed software. Supports user-interactive and silent installations/uninstallation among other, Remote procedure call: sending executable commands to stations, Remote Control, Wireless access points management, Integration with EGEE Grid technologies. The main components of OpenRSM are the server, the agent and the user console. The console accepts input from users and conveys it to the server in the form of task objects. The server is responsible for the coordination of the subsystems and task dispatch. The agent is a passive component on managed stations that accepts commands from the server and executes them. Borland Delphi programming language was initially used for the development of the OpenRSM system. The result of this design choice was the operating components (Agent, Manager, Server) of OpenRSM to be installed only on computers which run the operating system Microsoft Windows. This particular restriction in combination with the increase in the use of Linux-based operating systems led to the re-design of OpenRSM. The main purpose of this work is the development of OpenRSM using the Qt framework and the elaboration in functionality. The main goal has been to develop of a system capable to manage remote stations in a platform-independent manner. For this purpose, a study of the existing architecture is essential in order to propose a series of improvements which will provide the system with a significant number of new features. The most important of these features is the monitoring and management of wireless sensor networks, the ability to install updates for applications which are installed on the managed stations and the integration of open-source software platform BOINC with OpenRSM. As a result of this integration, OpenRSM would provide the operation of deploying BOINC software client and managing BOINC system into managed workstations. Moreover, we consider issues which are related to strengthening the security mechanisms in the communication between OpenRSM components and the development of new operations for scheduling jobs and for energy-efficiency of managed stations.

Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων αποτελούν μία πρωτοποριακή τεχνολογία που ήρθε στο προσκήνιο πριν από μία περίπου δεκαετία. Η καινοτομία της τεχνολογίας αυτής έγκειται στη συνεργασία μεγάλου αριθμού κόμβων περιορισμένων πόρων χαμηλής κατανάλωσης ισχύος σε μία μόνο εφαρμογή. Η εργασία αυτή ασχολείται με θέματα ενδιάμεσου λογισμικού σε ασύρματα δίκτυα αισθητήρων. Συγκεκριμένα, μελετάται το πρωτόκολλο Deluge που αποτελεί τη βασική επιλογή για ασύρματο προγραμματισμό δικτύων αισθητήρων που «τρέχουν» το λειτουργικό σύστημα πραγματικού χρόνου TinyOS. Παρέχοντας έναν αξιόπιστο και αποδοτικό μηχανισμό διάδοσης δεδομένων μέσω της δυαδικής εικόνας του κώδικα, το Deluge κατέχει ρόλο-κλειδί στη βαθμίδα ενδιάμεσου λογισμικού των ασύρματων δικτύων αισθητήρων. Η μελέτη και κατανόηση του πρωτοκόλλου αυτού επέτρεψε την υλοποίηση σε nesC ενός απλούστερου πρωτοκόλλου που αξιοποιεί τα βασικά χαρακτηριστικά του μηχανισμού μετάδοσης δεδομένων του Deluge. Σε συνέχεια αυτής της υλοποίησης, αξιολογήθηκε εκ νέου η διαδικασία μετάδοσης πραγματοποιώντας δοκιμές τόσο σε πραγματικές τοπολογίες κόμβων αισθητήρων (motes) που υποστηρίζουν το πρότυπο ασύρματης επικοινωνίας IEEE 802.15.4 όσο και σε περιβάλλον προσομοίωσης (TOSSIM). Τα προκύπτοντα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν την αποδοτική μετάδοση δεδομένων σε δίκτυα αισθητήρων αξιοποιώντας το πρωτόκολλο Deluge. Η παρούσα εργασία αποτελείται από έξι κεφάλαια. Το πρώτο κεφάλαιο παρέχει πληροφορίες για το γνωστικό αντικείμενο της εργασίας. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται μία μελέτη στην ερευνητική περιοχή των ασύρματων δικτύων αισθητήρων και στο τρίτο κεφάλαιο εξετάζονται τα βασικά χαρακτηριστικά ενός κόμβου αισθητήρων που υποστηρίζει το πρότυπο IEEE 802.15.4. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η έννοια του ασύρματου προγραμματισμού στα δίκτυα αισθητήρων και μελετάται εκτενώς το πρωτόκολλο Deluge. Στο πέμπτο κεφάλαιο περιγράφεται η υλοποίηση που έλαβε χώρα και η αξιολόγηση αυτής με τους μηχανισμούς που αναφέρθηκαν παραπάνω. Τέλος, στο έκτο κεφάλαιο παρατίθενται τα συμπεράσματα που εξήχθησαν από την εκπόνηση της εν λόγω εργασίας και δίνονται ορισμένες κατευθύνσεις για μελλοντική ενασχόληση με το Deluge και με το ενδιάμεσο λογισμικό στα δίκτυα αισθητήρων γενικότερα. / Wireless sensor networks (WSNs) emerged about a decade ago, representing a new class of computing with large numbers of resource-constrained computing nodes cooperating on a single application. This thesis deals with middleware issues in wireless sensor networks. Specifically, we study Deluge that suggests the de facto over-the-air programming protocol for WSNs working under TinyOS. Providing a reliable and efficient data dissemination mechanism via the binary image of the program code, Deluge plays a key role in the middleware layer of WSNs. Gaining insight into Deluge, we implemented in the nesC programming language a simplified protocol that incorporates the main features of Deluge data dissemination mechanism. This implementation allowed us to evaluate further the propagation procedure of Deluge using a two-mechanism evaluation framework. Carrying out experiments both in real-world deployments being compatible with IEEE 802.15.4 radio and in a simulation environment (TOSSIM), we verified the efficient data propagation in WSNs, using Deluge. This dissertation follows a structure of six chapters. In the first chapter, we give a piece of information about the subject field of this thesis. In the second chapter, we present an overall survey of the research area of WSNs and in the third chapter we examine the basic features of a sensor node (mote) whose wireless communication is based on an IEEE 802.15.4 compliant radio. In the fourth chapter, we discuss network programming in WSNs and we analyze the data dissemination mechanism of Deluge. In the fifth chapter, we discuss our implementation and its evaluation. Finally, in the sixth chapter, we conclude the thesis emphasizing the experience derived from that and we give some directions for future work with Deluge and middleware in WSNs generally.