Το αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής με τίτλο “Σχεδιασμός Κρυπτογραφικών Συστημάτων με Υλικό Ειδικού Σκοπού” είναι ο σχεδιασμός κρυπτογραφικών μηχανισμών για την ενσωμάτωσή τους σε συστήματα περιορισμένων πόρων (κόστος υλικού, καταναλισκόμενη ισχύς, ενέργεια). Πρωταρχικοί στόχοι είναι η περιορισμένη κατανάλωση ισχύος και η ελαχιστοποίηση του κόστους υλικού ενώ ο ρυθμός απόδοσης σε αυτά τα συστήματα αποτελεί δεύτερο στόχο. Σύγχρονα συστήματα όπως έξυπνες κάρτες και RFID ετικέτες δεν έχουν την απαιτούμενη επιφάνεια για να ολοκληρώσουν-ενσωματώσουν μεγάλα συστήματα κρυπτογραφίας άλλα ούτε τους απαραίτητους πόρους σε ενέργεια. Οι κρυπτογραφικές πράξεις είναι από τη φύση τους δύσκολο να αναλυθούν, να απλοποιηθούν και να υλοποιηθούν. Παρόλα αυτά η διδακτορική διατριβή έδειξε ότι μπορεί να εφαρμοστούν σε αυτές τεχνικές χαμηλής κατανάλωσης ισχύος. Αν σε ένα κρυπτογραφικό σύστημα, οι μη αποδοτικές πράξεις από πλευράς κατανάλωσης ισχύος του συνολικού συστήματος μπορεί να αποκτήσουν χαρακτηριστικά χαμηλής κατανάλωσης ισχύος, τότε μειώνεται αισθητά η μέση κατανάλωση ισχύος. Στην προσπάθεια μείωσης της μέσης κατανάλωσης ισχύος των αλγορίθμων είναι ο εντοπισμός των λιγότερο αποδοτικών πράξεων των κρυπτογραφικών συστημάτων και η μελέτη-ανάλυση με σκοπό τη μείωση της κατανάλωσης ισχύος. Επειδή είναι προφανές πως η μεθοδολογία αυτή προορίζεται για συστήματα χαμηλών πόρων πρέπει και το αντίστοιχο κόστος σε υλικό να είναι περιορισμένο. / The evolution of mobile-wireless computing systems have triggered the development of new cryptographic needs. Therefore, existing and new cryptographic algorithm architectures have to be designed in order to satisfy the mobile wireless system specifications. Wireless mobile standards limit a wireless system's throughput to less than a hundred Mbps. This is a quite satisfactory limit and it is capable to support real-time applications as voice, video and online streaming. Additionally, the nature of mobile systems highlights the needs for strict power and area constrains. However, many cryptographic designs focus on achieving high-throughput by unrolling the rounds of the algorithm and using extended pipelining techniques. These designs that can achieve high throughput rates, are appropriate for high-end applications that are not constrained in power consumption and chip covered area. Therefore, it is impossible to integrate these modules in mobile systems. The main contributions of this phd thesis involve: A Lightweight secure mechanism which presents a top-down design methodology. There are three contributions in the domain of optimized cryptographic operations: a) Versatile multiplier for GF(28) Finite Fields, b) Optimized SubBytes transformation in terms of power and area, c) Optimized MixColumns transformation in terms of power and area. Finally an 8-bit Advanced Encryption Standard Design with low power-low area properties is proposed.

On-line monitoring is an important challenge in future biotechnology applications, for instance in the domain of precision livestock farming where a strong need is present for low-cost intelligent sensors to monitor animal welfare. On-line poultry monitoring can significantly improve living conditions of hens in industrial farms. A very low-cost low-energy solution needs to be provided though due to the stringent battery limitations. Domain-specific ASIPs can be an ideal solution when they cover enough submarkets to increase the production volume (reducing the price) and ultra-low energy concepts are used for their realization. This work is a part of a larger project and aiming to high energy-efficiency. The current study implements data parallelization, using a recently introduced software-controlled SIMD realization in an innovative way. The approaches that have been employed for the determination of the final instruction set of the architecture that has been created for the mapping of the critical Gauss loop of the detection application, are thoroughly explored. The re-design of the data-parallel data path, also referred to as Soft-SIMD architecture, has been necessary in order to achieve instruction encoding optimization. Furthermore, we have explored the capabilities that a commercial compiler retargetable Tool, like Target, can offer for our target design and we have suggested some potential modifications that would help the tool to become more efficient and useful for a designer’s needs in such architecture. Thereby, this study also demonstrates the promising results obtained by experimenting with detours around the current Target tool design limitations. Finding the right balance between efficiency and flexibility requires the ability to quickly evaluate alternative architectures through simulations and testing techniques. The methods developed for exactly this purpose, with the help of Target’s IP Designer retargetable tool-suite, are discussed in detail. By exploiting the profiling information produced by the ISS, and by reading the assembly code produced by the C compiler, it is possible to identify the instructions in the critical loop, and optimize them by using a number of techniques discussed. The main purpose of this optimization is to reduce the cycle count of the application, in order to reduce the overall power consumption. VHDL files of the optimized and un-optimized processor are automatically generated using the HDL generation tool. However, examining a bio-imaging application, instantiated from the ULP-ASIP architectural template [FEENECS book], many other issues are present too. In particular, the way that these kinds of implementations have to be tested should be taken into consideration. Preferably, the testability has not only to be sufficient and efficient but also reusable, in the sense that test patterns should be able to be generated not only for a specific application or for a group of applications but for the entire architectural template. Therefore, this study also illustrates a Systematic Test Vector generation process for the ULP-ASIP template. Our goal is to make generalized principles, because such principles are reusable and can be applied to any instances, such as our present processor for the Gauss Filter. Finally, this study is completed by presenting some realistic power numbers based on layout back-annotation, which concern the data path components of the processor. Based on all the advanced optimizations and broad search space explorations that are presented in this thesis, a heavily optimized ASIP architecture has been fully implemented which results in a low-cost ultra low-energy consumption while still meeting all the performance requirements. / Η αυτόματη μέθοδος παρακολούθησης ζωντανών οργανισμών, όπως έχει ερευνηθεί και δημοσιευθεί από το Τμήμα Biosystems (BIOSYST) του K.U. Leuven [1], συνίσταται από μια εϕαρμογή με «υπολογιστική όραση», η οποία, βασιζόμενη στις αποκρίσεις τους, κατηγοριοποιεί τη συμπεριϕορά τους. Η βιοτεχνολογική αυτή εϕαρμογή αναπτύσσει ένα πλήρως αυτοματοποιημένο σύστημα «υπολογιστικής όρασης» σε μεμονωμένες και υπό περιορισμό όρνι- θες.Η εϕαρμογή χωρίζεται σε δύο αλγόριθμους, εκ των οποίων ο πρώτος ανιχνεύει το αντι- κείμενο παρακολούθησης (detection algorithm) και ο δεύτερος το εντοπίζει (tracking algorithm). Η παρούσα μελέτη αποτελεί κομμάτι ενός μεγαλυτέρου project και συνέχεια της προηγούμενης δουλείας που αναπτύχθηκε στον τομέα αυτό.Ο σκοπός αυτής της μελέτης είναι η εξερεύνηση της αρχιτεκτονικής που έχει δημιουργηθεί για την αντιστοίχιση του κρίσιμου βρόχου Gauss του αλγόριθμου ανίχνευσης προκειμένου να καθοριστεί το τελικό σύνολο εντολών του ULP-ASIP SIMD επεξεργαστή. Οι τεχνικές και οι προσεγγίσεις που χρησιμοποιούνται για την υποστήριξη της διαδικασίας βελτιστοποίησης της κωδικοποίησης του συνόλου εντολών παρουσιάζονται εκτεταμένα στο κεϕάλαιο 2. Επιπλέον, κατά τη διάρκεια της εξερεύνησης της αρχιτεκτονικής, το σύνολο εντολών που ορίστηκε και οι τεχνικές αντιστοίχισης επανεξετάζονται, προκειμένου να μειωθεί το συνολικό κόστος εκτέλεσης. Η εύρεση της σωστής ισορροπίας μεταξύ της αποτελεσματικότητας και της ευελιξίας απαιτεί την ικανότητα να αξιολογούνται γρήγορα εναλλακτικές αρχιτεκτονικές μέσω εξομοιώσεων και τεχνικών δοκιμών. Το Κεϕάλαιο 3 επεξηγεί τις μεθόδους που αναπτύχθηκαν ακριβώς για το σκοπό αυτό, με τη βοήθεια του περιβάλλοντος σχεδίασης IP των TARGET Compiler Τεχνολογιών η οποία προσϕέρει ένα πλήρες reTARGETable εργαλείο. Ωστόσο, μια πιο συστηματική διαδικασία παραγωγής διανυσμάτων δοκιμής για ολόκληρη την πλατϕόρμα ULP-ASIP κατέληξε να είναι ένα πολύ σημαντικό πλεονέκτημα για την επικύρωση της λειτουργίας του επεξεργαστή ULP-ASIP. Ως εκ τούτου, μια τέτοια μέθοδος, αναλύεται και παρουσιάζεται εκτεταμένα στο κεϕάλαιο 4. Τέλος, το Κεϕάλαιο 5 παρουσιάζει την εκτίμηση της ενέργειας του data path του επεξεργαστή. Με βάση όλες τις προηγμένες βελτιστοποιήσεις και τις ευρείες εξερευνήσεις του χώρου αναζήτησης που παρουσιάζονται στα προηγούμενα κεϕάλαια, μια ισχυρά βελτιστοποιημένη συνθέσιμη αρχιτεκτονική ASIP υλοποιείται πλήρως η οποία οδηγεί σε μια χαμηλού κόστους, πολύ χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας πλατϕόρμα, καλύπτοντας συγχρόνως όλες τις απαιτήσεις επιδόσεων.

Το ερευνητικό αντικείμενο και ο στόχος της διδακτορικής διατριβής είναι η πρόταση μιας ολοκληρωμένης λύσης για την υποστήριξη τηλεπικοινωνιακών εφαρμογών σε ασύρματα δίκτυα τα οποία δεν στηρίζονται σε σταθερές δικτυακές υποδομές. Ένα τέτοιο δίκτυο, το οποίο αναφέρεται στη διεθνή βιβλιογραφία ως Mobile Ad-hoc Network (MANET), είναι ένα αυτο-οργανώσιμο αυτο-σχηματιζόμενο ασύρματο δίκτυο με διαδρομές πολλαπλών τμημάτων (multi-hop), όπου η δομή του δικτύου αλλάζει δυναμικά λόγω της κινητικότητας των κόμβων ή αλλαγές στην τοπολογία. Η αρχιτεκτονική που προτείνεται για την ικανοποίηση των τιθέμενων απαιτήσεων στηρίζεται στην ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου επικοινωνιακού αρχιτεκτονικού πλαισίου για MANET δίκτυα το οποίο περιλαμβάνει μηχανισμούς μείωσης της κατανάλωσης ενέργειας που οφείλεται σε επικοινωνιακές λειτουργίες, την ανάπτυξη ενός εξειδικευμένου πρωτοκόλλου δρομολόγησης, τροποποιήσεις του πρωτοκόλλου TCP στο επίπεδο μεταφοράς και την υλοποίηση ενός νέου πρωτόκολλου διαχείρισης δικτύου. Η απόδοση της προτεινόμενης επικοινωνιακής διαστρωμάτωσης είναι υψηλή σε περιβάλλον με μεγάλη κινητικότητα των κόμβων και δυναμική αλλαγή της τοπολογίας ενώ παράλληλα η κατανάλωση ενέργειας των κόμβων παραμένει σχετικά χαμηλή. Οι αλγόριθμοι και τα πρωτοκόλλα που παρουσιάζονται σχεδιάστηκαν και υλοποιήθηκαν λαμβάνοντας υπόψη τους περιορισμούς και τις απαιτήσεις ενός ενσωματωμένου συστήματος, ενώ η απόδοση και αξιοπιστία τους τεκμηριώνονται θεωρητικά και με εξομοιώσεις. / The research objective of this thesis is a complete solution so as to support the implementation of telecommunication applications in wireless networks that operate without the presence of fixed infrastructure. Such a network, cited as Mobile Ad-hoc Network (MANET) in international literature, is a self-organized, auto-configured wireless network with multi-hop routing paths where its structure is modified dynamically due to node mobility and topological changes. In order to meet the above requirements a new communication framework for MANET networks is presented, which consists of the adaptation of communication-related energy reduction techniques, development of a specialized routing protocol at the network layer, modifications of the TCP protocol at the transport layer and the implementation of a novel network management protocol. The performance of the proposed protocol stack is satisfactory in dynamic network topologies with increased node mobility, whereas the node energy consumption remains in low levels. The presented algorithms and protocols are designed and implemented considering the constraints and requirements of an embedded system, while their performance and reliability is proved theoretically and by simulation results.

Το αριθμητικό σύστημα υπολοίπων (RNS) έχει προταθεί ως ένας τρόπος για επιτάχυνση των αριθμητικών πράξεων του πολλαπλασιασμού και της πρόσθεσης. Ένα από τα σημαντικά πλεονεκτήματα της χρήσης του RNS είναι ότι οδηγεί σε κυκλώματα που έχουν το χαρακτηριστικό της χαμηλής κατανάλωσης. Πιο συγκεκριμένα στην παρούσα διατριβή γίνεται μια αναλυτική μελέτη πάνω στην ταχύτητα διεξαγωγής της πράξης του πολλαπλασιασμού και της άθροισης. Ο λόγος που γίνεται αυτό είναι διότι οι εφαρμογές επεξεργασίας σήματος χρησιμοποιούν ιδιαιτέρως τις προαναφερθείσες πράξεις. Επίσης γίνεται μελέτη της ισχύος που καταναλώνεται κατά την επεξεργασία ενός σήματος με τη χρήση των προτεινόμενων αριθμητικών κυκλωμάτων. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στη χρήση απλών αρχιτεκτονικών τις οποίες μπορούν τα εργαλεία σύνθεσης να διαχειριστούν καλύτερα παράγοντας βέλτιστα κυκλώματα. Τέλος η διατριβή μελετά τα προβλήματα διακύμανσης των παραμέτρων του υλικού που αντιμετωπίζει η σύγχρονη τεχνολογία κατασκευής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Συγκεκριμένα σε τεχνολογία μικρότερη των 90nm παρατηρείται το φαινόμενο ίδια στοιχεία κυκλώματος να συμπεριφέρονται με διαφορετικό τρόπο. Το φαινόμενο αυτό γίνεται σημαντικά πιο έντονο σε τεχνολογίες κάτω των 45nm. Η παρούσα διατριβή προτείνει λύσεις βασισμένες στην παραλληλία και την ανεξαρτησία των επεξεργαστικών πυρήνων που παρέχει το RNS, για να αντιμετωπίσει το συγκεκριμένο φαινόμενο. / The Residue Number System (RNS) has been proposed as a means to speed up the implementation of multiplication-addition intensive applications, commonly found in DSP. The main benefit of RNS is the inherent parallelism, which has been exploited to build efficient multiply-add structures, and more recently, to design low-power systems. In particular, this dissertation deals with the delay complexity of the multiply-add operation (MAC). The reason for this is that DSP applications are MAC intensive and hence this dissertation proposes solutions to increase the speed of processing. Furthermore, the study of the multiply-add operations is extended to power consumption matters. The dissertation focus on simple architectures such that EDA tools produce efficient in both power and delay, synthesized circuits. Finally the dissertation deals with variability matters that came up as the vlsi technology shrinks below 90nm. Variability becomes unaffordable especially for the 45nm technology node. This dissertation proposes solutions based on parallelism and the independence of the RNS cores to derive variation-tolerant architectures.

Στις χώρες της Ευρωπαϊκής Ένωσης ο κτιριακός τομέας απορροφά περίπου το 40% της συνολικής ενεργειακής κατανάλωσης, γεγονός που καθιστά απαραίτητο το λειτουργικό και φιλικό προς το περιβάλλον σχεδιασμό των κτιρίων, παράλληλα με τον περιορισμό των συνολικών ενεργειακών αναγκών τους για την εξοικονόμηση ενέργειας. Όσον αφορά τα ήδη υπάρχοντα κτίρια, μπορούν να γίνουν διάφορες παρεμβάσεις ώστε να επιτευχθεί η μέγιστη δυνατή εξοικονόμηση ενέργειας. Από την άλλη, η Ε.Ε.,στα πλαίσια της βιώσιμης ανάπτυξης και της προστασίας του περιβάλλοντος, έχει θέσει ως στόχο για το 2020 τα καινούρια κτίρια να είναι μηδενικών εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα. Για την υλοποίηση του στόχου αυτού, είναι αναγκαίος ο σχεδιασμός των κτιρίων σύμφωνα με τις αρχές της βιοκλιματικής αρχιτεκτονικής, για την ελαχιστοποίηση των ενεργειακών τους αναγκών αλλά και η εφαρμογή συστημάτων Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας για την παραγωγή θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας και την ελαχιστοποίηση έτσι των εκπομπών CO2 στην ατμόσφαιρα από τα ορυκτά καύσιμα. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, αναπτύσσονται στρατηγικές που αποσκοπούν στην αρμονική ένταξη των κτιρίων στο φυσικό περιβάλλον, παρουσιάζονται τα θέματα εξοικονόμησης ενέργειας στα κτίρια, διατυπώνονται οι βασικές παράμετροι για την επίτευξη ολιστικής ενεργειακής κάλυψης των κτιρίων και την προετοιμασία του επόμενου βήματος σχετικά με την ενέργεια στα κτίρια για το έτος 2020 και δίνονται νέες τεχνολογικές λύσεις που αναπτύχθηκαν στο εργαστήριο ηλιακής ενέργειας, με σκοπό την βέλτιστη αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας και των άλλων ΑΠΕ στα κτίρια. Στα πλαίσια της πλήρους κάλυψης των κτιριακών ενεργειακών αναγκών από ΑΠΕ και της προώθησης των κτιρίων σχεδόν μηδενικής κατανάλωσης από συμβατικές ενεργειακές πηγές, μελετάται πειραματικά η συμβολή των φωτοβολταϊκών σε δυσμενή κλίση και προσανατολισμό. Εξετάζεται η συνεισφορά διάχυτων ανακλαστήρων στην ενεργειακή τους απόδοση, η επίδραση του υλικού της θερμομόνωσης και του περιορισμού των θερμικών απωλειών. Τέλος, εξετάζεται η αξιοποίηση κάθε τμήματος του κτιρίου που μπορεί να έχει θετική συμβολή στο ενεργειακό θέμα. Έτσι προτείνονται τρόποι τοποθέτησης φωτοβολταϊκών σε οριζόντιες και επικλινείς στέγες και στις προσόψεις των κτιρίων, με προσθήκη ανακλαστήρα όπου είναι δυνατό, που μπορούν να συνεισφέρουν στην επίτευξη μηδενικού ενεργειακού ισοζυγίου στα κτίρια. / In the countries of the European Union the building sector accounts for about 40% of the total energy consumption, so it is necessary that the buildings should be designed in a functional and environmentally-friendly way, in addition to the minimization of of the total energy needs to achieve energy savings. As for the existing buildings, they should be renovated so that maximum energy savings is achieved. On the other hand, the EU’s target for 2020 is that new buildings must be of zero carbon dioxide emissions. For the implementation of this goal, buildings should be designed according to the principles of bioclimatic architecture to minimize energy needs, but also systems of Renewable Energy Sources should be applied to produce thermal energy and electricity, in order to minimize carbon dioxide emissions from fossil fuels. In the present thesis, strategies aiming to harmonic integration of buildings in the natural environment are developed, holistic energy saving aspects for buildings are presented, aspects regarding the next step to the target for 2020 are given, and some new designs of building integrated RES, investigated at the Solar Energy Laboratory, are suggested. Approaching the holistic contribution of the renewable energy sources (RES) to buildings for total cover of their energy demand, and the achievement of nearly zero energy buildings, the contribution of photovoltaics in disadvantageous inclination and azimuth angle is experimentally studied. The contribution of diffuse reflectors to pV’s energy efficiency, the impact of thermal insulation materials and the impact of limitating the thermal losses to PV’s operation, are studied as well. Furthermore, the use of every single part of the building in order to contribute to its energy supply, is considered. Designs for photovoltaic integration on horizontal and inclined roofs and facades are suggested, combined with booster reflector if possible, aiming to achieve zero energy balance of buildings.

Η ασφάλεια των υπολογιστικών συστημάτων αποτελεί πλέον μια πολύ ενεργή περιοχή και αναμένεται να γίνει μια νέα παράμετρος σχεδίασης ισάξια μάλιστα με τις κλασσικές παραμέτρους σχεδίασης των συστημάτων, όπως είναι η απόδοση, η κατανάλωση ισχύος και το κόστος. Οι φερέγγυες υπολογιστικές πλατφόρμες έχουν προταθεί σαν μια υποσχόμενη λύση, ώστε να αυξήσουν τα επίπεδα ασφάλειας των συστημάτων και να παρέχουν προστασία από μη εξουσιοδοτημένη άδεια χρήσης των πληροφοριών που είναι αποθηκευμένες σε ένα σύστημα. Ένα φερέγγυο σύστημα θα πρέπει να διαθέτει τους κατάλληλους μηχανισμούς, ώστε να είναι ικανό να αντιστέκεται στο σύνολο, τόσο γνωστών όσο και νέων, επιθέσεων άρνησης υπηρεσίας. Οι επιθέσεις αυτές μπορεί να έχουν ως στόχο να βλάψουν το υλικό ή/και το λογισμικό του συστήματος. Ωστόσο, η μεγαλύτερη βαρύτητα στην περιοχή έχει δοθεί στην αποτροπή επιθέσεων σε επίπεδο λογισμικού. Στην παρούσα διατριβή προτείνονται έξι μεθοδολογίες σχεδίασης ικανές να θωρακίσουν ένα υπολογιστικό σύστημα από επιθέσεις άρνησης υπηρεσίας που έχουν ως στόχο να πλήξουν το υλικό του συστήματος. Η κύρια έμφαση δίνεται στο υποσύστημα της μνήμης (κρυφές μνήμες). Στις κρυφές μνήμες αφιερώνεται ένα μεγάλο μέρος της επιφάνειας του ολοκληρωμένου, είναι αυτές που καλούνται να "αποκρύψουν" τους αργούς χρόνους απόκρισης της κύριας μνήμης και ταυτόχρονα σε αυτές οφείλεται ένα μεγάλο μέρος της συνολικής κατανάλωσης ισχύος. Ως εκ τούτου, παρέχοντας βελτιστοποιήσεις στις κρυφές μνήμες καταφέρνουμε τελικά να μειώσουμε τον χρόνο εκτέλεσης του λογισμικού, να αυξήσουμε το ρυθμό μετάδοσης των ψηφιακών δεδομένων και να θωρακίσουμε το σύστημα από επιθέσεις άρνησης υπηρεσίας σε επίπεδο υλικού. / Data security concerns have recently become very important, and it can be expected that security will join performance, power and cost as a key distinguish factor in computer systems. Trusted platforms have been proposed as a promising approach to enhance the security of the modern computer system and prevent unauthorized accesses and modifications of the sensitive information stored in the system. Unfortunately, previous approaches only provide a level of security against software-based attacks and leave the system wide open to hardware attacks. This dissertation thesis proposes six design methodologies to shield a uniprocessor or a multiprocessor system against a various number of Denial of Service (DoS) attacks at the architectural and the operating system level. Specific focus is given to the memory subsystem (i.e. cache memories). The cache memories account for a large portion of the silicon area, they are greedy power consumers and they seriously determine system performance due to the even growing gap between the processor speed and main memory access latency. As a result, in this thesis we propose methodologies to optimize the functionality and lower the power consumption of the cache memories. The goal in all cases is to increase the performance of the system, the achieved packet throughput and to enhance the protection against a various number of passive and Denial of Service attacks.

Το αντικείμενο της διατριβής αυτής είναι η μελέτη της διαστρωματικής (cross-layer) προσέγγισης ανάπτυξης ασύρματων δικτύων κατανεμημένης λειτουργίας με απαιτήσεις επικοινωνίας πραγματικού χρόνου και περιορισμένους διαθέσιμους πόρους. Επιπλέον βασικό στόχο αποτελεί και η σχεδίαση, πρόταση αντίστοιχης αρχιτεκτονικής η οποία στοχεύει στη βέλτιστη διαχείριση διαθεσίμων δικτυακών πόρων σε καταστάσεις συμφόρησης του δικτύου και κατά συνέπεια στην βελτίωση της απόδοσης αυτού. Μέσα από μελέτες στα πλαίσια της διατριβής αναδεικνύεται η σημασία του φαινομένου συμφόρησης ως κύριου παράγοντα σπατάλης δικτυακών πόρων καθώς και οδήγησης του δικτύου σε κατάσταση κορεσμού με αρνητική επίπτωση σε όλες τις παραμέτρους απόδοσης του δικτύου. Στόχος, λοιπόν, της προτεινόμενης επικοινωνιακής αρχιτεκτονικής είναι η αποφυγή του φαινομένου συμφόρησης έτσι ώστε το δίκτυο να οδηγείται δυναμικά σε ένα σταθερό σημείο απόδοσης (όσο αυτό είναι δυνατό) το οποίο θα επιτρέπει στο δίκτυο να αποδίδει όσο το δυνατόν καλύτερα αποφεύγοντας τη ίδια στιγμή άσκοπη σπατάλη πόρων. Βασική παράμετρος στη σχεδίαση αποτελεί η συμβατότητα τόσο ως προς σημαντικό εύρος διαθέσιμων πρωτοκόλλων σε διάφορα επίπεδα, όσο και ως προς τη δυνατότητα συνύπαρξης κόμβων που ενσωματώνουν την προτεινόμενη αρχιτεκτονική με κόμβους χωρίς αυτήν. Η προτεινόμενη αρχιτεκτονική υλοποιήθηκε στα πλαίσια γνωστού και αξιόπιστου δικτυακού εξομοίωση. Αξιολόγηση της υλοποίησης αυτής μέσα από μεγάλο αριθμό πειραμάτων έδειξε επίτευξη του στόχου καθώς το φαινόμενο της συμφόρησης αντιμετωπίστηκε σε όλες τις περιπτώσεις με σημαντικά οφέλη στην απόδοση του δικτύου και διαχείριση των πόρων. Επιπλέον, λόγω του μεγάλου βαθμού παραμετροποίησης αποτελεί ιδανική βάση για μελλοντικές προεκτάσεις. / This objective of this dissertation is the study of cross-layer approach applied on the development of distributed wireless networks with real-time response demands and scarce available resources. Furthermore, another main goal is the design and proposal of a respective network architecture aiming at optimum resource management under congestion scenarios and therefore maximization of network performance. Through various studies undertaken in the context of this dissertation the importance of the congestion problem is presented as a main factor leading the network to resource waste and saturation conditions negatively affecting all network performance metrics. Consequently, this dissertation aims in proposing a cross-layer architecture able to detect and tackle congestion phenomenon by dynamically retaining network performance at a steady state (as than is possible) where network performs optimally and resource waste in minimized. Among others, a main parameter is retaining compatibility with a wide range of widely used protocols of various layers as well compatibility concerning the coexistence in the same network of stations supporting with stations not supporting the proposed architecture. The proposed architecture is implemented in the context of widely known and used network simulator. Evaluation of this implementation through numerous simulations showed that the objectives are met since congestion phenomenon is tackled in most cases with significant benefits concerning network performance and resource management. Furthermore, due to the high parametrization degree it constitutes a very good base for future expansions.