09201 Abstracts Collection -- Self-Healing and Self-Adaptive Systems

From May 10th 2009 to May 15th 2009 the Dagstuhl Seminar 09201 ``Self-Healing and Self-Adaptive Systems\u27\u27 was held in Schloss Dagstuhl~--~Leibniz Center for Informatics. During the seminar, several participants presented their current research, and ongoing work and open problems were discussed. Abstracts of the presentations given during the seminar are put together in this paper. Links to extended abstracts or full papers are provided, if available. A description of the seminar topics, goals and results in general can be found in a separate document ``Executive Summary\u27\u27

TOWARD ASSURANCE AND TRUST FOR THE INTERNET OF THINGS

Kevin Ashton first used the term Internet of Things (IoT) in 1999 to describe a system in which objects in the physical world could be connected to the Internet by sensors. Since the inception of the term, the total number of Internet-connected devices has skyrocketed, resulting in their integration into every sector of society. Along with the convenience and functionality IoT devices introduce, there is serious concern regarding security, and the IoT security market has been slow to address fundamental security gaps. This dissertation explores some of these challenges in detail and proposes solutions that could make the IoT more secure. Because the challenges in IoT are broad, this work takes a broad view of securing the IoT. Each chapter in this dissertation explores particular aspects of security and privacy of the IoT, and introduces approaches to address them. We outline security threats related to IoT. We outline trends in the IoT market and explore opportunities to apply machine learning to protect IoT. We developed an IoT testbed to support IoT machine learning research. We propose a Connected Home Automated Security Monitor (CHASM) system that prevents devices from becoming invisible and uses machine learning to improve the security of the connected home and other connected domains. We extend the machine learning algorithms in CHASM to the network perimeter via a novel IoT edge sensor device. We assess the ways in which cybersecurity analytics will need to evolve and identify the potential role of government in promoting needed changes due to IoT adoptions. We applied supervised learning and deep learning classifiers to an IoT network connection log dataset to effectively identify varied botnet activity. We proposed a methodology, based on trust metrics and Delphic and Analytic Hierarchical Processes, to identify vulnera¬bilities in a supply chain and better quantify risk. We built a voice assistant for cyber in response to the increased rigor and associated cognitive load needed to maintain and protect IoT networks

Modular architecture providing convergent and ubiquitous intelligent connectivity for networks beyond 2030

The transition of the networks to support forthcoming beyond 5G (B5G) and 6G services introduces a number of important architectural challenges that force an evolution of existing operational frameworks. Current networks have introduced technical paradigms such as network virtualization, programmability and slicing, being a trend known as network softwarization. Forthcoming B5G and 6G services imposing stringent requirements will motivate a new radical change, augmenting those paradigms with the idea of smartness, pursuing an overall optimization on the usage of network and compute resources in a zero-trust environment. This paper presents a modular architecture under the concept of Convergent and UBiquitous Intelligent Connectivity (CUBIC), conceived to facilitate the aforementioned transition. CUBIC intends to investigate and innovate on the usage, combination and development of novel technologies to accompany the migration of existing networks towards Convergent and Ubiquitous Intelligent Connectivity (CUBIC) solutions, leveraging Artificial Intelligence (AI) mechanisms and Machine Learning (ML) tools in a totally secure environment

An integrated framework for trajectory optimisation, prediction and parameter estimation for advanced aircraft separation concepts

Since the birth of commercial aviation, the applications and benefits of aircraft have grown immensely. This, in perfect synchrony with the average increase of purchasing power of the society, has rocketed the number of aircraft flying the skies. This increase comes at a cost, both in environmental and airspace capacity aspects. This thesis works towards the alleviation of the issues caused by the high number of flights, proposing concepts and mechanisms to safely increase the airspace capacity whilst minimising the environmental impact of aviation. This incredibly complex and neverending pursuit is omnipresent in the literature. One promising topic is the four dimensional (4D) trajectory optimisation with higher levels of automation. The research in this PhD thesis proposes an integrated framework for trajectory optimisation, trajectory prediction and parameter estimation, with which new air traffic management concepts can be assessed. This framework has the flexibility to optimise trajectories ranging from a free-flight to a very strict route structure, from a complete freedom at the vertical profile to a specific adherence to flight levels, etc. The 4D optimisation strategy results in a trajectory that complies with the scenario characteristics, which minimises a given functional objective such as the operational cost, time, fuel, etc. Furthermore, the same framework is used in a novel strategy to perform adaptive trajectory prediction (with conformance monitoring), and to estimate unknown parameters of an aircraft. To resolve this problem, an optimal control problem is formulated and converted into a non-linear programming (NLP) problem with direct collocation methods, and numerically resolved by an NLP solver. A comprehensive software architecture is presented, taking benefit from the best of two worlds to enable the flexibility and genericity of the developed optimisation framework: an object-oriented software coding language (C++) and a very powerful algebraic modelling language (GAMS). Based on this optimisation framework, the thesis produces operationally relevant results, demonstrating that the framework can cope with a variety of problems, and contributing to the ultimate goal of safely increasing airspace capacity and air traffic efficiency. Illustrative examples are presented focussed on the departure phase within a terminal manoeuvring area. First, an assessment of the efficiency of required times of arrival as a ways to increase air traffic capacity is presented, providing results on the cost in terms of fuel and time of imposing these time requirements within a TMA (which can get to surprisingly low figures), and its effectiveness for traffic separation. Second, the implementation of an aircraft separation methodology is presented, where an intruder trajectory is predicted and the ownship calculates its own optimal trajectory that deviates from it. A conformance monitoring strategy is implemented to ensure that the separation is maintained throughout the flight, acknowledging deviations, and reacting accordingly. Third, the prediction of the intruder trajectory is enhanced by the estimation of an equivalent mass using known past states. An impressive accuracy is achieved early after the beginning of the flight. Finally, the implementation of a multi-aircraft separation strategy is presented, where multiple aircraft are simultaneously optimised in the same optimisation problem, all whilst maintaining separation between them. The complexity of the alignment of aircraft coordinates for a fair comparison is tackled from a novel perspective. Conclusively, the different strategies for aircraft separation are compared, and quite surprisingly the best results for each strategy are quite similar. Indeed, the increase in operational cost that the different strategies present (when compared to the individual optimal trajectory) is negligible and alledgedly better than the current air traffic control separation paradigm.Des del naixement de l’aviació comercial, les aplicacions i beneficis dels avions han crescut immensament. Això, en perfecta sincronia amb l’augment mitjà del poder adquisitiu de la societat, ha augmentat el nombre d’avions que volen pel cel. Aquest augment comporta, tanmateix, un cost, tant en aspectes mediambientals com en la capacitat de l’espai aeri. Aquesta tesi és concebuda per treballar en l’alleujament dels problemes que resulten de l’elevat nombre de vols, proposant nous conceptes i mecanismes per augmentar la capacitat de l’espai aeri amb seguretat i alhora minimitzar l’impacte ambiental de l’aviació. Aquesta recerca, complexa però extremadament necessària, és la protagonista d’una gran quantitat de treballs científics publicats. Des de la propulsió, fins a les aerostructures i la gestió del transit aeri, avui en dia es dedica un gran esforç a la reducció de l’impacte ambiental, així com a l’augment de la seguretat i la capacitat de l’espai aeri. Un tema prometedor és la introducció de nous conceptes d’operació que aprofiten al màxim l’optimització de trajectòries en les quatre dimensions (4D) i nivells d’automatització més elevats, tant per a sistemes de bord com de terra. Conceptes com ara operacions de perfil vertical continu són cada cop més utilitzats en el dia a dia. També, la reducció de la distancia recorreguda dels avions mitjançant rutes més directes esdevé una realitat com més va més evident. Per tal d’abastar un àmbit més ampli, els sistemes embarcats i de terra hauran d’esser actualitzats. És per això que s’hauria d’explorar minuciosament la quantificació dels beneficis esperats per als nou conceptes que es proposin, abans d’introduir-los a escala local o global. La investigació d’aquesta tesi doctoral proposa un sistema integrat per a l’optimització de trajectòries, la predicció, i l’estimació de paràmetres, amb el qual es poden avaluar nous conceptes de gestió del trànsit aeri. Aquest sistema té la flexibilitat d’optimitzar trajectòries que van des d’un vol lliure (free-flight) fins a una estructura de ruta molt estricta, des d’una llibertat completa al perfil vertical fins a una adhesió especifica als nivells de vol, etc. La definició d’escenaris és prou genèrica com per permetre una àmplia varietat de tipologies de vol, fases de vol, fases de rendiment, restriccions al llarg de la trajectòria, entre molts altres aspectes. L’estratègia d’optimització 4D d´ona com a resultat una trajectòria que no només compleix les característiques del vol (i de l’entorn configurat), sinó que també minimitza un objectiu funcional determinat, com ara el cost operatiu, el temps, el combustible, etc. I com ja s’ha mencionat breument, aquesta mateixa estratègia d’optimització s’adapta lleugerament per presentar una innovadora estratègia per realitzar prediccions de trajectòria adaptativa (amb monitoratge de conformitat) i per estimar paràmetres crucials inicialment desconeguts d’un avió. Per resoldre un problema tan complex, es formula un problema de control òptim i es converteix en un problema de programació no lineal (NLP) amb mètodes de col·locació directa. Aquest problema es resol numèricament mitjançant un programari de resolució de problemes NLP i se n’extreuen els resultats per a l’anàlisi. Es presenta una arquitectura de programari integral, aprofitant el millor de dos mons: un llenguatge de programació orientat a objectes (C++) i un llenguatge matemàtic algèbric molt potent (GAMS). La interacció entre aquests dos mons permet la flexibilitat i la genericitat del sistema d’optimització desenvolupat A partir d’aquest sistema d’optimització, els diferents capítols de la tesi produeixen resultats operatius rellevants. Això no només demostra que el sistema pot fer front a una gran varietat de problemes, sinó que també contribueix a l’objectiu final d’augmentar de forma segura la capacitat de l’espai aeri i l’eficiència del transit aeri. Es presenten diferents casos d’ ´ us i exemples il·lustratius centrats en enlairaments dins l’àrea de maniobra terminal (TMA). Concretament, quatre etapes formen aquesta part de la tesi. Primer, es presenta una avaluació de l’eficiència dels temps requerits d’arribada (RTA) com a forma d’augmentar la capacitat del transit aeri. Aquest estudi proporciona resultats sobre el cost en termes de combustible i temps d’imposar aquests requisits de temps dins d’una TMA (que pot arribar a xifres sorprenentment baixes). A més, mostra com d’efectiva pot ser aquesta estratègia per a la separació del transit. En segon lloc, es presenta la implementació d’una metodologia de separació d’avions mitjançant el sistema d’optimització. En ella, una aeronau (l’aeronau) genera una predicció de trajectòria d’un avio extern amb qui preveu tenir un conflicte proper (l’intrús). Seguidament, l’aeronau calcula la seva pròpia trajectòria òptima que es desvia d’aquella predita de l’intrús. S’implementa una estratègia de control de la conformitat per assegurar que la separació es mantingui durant tot el vol, reconeixent les desviacions i reaccionant en conseqüència. En tercer lloc, la predicció de la trajectòria intrusa es veu millorada per l’estimació d’una massa equivalent mitjançant estats passats coneguts (el deixant). Com era d’esperar, com més llarg sigui aquest deixant, millor serà l’estimació de la massa. Tanmateix, s’aconsegueix una precisió impressionant molt poc després de l’inici del vol. Finalment, es presenta la implementació d’una estratègia de separació de múltiples aeronaus. En aquesta formulació, s’optimitzen simultàniament les trajectòries de diversos avions dins el mateix problema d’optimització, mantenint la separació entre ells. La complexitat de l’alineació temporal de les coordenades d’avions per a una comparació justa s’aborda des d’una perspectiva innovadora. En conclusió, es comparen les diferents estratègies de separació d’avions i, sorprenentment, els millors resultats de cada estratègia són força similars. De fet, l’augment del cost operatiu que presenten les diferents estratègies (en comparació amb la trajectòria òptima individual) és insignificant i sempre millor que el paradigma actual de separació del control de trànsit aeri.Postprint (published version

Autonomous and reliable operation of multilayer optical networks

This Ph.D. thesis focuses on the reliable autonomous operation of multilayer optical networks. The first objective focuses on the reliability of the optical network and proposes methods for health analysis related to Quality of Transmission (QoT) degradation. Such degradation is produced by soft-failures in optical devices and fibers in core and metro segments of the operators’ transport networks. Here, we compare estimated and measured QoT in the optical transponder by using a QoT tool based on GNPy. We show that the changes in the values of input parameters of the QoT model representing optical devices can explain the deviations and degradation in performance of such devices. We use reverse engineering to estimate the value of those parameters that explain the observed QoT. We show by simulation a large anticipation in soft-failure detection, localization and identification of degradation before affecting the network. Finally, for validating our approach, we experimentally observe the high accuracy in the estimation of the modeling parameters. The second objective focuses on multilayer optical networks, where lightpaths are used to connect packet nodes thus creating virtual links (vLink). Specifically, we study how lightpaths can be managed to provide enough capacity to the packet layer without detrimental effects in their Quality of Service (QoS), like added delays or packet losses, and at the same time minimize energy consumption. Such management must be as autonomous as possible to minimize human intervention. We study the autonomous operation of optical connections based on digital subcarrier multiplexing (DSCM). We propose several solutions for the autonomous operation of DSCM systems. In particular, the combination of two modules running in the optical node and in the optical transponder activate and deactivate subcarriers to adapt the capacity of the optical connection to the upper layer packet traffic. The module running in the optical node is part of our Intent-based Networking (IBN) solution and implements prediction to anticipate traffic changes. Our comprehensive study demonstrates the feasibility of DSCM autonomous operation and shows large cost savings in terms of energy consumption. In addition, our study provides a guideline to help vendors and operators to adopt the proposed solutions. The final objective targets at automating packet layer connections (PkC). Automating the capacity required by PkCs can bring further cost reduction to network operators, as it can limit the resources used at the optical layer. However, such automation requires careful design to avoid any QoS degradation, which would impact Service Level Agreement (SLA) in the case that the packet flow is related to some customer connection. We study autonomous packet flow capacity management. We apply RL techniques and propose a management lifecycle consisting of three different phases: 1) a self-tuned threshold-based approach for setting up the connection until enough data is collected, which enables understanding the traffic characteristics; 2) RL operation based on models pre-trained with generic traffic profiles; and 3) RL operation based on models trained with the observed traffic. We show that RL algorithms provide poor performance until they learn optimal policies, as well as when the traffic characteristics change over time. The proposed lifecycle provides remarkable performance from the starting of the connection and it shows the robustness while facing changes in traffic. The contribution is twofold: 1) and on the one hand, we propose a solution based on RL, which shows superior performance with respect to the solution based on prediction; and 2) because vLinks support packet connections, coordination between the intents of both layers is proposed. In this case, the actions taken by the individual PkCs are used by the vLink intent. The results show noticeable performance compared to independent vLink operation.Esta tesis doctoral se centra en la operación autónoma y confiable de redes ópticas multicapa. El primer objetivo se centra en la fiabilidad de la red óptica y propone métodos para el análisis del estado relacionados con la degradación de la calidad de la transmisión (QoT). Dicha degradación se produce por fallos en dispositivos ópticos y fibras en las redes de transporte de los operadores que no causan el corte de la señal. Comparamos el QoT estimado y medido en el transpondedor óptico mediante el uso de una herramienta de QoT basada en GNPy. Mostramos que los cambios en los valores de los parámetros de entrada del modelo QoT que representan los dispositivos ópticos pueden explicar las desviaciones y la degradación en el rendimiento de dichos dispositivos. Usamos ingeniería inversa para estimar el valor de aquellos parámetros que explican el QoT observado. Mostramos, mediante simulación, una gran anticipación en la detección, localización e identificación de fallas leves antes de afectar la red. Finalmente, validamos nuestro método de forma experimental y comprobamos la alta precisión en la estimación de los parámetros de los modelos. El segundo objetivo se centra en las redes ópticas multicapa, donde se utilizan conexiones ópticas (lightpaths) para conectar nodos de paquetes creando así enlaces virtuales (vLink). Específicamente, estudiamos cómo se pueden gestionar los lightpaths para proporcionar suficiente capacidad a la capa de paquetes sin efectos perjudiciales en su calidad de servicio (QoS), como retrasos adicionales o pérdidas de paquetes, y al mismo tiempo minimizar el consumo de energía. Estudiamos el funcionamiento autónomo de conexiones ópticas basadas en multiplexación de subportadoras digitales (DSCM) y proponemos soluciones para su funcionamiento autónomo. En particular, la combinación de dos módulos que se ejecutan en el nodo óptico y en el transpondedor óptico activan y desactivan subportadoras para adaptar la capacidad de la conexión óptica al tráfico de paquetes. El módulo que se ejecuta en el nodo óptico implementa la predicción para anticipar los cambios de tráfico. Nuestro estudio demuestra la viabilidad de la operación autónoma de DSCM y muestra un gran ahorro de consumo de energía. El objetivo final es la automatización de conexiones de capa de paquete (PkC). La automatización de la capacidad requerida por las PkC puede generar una mayor reducción de costes, ya que puede limitar los recursos utilizados en la capa óptica. Sin embargo, dicha automatización requiere un diseño cuidadoso para evitar cualquier degradación de QoS, lo que afectaría acuerdos de nivel de servicio (SLA) en el caso de que el flujo de paquetes esté relacionado con alguna conexión del cliente. Estudiamos la gestión autónoma de la capacidad del flujo de paquetes. Aplicamos RL y proponemos un ciclo de vida de gestión con tres fases: 1) un enfoque basado en umbrales auto ajustados para configurar la conexión hasta que se recopilen suficientes datos, lo que permite comprender las características del tráfico; 2) operación RL basada en modelos pre-entrenados con perfiles de tráfico genéricos; y 3) operación de RL en base a modelos entrenados con el tránsito observado. Mostramos que los algoritmos de RL ofrecen un desempeño deficiente hasta que aprenden las políticas óptimas, así cuando las características del tráfico cambian con el tiempo. El ciclo de vida propuesto proporciona un rendimiento notable desde el inicio de la conexión y muestra la robustez frente a cambios en el tráfico. La contribución es doble: 1) proponemos una solución basada en RL que muestra un rendimiento superior que la solución basada en predicción; y 2) debido a que los vLinks admiten conexiones de paquetes, se propone la coordinación entre las intenciones de ambas capas. En este caso, la intención de vLink utiliza las acciones realizadas por los PkC individuales. Los resultados muestran un rendimiento notable en comparación con la operación independiente de vLink.Postprint (published version