Αντικείμενο της διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη των παρεχόμενων υπηρεσιών στα Δίκτυα Νέας Γενιάς. Στο πρώτο μέρος της εργασίας, γίνεται μια σύντομη περιγραφή στην έννοια των Δικτύων Νέας Γενιάς. Περιγράφονται συνοπτικά οι παράγοντες που οδηγούν στην ανάπτυξή τους, τα βασικά τους χαρακτηριστικά, οι υποδομές που απαιτούνται για να γίνει πραγματικότητα η μετάβαση από το υπάρχον δίκτυο σε ένα δίκτυο Νέας Γενιάς, καθώς και οι προκλήσεις και οι περιορισμοί που παρουσιάζονται κατά την ανάπτυξή τους. Στο δεύτερο μέρος της εργασίας περιγράφονται αναλυτικά οι Υπηρεσίες και οι Εφαρμογές που θα υποστηρίζει ένα τέτοιο δίκτυο, καθώς και η Αρχιτεκτονική του. Ακόμα, γίνεται αναφορά στον τρόπο με τον οποίο θα εξελιχθούν οι ήδη υπάρχουσες υπηρεσίες και τεχνολογίες των Ευφυών Δικτύων. Στο τρίτο και τελευταίο μέρος, περιγράφεται το στάδιο στο οποίο βρίσκεται η εξέλιξη των Δικτύων Νέας Γενιάς σήμερα, καθώς και τα προβλήματα της ασφάλειας που παρουσιάζονται. / This project studies the next generation's networks services.

- / -

Τα Wireless Sensor Networks (WSNs) είναι μια σχετικά νέα τεχνολογία, της οποίας η σημαντικότητα έχει αναγνωριστεί από την επιστημονική κοινότητα και έχει προοπτικές για εφαρμογή σε πολλές περιπτώσεις που απαιτείται επίβλεψη και έλεγχος σε μεγάλες εκτάσεις, όπως ο έλεγχος καλής λειτουργίας κτηρίων και κατασκευών, παρακολούθηση στρατιωτικών περιοχών, παρακολούθηση και έλεγχος καλλιεργειών ή ακόμα και επίβλεψη της υγείας ενός ασθενούς. Είναι προφανές πως σε πολλά από αυτά τα σενάρια εφαρμογών τα δεδομένα που αποκτώνται και ανταλλάσσονται μέσα σε αυτά τα δίκτυα είναι ευαίσθητα και η απόκρυψή τους από τρίτους, καθώς και η αποτροπή προσθήκης ψευδών δεδομένων από τρίτους είναι υψίστης σημασίας. Καθώς όμως τα δίκτυα αυτά αποτελούνται από χαμηλής υπολογιστικής δυνατότητας κόμβους, (τόσο λόγω οικονομίας, ώστε, δεδομένου του αριθμού των κόμβων που απαιτούνται για τέτοιες εφαρμογές, το κόστος να κρατηθεί σε λογικά επίπεδα, όσο και για λόγους κατανάλωσης ενέργειας) απαιτείται η χρήση αλγορίθμων ασφαλείας μικρών υπολογιστικών και επικοινωνιακών απαιτήσεων. Για την επίτευξη ασφαλούς επικοινωνίας μεταξύ των κόμβων με μικρή υπολογιστική επιβάρυνση, υλοποιούνται συμμετρικοί αλγόριθμοι κρυπτογραφίας, και για τη διαχείριση των κλειδιών κρυπτογραφίας το πρωτόκολλο διαχείρισης κλειδιών S2RP, το οποίο καθορίζει μεθόδους διανομής, αλλά και ακύρωσης συμμετρικών κλειδιών. Το πρωτόκολλο αυτό μπορεί να διατηρήσει προς τα εμπρός και προς τα πίσω ασφάλεια (ασφάλεια των μελλοντικών μεταδόσεων, και ασφάλεια των δεδομένων που έχουν ήδη μεταδοθεί αντίστοιχα) των δεδομένων σε δυναμικά μεταβαλλόμενες τοπολογίες (πχ. πρόσθεση νέου κόμβου ή ανακάλυψη εκτεθειμένου κόμβου που πρέπει να αφαιρεθεί από την τοπολογία). Στο πλαίσιο της εργασίας, έγινε υλοποίηση του πρωτοκόλλου S2RP, καθώς και κρυπτογραφικών αλγορίθμων που απαιτούνται για την εφαρμογή του. Η υλοποίηση έγινε αρχικά σε ένα γραφικό περιβάλλον εξομοίωσης, που δημιουργήθηκε για τον έλεγχο του πρωτοκόλλου σε επίπεδο πακέτου, ενώ στη συνέχεια έγινε μεταφορά του πρωτοκόλλου σε δίκτυο από ασύρματους αισθητήρες TelosB. / Wireless Sensor Networks (WSNs) are a relatively new technology, the importance of which is widely recognized in academia. They have great potential for use in applications requiring monitoring and control over large areas, like integrity and operational monitoring of buildings and structures, military surveillance, crop monitoring or even health monitoring. It is obvious that the data transfered in most of these applications are of a sensitive nature, and preventing a third party from accessing that data, or injecting its own forged data in the network is of utmost importance. However, because of the low computational power and network performance of these networks' nodes (which is due to economic reasons - so as to keep cost in reasonable levels in high node count networks, as well as for energy consumption reasons), the use of algorithms and protocols of low computational and communication requirements is mandatory. To achieve secure communication between the nodes of a such network, we implement symmetric key cryptographic algorithms, and the protocol S2RP (Secure and Scalable Rekeying Protocol) for key management. S2RP defines procedures for key distribution and revocation, with the use of which it can maintain forward and backward communication security (e.g. connection of a new node, or discovery of an exposed node, which must be removed) for dynamic network topologies. For the purpose of this thesis, we implemented the S2RP protocol, as well as the additional cryptographic primitives that are needed to achieve secure communication in a network. The implementation was initially made within a graphical simulator, which we implemented to test the protocol in the packet level. Finally, we ported the protocol to a network of TelosB motes.

To αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της συμπεριφοράς των χρηστών της Wikipedia, όταν πραγματοποιούν μια τροποποίηση περιεχομένου ενός άρθρου, σε σχέση με την χώρα καταγωγής τους. Η μελέτη ξεκινάει με μια γενική παρουσίαση των ιστοσελίδων κοινωνικής δικτύωσης με έμφαση στις Wikipedia αλλά και της έρευνας του ολλανδού κοινωνιολόγου Geert Hofstede και τις θεωρίας του περί την ύπαρξη πέντε κοινωνικών διαστάσεων που μπορούν να περιγράψουν αρκετά ικανοποιητικά κάθε κράτος και τους κατοίκους του. Στην συνέχεια, κατασκευάζουμε μια εφαρμογή η οποία αντλεί και συλλέγει δεδομένα σχετικά με τις τροποποιήσεις από πέντε διαφορετικές εκδόσεις – γλώσσες της Wikipedia για 8 διαφορετικά άρθρα και τα κατηγοριοποιεί ανάλογα με το είδος της τροποποίησης. Τέλος, γίνεται η προσπάθεια εξαγωγής κάποιων συμπερασμάτων σχετικά με τον τρόπο συμπεριφοράς των χρηστών που προέρχονται από το ίδιο κράτος συγκρίνοντας τα δεδομένα που συλλέξαμε για κάθε διαφορετική γλώσσα με τις διαστάσεις που έχει μετρήσει ο Geert Hofstede για το αντίστοιχο κράτος. / The subject of this thesis is to study the behaviour of the users of Wikipedia when editing the content of an article, with respect to the country of origin of the user. The study begins with an overview of social networking websites with a focus on Wikipedia and a presentation of the research of the Dutch sociologist Geert Hofstede and his theory of the existence of five social dimensions that can describe quite well each country and its residents. Afterwards, we develop an application that draws and collects data from the article history about the edits of eight Wikipedia articles from five different editions – languages of Wikipedia and classifies them according to the type of the edit. Finally, we attempt to export some conclusions about the behaviour of users from the same country by relating the data we exported for each language to the dimensions measured by Geert Hofstede for the corresponding country.

Τα δίκτυα έχουν ζήσει μια αλματώδη ανάπτυξη τα τελευταία χρόνια. Ανάπτυξη που αφορά όχι μόνο το μέγεθος τους αλλά και τη λειτουργικότητά τους. Οι κόμβοι ενός δικτύου μπορούν πλέον να επιτελέσουν και λειτουργίες βασισμένες σε πολιτικές όπως το proxy-caching, το encryption, το tunneling και το firewalling. Στις μέρες μας έχει αρχίσει να εμφανίζετε η δυνατότητα προγραμματισμού στους κόμβους ενός δικτύου, επιτρέποντας έτσι τον πειραματισμό με ποιο πολύπλοκες υπηρεσίες. Η ανάγκη για πιο γρήγορη υλοποίηση νέων υπηρεσιών στα δίκτυα χρησιμοποιώντας τις ήδη υπάρχουσες πολύπλοκες δυνατότητες θέτει μια νέα, μεγάλη, πρόκληση στα ήδη υπάρχοντα εργαλεία ελέγχου των δικτύων. Η πολυπλοκότητα των υπηρεσιών, ο αριθμός των κόμβων του δικτύου, ο προγραμματισμός τέτοιων κόμβων, και η ταχύτητα απαιτούν μια πρωτοποριακή αντιμετώπιση του αντικειμένου που καλείται υλοποίηση υπηρεσιών (Service Deployment). Η παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζει μια αυτοματοποιημένη προσέγγιση σχετική με την υλοποίηση υπηρεσιών που μπορεί με ευκολία να εφαρμοστεί και σε μεγάλα ετερογενή δίκτυα. Η διατριβή επικεντρώνεται σε δυο κυρίως θέματα. Πρώτα παρουσιάζουμε ένα πλαίσιο που συνδέει τα επίπεδα του δικτύου και των κόμβων με ιεραρχικά κατανεμημένους υπολογισμούς. Και δεύτερον παρουσιάζουμε μια μέθοδο που χρησιμοποιήσαμε για να επιτύχουμε το ταίριασμα μεταξύ των προγραμματιστικών μοντέλων που χρησιμοποιούνται για τις υπηρεσίες και αυτών που χρησιμοποιούνται σαν δικτυακοί κόμβοι. Με τη βοήθεια των δυο παραπάνω προοπτικών οδηγούμαστε σε μια ολοκληρωμένη άποψη για το πώς πρέπει σε βάθος να αναλυθεί η έννοια της υλοποίησης υπηρεσιών (Service Deployment). Όταν νέες υπηρεσίες εγκαθιστούνται, το αυτοματοποιημένο σύστημα της υλοποίησης υπηρεσιών επιτρέπει στις κατανεμημένα και πολύπλοκα χαρακτηριστικά των δικτυακών στοιχείων να εντοπιστούν γρηγορότερα και να χρησιμοποιηθούν πιο αποδοτικά, σε σχέση πάντα με ένα παραδοσιακό κεντρικοποιήμενο σύστημα. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την ταχύτερη εγκατάσταση και την βέλτιστη χρησιμοποίηση των διαθέσιμων υπηρεσιών. Η δομή της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ακόλουθη: Στο Κεφάλαιο 1 τονίζονται οι στόχοι της διδακτορικής διατριβής ενώ αναφέρονται περιληπτικά οι βασικές συνεισφορές της. Ο βασικός στόχος του Κεφαλαίου 2 είναι να εισάγει τον αναγνώστη στις αρχές της επιστήμης της XML. Αναφέρονται όλα τα βασικά στοιχεία που είναι απαραίτητα στο να διασαφηνιστούν έννοιες και αρχές σχετικά με την XML και τη χρήση της. Διευκρινίζονται θέματα όπως διαλειτουργικότητά της και η ανεξαρτησία που προσφέρει. Γίνεται μια σε βάθος περιγραφή από τα οφέλη που θα αποκομίσουμε υιοθετώντας μια τεχνολογία όπως η XML. Οφέλη που θα μας βοηθήσουν να αναπτύξουμε και να δημιουργήσουμε μια δυναμική αρχιτεκτονική που να ναι σε θέση να καλύψει τις ανάγκες μας. Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζονται η μελέτη και εν συνεχεία ο σχεδιασμός του κατανεμημένου δρομολογητή (Distributed Router). Γίνεται μια παρουσίαση της προτεινόμενης λύσης. Παρουσιάζεται με έναν απλό και περιεκτικό τρόπο το FlexiNET κομμάτι του οποίου είναι ο κατανεμημένος δρομολογητής. Αναφερόμαστε στον διαχωρισμό του επιπέδου forwarding από το επίπεδο του control. Στη συνέχεια γίνεται μια λεπτομερής περιγραφή της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής. Παρουσιάζεται μια λεπτομερής περιγραφή των επιμέρους επιπέδων του κατανεμημένου δρομολογητή. Παρουσιάζονται οι απαιτήσεις και προδιαγραφές των επιμέρους επιπέδων και γίνεται μια αντιστοίχηση με την αρχιτεκτονική του FlexiNET. Στο Κεφάλαιο 4 παρουσιάζεται μελέτη, ο σχεδιασμός και η υλοποίηση ενός ολοκληρωμένου συστήματος διαχείρισης πόρων και υλοποίησης υπηρεσιών. Αρχικά γίνεται μια παρουσίαση σχετικών εργασιών πάνω στο αντικείμενο που πραγματευόμαστε. Εντοπίζονται οι όποιες αδυναμίες και τονίζεται πως μπορούμε με τη βοήθεια του προτεινόμενου συστήματος να τις ξεπεράσουμε. Παρουσιάζουμε τις υπηρεσίες ιστού πάνω στις οποίες είναι δομημένο το σύστημά μας. Στη συνέχεια προχωράμε σε μια εις βάθος περιγραφή του συστήματος με τη χρήση εικόνων και σχεδιαγραμμάτων. Παρουσιάζουμε τον τρόπο με τον οποίο συνδέεται η προτεινόμενη αρχιτεκτονική με την αρχιτεκτονική του κατανεμημένου δρομολογητή. Χρησιμοποιούμε έναν απλό matchmaking αλγόριθμο για το τελικό τεστάρισμα του συστήματός μας. Και τέλος παρουσιάζουμε τον τρόπο με τον οποίο υλοποιείται μια υπηρεσία και καταγράφουμε τα πειραματικά αποτελέσματα. Έτσι γίνεται αναφορά στις παραμέτρους υλοποίησης του συστήματος και πως αυτές επηρεάζουν το συνολικό σύστημα. Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται λεπτομερώς η διαδικασία μέσα από την οποία οδηγούμαστε από μια XML περιγραφή του κατανεμημένου μας δρομολογητή σε μια σημασιολογική περιγραφή αυτού. Αρχικά, παρουσιάζουμε με λεπτομέρεια τι είναι ο σημασιολογικός ιστός και πως δομείται. Στη συνέχεια παρουσιάζουμε τα πρότυπα και μοντέλα που χρησιμοποιεί και καταλήγουμε σε μια σημασιολογική περιγραφή του κατανεμημένου δρομολογητή. Μια βασισμένη σε οντολογίες περιγραφή του. Στο Κεφάλαιο 6 προτείνεται αρχιτεκτονική για δίκτυα σημασιολογικού Grid (Semantic Grid). Αρχικά δίνεται μια περιγραφή της τεχνολογίας Grid. Παρουσιάζονται οι στόχοι της και τα κυρία χαρακτηριστικά της συνοδευόμενα από μια γενική αρχιτεκτονική. Στη συνέχεια περνάμε στην προτεινόμενη αρχιτεκτονική. Με τη βοήθεια σχεδιαγραμμάτων και εικόνων δίνεται μια όσο το δυνατόν λεπτομερής περιγραφή του συστήματος και πως ενσωματώνει την σημασιολογική περιγραφή του κατανεμημένου δρομολογητή που παρουσιάσαμε στο προηγούμενο κεφάλαιο (Κεφάλαιο 5). Κλείνοντας το κεφάλαιο κάνουμε μια σύγκριση των αποτελεσμάτων που είχαμε πετύχει με το αρχικό μας σύστημα (Κεφάλαιο 4) σε σχέση με την υλοποίηση με τη βοήθεια του σημασιολογικού Grid. Τα αποτελέσματα και ο σχολιασμός της σύγκρισης παρουσιάζονται στο τέλος του κεφαλαίου. Συμπεράσματα και μελλοντικές προεκτάσεις της εργασίας αυτής παρουσιάζονται στο Κεφάλαιο 7. / Owing to the increase in both heterogeneity and complexity in today’s networking systems, the need arises for new network-based services architectures. They must provide flexibility and efficiency in the definition, deployment and execution of the services and, at the same time, handle the adaptability and evolution of such services. In this paper we present an approach that applies a Web-service-based resource management framework. It enables the provision of parallel applications as QoS-aware applications, whose performance characteristics may be dynamically negotiated between a client application and service providers. Our component model allows context dependencies to be explicitly expressed and dynamically managed with respect to the hosting environment, computational resources and dependencies on other components. In such a model the resource management, in terms of representation, allocation and management of the resources, plays a vital role regarding the efficiency of the entire dynamic service deployment architecture. Network and service management fields nowadays find themselves at crossroads with middleware technologies, new network architectures and emerging research directions. Middleware technologies like Web services have reached maturity and enjoy wide deployment and adoption. Network architectures and infrastructures built for different purposes are well on their way towards IP convergence, giving rise to new integrated and more complex architectures. Finally, recent ambitious research directions like autonomic computing and communications have already made a dynamic appearance in the networking community, increasing the challenges even further. This activity has coincided with the end of an era in network and service management during which vast experience has been accumulated and numerous lessons have been learned. It is based on what constitutes the past state of the art in telecommunications and in data networks, realized by many as CORBA-based distributed management platforms and SNMP-based platforms, respectively. This produces speculation and activity about redefining/reassessing the initial requirements that drove the developments in network and service management in the past and about the ‘shape’ of management when projected into the future. As network infrastructure is shifting towards service-centric networks, a number of architectural characteristics are likely to influence management operations and functionality and dictate specific choices of technologies for the realization thereof. In our opinion, three such characteristics are going to play a crucial role in the coming years: • Federated network architectures. In an effort to provide seamless end-to-end connectivity that meets customer demands, networks/service providers have started forming federations of networks wherein a number of operations, such as AAA (Authentication, Authorization, and Accounting), monitoring and SLA (Service-Level Agreement) support, are treated in a homogeneous way in a heterogeneous environment. • Network architectures with distinct separation of concerns. The most representative example is the separation of control from the forwarding plane, which allows the two to evolve separately. The binding element between the two is a set of open interfaces that abstract functionality and allow access to vendor-independent functionalities and resources. • Distributed network node architectures. Individual network nodes and other devices are clustered together to form more complex and extensible distributed architectures that operate as one integrated node. Such constellations provide the means of adding resources as needed and foster dynamic service deployment, namely the injection of new functionality into the network. In such a context, management faces a number of challenges originating from the increasing complexity and size of networks, the heterogeneity of devices and technologies that must coexist, and the high degree of flexibility required in services. The common denominator is the management functionality that injects services and components on demand and configures the network end-to-end. Unless we address these challenges with sufficient and complete technical solutions first, it is difficult to see how new research initiatives, e.g. autonomic networking, can be brought to a successful outcome. This has been the primary motivation of our research presented in this thesis, which touches upon these issues by exploring potential solutions on the service deployment and network configuration within a network architecture, called FlexiNET, that bears the aforementioned architectural characteristics. We have based our designs on Web services as the de facto standard technology in networks with high integration capability and one of the most promising approaches to future management technologies. Our research has been carried out as part of the FlexiNET European Union IST research project, and we have developed the Dynamic Service Deployment (DSD) functionality, hosted by the FlexiNET Wireless Access Node (FWAN), one of the key architectural components of the FlexiNET architecture.

- / -

Στην διδακτορική διατριβή αναπτύξαμε μοντέλα για την ασυνήθη δικτυακή κυκλοφορία βασισμένη σε χαρακτηριστικά της TCP/IP επικοινωνίας ανάμεσα σε υπολογιστικά συστήματα, αλλά και στην συμπεριφορά συστημάτων και χρηστών κάτω από επιθέσεις ιών και δικτυακών σκουληκιών. Για την ανάπτυξη συνδυάσαμε το μαθηματικό φορμαλισμό πάνω σε πραγματικά χαρακτηριστικά που εντοπίσαμε πως υπάρχουν σχεδόν σε όλες τις προσπάθειες επίθεσης προς υπολογιστικά και δικτυακά συστήματα από προσπάθειες επιτιθέμενων, αλλά και με αυτοματοποιημένα συστήματα μετάδοσης ιών. Υλοποιήσαμε ένα πραγματικό κατανεμημένο σύστημα έγκαιρης και έγκυρης προειδοποίησης και λήψης άμεσων μέτρων για την προστασία δικτύων υπολογιστών από τη διάδοση των ιών και από τις διαρκώς εξελισσόμενες επιθέσεις των hackers. Τέλος η αυξανόμενη παρουσία δυνατοτήτων για fast worms μας παρακίνησε να μοντελοποιήσουμε την συμπεριφορά ιών που μεταδίδονται μέσα από τα κοινωνικά δίκτυα που σχηματίζονται από τον κατάλογο που έχουν οι χρήστες για γνωστούς και φίλους σε e-mail και Instant Messaging. Προτείνουμε λοιπόν δύο μοντέλα: ένα μοντέλο που περιγράφει την συμπεριφορά fast worms βασισμένα σε κοινωνικά δίκτυα στηριζόμενοι στο μαθηματικό μοντέλο σε Constraint Satisfaction Problems (CSP), αλλά και ένα μοντέλο για τη μετάδοση ιών και την εξουδετέρωσή τους, που λαμβάνει υπόψη την δικτυακή κίνηση και την λειτουργία των εξυπηρετητών βασισμένοι στο M/M/1 μοντέλο ουρών. Στην διατριβή προτείνουμε ένα είδος διαδραστικότητας ανάμεσα στους antivirus Agents και τους ιούς και αναλύουμε ένα μαθηματικό μοντέλο για την διάδοση πληθυσμού ιών και antivirus βασισμένα σε θεωρίες ουρών. / In this PhD Thesis we developed models for the abnormal network traffic based on TCP/IP communication protocol of computer systems, and the behavior of systems and users under viruses and worms attacks. For the development we combined mathematical formalism on real attributes that characterize almost all attacking efforts of hackers, virus and worms against computers and networking systems. Our main goal was based upon the theoretic models we proposed, to provide a useful tool to deal with intrusions. Thus we developed a Software Tool for Distributed Intrusion Detection in Computer Networks. Based on an improved model we produced a real time distributed detection system for early warning administrators of worm and virus propagation and hackers’ attacks. Also in this work we propose a discrete worm rapid propagation model based on social networks that are built using the address book of e-mail and instant messaging clients using the mathematic formalism of Constraint Satisfaction Problems (CSP). The address book, which reflects the acquaintance profiles of people, is used as a “hit-list”, to which the worm can send itself in order to spread fast. We also model user reaction against infected email as well as the rate at which antivirus software is installed. We then propose a worm propagation formulation based on a token propagation algorithm, further analyzed with a use of a system of continuous differential equations, as dictated by Wormald’s theorem on approximating “well-behaving” random processes with deterministic functions. Finally in this work we present a virus propagation and elimination model that takes into account the traffic and server characteristics of the network computers. This model partitions the network nodes into perimeter and non-perimeter nodes. Incoming/outgoing traffic of the network passes through the perimeter of the network, where the perimeter is defined as the set of the servers which are connected directly to the internet. All network nodes are assumed to process tasks based on the M/M/1 queuing model. We study burst intrusions (e.g. Denial of Service Attacks) at the network perimeter and we propose a kind of interaction between these agents that results using the formalism of distribution of network tasks for Jackson open networks of queues.

- / -

Ο σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας ήταν η μελέτη και η καταγραφή των σφαλμάτων που έχουν προκληθεί από ποικίλες αιτίες στο Δίκτυο Διανομής (Μέση Τάση) της Ηλεκτρικής Ενέργειας της νήσου Κρήτης και πιο συγκεκριμένα στο εναέριο δίκτυο αυτού. Για την κατανόηση όμως του λόγου που οι εν λόγω αιτίες οδήγησαν σε σφάλματα, αλλά και για να έχουμε μια πιο πλήρη εικόνα επί του αντικειμένου, έπρεπε αρχικά να γίνει μια συνοπτική παρουσίαση ενός τυπικού συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας, αφού πρώτα αναλυθεί στα επιμέρους τμήματά του. Εν συνεχεία αναλύουμε λεπτομερώς την διαμόρφωση των δικτύων διανομής και τον βασικό εξοπλισμό από τον οποίο αποτελείται. Ακολούθως μελετούμε τα εναέρια δίκτυα διανομής μέσης τάσης παρουσιάζοντας πλήρως όλα τα στοιχεία που συμβάλλουν στην ομαλή διανομή της ηλεκτρικής ενέργειας στον καταναλωτή. Στο επόμενο βήμα παρουσιάζουμε την IEEE οδηγία για τη συμπεριφορά έναντι κεραυνών των εναέριων γραμμών διανομής ηλεκτρικής ενέργειας, μιας και οι επικρατούντες κλιματολογικές - περιβαλλοντολογικές συνθήκες είναι από τις βασικές αιτίες πρόκλησης σφαλμάτων στα εναέρια δίκτυα. Τέλος, παρουσιάζουμε τα σφάλματα που έχουν καταγραφεί στα ημερήσια δελτία σημαντικών μη προγραμματισμένων διακοπών της νήσου Κρήτης για τα έτη από το 2005 έως το 2009. / The aim of this diploma thesis was the examination and comprehension of the aerial distribution networks of electrical power. In the beginning we briefly analyzed the electric power systems (power stations, transmission networks, distribution networks). After that we thoroughly examined the configuration of the distribution networks with the observation of the ways the networks are planned and their equipment, which is used for their protection and for the connection between them. Afterwards we examined the aerial distribution networks of medium voltage, by fully presenting all the elements which contribute in the normal distribution of the electric flow to the customers. Finally we present the faults that have happened to the middle voltage distribution circuit of the island Crete and we compare them with the theoretical number of faults, according the IEEE guide in order to come to some useful conclusions.

H παρούσα διατριβή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Αναγνώρισης Προτύπων, του Τμήματος Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών και Πληροφορικής του Πανεπιστημίου Πατρών. Αποτελεί μέρος της ευρύτερης ερευνητικής δραστηριότητας του Εργαστηρίου στον τομέα του σχεδιασμού και της εφαρμογής των τεχνολογιών Υπολογιστικής Νοημοσύνης στην ανάλυση βιολογικών δεδομένων. Η διδακτορική αυτή διατριβή χρηματοδοτήθηκε από το πρόγραμμα Ηράκλειτος ΙΙ. Ο τομέας της πρωτεωμικής είναι ένα σχετικά καινούργιο και γρήγορα αναπτυσσόμενο ερευνητικό πεδίο. Μια από τις μεγαλύτερες προκλήσεις στον τομέα της πρωτεωμικής είναι η αναδόμηση του πλήρους πρωτεϊνικού αλληλεπιδραστικού δικτύου μέσα στα κύτταρα. Εξαιτίας του γεγονότος, ότι οι πρωτεϊνικές αλληλεπιδράσεις παίζουν πολύ σημαντικό ρόλο στις βασικές λειτουργίες ενός κυττάρου, η ανάλυση αυτών των δικτύων μπορεί να αποκαλύψει τον ρόλο αυτών των αλληλεπιδράσεων στις ασθένειες καθώς και τον τρόπο με τον οποίο οι τελευταίες αναπτύσσονται. Παρόλα αυτά, είναι αρκετά δύσκολο να καταγραφούν και να μελετηθούν οι πρωτεϊνικές αλληλεπιδράσεις ενός οργανισμού, καθώς το πρωτέωμα διαφοροποιείται από κύτταρο σε κύτταρο και αλλάζει συνεχώς μέσα από τις βιοχημικές του αλληλεπιδράσεις με το γονιδίωμα και το περιβάλλον. Ένας οργανισμός έχει ριζικά διαφορετική πρωτεϊνική έκφραση στα διάφορα σημεία του σώματός του, σε διαφορετικά στάδια του κύκλου ζωής του και υπό διαφορετικές περιβαλλοντικές συνθήκες. Δημιουργούνται, λοιπόν, δύο πάρα πολύ σημαντικοί τομείς έρευνας, που είναι, πρώτον, η εύρεση των πραγματικών πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων ενός οργανισμού που θα συνθέσουν το πρωτεϊνικό δίκτυο αλληλεπιδράσεων και, δεύτερον, η περαιτέρω ανάλυση του πρωτεϊνικού δικτύου για εξόρυξη πληροφορίας (εύρεση πρωτεϊνικών συμπλεγμάτων, καθορισμός λειτουργίας πρωτεϊνών κτλ). Στην παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζονται καινοτόμες αλγοριθμικές τεχνικές Υπολογιστικής Νοημοσύνης για την πρόβλεψη πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων, τον υπολογισμό ενός βαθμού εμπιστοσύνης για κάθε προβλεφθείσα αλληλεπίδραση, την πρόβλεψη πρωτεϊνικών συμπλόκων από δίκτυα πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων και την πρόβλεψη της λειτουργίας πρωτεϊνών. Συγκεκριμένα, στο κομμάτι της πρόβλεψης και βαθμολόγησης πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων αναπτύχθηκε μια πληθώρα καινοτόμων τεχνικών ταξινόμησης. Αυτές κυμαίνονται από υβριδικούς συνδυασμούς μετα-ευρετικών μεθόδων και ταξινομητών μηχανικής μάθησης, μέχρι μεθόδους γενετικού προγραμματισμού και υβριδικές μεθοδολογίες ασαφών συστημάτων. Στο κομμάτι της πρόβλεψης πρωτεϊνικών συμπλόκων υλοποιήθηκαν δύο βασικές καινοτόμες μεθοδολογίες μη επιβλεπόμενης μάθησης, οι οποίες θεωρητικά και πειραματικά ξεπερνούν τα μειονεκτήματα των υπαρχόντων αλγορίθμων. Για τις περισσότερες από αυτές τις υλοποιηθείσες μεθοδολογίες υλοποιήθηκαν φιλικές προς τον χρήστη διεπαφές. Οι περισσότερες από αυτές τις μεθοδολογίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν και σε άλλους τομείς. Αυτό πραγματοποιήθηκε με μεγάλη επιτυχία σε προβλήματα βιοπληροφορικής όπως η πρόβλεψη microRNA γονιδίων και mRNA στόχων τους και η μοντελοποίηση - πρόβλεψη οικονομικών χρονοσειρών. Πειραματικά, η μελέτη αρχικά επικεντρώθηκε στον οργανισμό της ζύμης (Saccharomyces cerevisiae), έτσι ώστε να αξιολογηθούν οι αλγόριθμοι, που υλοποιήθηκαν και να συγκριθούν με τις υπάρχουσες αλγοριθμικές μεθοδολογίες. Στη συνέχεια, δόθηκε ιδιαίτερη έμφαση στις πρωτεΐνες του ανθρώπινου οργανισμού. Συγκεκριμένα, οι καλύτερες αλγοριθμικές τεχνικές για την ανάλυση δεδομένων πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων εφαρμόστηκαν σε ένα σύνολο δεδομένων που δημιουργήθηκε για τον ανθρώπινο οργανισμό. Αυτό είχε σαν αποτέλεσμα την δημιουργία ενός πλήρους, σταθμισμένου δικτύου πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων για τον άνθρωπο και την εξαγωγή των πρωτεϊνικών συμπλόκων, που υπάρχουν σε αυτό καθώς και τον λειτουργικό χαρακτηρισμό πολλών αχαρακτήριστων πρωτεϊνών. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης των δεδομένων πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων για τον άνθρωπο είναι διαθέσιμα μέσω μίας διαδικτυακής βάσης γνώσης HINT-KB (http://hintkb.ceid.upatras.gr), που υλοποιήθηκε στα πλαίσια αυτής της διδακτορικής διατριβής. Σε αυτή την βάση γνώσης ενσωματώνεται, από διάφορες πηγές, ακολουθιακή, δομική και λειτουργική πληροφορία για ένα τεράστιο πλήθος ζευγών πρωτεϊνών του ανθρώπινου οργανισμού. Επίσης, οι χρήστες μπορούν να έχουν προσβαση στις προβλεφθείσες πρωτεϊνικές αλληλεπιδράσεις και στον βαθμό εμπιστοσύνης τους. Τέλος, παρέχονται εργαλεία οπτικοποίησης του δικτύου πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων, αλλά και εργαλεία ανάκτησης των πρωτεϊνικών συμπλόκων που υπάρχουν σε αυτό και της λειτουργίας πρωτεϊνών και συμπλόκων. Το προβλήματα με τα οποία καταπιάνεται η παρούσα διδακτορική διατριβή έχουν σημαντικό ερευνητικό ενδιαφέρον, όπως τεκμηριώνεται και από την παρατιθέμενη στη διατριβή εκτενή βιβλιογραφία. Μάλιστα, βασικός στόχος είναι οι παρεχόμενοι αλγόριθμοι και υπολογιστικά εργαλεία να αποτελέσουν ένα οπλοστάσιο στα χέρια των βιοπληροφορικάριων για την επίτευξη της κατανόησης των κυτταρικών λειτουργιών και την χρησιμοποίηση αυτής της γνώσης για γονιδιακή θεραπεία διαφόρων πολύπλοκων πολυπαραγοντικών ασθενειών όπως ο καρκίνος. Τα σημαντικόταρα επιτεύγματα της παρούσας διατριβής μπορούν να συνοψισθούν στα ακόλουθα σημεία: • Παροχή ολοκληρωμένης υπολογιστικής διαδικασίας ανάλυσης δεδομένων πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων • Σχεδιασμός και υλοποίηση ευφυών τεχνικών πρόβλεψης και βαθμολόγησης πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων, που θα παρέχουν αποδοτικά και ερμηνεύσιμα μοντέλα πρόβλεψης. • Σχεδιασμός και υλοποίηση αποδοτικών αλγορίθμων μη επιβλεπόμενης μάθησης για την εξόρυξη πρωτεϊνικών συμπλόκων από δίκτυα πρωτεϊνικών αλληλλεπιδράσεων. • Δημιουργία μιας βάσης γνώσης που θα παρέχει στην επιστημονική κοινότητα όλα τα ευρήματα της ανάλυσης των δεδομένων πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων για τον ανθρώπινο οργανισμό. / The present dissertation was conducted in the Pattern Recognition Laboratory, of the Department of Computer Engineering and Informatics at the University of Patras. It is a part of the wide research activity of the Pattern Recognition Laboratory in the domain of designing, implementing and applying Computational Intelligence technologies for the analysis of biological data. The present dissertation was co-financed by the research program Hrakleitos II. The proteomics domain is a quite new and fast evolving research domain. One of the great challenges in the domain of proteomics is the reconstruction of the complete protein-protein interaction network within the cells. The analysis of these networks is able to uncover the role of protein-protein interactions in diseases as well as their developmental procedure, as protein-protein interactions play very important roles in the basic cellular functions. However, this is very hard to be accomplished as protein-protein interactions and the whole proteome is differentiated among cells and it constantly changes through the biochemical cellular and environment interactions. An organism has radically different protein expression in different tissues, in different phases of his life and under varying environmental conditions. Two very important domains of research are created. First, the identification of the real protein-protein interactions within an organism which will compose its protein interaction network. Second, the analysis of the protein interaction network to extract knowledge (search for protein complexes, uncovering of proteins functionality e.tc.) In the present dissertation novel algorithmic Computational Intelligent techniques are presented for the prediction of protein-protein interactions, the prediction of a confidence score for each predicted protein-protein interaction, the prediction of protein complexes and the prediction of proteins functionality. In particular, in the task of predicting and scoring protein-protein interactions, a wide range of novel classification techniques was designed and developed. These techniques range from hybrid combinations of meta-heuristic methods and machine learning classifiers, to genetic programming methods and fuzzy systems. For the task of predicting protein complexes, two novel unsupervised methods were designed and developed which theoretically and experimentally surpassed the limitations of existing methodologies. For most of the designed techniques user friendly interfaces were developed to allow their utilizations by other researchers. Moreover, many of the implemented techniques were successfully applied to other research domaines such as the prediction of microRNAs and their targets and the forecastment of financial time series. The experimental procedure, initially focused on the well studied organism of Yeast (Saccharomyces cerevisiae) to validate the performance of the proposed algorithms and compare them with existing computational methodologies. Then, it focuses on the analysis of protein-protein interaction data from the Human organism. In specific, the best algorithmic techniques, from the ones proposed in the present dissertation, were applied to a human protein-protein interaction dataset. This resulted to the construction of a weighted protein-protein interaction network of high coverage, to the extraction of human protein complexes and to the functional characterization of Human proteins and complexes. The results of the analysis of Human protein-protein interaction data are available in the web knowledge base HINT-KB (http://hintkb.ceid.upatras.gr) which was implemented during this dissertation. In this knowledge base, structural, functional and sequential information from various sources were incorporated for every protein pair. Moreover, HINTKB provide access to the predicted and scored protein-protein interactions and to the predicted protein complexes and their functional characterization. The problems which occupied the present dissertation have very significant research interest as it is proved by the provided wide bibliography. The basic goal is the provided algorithms and tools to contribute in the ultimate goal of systems biology to understand the cellular mechanisms and contribute in the development of genomic therapy of complex diseases such as cancer. The most important achievements of the present dissertation are summarized in the next points: • Providing an integrated computational framework for the analysis of protein-protein interaction data. • Designing and implementing intelligent techniques for predicting and scoring protein-protein interactions in an accurate and interpretable manner. • Designing and implementing effective unsupervised algorithmic techniques for extracting protein complexes and predicting their functionality. • Creating a knowledge base which will provide to the scientific community all the findings of the analysis conducted on the Human protein-protein interaction data.