Η ανάπτυξη και εγκατάσταση συστάδων υπολογιστών (clusters) και διαδικτυακών πλεγμάτων υπολογισμού (computational grids), διαρκώς αυξανόμενη στις μέρες μας, διαμορφώνει ένα σαφώς κατανεμημένο περιβάλλον, ικανό για την εφαρμογή υπολογισμού στο εύρος του διαδικτύου. Στο πλαίσιο αυτό, η παράλληλη επεξεργασία καλείται να επωφεληθεί από την εγγύτητα των υπολογιστικών πόρων, όπως αυτή διαμορφώνεται από τα σύγχρονα δίκτυα υψηλών ταχυτήτων. Την ίδια στιγμή, οι προγραμματιστές παράλληλων εφαρμογών βρίσκονται σε δίλημμα ανάμεσα σε μοντέλα προγραμματισμού κοινής μνήμης ή κατανεμημένα. Με τα κατανεμημένα μοντέλα να αποτελούν την αρχική και πιο φυσική επιλογή στο περιβάλλον των συστάδων και των πλεγμάτων, ο προγραμματιστής έρχεται ξανά αντιμέτωπος με τα διαχρονικά προβλήματα που ενέχει η αποτύπωση του παραλληλισμού των εφαρμογών και ο προγραμματισμός με τη χρήση μοντέλων ανταλλαγής μηνυμάτων (message passing models). Έχοντας σαν στόχο την απαλλαγή του προγραμματιστή από τις δυσκολίες των κατανεμημένων μοντέλων, γίνεται σημαντική ερευνητική προσπάθεια για την υλοποίηση συστημάτων και εργαλείων που θα μπορέσουν να παρέχουν ένα αξιόπιστο περιβάλλον προγραμματισμού κοινής μνήμης, επιτυγχάνοντας ταυτόχρονα συγκρίσιμη απόδοση με τα αντίστοιχα μοντέλα ανταλλαγής μηνυμάτων. Ωστόσο, ένα από τα βασικά χαρακτηριστικά των σύγχρονων περιβαλλόντων υπολογισμού, που δυσχεραίνει την μεταφορά της υπάρχουσας τεχνολογίας συστημάτων κατανεμημένης κοινής μνήμης από τις συστάδες υπολογιστών στα πλέγματα, είναι η εκτεταμένη ετερογένεια που παρατηρείται στα συστήματα που συμμετέχουν σε ένα υπολογιστικό πλέγμα. Συμμετέχοντας στην προσπάθεια πρότασης ενός εύχρηστου και αποδοτικού περιβάλλοντος προγραμματισμού, καταρχάς σε συστάδες υπολογιστών και με την προοπτική επέκτασης σε υπολογιστικά πλέγματα, στο πλαίσιο της συγκεκριμένης μεταπτυχιακής εργασίας υλοποιείται το σύστημα Pleiad. To Pleiad αποτελεί ολοκληρωμένο πρωτότυπο της αφαίρεσης κατανεμημένης κοινής μνήμης σε επίπεδο λογισμικού (Software Distributed Shared Memory - SDSM). Κύριος στόχος, δεδομένης της ετερογένειας των σύγχρονων παράλληλων συστημάτων, είναι τόσο η μεταφερσιμότητα όσο και η διαλειτουργικότητα του συστήματος και γι' αυτό το λόγο επιλέγεται για την υλοποίηση του η πλατφόρμα Java. Το σύστημα Pleiad είναι σε θέση να αξιοποιήσει τη σύγχρονη τάση στα πολυεπεξεργαστικά συστήματα, όπως αυτή καθορίζεται από την ευρεία διάθεση επεξεργαστών πολλαπλών πυρήνων, επιτρέποντας την εκτέλεση πολυνηματικών εφαρμογών στο εύρος του κατανεμημένου συστήματος. Επιπλέον η υλοποίηση λαμβάνει χώρα σε επίπεδο χρήστη (user-level), προσδίδοντας στο σύστημα μεγαλύτερη ευελιξία στο περιβάλλον των ιδεατών οργανισμών (virtual organizations - VOs) που διαθέτουν συστάδες υπολογιστών στο πλαίσιο πλεγμάτων. Τα αποτελέσματα από την πειραματική σύγκριση του συστήματος Pleiad με συναφή συστήματα είναι ενθαρρυντικά. Σε κάθε περίπτωση το πρωτότυπο του συστήματος Pleiad όπως παρουσιάζεται στη μεταπτυχιακή εργασία, αποτελεί έργο υποδομής, με αρκετά ενδιαφέροντα ζητήματα ανοικτά στην προοπτική μελλοντικής ερευνητικής δραστηριότητας. / The development and the deployment of clusters and computational grids, continuously increasing in our times, clearly form a distributed environment that is able to conduct computation at the scale of the Internet. Under these circumstances, parallel processing is urged to utilize the proximity of the afforded computational resources as it is accomplished by the advancements on high speed networks. At the same time the parallel applications programmers are quite often up against a dilemma having to choose between shared memory or distributed memory programming models. While distributed memory programming models are the most typical choice in the field of clusters and grids, the programmer encounters well known obstacles during his effort to extract the parallelism of the application. Willing to release the programmer from the need to explicitly express parallelism through message passing orchestration, much research has been done to implement middleware that provides the abstraction of shared memory programming while at the same time achieves acceptable performance compared to other message passing models. Nevertheless, one of the most fundamental characteristics of the modern, distributed computing environments that encumbers porting the existing DSM technology from clusters to grids, is the broad heterogeneity of the afforded computing resources. Participating in the effort of providing a simple, robust and yet efficient programming environment, firstly designated for clusters with the intention support seamless parallel programming on top of grids, at the present thesis we present Pleiad. Pleiad consists our research prototype providing the abstraction of shared memory programming, implemented at the software level (Software Distributed Shared Memory - SDSM). Considering by default the heterogeneity of the contemporary parallel systems, we have defined as a target of the presented thesis to provide a simple portable and interoperable DSM system. That direction led us to choose Java as our development platform. Pleiad is also able to utilize the trend in modern multiprocessors as it is defined by the advent of multicore CPUs by enabling the execution of multithreaded applications on top of the distributed hardware architecture. Moreover, the implementation of Pleiad takes place at the user level, which is the most appropriate decision concerning the highly diverse environment of the virtual organizations that are formed as parts of a grid. The first results of the experimental evaluation of Pleiad compared to similar systems are emboldening. In any case the first prototype of Pleiad as it is presented in the current thesis provides the essential infrastructure that will be used to further address open issues concerning our research interests on the topic of distributed shared memory abstraction.

Σχεδιασμός και υλοποίηση της πύλης Πόρων του Web Enginnering (WEP), με αποθήκευση και διαχείριση πληροφορίας σε XML/ XML-Schema/ XML-Stylevision Forms, χρήση wiki και προηγμένοι τρόποι πλοήγησης σε ιεραρχικό περιεχόμενο / Design and implementaton of Web Enginering Resources Portal (WEP), XML base system, use of XML-Schema/ XML-Stylevision Forms, wiki platform and advanced ways of piloting in categorized information

Στα πλαίσια αυτής της διδακτορικής διατριβής μελετήθηκαν τόσο το κρυπτογραφικό σχήμα του RSA όσο και τα διαφορά σχήματα κρυπτογραφίας ελλειπτικών καμπύλων με στόχο την πρόταση μιας αποδοτικής, σε ταχύτητα και απαιτούμενους πόρους υλικού, μεθοδολογία σχεδιασμού τους. Σε αυτή τη μεθοδολογία σχεδιασμού δίνεται μεγάλο βάρος στη βελτιστοποίηση των πράξεων στα πεπερασμένα σώματα που χρησιμοποιούνται στην κρυπτογραφία δημοσίου κλειδιού. Τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα σε κρυπτογραφία πεπερασμένα σώματα είναι τα GF(p) (πρώτα σώματα) και τα GF(2^k) (πεπερασμένα σώματα δυαδικής επέκτασης). Σε σχέση με την αριθμητική των GF(p), προτείνεται η χρήση του αλγόριθμου του Montgomery για modulo πολλαπλασιασμό, τροποποιημένου έτσι ώστε να χρησιμοποιεί Carry-Save πλεονάζουσα λογική καθώς και προεπεξεργασία τιμών. Η προκύπτουσα προτεινόμενη αρχιτεκτονική χρησιμοποιείται σε μονάδα ύψωσης σε δύναμη (που αποτελεί και την βασική αριθμητική πράξη του RSA). Η προτεινόμενη μονάδα επιτυγχάνει πολύ καλύτερα αποτελέσματα σε σχέση με άλλες αρχιτεκτονικές τόσο ως προς την ταχύτητα λειτουργίας αλλά και ως προς τους χρησιμοποιούμενους πόρους υλικού. Σε σχέση με την αριθμητική των GF(2^k), προτείνονται αλγόριθμοι και αρχιτεκτονικές για ευέλικτο πολλαπλασιασμό και για αντιστροφή, όταν χρησιμοποιείται πολυωνυμική βάση αναπαράστασης και μια μεθοδολογία πολλαπλασιασμού με αντίστοιχες σειριακές (SMPO) και παράλληλες αρχιτεκτονικές πολλαπλασιασμού όταν χρησιμοποιείται αναπαράσταση κανονικής βάσης. Τέλος, στα πλαίσια της αριθμητικής Ελλειπτικών Καμπύλων η οποία βασίζεται στα πεπερασμένα σώματα GF(p) ή GF(2^k) (στην κρυπτογραφία), χρησιμοποιήθηκαν προτεινόμενες αρχιτεκτονικές δομές για τα σώματα αυτά έτσι ώστε να προκύψει μια ανταγωνιστική αριθμητική μονάδα πράξεων για Ελλειπτικές Καμπύλες. Το πρόβλημα που εμφανίζεται σε μια τέτοια μονάδα έχει να κάνει με το μεγάλο κόστος της αντιστροφής σε πεπερασμένα σώματα σε πόρους υλικού αλλά και σε καθυστέρηση υπολογισμών. Χρησιμοποιώντας την αρχιτεκτονική δομή που προτείνεται στην παρούσα διδακτορική διατριβή για αντιστροφή-πολλαπλασιασμό σε GF(2^k) (μονάδα πολλαπλασιασμού/αντιστροφής) το προαναφερθέν κόστος ελαχιστοποιείται. / In this PhD dissertation the cryptographic schemes of RSA and elliptic curve cryptography were studied extensively in order to propose design methodologies for those schemes that are efficient in terms of computation speed and employed hardware resources. In the proposed methodologies special attention is given in the optimization of finite field arithmetic operations employed in public key cryptography. The most widely used such fields are the prime fields or GF(p) and the binary extension fields or GF(2^k) Concerning GF(p) arithmetic, an optimized version of Montgomery modulo multiplication algorithm is proposed for performing modular multiplication that employs Carry - Save redundant logic and value precomputation. The resulting architecture is used in a modular exponentiation unit (which is the basic arithmetic operation of RSA. The proposed unit achieves much better results in terms of computation speed and utilized hardware resources when compared to other well known similar designs. Concerning arithmetic in GF(2^k), algorithms and architectures are proposed for versatile design and inversion when polynomial basis representation of the GF(2^k)is employed. Also, a multiplication design methodology is proposed along with resulting sequential (SMPO) and parallel hardware architectures when normal basis representation of the GF(2k) is chosen. Finally, on elliptic curve arithmetic defined over GF(p) or GF(2^k) the proposed architectures for those fields were used in order to propose a competitive elliptic curve point operation arithmetic unit. The major problem of such a unit is the extensive cost in hardware resources and computation delay of finite field inversion operation. Using the architectural structure proposed in the PhD dissertation for inversion/multiplication in GF(2^k) (multiplication/inversion unit) the design cost can be minimized.

Στη σύγχρονη εποχή το κενό απόδοσης μεταξύ του επεξεργαστή και της μνήμης ενός σύγχρονου υπολογιστικού συστήματος συνεχώς μεγαλώνει. Είναι λοιπόν σημαντικό να ερευνηθούν νέοι τρόποι για να καλυφθεί η αδυναμία της κύριας μνήμης να ακολουθήσει τον επεξεργαστή. Η μνήμη cache ήταν ανέκαθεν ένα χρήσιμο εργαλείο προς αυτήν την κατεύθυνση. Χρειάζεται όμως πλέον να προχωρήσει πέρα από την απλοϊκή μορφή της και τον αλγόριθμο LRU Η παρούσα διπλωματική έχει σαν σκοπό την μελέτη της cache σε πραγματικό περιβάλλον και την ανάλυση της δυνατότητας και της χρησιμότητας της πρόβλεψης της συμπεριφοράς ενός σύγχρονου προγράμματος όσον αφορά την προσπέλαση της μνήμης. Η εργασία επικεντρώνεται στην χρήση τεχνικών dynamic instrumentation για την υλοποίηση ενός μηχανισμού πρόβλεψης της απόστασης επαναχρησιμοποίησης μιας θέσης μνήμης, μέσω της ανάλυσης και μελέτης της συμπεριφοράς της εντολής, που ζητά να προσπελάσει την συγκεκριμένη θέση μνήμης. Αναλύεται εκτενώς η λειτουργία ενός τέτοιου μηχανισμού και παρέχονται στατιστικές μετρήσεις που επιβεβαιώνουν την χρησιμότητα και ευστοχία μιας τέτοιας πρόβλεψης. / In contemporary times the performance gap between the CPU and the main memory of a modern computer system grows larger. So it is important to find new ways to cover the inability of the main memory to cope with the CPU’s performance. Cache memory has always been a useful tool towards this goal. However the need arises for it to move beyond simplistic implementations and algorithms like LRU. The present end year project aims towards the study of cache memory in a real time environment and the analysis of the capability and usefulness of prediction of the memory access behaviour of a modern program. The thesis puts weight on the use of dynamic instrumentation techniques for the creation of a prediction mechanism of the reuse distance of a memory address, through the analysis and study of the behavior of the instruction that accessed this memory address. The function of such a mechanism is analyzed in depth and statistical measures are provided to prove the usefulness and accuracy of such a prediction.

- / -

- / -

Το αντικείμενο της παρούσης εργασίας είναι η ανάλυση και η περιγραφή της προσπάθειας σχεδιασμού ενός λειτουργικού συστήματος χρησιμοποιώντας τις δυνατότητες που παρέχονται από την x86 αρχιτεκτονική υπολογιστών της Intel. Απώτερος σκοπός της διπλωματικής εργασίας θα μπορούσε να είναι η συμβολή στην εκπαίδευση και επιμόρφωση των προπτυχιακών φοιτητών που επιλέγουν το μάθημα των προηγμένων μικροεπεξεργαστών. Η ανάθεση ατομικών ή ομαδικών εργασιών στα πλαίσια του μαθήματος για τη βελτίωση του λειτουργικού συστήματος, θα μπορούσε να αποτελέσει βάση εκμάθησης των λειτουργιών των επεξεργαστών, και να συμβάλει στην ανάπτυξη της ομαδικής εργασίας και συνεργασίας των φοιτητών. Στο πρώτα δύο κεφάλαια γίνεται μια σύντομη περίληψη της x86 αρχιτεκτονικής και στο τρίτο κάνουμε μια εισαγωγή στην διαδικασία αρχικοποίησης. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται παρουσίαση του περιβάλλοντος ανάπτυξης και των χρησιμοποιηθέντων εργαλείων, ενώ αναλύεται ο κώδικας εκκίνησης του συστήματος και γίνεται μια πρώτη, αφαιρετική προσέγγιση στον πυρήνα σε υψηλό επίπεδο Στο πέμπτο κεφάλαιο εμβαθύνουμε το στάδιο αρχικοποίησης του πυρήνα ενώ στο έκτο γίνεται αναλυτική παρουσίαση της σχεδίασης σε επίπεδο αρχείων και συναρτήσεων. Τέλος, στο παράρτημα δίνεται ο πηγαίος κώδικας της διπλωματικής ανά αρχείο και η βιβλιογραφία. / The aim of this thesis is the educational platform based on Intel x86 architecture. Its purpose is to help students obtain better knowledge on assembly and low-level C language.

- / -

Περιληπτικά, στη συγκεκριμένη διδακτορική διατριβή μελετήθηκαν οι θεωρίες της βελτιστοποίησης και των κατανεμημένων αλγορίθμων με σκοπό την χρήση τους σε ένα διομότιμο σύστημα σύγχρονου διαμοιρασμού αντικειμένων. Επιπλέον μελετήθηκε το περιβάλλον και οι συνθήκες λειτουργίας ενός τέτοιου συστήματος. καθώς και τα χαρακτηριστικά του. Αποτέλεσμα της μελέτης αυτής είναι η εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με τις απαιτήσεις που πρέπει να πληρούνται κατά τη δημιουργία ενός διομότιμου συστήματος σύγχρονου διαμοιρασμού αντικειμένων και οι τεχνικοί στόχοι που πρέπει αυτό να ικανοποιεί. Με αυτά τα κριτήρια σχεδιάστηκε η αρχιτεκτονική του συστήματος και ορίστηκαν τα προβλήματα που πρέπει να επιλυθούν. Για την λειτουργία ενός τέτοιου συστήματος ορίστηκαν οι ακόλουθες απαιτήσεις: • Μεγιστοποίηση της χρήσης από το σύστημα του διαθέσιμου εύρους ζώνης των συμμετεχόντων κόμβων. Φυσικά, οι κόμβοι έχουν ετερογενείς τιμές του διαθέσιμου εύρους ζώνης και, μάλιστα, με μεγάλη διασπορά. • Ελαχιστοποίηση της καθυστέρησης από τη στιγμή δημιουργίας ενός αντικειμένου μέχρι τον διαμοιρασμό του σε κάθε συμμετέχοντα κόμβο. • Ομοιόμορφη διαρκής κατανομή του συνολικού εύρους ζώνης του συστήματος στους συμμετέχοντες κόμβους. • Ανεκτικότητα του συστήματος στη δυναμική συμπεριφορά των χρηστών που προκαλείται από εισόδους και εξόδους των χρηστών στο σύστημα σε μη προκαθορισμένες χρονικές στιγμές. • Ικανότητα κλιμάκωσης του συστήματος σε αριθμό συμμετεχόντων χρηστών κάτι που επάγει την κατανεμημένη διαχείριση του συστήματος. • Προσαρμογή του σχεδιαζόμενου συστήματος στην κίνηση του δικτύου στο οποίο αυτό επικάθεται και ανεκτικότητά του στις μεταβολές του εύρους ζώνης των συμμετεχόντων κόμβων. • Ελαχιστοποίηση του φορτίου το οποίο εισάγει η λειτουργία του συστήματος στο δίκτυο. Για τη λειτουργία του προτεινόμενου συστήματος απαιτείται η δημιουργία ενός γράφου διασύνδεσης. Ως γράφος διασύνδεσης ορίζεται ο γράφος που προκύπτει αν κάθε κόμβος συνδεθεί με ένα μικρό υποσύνολο των συμμετεχόντων κόμβων που ονομάζονται και γείτονες του κόμβου. Για την ικανοποίηση των προαναφερθεισών απαιτήσεων. μελετήθηκαν τα χαρακτηριστικά του γράφου διασύνδεσης και προέκυψε ότι κάθε κόμβος: α) πρέπει να έχει γείτονες με όσο το δυνατόν μικρότερη δικτυακή καθυστέρηση μεταξύ τους, β) πρέπει να έχει αριθμό εξερχόμενων συνδέσεων ανάλογο με το εύρος ζώνης του, γ) οι συνδέσεις αυτές πρέπει να κατανέμονται ομοιόμορφα στους συμμετέχοντες κόμβους για την ικανοποίηση των αναγκών όλων των κόμβων, δ) οι κόμβοι με σχετικά μεγάλο εύρος ζώνης πρέπει να ομαδοποιούνται στο γράφο με σκοπό την γρήγορη αρχικά διάχυση του αντικειμένου και ε) ο γράφος διασύνδεσης πρέπει να αναδιατάσσεται δυναμικά έτσι ώστε να διατηρεί τις ιδιότητες αυτές στο δυναμικό δικτυακό περιβάλλον που επικάθεται και για δυναμική συμπεριφορά των συμμετεχόντων κόμβων. Για την ικανοποίηση αυτών των τεχνικών στόχων αναπτύχθηκε μία δομή του γράφου που ικανοποιεί αυτά τα χαρακτηριστικά. Η βελτιστοποίηση του γράφου γίνεται μέσω αλγορίθμων κατά την λειτουργία των οποίων κάθε κόμβος επιλέγει περιοδικά ένα τυχαίο κόμβο ο οποίος είναι γείτονάς του στον γράφο διασύνδεσης. Μεταξύ των δύο αυτών κόμβων εκτελείται ανακατανομή των γειτόνων τους με σκοπό την εξισορρόπηση του αριθμού των γειτόνων που κάθε ένας από αυτούς διαθέτει. αλλά και την ελαχιστοποίηση της μέσης καθυστέρησης που έχουν αθροιστικά οι κόμβοι από τους γείτονές τους. Οι αλλαγές στον γράφο διασύνδεσης που προκύπτουν από κάθε εκτέλεση του αλγορίθμου αυτού μεταβάλλουν και τους γείτονες ενός υποσυνόλου κόμβων εκτός των δύο συμμετεχόντων στον αλγόριθμο εναλλαγής. Οι αλλαγές αυτές επιφέρουν άλλες αλλαγές με την σειρά τους και έτσι προκύπτει τελικά ένας γράφος διασύνδεσης όπου κάθε κόμβος έχει τον προκαθορισμένο αριθμό γειτόνων και. παράλληλα. ελαχιστοποιείται το άθροισμα των μέσων δικτυακών καθυστερήσεων που έχουν οι συμμετέχοντες κόμβοι με τους γείτονές τους. Για τον διαμοιρασμό του αντικειμένου ο δημιουργός του το τεμαχίζει σε τεμάχια (μπλοκ). Τα τεμάχια προωθούνται σε ένα πολύ μικρό σύνολο κόμβων και αποτελούν τις λογικές μονάδες δεδομένων που ανταλλάσσονται μεταξύ των κόμβων. Σκοπός είναι ο διαμοιρασμός του κάθε τεμαχίου σε κάθε κόμβο μέσα σε ένα προκαθορισμένο χρονικό διάστημα. Για την ανταλλαγή τεμαχίων μεταξύ των γειτόνων του γράφου διασύνδεσης του προς διαμοιρασμού αντικειμένου μεταξύ των συμμετεχόντων κόμβων αναπτύχθηκε ένας Κατανεμημένος Χρονοπρογραμματιστής Ανταλλαγής Τεμαχίων (ΚΧΑΤ). Τεχνικοί στόχοι της ανάπτυξης του ΚΧΑΜ αποτέλεσαν α) ο χρονισμός διαπραγμάτευσης αποστολής τεμαχίων μεταξύ κάθε αποστολέα και παραλήπτη, β) η γρήγορη διάδοση πρόσφατα παραγόμενων τεμαχίων και σπάνιων σε μία γειτονία του γράφου διασύνδεσης (τεμάχια που δημιουργήθηκαν μεταγενέστερα από άλλα ευνοούνται από το χρονοπρογραμματιστή αρχικά για την επιτυχή και γρήγορη διάδοσή τους σε μία κρίσιμη μάζα από κόμβους), γ) η τροφοδότηση όλων των κόμβων με ομοιόμορφο και σταθερό ρυθμό, δ) η προτεραιότητα σε κόμβους με μεγάλο εύρος ζώνης, ε) η αποφυγή μετάδοσης του ίδιου τεμαχίου από δύο αποστολείς προς τον ίδιο παραλήπτη και στ) η αποφυγή μιας κατάστασης όπου αποστολέας και παραλήπτης δεν έχουν τεμάχια προς ανταλλαγή. Ο χρονισμός του ΚΧΑΜ που αναπτύχθηκε αποτελείται από τρείς φάσεις. Στην πρώτη φάση που εκτελείται περιοδικά από κάθε αποστολέα εκδίδεται και αποστέλλεται στους πιθανούς παραλήπτες ένα σύνολο από «κουπόνια» μεγέθους ανάλογου με το εύρος ζώνης του αποστολέα. Στη δεύτερη φάση ο εκάστοτε παραλήπτης ζητά προκαταβολικά ένα τεμάχιο στην περίπτωση που επιλεγεί από τον αποστολέα για μετάδοση τεμαχίου. Στην τρίτη φάση ο αποστολέας επιλέγει τον παραλήπτη ακριβώς πριν την μετάδοση κάθε τεμαχίου και αποστέλλει το τεμάχιο που έχει ζητηθεί. Ο αλγόριθμος ο οποίος προτείνεται για τη δημιουργία κουπονιών έχει ως στόχο τη μεγιστοποίηση της χρήσης του εύρους ζώνης όλων των κόμβων και την ικανοποίηση των αναγκών κάθε συμμετέχοντα κόμβου. Είναι αυτός που, στην ουσία, καθορίζει τις ροές δεδομένων μεταξύ των γειτόνων του γράφου διασύνδεσης. Η χρησιμότητά του αναδεικνύεται σε περιπτώσεις όπου ο ρυθμός αναπαραγωγής του προς διαμοιρασμό αντικειμένου είναι παρόμοιος με το μέσο εύρος ζώνης του συστήματος. Οι απαιτήσεις του αλγορίθμου ζήτησης τεμαχίων μοντελοποιούνται μέσω της γραμμικής βελτιστοποίησης και διασφαλίζεται η γρήγορη και αποτελεσματική διάχυση των τεμαχίων ελαχιστοποιώντας την ύπαρξη ανενεργών πόρων. Τέλος, ο αλγόριθμος επιλογής γείτονα είναι αυτός που ρυθμίζει την ομοιόμορφη κατανομή του εύρους ζώνης στους συμμετέχοντες κόμβους, αλλά και δίνει προτεραιότητα στους κόμβους με μεγάλο εύρος ζώνης έτσι ώστε να επιτευχθεί ο γρήγορος διαμοιρασμός κάθε τεμαχίου και η ελαχιστοποίηση της καθυστέρησης του συστήματος. Η αξιολόγηση της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής, της τοπολογίας του γράφου διασύνδεσης και του ΚΧΑΜ, έγινε μέσω προσομοίωσης σε προσομοιωτή δικτυακών συστημάτων. Μοντελοποιήθηκε το εύρος ζώνης των συμμετεχόντων κόμβων και δικτυακές καθυστερήσεις χρησιμοποιώντας πραγματικά δεδομένα από διομότιμα συστήματα.. Το σύστημα που αναπτύχθηκε μοντελοποιήθηκε πλήρως σε επίπεδο πακέτου. Εξετάστηκαν αρκετά σενάρια αξιολόγησης του συστήματος τα οποία, μεταξύ άλλων, περιλαμβάνουν, ευαισθησία του συστήματος σε παραμέτρους των προτεινόμενων αλγορίθμων, δυναμικά σενάρια όσον αφορά τη συμπεριφορά των χρηστών και του δικτύου και σενάρια εύρεσης των ορίων του προτεινόμενου συστήματος. Η αξιολόγηση των αποτελεσμάτων έδειξε ότι ικανοποιούνται οι απαιτήσεις που τέθηκαν για τη δημιουργία του συστήματος, καθώς και βελτίωση της συμπεριφοράς του συστήματος σε σχέση με αντίστοιχα συστήματα της διεθνούς βιβλιογραφίας με τα οποία συγκρίθηκε. / Peer-to-peer live streaming is a network application, where peers (users) contribute their upload bandwidth for the real time distribution of a video stream. The objective of this work is the optimization of this data diffusion with a distributed and self-organized architecture. Peers have heterogeneous and dynamic uploading bandwidth. This fact combined with the characteristics of the topology of the underlying network and the dynamic traffic conditions e.g. latency create a volatile and complex environment for P2P live streaming delivery, which strongly affect the success of a P2P system measured by a number of performance metrics. The first important factor is the uploading bandwidth utilization that corresponds to the ability of the system to exploit as much as possible of the overall uploading bandwidth of the participating peers. The maximization of the upload bandwidth utilization increases the video playback delivery rate and ensures the stability of the distribution. Equally important parameter is the setup time defined as the time interval between the generation of a block from an origin server and its delivery to every peer in the system. Furthermore, a P2P live streaming system has to remain stable and its delivery rate must remain high in a dynamic environment, where peers arrive and depart randomly. .Finally, fairness among nodes indicates the ability of the system to distribute continuously and uniformly the aggregate uploading bandwidth to the participating peers. This ensures that every peer will acquire a percentage of blocks above a critical threshold for an “affordable” video playback regardless the aggregate uploading bandwidth is not sufficient for the complete delivery of the video stream. For the development of the proposed system is required the creation of a content diffusion overlay (CDO). For every peer, CDO defines the graph which includes the subset of adjacent participating peers (neighbors) that are connected with it. For the fulfillment of the aforementioned requirements CDO must ensure the following features: • Each peer must have neighbors close to it in the underlying network. • The number of the neighbors has to be proportional to its upload bandwidth. • The number of the neighbors from which each peer receives data has to be balanced among participating peers. • In the CDO, peers with high upload bandwidth must be clustered for the fast diffusion of each video block to a critical mass of peers. • The CDO has to be adapted dynamically according to the underlying network conditions and the behavior of the participating peers. The optimization of the CDO and the fulfillment of these technical objectives is done with the use of a distributed optimization and maintenance algorithm (DOMA) that reorganizes the “neighborhoods” of CDO and so it keeps almost stable the attributes of the graph during peer arrivals and departures. It also ensures the high levels of bandwidth utilization. The algorithm based on a cost function, denoted as energy function between two nodes and can represent for example the network latency between two nodes. DOMA is executed between two neighbors that we note as initiators and their neighbors that we called satellites. Its purpose is to minimize the sum of the energy functions between initiators and satellites under the constraints on the number of neighbors that the graph structure implies. In p2p live streaming every user and/or content provider that generates a multimedia block stream is indicated as source. A P2P block exchange scheduling algorithm (P2P-BESA) ensures the distribution of each block to every user and with low latency. P2P-BESA focuses on the following properties: • The consistent message sequence between two peers for the negotiation of the transmission of a video block. • The fast diffusion of blocks that are recently produced. • The transmission of blocks to every peer with a stable and equal rate among the peers. • The prioritization of transmission to peers with relatively high upload bandwidth. • The avoidance of block retransmission. • The avoidance of content bottleneck between two peers. The decision for the transmission of a block is done in three phases. In the first phase, every peer acting as block sender issues tokens periodically proportional with its upload bandwidth. This ensures the maximization of the upload bandwidth of the participating peers and determines the data flows between participating peers. In the second phase, each peer periodically is acting as receiver and requests a different block from each one of its potential senders. As potential senders we define the set of peers that have recently sent a token to it. This algorithm ensures the fast and complete diffusion of every block by also minimizing the idle bandwidth resources in the systems. Finally in the third phase, before the transmission of each block each sender selects the destination peer according to the blocks that it misses and its upload bandwidth capabilities. The evaluation of the proposed system is done with a network simulator. A detailed packet level P2P live streaming simulator models the bandwidth of the participating peers, the network latency between them, peer arrivals and departures and finally dynamic changes in the underlying network. The evaluation of the system shows that: • It achieves very high levels of bandwidth utilization (around 95%) • low latency in the diffusion of its video block (2-4 seconds) • system is almost immune to peer arrivals and departures • very tolerant to underlying network changes Finally the proposed system outperforms when it is compared with other recently proposed systems in the international bibliography.

Ο τομέας της ασφάλειας δικτύων βρίσκεται σε διαρκή ανάπτυξη για να αντιμετωπίσει τις νέες προκλήσεις που δημιουργούνται ολοένα και περισσότερο. Η δυναμική των κακόβουλων προγραμμάτων είναι τέτοια που αναγκάζουν τους ερευνητές να τροποποιήσουν τις συμβατικές μεθόδους ασφάλειας για να μπορέσουν να ακολουθήσουν τις εξελίξεις. Στην εργασία αυτή κάναμε μια επισκόπηση των μηχανισμών διάδοσης των σκουληκιών και των ανοσοποιητικών συστημάτων για δικτυακά συστήματα. Επίσης υλοποιήσαμε μια σειρά από αλγορίθμους διάδοσης για να διαπιστώσουμε την εγκυρότητα των αποτελεσμάτων που παρουσιάζουν οι διάφορες εργασίες που μελετήσαμε κατά τη διάρκεια της έρευνάς μας. Αρχικά παραθέτουμε μια επισκόπηση των μηχανισμών διάδοσης των σκουληκιών για να διαπιστώσουμε γιατί είναι απαραίτητη η ανάπτυξη καλύτερων συστημάτων άμυνας. Στη συνέχεια μελετούμε τα ανοσοποιητικά συστήματα για δικτυακά συστήματα που ενσωματώνουν πολλά επιθυμητά χαρακτηριστικά του φυσικού ανοσοποιητικού συστήματος, που δείχνει να λειτουργεί πολύ καλύτερα απέναντι στους εισβολείς από ότι τα συμβατικά συστήματα άμυνας που χρησιμοποιούνται στα υπολογιστικά συστήματα. Τέλος παραθέτουμε ένα σύνολο από δικές μας προσομοιώσεις που μοντελοποιούν τη διάδοση των σκουληκιών για διαφορετικούς αλγορίθμους διάδοσης για να επιβεβαιώσουμε τα αποτελέσματα των αντίστοιχων προσομοιώσεων που συναντήσαμε κατά τη διάρκεια της ερευνάς μας. / -