Internet Evolution:Critical Issues

The Internet has been gradually evolving since its inception. In this paper, we highlight the important factors that have driven this evolution, and describe how the Internet is still struggling with several critical issues that need to be solved to meet predicted requirements of future applications. We discuss possible approaches and solutions, bearing in mind the considerable inertia of the Internet’s key architectural features

Network streaming and compression for mixed reality tele-immersion

Bulterman, D.C.A. [Promotor]Cesar, P.S. [Copromotor

A Survey on Multimedia-Based Cross-Layer Optimization in Visual Sensor Networks

Visual sensor networks (VSNs) comprised of battery-operated electronic devices endowed with low-resolution cameras have expanded the applicability of a series of monitoring applications. Those types of sensors are interconnected by ad hoc error-prone wireless links, imposing stringent restrictions on available bandwidth, end-to-end delay and packet error rates. In such context, multimedia coding is required for data compression and error-resilience, also ensuring energy preservation over the path(s) toward the sink and improving the end-to-end perceptual quality of the received media. Cross-layer optimization may enhance the expected efficiency of VSNs applications, disrupting the conventional information flow of the protocol layers. When the inner characteristics of the multimedia coding techniques are exploited by cross-layer protocols and architectures, higher efficiency may be obtained in visual sensor networks. This paper surveys recent research on multimedia-based cross-layer optimization, presenting the proposed strategies and mechanisms for transmission rate adjustment, congestion control, multipath selection, energy preservation and error recovery. We note that many multimedia-based cross-layer optimization solutions have been proposed in recent years, each one bringing a wealth of contributions to visual sensor networks

Cyber-Physical Co-Design of Wireless Control Systems

Wireless sensor-actuator network (WSAN) technology is gaining rapid adoption in process industries because of its advantages in lowering deployment and maintenance cost in challenging environments. While early success of industrial WSANs has been recognized, significant potential remains in exploring WSANs as unified networks for industrial plants. This thesis research explores a cyber-physical co-design approach to design wireless control systems. To enable holistic studies of wireless control systems, we have developed the Wireless Cyber-Physical Simulator (WCPS), an integrated co-simulation environment that integrates Simulink and our implementation of WSANs based on the industrial WirelessHART standard. We further develop novel WSAN protocols tailored for advanced control designs for networked control systems. WCPS now works as the first simulator that features both linear and nonlinear physical plant models, state-of-art WirelessHART protocol stack, and realistic wireless network characteristics. A realistic wireless structural control study sheds light on the challenges of WSC and the limitations of a traditional structural control approach under realistic wireless conditions. Systematic emergency control results demonstrate that our real-time emergency communication approach enables timely emergency handling, while allowing regular feedback control loops to effectively share resources in WSANs during normal operations. A co-joint study of wireless routing and control highlights the importance of the co-design approach of wireless networks and control

Wireless multimedia sensor network technology: a survey

Wireless Multimedia Sensor Networks (WMSNs) is comprised of small embedded video motes capable of extracting the surrounding environmental information, locally processing it and then wirelessly transmitting it to parent node or sink. It is comprised of video sensor, digital signal processing unit and digital radio interface. In this paper we have surveyed existing WMSN hardware and communicationprotocol layer technologies for achieving or fulfilling the objectives of WMSN. We have also listed the various technical challenges posed by this technology while discussing the communication protocol layer technologies. Sensor networking capabilities are urgently required for some of our most important scientific and societal problems like understanding the international carbon budget, monitoring water resources, monitoring vehicle emissions and safeguarding public health. This is a daunting research challenge requiring distributed sensor systems operating in complex environments while providing assurance of reliable and accurate sensing

Stochastic Control for Cooperative Cyber-Physical Networking

Die stetig fortschreitende Digitalisierung erlaubt einen immer autonomeren und intelligenteren Betrieb von Produktions- und Fertigungslinien, was zu einer stärker werdenden Verzahnung der physikalischen Prozesse und der Software-Komponenten zum Überwachen, Steuern und Messen führt. Cyber-physische Systeme (CPS) spielen hierbei eine Schlüsselrolle, indem sie sowohl die physikalischen als auch die Software-Komponenten zu einem verteilten System zusammenfassen, innerhalb dessen Umgebungszustände, Messwerte und Steuerbefehle über ein Kommunikationsnetzwerk ausgetauscht werden. Die Verfügbarkeit von kostengünstigen Geräten und die Möglichkeit bereits existierende Infrastruktur zu nutzen sorgen dafür, dass auch innerhalb von CPS zunehmend auf den Einsatz von Standard-Netzen auf Basis von IEEE 802.3 (Ethernet) und IEEE 802.11 (WLAN) gesetzt wird. Nachteilig bei der Nutzung von Standard-Netzen sind jedoch auftretende Dienstgüte-Schwankungen, welche aus der gemeinsamen Nutzung der vorhandenen Infrastruktur resultieren und für die Endsysteme in Form von sich ändernden Latenzen und Daten- und Paketverlustraten sichtbar werden. Regelkreise sind besonders anfällig für Dienstgüte-Schwankungen, da sie typischerweise isochrone Datenübertragungen mit festen Latenzen benötigen, um die gewünschte Regelgüte zu garantieren. Für die Vernetzung der einzelnen Komponenten, das heißt von Sensorik, Aktorik und Regler, setzt man daher klassischerweise auf Lösungen, die diese Anforderungen erfüllen. Diese Lösungen sind jedoch relativ teuer und unflexibel, da sie den Einsatz von spezialisierten Netzwerken wie z.B. Feldbussen benötigen oder über komplexe, speziell entwickelte Kommunikationsprotokolle realisiert werden wie sie beispielsweise die Time-Sensitive Networking (TSN) Standards definieren. Die vorliegende Arbeit präsentiert Ergebnisse des interdisziplinären Forschungsprojekts CoCPN:Cooperative Cyber-Physical Networking, das ein anderes Konzept verfolgt und explizit auf CPS abzielt, die Standard-Netze einsetzen. CoCPN benutzt einen neuartigen, kooperativen Ansatz um i) die Elastizität von Regelkreisen innerhalb solcher CPS zu erhöhen, das heißt sie in die Lage zu versetzen, mit den auftretenden Dienstgüte-Schwankungen umzugehen, und ii) das Netzwerk über die Anforderungen der einzelnen Regler in Kenntnis zu setzen. Kern von CoCPN ist eine verteilte Architektur für CPS, welche es den einzelnen Regelkreisen ermöglicht, die verfügbare Kommunikations-Infrastruktur gemeinsam zu nutzen. Im Gegensatz zu den oben genannten Lösungen benötigt CoCPN dafür keine zentrale Instanz mit globaler Sicht auf das Kommunikationssystem, sodass eine enge Kopplung an die Anwendungen vermieden wird. Stattdessen setzt CoCPN auf eine lose Kopplung zwischen Netzwerk und Regelkreisen, realisiert in Form eines Austauschs von Meta-Daten über den sog. CoCPN-Translator. CoCPN implementiert ein Staukontrollverfahren, welches den typischen Zusammenhang zwischen erreichbarer Regelgüte und Senderate ausnutzt: die erreichbare Regelgüte steigt mit der Senderate und umgekehrt. Durch Variieren der zu erreichenden Regelgüte kann das Sendeverhalten der Regler so eingestellt werden, dass die vorhandenen Kommunikations-Ressourcen optimal ausgenutzt und gleichzeitig Stausituationen vermieden werden. In dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit den regelungstechnischen Fragestellungen innerhalb von CoCPN. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf dem Entwurf und der Analyse von Algorithmen, die auf Basis der über den CoCPN-Translator ausgetauschten Meta-Daten die notwendige Elastizität liefern und es dadurch den Reglern ermöglichen, schnell auf Änderungen der Netzwerk-Dienstgüte zu reagieren. Dazu ist es notwendig, dass den Reglern ein Modell zur Verfügung gestellt wird, dass die Auswirkungen von Verzögerungen und Paketverlusten auf die Regelgüte erfasst. Im ersten Teil der Arbeit wird eine Erweiterung eines existierenden Modellierungs-Ansatzes vorgestellt, dessen Grundidee es ist, sowohl die Dynamik der Regelstrecke als auch den Einfluss von Verzögerungen und Paketverlusten durch ein hybrides System darzustellen. Hybride Systeme zeichnen sich dadurch aus, dass sie sowohl kontinuierlich- als auch diskretwertige Zustandsvariablen besitzen. Unsere vorgestellte Erweiterung ist in der Lage, Änderungen der Netzwerk-Dienstgüte abzubilden und ist nicht auf eine bestimmte probabilistische Darstellung der auftretenden Verzögerungen und Paketverluste beschränkt. Zusätzlich verzichtet unsere Erweiterung auf die in der Literatur übliche Annahme, dass Quittungen für empfangene Datenpakete stets fehlerfrei und mit vernachlässigbarer Latenz übertragen werden. Verglichen mit einem Großteil der verwandten Arbeiten, ermöglichen uns die genannten Eigenschaften daher eine realistischere Berücksichtigung der Netzwerk-Einflüsse auf die Regelgüte. Mit dem entwickelten Modell kann der Einfluss von Verzögerungen und Paketverlusten auf die Regelgüte prädiziert werden. Auf Basis dieser Prädiktion können Stellgrößen dann mit Methoden der stochastischen modellprädiktiven Regelung (stochastic model predictive control) berechnet werden. Unsere realistischere Betrachtung der Netzwerk-Einflüsse auf die Regelgüte führt hierbei zu einer gegenseitigen Abhängigkeit von Regelung und Schätzung. Zur Berechnung der Stellgrößen muss der Regler den Zustand der Strecke aus den empfangenen Messungen schätzen. Die Qualität dieser Schätzungen hängt von den berechneten Stellgrößen und deren Auswirkung auf die Regelstrecke ab. Umgekehrt beeinflusst die Qualität der Schätzungen aber maßgeblich die Qualität der Stellgrößen: Ist der Schätzfehler gering, kann der Regler bessere Entscheidungen treffen. Diese gegenseitige Abhängigkeit macht die Berechnung von optimalen Stellgrößen unmöglich und bedingt daher die Fokussierung auf das Erforschen von approximativen Ansätzen. Im zweiten Teil dieser Arbeit stellen wir zwei neuartige Verfahren für die stochastische modellprädiktive Regelung über Netzwerke vor. Im ersten Verfahren nutzen wir aus, dass bei hybriden System oft sogenannte multiple model-Algorithmen zur Zustandsschätzung verwendet werden, welche den geschätzten Zustand in Form einer Gaußmischdichte repräsentieren. Auf Basis dieses Zusammenhangs und einer globalen Approximation der Kostenfunktion leiten wir einen Algorithmus mit geringer Komplexität zur Berechnung eines (suboptimalen) Regelgesetzes her. Dieses Regelgesetz ist nichtlinear und ergibt sich aus der gewichteten Kombination mehrerer unterlagerter Regelgesetze. Jedes dieser unterlagerten Regelgesetze lässt sich dabei als lineare Funktion genau einer der Komponenten der Gaußmischdichte darstellen. Unser zweites vorgestelltes Verfahren besitzt gegensätzliche Eigenschaften. Das resultierende Regelgesetz ist linear und basiert auf einer Approximation der Kostenfunktion, welche wir nur lokal, das heißt nur in der Umgebung einer erwarteten Trajektorie des geregelten Systems, berechnen. Diese Trajektorie wird hierbei durch die Prädiktion einer initialen Zustandsschätzung über den Optimierungshorizont gewonnen. Zur Berechnung des Regelgesetzes schlagen wir dann einen iterativen Algorithmus vor, welcher diese Approximation durch wiederholtes Optimieren der System-Trajektorie verbessert. Simulationsergebnisse zeigen, dass unsere neuartigen Verfahren eine signifikant höhere Regelgüte erzielen können als verwandte Ansätze aus der Literatur. Der dritte Teil der vorliegenden Arbeit beschäftigt sich erneut mit dem hybriden System aus dem ersten Teil. Die im Rahmen dieser Arbeit verwendeten Netzwerk-Modelle, das heißt die verwendeten probabilistischen Beschreibungen der Verzögerungen und Paketverluste, werden vom CoCPN-Translator auf Grundlage von im Netzwerk gesammelten Status-Informationen erzeugt. Diese Status-Informationen bilden jedoch stets nur Ausschnitte ab und können nie exakt den "Zustand” des Netzwerks repräsentieren. Dementsprechend können die resultierenden Netzwerk-Modelle nicht als fehlerfrei erachtet werden. In diesem Teil der Arbeit untersuchen wir daher den Einfluss möglicher Fehler in den Netzwerk-Modellen auf die zu erwartende Regelgüte. Weiterhin gehen wir der Frage nach der Existenz von Reglern, die robust gegenüber solchen Fehlern und Unsicherheiten sind, nach. Dazu zeigen wir zunächst, dass sich Fehler in den Netzwerk-Modellen immer als eine polytopische Parameter-Unsicherheit im hybriden System aus dem ersten Teil manifestieren. Für solche polytopischen hybride System leiten wir dann eine sowohl notwendige als auch hinreichende Stabilitätsbedingung her, was einen signifikanten Beitrag zur Theorie der hybriden Systeme darstellt. Die Auswertung dieser Bedingung erfordert es zu bestimmen, ob der gemeinsame Spektralradius (joint spectral radius) einer Menge von Matrizen kleiner als eins ist. Dieses Entscheidungsproblem ist bekanntermaßen NP-schwer, was die Anwendbarkeit der Stabilitätsbedingung stark limitiert. Daher präsentieren wir eine hinreichende Stabilitätsbedingung, die in polynomieller Zeit überprüft werden kann, da sie auf der Erfüllbarkeit von linearen Matrixungleichungen basiert. Schließlich zeigen wir, dass die Existenz eines Reglers, der die Stabilität des betrachteten polytopischen hybriden Systems garantiert, von der Erfüllbarkeit einer ähnlichen Menge von Matrixungleichungen bestimmt wird. Diese Ungleichungen sind weniger restriktiv als die bisher in der Literatur bekannten, was die Synthese von weniger konservativen Reglern erlaubt. Schließlich zeigen wir im letzten Teil dieser Arbeit die Anwendbarkeit des kooperativen Konzepts von CoCPN in Simulations-Szenarien, in denen stark ausgelastete Netzwerk-Ressourcen mit anderen Anwendungen geteilt werden müssen. Wir demonstrieren, dass insbesondere das Zusammenspiel unserer modellprädiktiven Verfahren mit dem Staukontrollverfahren von CoCPN einen zuverlässigen Betrieb der Regelkreise ohne unerwünschte Einbußen der Regelgüte auch dann ermöglicht, wenn sich die Kommunikationsbedingungen plötzlich und unvorhergesehen ändern. Insgesamt stellt unsere Arbeit somit einen wichtigen Baustein auf dem Weg zu einem flächendeckenden Einsatz von Standard-Netzen als flexible und adaptive Basis für industrielle CPS dar

Secure and efficient storage of multimedia: content in public cloud environments using joint compression and encryption

The Cloud Computing is a paradigm still with many unexplored areas ranging from the technological component to the de nition of new business models, but that is revolutionizing the way we design, implement and manage the entire infrastructure of information technology. The Infrastructure as a Service is the delivery of computing infrastructure, typically a virtual data center, along with a set of APIs that allow applications, in an automatic way, can control the resources they wish to use. The choice of the service provider and how it applies to their business model may lead to higher or lower cost in the operation and maintenance of applications near the suppliers. In this sense, this work proposed to carry out a literature review on the topic of Cloud Computing, secure storage and transmission of multimedia content, using lossless compression, in public cloud environments, and implement this system by building an application that manages data in public cloud environments (dropbox and meocloud). An application was built during this dissertation that meets the objectives set. This system provides the user a wide range of functions of data management in public cloud environments, for that the user only have to login to the system with his/her credentials, after performing the login, through the Oauth 1.0 protocol (authorization protocol) is generated an access token, this token is generated only with the consent of the user and allows the application to get access to data/user les without having to use credentials. With this token the framework can now operate and unlock the full potential of its functions. With this application is also available to the user functions of compression and encryption so that user can make the most of his/her cloud storage system securely. The compression function works using the compression algorithm LZMA being only necessary for the user to choose the les to be compressed. Relatively to encryption it will be used the encryption algorithm AES (Advanced Encryption Standard) that works with a 128 bit symmetric key de ned by user. We build the research into two distinct and complementary parts: The rst part consists of the theoretical foundation and the second part is the development of computer application where the data is managed, compressed, stored, transmitted in various environments of cloud computing. The theoretical framework is organized into two chapters, chapter 2 - Background on Cloud Storage and chapter 3 - Data compression. Sought through theoretical foundation demonstrate the relevance of the research, convey some of the pertinent theories and input whenever possible, research in the area. The second part of the work was devoted to the development of the application in cloud environment. We showed how we generated the application, presented the features, advantages, and safety standards for the data. Finally, we re ect on the results, according to the theoretical framework made in the rst part and platform development. We think that the work obtained is positive and that ts the goals we set ourselves to achieve. This research has some limitations, we believe that the time for completion was scarce and the implementation of the platform could bene t from the implementation of other features.In future research it would be appropriate to continue the project expanding the capabilities of the application, test the operation with other users and make comparative tests.A Computação em nuvem é um paradigma ainda com muitas áreas por explorar que vão desde a componente tecnológica à definição de novos modelos de negócio, mas que está a revolucionar a forma como projetamos, implementamos e gerimos toda a infraestrutura da tecnologia da informação. A Infraestrutura como Serviço representa a disponibilização da infraestrutura computacional, tipicamente um datacenter virtual, juntamente com um conjunto de APls que permitirá que aplicações, de forma automática, possam controlar os recursos que pretendem utilizar_ A escolha do fornecedor de serviços e a forma como este aplica o seu modelo de negócio poderão determinar um maior ou menor custo na operacionalização e manutenção das aplicações junto dos fornecedores. Neste sentido, esta dissertação propôs· se efetuar uma revisão bibliográfica sobre a temática da Computação em nuvem, a transmissão e o armazenamento seguro de conteúdos multimédia, utilizando a compressão sem perdas, em ambientes em nuvem públicos, e implementar um sistema deste tipo através da construção de uma aplicação que faz a gestão dos dados em ambientes de nuvem pública (dropbox e meocloud). Foi construída uma aplicação no decorrer desta dissertação que vai de encontro aos objectivos definidos. Este sistema fornece ao utilizador uma variada gama de funções de gestão de dados em ambientes de nuvem pública, para isso o utilizador tem apenas que realizar o login no sistema com as suas credenciais, após a realização de login, através do protocolo Oauth 1.0 (protocolo de autorização) é gerado um token de acesso, este token só é gerado com o consentimento do utilizador e permite que a aplicação tenha acesso aos dados / ficheiros do utilizador ~em que seja necessário utilizar as credenciais. Com este token a aplicação pode agora operar e disponibilizar todo o potencial das suas funções. Com esta aplicação é também disponibilizado ao utilizador funções de compressão e encriptação de modo a que possa usufruir ao máximo do seu sistema de armazenamento cloud com segurança. A função de compressão funciona utilizando o algoritmo de compressão LZMA sendo apenas necessário que o utilizador escolha os ficheiros a comprimir. Relativamente à cifragem utilizamos o algoritmo AES (Advanced Encryption Standard) que funciona com uma chave simétrica de 128bits definida pelo utilizador. Alicerçámos a investigação em duas partes distintas e complementares: a primeira parte é composta pela fundamentação teórica e a segunda parte consiste no desenvolvimento da aplicação informática em que os dados são geridos, comprimidos, armazenados, transmitidos em vários ambientes de computação em nuvem. A fundamentação teórica encontra-se organizada em dois capítulos, o capítulo 2 - "Background on Cloud Storage" e o capítulo 3 "Data Compression", Procurámos, através da fundamentação teórica, demonstrar a pertinência da investigação. transmitir algumas das teorias pertinentes e introduzir, sempre que possível, investigações existentes na área. A segunda parte do trabalho foi dedicada ao desenvolvimento da aplicação em ambiente "cloud". Evidenciámos o modo como gerámos a aplicação, apresentámos as funcionalidades, as vantagens. Por fim, refletimos sobre os resultados , de acordo com o enquadramento teórico efetuado na primeira parte e o desenvolvimento da plataforma. Pensamos que o trabalho obtido é positivo e que se enquadra nos objetivos que nos propusemos atingir. Este trabalho de investigação apresenta algumas limitações, consideramos que o tempo para a sua execução foi escasso e a implementação da plataforma poderia beneficiar com a implementação de outras funcionalidades. Em investigações futuras seria pertinente dar continuidade ao projeto ampliando as potencialidades da aplicação, testar o funcionamento com outros utilizadores e efetuar testes comparativos.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT

A Survey of multimedia streaming in wireless sensor networks: progress, issues and design challenges

Advancements in Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) technology have enabled Wireless Sensor Networks (WSN) to gather, process and transport multimedia (MM) data as well and not just limited to handling ordinary scalar data anymore. This new generation of WSN type is called Wireless Multimedia Sensor Networks (WMSNs). Better and yet relatively cheaper sensors that are able to sense both scalar data and multimedia data with more advanced functionalities such as being able to handle rather intense computations easily have sprung up. In this paper, the applications, architectures, challenges and issues faced in the design of WMSNs are explored. Security and privacy issues, over all requirements, proposed and implemented solutions so far, some of the successful achievements and other related works in the field are also highlighted. Open research areas are pointed out and a few solution suggestions to the still persistent problems are made, which, to the best of my knowledge, so far have not been explored yet

A Survey of Quality of Service in Mobile Computing Environments

Accepted versio