A Guide to Algorithm Design: Paradigms, Methods, and Complexity Analysis

International audiencePresenting a complementary perspective to standard books on algorithms, A Guide to Algorithm Design: Paradigms, Methods, and Complexity Analysis provides a roadmap for readers to determine the difficulty of an algorithmic problem by finding an optimal solution or proving complexity results. It gives a practical treatment of algorithmic complexity and guides readers in solving algorithmic problems. Divided into three parts, the book offers a comprehensive set of problems with solutions as well as in-depth case studies that demonstrate how to assess the complexity of a new problem. Part I helps readers understand the main design principles and design efficient algorithms. Part II covers polynomial reductions from NP-complete problems and approaches that go beyond NP-completeness. Part III supplies readers with tools and techniques to evaluate problem complexity, including how to determine which instances are polynomial and which are NP-hard. Drawing on the authors' classroom-tested material, this text takes readers step by step through the concepts and methods for analyzing algorithmic complexity. Through many problems and detailed examples, readers can investigate polynomial-time algorithms and NP-completeness and beyond

SYNTEZA ALGORYTMÓW BEZPIECZNEGO POSTĘPOWANIA W SYSTEMACH RADIOELEKTRONICZNYCH DO ZASTOSOWAŃ W SYTUACJACH KRYTYCZNYCH

The safety of radio electronic systems for critical applications is traditionally ensured by inducing structural redundancy. This paper shows a developed technique for ensuring a required level of safety of such systems by inducing time and functional redundancy into its behavior algorithm. The defined safety characteristic is proposed for quantitative efficiency estimation of the induced redundancy. Presented in the article is the synthesis technique of safe behavior algorithms on the basis of safety characteristic minimization of increased values. The developed technique was tested through solving the synthesis problem of the behavior algorithm of the target detection radio electronic complex system.Bezpieczeństwo radiowych systemów elektronicznych używanych w sytuacjach krytycznych jest tradycyjnie zapewnione przez wprowadzenie redundancji strukturalnej. W pracy zaproponowano sposób zapewnienia określonego poziomu bezpieczeństwa radiowych systemów elektronicznych poprzez wprowadzenie redundancji czasowej i funkcjonalnej do algorytmu postępowania. Aby zmierzyć wydajność wprowadzonej redundancji, zaproponowano określone cechy bezpieczeństwa. Artykuł przedstawia metodę syntezy algorytmów bezpiecznego postępowania na podstawie minimalizacji wzrostu wartości określonych cech bezpieczeństwa. Opracowana metoda została przetestowana podczas rozwiązywania problemu syntezy algorytmu postępowania dla złożonego systemu radioelektronicznego przeznaczonego do wykrywania celów

Design of VLC and heterogeneous RF/VLC systems for future generation networks: an algorithmic approach

Visible light communication (VLC) has attracted significant research interest within the last decade due in part to the vast amount of unused transmission bandwidth in the visible light spectrum. VLC is expected to be part of future generation networks. The heterogeneous integration of radio frequency (RF) and VLC systems has been envisioned as a promising solution to increase the capacity of wireless networks, especially in indoor environments. However, the promised advantages of VLC and heterogeneous RF/VLC systems cannot be realized without proper resource management algorithms that exploit the distinguishing characteristics between RF and VLC systems. Further, the problem of backhauling for VLC systems has received little attention. This dissertation’s first part focuses on designing and optimizing VLC and heterogeneous RF/VLC systems. Novel resource allocation algorithms that optimize the sum-rate and energy efficiency performances of VLC, hybrid, and aggregated RF/VLC systems while considering practical constraints like illumination requirements, inter-cell interference, quality-of-service requirements, and transmit power budgets are proposed. Moreover, a power line communicationbased backhaul solution for an indoor VLC system is developed, and a backhaul-aware resource allocation algorithm is proposed. These algorithms are developed by leveraging tools from fractional programming (i.e., Dinkelbach’s transform and quadratic transform), the multiplier adjustment method, matching theory, and multi-objective optimization. The latter part of this dissertation examines the adoption of emerging beyond 5G technologies, such as intelligent reflecting surfaces (IRSs) and reconfigurable intelligent surfaces (RISs), to overcome the limitations of VLC systems and boost their performance gains. Novel system models for IRSs-aided and RISs-aided VLC systems are proposed, and metaheuristic-based algorithms are developed to optimize the configurations of the IRSs/RISs and, consequently, the performance of VLC systems. Extensive simulations reveal that the proposed resource allocation schemes outperform the considered benchmarks and provide performance close to the optimal solution. Furthermore, the proposed system models achieve superior performance compared to benchmark system models

Performance of End-to-End Secure Data Sharing

Das Teilen von Daten bildet die Grundlage für nahezu jede IT-gestützte Zusammenarbeit im geschäflichen und privaten Kontext. Typische Realisierungen der Autorisierung und der Durchsetzung von Zugrifsrechten auf den gemeinsam genutzten Daten erfordern, dass die Benutzer, die Daten miteinander teilen, hinsichtlich der Vertraulichkeit und Integrität der Daten auf Dritte vertrauen müssen. Solche Realisierungen bergen also im speziellen das Risiko, dass Daten durch einen Insider- Angrif auf den vertrauenswürdigen Dritten gefährdet werden. Mit Hilfe clientseitig ausgeführter kryptographischer Operationen können die Autorisierung und die Durchsetzung von Zugrifsrechten für beliebige Speicherdienste in weiten Teilen von den Benutzern selbst durchgeführt werden, was in einem Ende-zu-Ende-gesicherten System zum Teilen von Daten (End-to-End Secure Data Sharing, E2E-SDS) resultiert. E2E-SDS-Systeme werden jedoch nur dann von potenziellen Anwendern akzeptiert, wenn die ihnen bekannten Autorisierungsprozesse weitgehend unverändert bleiben, und die Leistungseinbußen für die Autorisierung und den Datenzugriff nicht zu gravierend sind. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Bewertung der Leistungseinbußen, die auf einem Benutzer-Client mit einem gegebenen E2E-SDS-Protokoll in der Realität zu erwarten sind. Für bestehende E2E-SDS-Protokolle ist das asymptotische Verhalten in Bezug auf Leistungsmetriken wie Rechenzeit oder Netzwerkverkehr in der Regel bekannt. Das asymptotische Verhalten lässt jedoch nur schwache Schlussfolgerungen auf die absolute Höhe der Leistungseinbußen zu. Neben dem E2E-SDS-Protokoll selbst hängt die reale Leistung von der eingesetzten Hardware, den Sicherheitsparametern und dem konkreten Freigabe- und Nutzungsszenario ab, also vom Freigabe- und Nutzungsverhalten der Benutzer im System. Die Bewertung der realen Leistungseinbußen bringt im wesentlichen zwei Herausforderungen mit sich: Erstens muss das zu untersuchende E2E-SDS-Protokoll unter Einbeziehung der vorgenannten Einfussfaktoren auf die Leistung modelliert werden, wobei Implementierungsdetails nach Möglichkeit im Modell einfach austauschbar sind. Zweitens müssen realistische Freigabe- und Nutzungsszenarien vorliegen, die entweder auf Beobachtungen basieren, oder mit Hilfe von Schätzungen generiert werden. Das Ziel dieser Arbeit ist die detaillierte Bewertung der realen Leistung von E2E-SDS-Protokollen. Der Fokus der Arbeit liegt auf E2E-SDS-Protokollen, die ein gruppenbasiertes Autorisationsmodell realisieren, die es also ermöglichen, Daten mit benannten Benutzergruppen zu teilen, die von beliebigen Benutzern verwaltet werden. Diese Funktion wird von weitverbreiteten verteilten Dateisystemen wie NFSv4 oder CIFS angeboten. In dieser Arbeit werden Methoden zur Bewertung der realen Leistung von E2E-SDS-Protokollen vorgestellt. Aus der Beobachtung realer Speicherdienste gewonnene Freigabe- und Nutzungsszenarien werden charakterisiert und eine Methode zur Erzeugung synthetischer Freigabe- und Nutzungsszenarien eingeführt. Unter Nutzung dieses Instrumentariums wird die Leistungsfähigkeit sowohl bestehender als auch neuartiger E2E-SDS-Protokolle evaluiert und mögliche Maßnahmen zur Verbesserung der Leistung auf Seiten des Anwenders vorgeschlagen. Um realistische Freigabe- und Nutzungsszenarien zu erhalten, wurden die Mitglieder, Aktivitäten und Berechtigungen von Benutzergruppen auf zwei produktiven Speicherdiensten beobachtet. Die daraus resultierenden Szenarien werden hinsichtlich ausgewählter Parameter charakterisiert. Für die Leistungsbewertung von E2E-SDS-Protokollen in realistischen Szenarien wurden zwei Methoden entwickelt: Die analytische Methode liefert in vielen Fällen hinreichend genaue Ergebnisse. Die simulative Methode ist erforderlich, wenn die Leistung komplexer E2E-SDS-Protokolle detailliert analysiert werden soll. Für die simulative Methode wird ein Simulationsmodell vorgestellt, das einen Vergleich von E2E-SDS-Protokollen auf einer einheitlichen Abstraktionsebene ermöglicht. Um die Performance von E2E-SDS-Protokollen auch dann bewerten zu können, wenn keine aus Beobachtungen resultierende Freigabe- und Nutzungsszenarien vorliegen, werden synthetische Szenarien erzeugt, die auf Schätzungen bestimmter Parameter des Szenarios basieren. Dazu wird ein Erzeugungsverfahren vorgestellt, das Abhängigkeiten zwischen den vorab spezifzierten Parametern berücksichtigt. Die NP-Schwere des zugrundeliegenden Problems der Erzeugung von Szenarien wird für bestimmte Kombinationen von vorab spezifzierten Parametern bewiesen. Die vorgestellten Methoden zur Leistungsbewertung werden einerseits auf E2E- SDS-Protokolle angewandt, die auf traditioneller Kryptographie basieren, die also mittels symmetrischer und asymmetrischer Kryptographie Chiffrate erzeugen, die nur mit einem einzigen Schlüssel dechifriert werden können. Andererseits werden die vorgestellten Methoden auf E2E-SDS-Protokolle angewandt, die auf Attributbasierter Verschlüsselung (Attribute-Based Encryption, ABE) basieren, mit deren Hilfe eine Gruppe von Benutzern mit nur einem einzigen Chiffrat adressiert werden kann. Die Leistungsbewertung des traditionellen E2E-SDS-Protokolls zeigt, dass in den betrachteten Nutzungs- und Nutzungsszenarien für die meisten Autorisierungsoperationen nur geringe Leistungseinbußen zu erwarten sind. Beträchtliche Leistungseinbußen sind für Benutzer zu erwarten, die Gruppenmitgliedschafen in großen benannten Benutzergruppen verwalten, d.h. Benutzergruppen mit einigen tausend oder mehr Mitgliedern. Diese Leistungseinbußen können durch die Integration eines Group Key Management-Ansatzes deutlich gesenkt werden, also eines Ansatzes, der auf eine effiziente Verteilung und Erneuerung von kryptographischen Schlüsseln innerhalb von Benutzergruppen abzielt. Ein auf ABE basierendes E2E-SDS-Protokoll wird realisiert, indem bestehende ABE- Verfahren hinsichtlich ihrer Eignung für E2E-SDS evaluiert, und das attributbasierte Autorisationsmodell eines geeigneten ABE-Verfahrens auf das gruppenbasierte Autorisationsmodell abgebildet wird. Eine Leistungsbewertung verschiedener Varianten dieser Abbildung zeigt, dass das ABE-basierte Protokoll eine etwas schlechtere Leistung als das auf traditioneller Kryptographie beruhende Protokoll bietet. Schließlich wird ein neuartiges E2E-SDS-Protokoll vorgestellt, das auf kooperative Autorisierungsoperationen verzichtet. Diese Operationen erfordern, dass die Endgeräte der Benutzer zu jedem Zeitpunkt erreichbar und bereit für die Ausführung rechenintensiver kryptographischer Operationen sind. Diese Anforderungen sind insbesondere beim Einsatz mobiler Endgeräte nicht immer sichergestellt. Ein wesentlicher Vorteil des vorgeschlagenen Protokolls liegt darin, dass es den praktischen Einsatz von Hierarchien benannter Benutzergruppen in E2E-SDS ermöglicht. Die damit verbundenen, potenziell hohen Leistungseinbußen werden detailliert ausgewertet. Weiterhin wird gezeigt, dass die Unterstützung von Gruppenhierarchien ohne kooperative Autorisierungsoperationen grundsätzlich gewisse Einschränkungen hinsichtlich der Aktualität der Zugrifsberechtigungen impliziert, was die Grenzen der Anwendbarkeit von E2E-SDS aufzeigt

A Guide to Algorithm Design: Paradigms, Methods, and Complexity Analysis

International audiencePresenting a complementary perspective to standard books on algorithms, A Guide to Algorithm Design: Paradigms, Methods, and Complexity Analysis provides a roadmap for readers to determine the difficulty of an algorithmic problem by finding an optimal solution or proving complexity results. It gives a practical treatment of algorithmic complexity and guides readers in solving algorithmic problems. Divided into three parts, the book offers a comprehensive set of problems with solutions as well as in-depth case studies that demonstrate how to assess the complexity of a new problem. Part I helps readers understand the main design principles and design efficient algorithms. Part II covers polynomial reductions from NP-complete problems and approaches that go beyond NP-completeness. Part III supplies readers with tools and techniques to evaluate problem complexity, including how to determine which instances are polynomial and which are NP-hard. Drawing on the authors' classroom-tested material, this text takes readers step by step through the concepts and methods for analyzing algorithmic complexity. Through many problems and detailed examples, readers can investigate polynomial-time algorithms and NP-completeness and beyond

A Guide to algorithm design : paradigms, methods, and complexity analysis

This book provides a roadmap for readers to determine the difficulty of an algorithmic problem by finding an optimal solution or proving complexity results. Part I helps readers understand the main design principles and design efficient algorithms. Part II covers polynomial reductions from NP-complete problems and approaches that go beyond NP-completeness. Part III supplies readers with tools and techniques to evaluate problem complexity, including how to determine which instances are polynomial and which are NP-hard

A guide to algorithm design : paradigms, methods, and complexity analysis

xvii, 362 p.; 23.5 c