Selection Via the Bogo-Method - More on the Analysis of Perversely Awful Randomized Algorithms

We continue our research on perversely awful randomized algorithms, which started nearly a decade ago. Based on the bogo-method we design a bogo-selection algorithm and variants thereof and analyse them with elementary methods. Moreover, practical experiments are performed

Optimisation problems in wireless sensor networks : Local algorithms and local graphs

This thesis studies optimisation problems related to modern large-scale distributed systems, such as wireless sensor networks and wireless ad-hoc networks. The concrete tasks that we use as motivating examples are the following: (i) maximising the lifetime of a battery-powered wireless sensor network, (ii) maximising the capacity of a wireless communication network, and (iii) minimising the number of sensors in a surveillance application. A sensor node consumes energy both when it is transmitting or forwarding data, and when it is performing measurements. Hence task (i), lifetime maximisation, can be approached from two different perspectives. First, we can seek for optimal data flows that make the most out of the energy resources available in the network; such optimisation problems are examples of so-called max-min linear programs. Second, we can conserve energy by putting redundant sensors into sleep mode; we arrive at the sleep scheduling problem, in which the objective is to find an optimal schedule that determines when each sensor node is asleep and when it is awake. In a wireless network simultaneous radio transmissions may interfere with each other. Task (ii), capacity maximisation, therefore gives rise to another scheduling problem, the activity scheduling problem, in which the objective is to find a minimum-length conflict-free schedule that satisfies the data transmission requirements of all wireless communication links. Task (iii), minimising the number of sensors, is related to the classical graph problem of finding a minimum dominating set. However, if we are not only interested in detecting an intruder but also locating the intruder, it is not sufficient to solve the dominating set problem; formulations such as minimum-size identifying codes and locating–dominating codes are more appropriate. This thesis presents approximation algorithms for each of these optimisation problems, i.e., for max-min linear programs, sleep scheduling, activity scheduling, identifying codes, and locating–dominating codes. Two complementary approaches are taken. The main focus is on local algorithms, which are constant-time distributed algorithms. The contributions include local approximation algorithms for max-min linear programs, sleep scheduling, and activity scheduling. In the case of max-min linear programs, tight upper and lower bounds are proved for the best possible approximation ratio that can be achieved by any local algorithm. The second approach is the study of centralised polynomial-time algorithms in local graphs – these are geometric graphs whose structure exhibits spatial locality. Among other contributions, it is shown that while identifying codes and locating–dominating codes are hard to approximate in general graphs, they admit a polynomial-time approximation scheme in local graphs

Eighth International Symposium “Monitoring of Mediterranean Coastal Areas. Problems and Measurement Techniques”

The 8th International Symposium "Monitoring of Mediterranean Coastal Areas. Problems and Measurements Techniques" was organized by CNR-IBE in collaboration with FCS Foundation, and Natural History Museum of the Mediterranean and under the patronage of University of Florence, Accademia dei Geogofili, Tuscany Region and Livorno Province. It is the occasion in which scholars can illustrate and exchange their activities and innovative proposals, with common aims to promote actions to preserve coastal marine environment. Considering Symposium interdisciplinary nature, the Scientific Committee, underlining this holistic view of Nature, decided to celebrate Alexander von Humboldt; a nature scholar that proposed the organic and inorganic nature’s aspects as a single system. It represents a sign of continuity considering that in-presence Symposium could not be carried out due to the COVID-19 pandemic restrictions. Subjects are related to coastal topics: morphology; flora and fauna; energy production; management and integrated protection; geography and landscape, cultural heritage and environmental assets, legal and economic aspects

Cryptographic Protocols from Physical Assumptions

Moderne Kryptographie erlaubt nicht nur, personenbezogene Daten im Internet zu schützen oder sich für bestimmte Dienste zu authentifizieren, sondern ermöglicht auch das Auswerten einer Funktion auf geheimen Eingaben mehrerer Parteien, ohne dass dabei etwas über diese Eingaben gelernt werden kann (mit der Ausnahme von Informationen, die aus der Ausgabe und eigenen Eingaben effizient abgeleitet werden können). Kryptographische Protokolle dieser Art werden sichere Mehrparteienberechnung genannt und eignen sich für ein breites Anwendungsspektrum, wie z.B. geheime Abstimmungen und Auktionen. Um die Sicherheit solcher Protokolle zu beweisen, werden Annahmen benötigt, die oft komplexitätstheoretischer Natur sind, beispielsweise, dass es schwierig ist, hinreichend große Zahlen zu faktorisieren. Sicherheitsannahmen, die auf physikalischen Prinzipien basieren, bieten im Gegensatz zu komplexitätstheoretischen Annahmen jedoch einige Vorteile: die Protokolle sind meist konzeptionell einfacher, die Sicherheit ist unabhängig von den Berechnungskapazitäten des Angreifers, und die Funktionsweise und Sicherheit ist oft für den Menschen leichter nachvollziehbar. (Zum Beispiel forderte das Bundesverfassungsgericht: „Beim Einsatz elektronischer Wahlgeräte müssen die wesentlichen Schritte der Wahlhandlung und der Ergebnisermittlung vom Bürger zuverlässig und ohne besondere Sachkenntnis überprüft werden können.“ (BVerfG, Urteil des Zweiten Senats vom 03. März 2009)). Beispiele für solche Annahmen sind physikalisch getrennte oder unkorrumpierbare Hardware-Komponenten (vgl. Broadnax et al., 2018), Write-Only-Geräte für Logging, oder frei zu rubbelnde Felder, wie man sie von PIN-Briefen kennt. Auch die aus der Quantentheorie folgende Nicht-Duplizierbarkeit von Quantenzuständen ist eine physikalische Sicherheitsannahme, die z.B. verwendet wird, um nicht-klonbares „Quantengeld“ zu realisieren. In der vorliegenden Dissertation geht es neben Protokollen, die die Sicherheit und Isolation bestimmter einfacher Hardware-Komponenten als Vertrauensanker verwenden, im Besonderen um kryptographischen Protokolle für die sichere Mehrparteienberechnung, die mit Hilfe physikalischer Spielkarten durchgeführt werden. Die Sicherheitsannahme besteht darin, dass die Karten ununterscheidbare Rückseiten haben und, dass bestimmte Mischoperationen sicher durchgeführt werden können. Eine Anwendung dieser Protokolle liegt also in der Veranschaulichung von Kryptographie und in der Ermöglichung sicherer Mehrparteienberechnungen, die gänzlich ohne Computer ausgeführt werden können. Ein Ziel in diesem Bereich der Kryptographie ist es, Protokolle anzugeben, die möglichst wenige Karten benötigen – und sie als optimal in diesem Sinne zu beweisen. Abhängig von Anforderungen an das Laufzeitverhalten (endliche vs. lediglich im Erwartungswert endliche Laufzeit) und an die Praktikabilität der eingesetzten Mischoperationen, ergeben sich unterschiedliche untere Schranken für die mindestens benötigte Kartenanzahl. Im Rahmen der Arbeit wird für jede Kombination dieser Anforderungen ein UND-Protokoll – ein logisches UND zweier in Karten codierter Bits; dieses ist zusammen mit der Negation und dem Kopieren von Bits hinreichend für die Realisierung allgemeiner Schaltkreise – konstruiert oder in der Literatur identifiziert, das mit der minimalen Anzahl an Karten auskommt, und dies auch als Karten-minimal bewiesen. Insgesamt ist UND mit vier (für erwartet endliche Laufzeit (Koch, Walzer und Härtel, 2015; Koch, 2018)), fünf (für praktikable Mischoperationen oder endliche Laufzeit (Koch, Walzer und Härtel, 2015; Koch, 2018)) oder sechs Karten (für endliche Laufzeit und gleichzeitig praktikable Mischoperationen (Kastner et al., 2017)) möglich und optimal. Für die notwendigen Struktureinsichten wurden so-genannte „Zustandsdiagramme“ mit zugehörigen Kalkülregeln entwickelt, die eine graphenbasierte Darstellung aller möglichen Protokolldurchläufe darstellen und an denen Korrektheit und Sicherheit der Protokolle direkt ablesbar sind (Koch, Walzer und Härtel, 2015; Kastner et al., 2017). Dieser Kalkül hat seitdem eine breite Verwendung in der bereichsrelevanten Literatur gefunden. (Beweise für untere Schranken bzgl. der Kartenanzahl werden durch den Kalkül zu Beweisen, die zeigen, dass bestimmte Protokollzustände in einer bestimmten kombinatorischen Graphenstruktur nicht erreichbar sind.) Mit Hilfe des Kalküls wurden Begriffe der Spielkartenkryptographie als C-Programm formalisiert und (unter bestimmten Einschränkungen) mit einem „Software Bounded Model Checking“-Ansatz die Längenminimalität eines kartenminimalen UND-Protokolls bewiesen (Koch, Schrempp und Kirsten, 2019). Darüber hinaus werden konzeptionell einfache Protokolle für den Fall einer sicheren Mehrparteienberechnung angegeben, bei der sogar zusätzlich die zu berechnende Funktion geheim bleiben soll (Koch und Walzer, 2018), und zwar für jedes der folgenden Berechnungsmodelle: (universelle) Schaltkreise, binäre Entscheidungsdiagramme, Turingmaschinen und RAM-Maschinen. Es wird zudem untersucht, wie Karten-basierte Protokolle so ausgeführt werden können, dass die einzige Interaktion darin besteht, dass andere Parteien die korrekte Ausführung überwachen. Dies ermöglicht eine (schwach interaktive) Programm-Obfuszierung, bei der eine Partei ein durch Karten codiertes Programm auf eigenen Eingaben ausführen kann, ohne etwas über dessen interne Funktionsweise zu lernen, das über das Ein-/Ausgabeverhalten hinaus geht. Dies ist ohne derartige physikalische Annahmen i.A. nicht möglich. Zusätzlich wird eine Sicherheit gegen Angreifer, die auch vom Protokoll abweichen dürfen, formalisiert und es wird eine Methode angegeben um unter möglichst schwachen Sicherheitsannahmen ein passiv sicheres Protokoll mechanisch in ein aktiv sicheres zu transformieren (Koch und Walzer, 2017). Eine weitere, in der Dissertation untersuchte physikalische Sicherheitsannahme, ist die Annahme primitiver, unkorrumpierbarer Hardware-Bausteine, wie z.B. einen TAN-Generator. Dies ermöglicht z.B. eine sichere Authentifikation des menschlichen Nutzers über ein korrumpiertes Terminal, ohne dass der Nutzer selbst kryptographische Berechnungen durchführen muss (z.B. große Primzahlen zu multiplizieren). Dies wird am Beispiel des Geldabhebens an einem korrumpierten Geldautomaten mit Hilfe eines als sicher angenommenen zweiten Geräts (Achenbach et al., 2019) und mit möglichst schwachen Anforderungen an die vorhandenen Kommunikationskanäle gelöst. Da das angegebene Protokoll auch sicher ist, wenn es beliebig mit anderen gleichzeitig laufenden Protokollen ausgeführt wird (also sogenannte Universelle Komponierbarkeit aufweist), es modular entworfen wurde, und die Sicherheitsannahme glaubwürdig ist, ist die Funktionsweise für den Menschen transparent und nachvollziehbar. Insgesamt bildet die Arbeit durch die verschiedenen Karten-basierten Protokolle, Kalküle und systematisierten Beweise für untere Schranken bzgl. der Kartenanzahl, sowie durch Ergebnisse zur sicheren Verwendung eines nicht-vertrauenswürdigen Terminals, und einer Einordnung dieser in eine systematische Darstellung der verschiedenen, in der Kryptographie verwendeten physikalischen Annahmen, einen wesentlichen Beitrag zur physikalisch-basierten Kryptographie

Landscape Archaeology between Art and Science

Researchers in landscape archaeology use two different definitions of landscape. One definition (landscape as territory) is used by the processual archaeologists, earth scientists, and most historical geographers within this volume. By contrast, post-processual archaeologists, new cultural geographers and anthropologists favour a more abstract definition of landscape, based on how it is perceived by the observer. Both definitions are addressed in this book, with 35 papers that are presented here and that are divided into six themes: 1) How did landscape change?; 2) Improving temporal, chronological and transformational frameworks; 3) Linking landscapes of lowlands with mountainous areas; 4) Applying concepts of scale; 5) New directions in digital prospection and modelling techniques, and 6) How will landscape archaeology develop in the future? This volume demonstrates a worldwide interest in landscape archaeology, and the research presented here draws upon and integrates the humanities and sciences. This interdisciplinary approach is rapidly gaining support in new regions where such collaborations were previously uncommon

Proceedings of Eighth International Symposium “Monitoring of Mediterranean Coastal Areas. Problems and Measurement Techniques”

The 8th International Symposium "Monitoring of Mediterranean Coastal Areas. Problems and Measurements Techniques" was organized by CNR-IBE in collaboration with FCS Foundation, and Natural History Museum of the Mediterranean and under the patronage of University of Florence, Accademia dei Geogofili, Tuscany Region and Livorno Province. It is the occasion in which scholars can illustrate and exchange their activities and innovative proposals, with common aims to promote actions to preserve coastal marine environment. Considering Symposium interdisciplinary nature, the Scientific Committee, underlining this holistic view of Nature, decided to celebrate Alexander von Humboldt; a nature scholar that proposed the organic and inorganic nature’s aspects as a single system. It represents a sign of continuity considering that in-presence Symposium could not be carried out due to the COVID-19 pandemic restrictions. Subjects are related to coastal topics: morphology; flora and fauna; energy production; management and integrated protection; geography and landscape, cultural heritage and environmental assets, legal and economic aspects

Villages et quartiers à risque d’abandon

The issue of villages and neighborhoods at risk of abandonment is a common topic in many Mediterranean regions and is considered as a strategic point of the new European policies. The progressive abandonment of inland areas, with phenomena of emigration and fragmentation of cultural heritage, is a common trend in countries characterized by economic underdevelopment. This leads to the decay of architectural artifacts and buildings and problems with land management. Some aspects of this issue are also found in several urban areas. The goal of this research work is collecting international debates, discussions, opinions and comparisons concerning the analysis, study, surveys, diagnoses and graphical rendering of architectural heritage and landscape as well as demo-ethno-anthropological witnesses, typological-constructive stratifications, materials and technologies of traditional and vernacular constructions of historic buildings