Recent Advances on Telematics Engineering

Agüero, R.; Payeras Capella, MM.; Lloret, J.; Femenias, G. (2017). Recent Advances on Telematics Engineering. Mobile Networks and Applications. 22(6):1065-1067. https://doi.org/10.1007/s11036-017-0836-71065106722

Study, evaluation and contributions to new algorithms for the embedding problem in a network virtualization environment

Network virtualization is recognized as an enabling technology for the future Internet. It aims to overcome the resistance of the current Internet to architectural change and to enable a new business model decoupling the network services from the underlying infrastructure. The problem of embedding virtual networks in a substrate network is the main resource allocation challenge in network virtualization and is usually referred to as the Virtual Network Embedding (VNE) problem. VNE deals with the allocation of virtual resources both in nodes and links. Therefore, it can be divided into two sub-problems: Virtual Node Mapping where virtual nodes have to be allocated in physical nodes and Virtual Link Mapping where virtual links connecting these virtual nodes have to be mapped to paths connecting the corresponding nodes in the substrate network. Application of network virtualization relies on algorithms that can instantiate virtualized networks on a substrate infrastructure, optimizing the layout for service-relevant metrics. This class of algorithms is commonly known as VNE algorithms. This thesis proposes a set of contributions to solve the research challenges of the VNE that have not been tackled by the research community. To do that, it performs a deep and comprehensive survey of virtual network embedding. The first research challenge identified is the lack of proposals to solve the virtual link mapping stage of VNE using single path in the physical network. As this problem is NP-hard, existing proposals solve it using well known shortest path algorithms that limit the mapping considering just one constraint. This thesis proposes the use of a mathematical multi-constraint routing framework called paths algebra to solve the virtual link mapping stage. Besides, the thesis introduces a new demand caused by virtual link demands into physical nodes acting as intermediate (hidden) hops in a path of the physical network. Most of the current VNE approaches are centralized. They suffer of scalability issues and provide a single point of failure. In addition, they are not able to embed virtual network requests arriving at the same time in parallel. To solve this challenge, this thesis proposes a distributed, parallel and universal virtual network embedding framework. The proposed framework can be used to run any existing embedding algorithm in a distributed way. Thereby, computational load for embedding multiple virtual networks is spread across the substrate network Energy efficiency is one of the main challenges in future networking environments. Network virtualization can be used to tackle this problem by sharing hardware, instead of requiring dedicated hardware for each instance. Until now, VNE algorithms do not consider energy as a factor for the mapping. This thesis introduces the energy aware VNE where the main objective is to switch off as many network nodes and interfaces as possible by allocating the virtual demands to a consolidated subset of active physical networking equipment. To evaluate and validate the aforementioned VNE proposals, this thesis helped in the development of a software framework called ALgorithms for Embedding VIrtual Networks (ALEVIN). ALEVIN allows to easily implement, evaluate and compare different VNE algorithms according to a set of metrics, which evaluate the algorithms and compute their results on a given scenario for arbitrary parameters

Contribution to design a communication framework for vehicular ad hoc networks in urban scenarios

The constant mobility of people, the growing need to be always connected, the large number of vehicles that nowadays can be found in the roads and the advances in technology make Vehicular Ad hoc Networks (VANETs) be a major area of research. Vehicular Ad hoc Networks are a special type of wireless Mobile Ad hoc Networks (MANETs), which allow a group of mobile nodes configure a temporary network and maintain it without the need of a fixed infrastructure. A vehicular network presents some specific characteristics, as the very high speed of nodes. Due to this high speed the topology changes are frequent and the communication links may last only a few seconds. Smart cities are now a reality and have a direct relationship with vehicular networks. With the help of existing infrastructure such as traffic lights, we propose a scheme to update and analyse traffic density and a warning system to spread alert messages. With this, traffic lights assist vehicular networks to take proper decisions. This would ensure less congested streets. It would also be possible that the routing protocol forwards data packets to vehicles on streets with enough neighbours to increase the possibility of delivering the packets to destination. Sharing updated, reliable and real-time information, about traffic conditions, weather or security alerts, increases the need of algorithms for the dissemination of information that take into account the main beneffits and constraints of these networks. For all this, routing protocols for vehicular networks have the difficult task to select and establish transmission links to send the data packets from source to destination through multiple nodes using intermediate vehicles efficiently. The main objective of this thesis is to provide improvements in the communication framework for vehicular networks to improve decisions to select next hops in the moment to send information, in this way improving the exchange of information to provide suitable communication to minimize accidents, reduce congestion, optimize resources for emergencies, etc. Also, we include intelligence to vehicles at the moment to take routing decisions. Making them map-aware, being conscious of the presence of buildings and other obstacles in urban environments. Furthermore, our proposal considers the decision to store packets for a maximum time until finding other neighbouring nodes to forward the packets before discarding them. For this, we propose a protocol that considers multiple metrics that we call MMMR (A Multimetric, Map-Aware Routing Protocol ). MMMR is a protocol based on geographical knowledge of the environment and vehicle location. The metrics considered are the distance, the density of vehicles in transmission range, the available bandwidth and the future trajectory of the neighbouring nodes. This allows us to have a complete view of the vehicular scenario to anticipate the driver about possible changes that may occur. Thus, a node can select a node among all its neighbours, which is the best option to increase the likelihood of successful packet delivery, minimizing time and offering a level of quality and service. In the same way, being aware of the increase of information in wireless environments, we analyse the possibility of offering anonymity services. We include a mechanism of anonymity in routing protocols based on the Crowd algorithm, which uses the idea of hiding the original source of a packet. This allowed us to add some level of anonymity on VANET routing protocols. The analytical modeling of the available bandwidth between nodes in a VANET, the use of city infrastructure in a smart way, the forwarding selection in data routing byvehicles and the provision of anonymity in communications, are issues that have been addressed in this PhD thesis. In our research work we provide contributions to improve the communication framework for Vehicular Ad hoc Networks obtaining benefits toenhance the everyday of the population.La movilidad constante de las personas y la creciente necesidad de estar conectados en todo momento ha hecho de las redes vehiculares un área cuyo interés ha ido en aumento. La gran cantidad de vehículos que hay en la actualidad, y los avances tecnológicos han hecho de las redes vehiculares (VANETS, Vehicular Ad hoc Networks) un gran campo de investigación. Las redes vehiculares son un tipo especial de redes móviles ad hoc inalámbricas, las cuales, al igual que las redes MANET (Mobile Ad hoc Networks), permiten a un grupo de nodos móviles tanto configurar como mantener una red temporal por si mismos sin la necesidad de una infraestructura fija. Las redes vehiculares presentan algunas características muy representativas, por ejemplo, la alta velocidad que pueden alcanzar los nodos, en este caso vehículos. Debido a esta alta velocidad la topología cambia frecuentemente y la duración de los enlaces de comunicación puede ser de unos pocos segundos. Estas redes tienen una amplia área de aplicación, pudiendo tener comunicación entre los mismos nodos (V2V) o entre los vehículos y una infraestructura fija (V2I). Uno de los principales desafíos existentes en las VANET es la seguridad vial donde el gobierno y fabricantes de automóviles han centrado principalmente sus esfuerzos. Gracias a la rápida evolución de las tecnologías de comunicación inalámbrica los investigadores han logrado introducir las redes vehiculares dentro de las comunicaciones diarias permitiendo una amplia variedad de servicios para ofrecer. Las ciudades inteligentes son ahora una realidad y tienen una relación directa con las redes vehiculares. Con la ayuda de la infraestructura existente, como semáforos, se propone un sistema de análisis de densidad de tráfico y mensajes de alerta. Con esto, los semáforos ayudan a la red vehicular en la toma de decisiones. Así se logrará disponer de calles menos congestionadas para hacer una circulación más fluida (lo cual disminuye la contaminación). Además, sería posible que el protocolo de encaminamiento de datos elija vehículos en calles con suficientes vecinos para incrementar la posibilidad de entregar los paquetes al destino (minimizando pérdidas de información). El compartir información actualizada, confiable y en tiempo real sobre el estado del tráfico, clima o alertas de seguridad, aumenta la necesidad de algoritmos de difusión de la información que consideren los principales beneficios y restricciones de estas redes. Así mismo, considerar servicios críticos que necesiten un nivel de calidad y servicio es otro desafío importante. Por todo esto, un protocolo de encaminamiento para este tipo de redes tiene la difícil tarea de seleccionar y establecer enlaces de transmisión para enviar los datos desde el origen hacia el destino vía múltiples nodos utilizando vehículos intermedios de una manera eficiente. El principal objetivo de esta tesis es ofrecer mejoras en los sistemas de comunicación vehicular que mejoren la toma de decisiones en el momento de realizar el envío de la información, con lo cual se mejora el intercambio de información para poder ofrecer comunicación oportuna que minimice accidentes, reduzca atascos, optimice los recursos destinados a emergencias, etc. Así mismo, incluimos más inteligencia a los coches en el momento de tomar decisiones de encaminamiento de paquetes. Haciéndolos conscientes de la presencia de edificios y otros obstáculos en los entornos urbanos. Así como tomar la decisión de guardar paquetes durante un tiempo máximo de modo que se encuentre otros nodos vecinos para encaminar paquetes de información antes de descartarlo. Para esto, proponemos un protocolo basado en múltiples métricas (MMMR, A Multimetric, Map-aware Routing Protocol ) que es un protocolo geográfio basado en el conocimiento del entorno y localización de los vehículos. Las métricas consideradas son la distancia, la densidad de vehículos en el área de transmisión, el ancho de banda disponible y la trayectoria futura de los nodos vecinos. Esto nos permite tener una visión completa del escenario vehicular y anticiparnos a los posibles cambios que puedan suceder. Así, un nodo podrá seleccionar aquel nodo entre todos sus vecinos posibles que sea la mejor opción para incrementar la posibilidad de entrega exitosa de paquetes, minimizando tiempos y ofreciendo un cierto nivel de calidad y servicio. De la misma manera, conscientes del incremento de información que circula por medios inalámbricos, se analizó la posibilidad de servicios de anonimato. Incluimos pues un mecanismo de anonimato en protocolos de encaminamiento basado en el algoritmo Crowd, que se basa en la idea de ocultar la fuente original de un paquete. Esto nos permitió añadir cierto nivel de anonimato que pueden ofrecer los protocolos de encaminamiento. El modelado analítico del ancho de banda disponible entre nodos de una VANET, el uso de la infraestructura de la ciudad de una manera inteligente, la adecuada toma de decisiones de encaminamiento de datos por parte de los vehículos y la disposición de anonimato en las comunicaciones, son problemas que han sido abordados en este trabajo de tesis doctoral que ofrece contribuciones a la mejora de las comunicaciones en redes vehiculares en entornos urbanos aportando beneficios en el desarrollo de la vida diaria de la población

Contribution to the publish/subscribe communication model for the development of ubiquitous services in wireless sensor networks

Advances in wireless technologies and the rapid development of integrated electronics have made wireless sensor networks (WSN) one of the key technologies of the Internet of Things (IoT). Thanks to the ability of these networks to measure the physical phenomena of their environment, process and communicate this information using wireless technologies, they have excelled in the development of applications that respond or adapt to the context of a user, as is the case of ubiquitous environments such as smart cities, industrial automation, e-health among others. In addition, the IoT has opened the possibility that intelligent objects or devices are also capable of exchanging status information, conditions and capacity in order to interact with each other, in the same way that human beings have done through systems based on presence. These systems require information of an event in real time to react in a timely manner to the conditions or context of the user or device. These applications open new challenges in the management of WSN resources, since these networks operate in environments that are generally prone to packet loss and consist of generally small nodes with limited resources in memory, processing, bandwidth and power. The main objective of this thesis is the development of several mechanisms that allow the adaptation of the Publish/Subscribe protocols to the characteristics and limitations of the WSN for the provision of ubiquitous services in the context of the IoT. In addition, QoS support is supplied through mechanisms that provide reliability and timeliness in the delivery of packets and data aggregation techniques are applied to be efficient in the power consumption and the WSN bandwidth. Our research proposes an architecture to provide a presence service for WSN based on a Publish/ Subscribe model distributed and focused on mechanisms such as the aggregation of data and the publication of messages on demand to achieve energy efficiency and bandwidth. All these mechanisms have been applied in the design of a system called PASH aimed at home control based on the concept of Ambient Assisted Living (AAL). The reliability provided by Publish/Subscribe protocols in WSN is of great importance in the design of applications that require receiving a message to react on time or in real time to an event. Initially, we focused our study on increasing the proportion of packet delivery (PDR) in the destination node through the improvement of reliability mechanisms. We evaluated the reliability mechanism of the MQTT-SN protocol and several proposed mechanisms of the CoAP protocol. From this evaluation, we propose a new and simple adaptive retransmission mechanism to respond to packet loss in the most appropriate way. Finally, we consider that applications such as: e-health, critical infrastructure control and monitoring, among others, must meet different QoS requirements, such as reliability and timeliness for each type of message received. In addition, data aggregation techniques play an important role in WSN to reduce power consumption and bandwidth. In this thesis, we propose a mechanism that provides the application with three different levels of QoS: we provide an improvement of our previous relay mechanism for reliability, we include the data aggregation in our reliability mechanism and we provide a timeliness mechanism in the delivery of packets.Els avenços en les tecnologies sense fils i al ràpid desenvolupament de l'electrònica integrada, ha convertit les xarxes de sensors sense fils (WSN) en una de les tecnologies claus de l'Internet de les Coses (Iot). Gràcies a la capacitat que tenen aquestes xarxes de mesurar els fenòmens físics del seu entorn, processar i comunicar aquesta informació utilitzant tecnologies sense fils, s'han destacat en el desenvolupament d'aplicacions que responguin o s'adaptin al context d'un usuari, com és el cas dels entorns ubics com a ciutats intel·ligents, automatització industrial, salut electrònica entre d'altres. A més, el IOT ha obert la possibilitat que els objectes o dispositius intel·ligents també siguin capaços d'intercanviar informació d'estat, condicions i capacitat per tal d'interactuar entre si, de la mateixa manera que els éssers humans ho han fet a través de sistemes basats en presència. Aquests sistemes requereixen informació d'un esdeveniment en temps real per reaccionar de manera oportuna a les condicions o al context de l'usuari o dispositiu. Aquestes aplicacions obren nous desafiaments en l'administració dels recursos de WSN, ja que aquestes xarxes operen en entorns que generalment són propensos a la pèrdua de paquets i consten de nodes generalment petits amb recursos limitats en memòria, processament, ample de banda i alimentació. El principal objectiu d'aquesta tesi és el desenvolupament de diversos mecanismes que permetin l'adequació dels protocols d'Publish / Subscribe a les característiques i limitacions de la WSN per a la provisió de serveis ubics en el context de la IOT. A més, es brinda suport de QoS a través de mecanismes que proporcionen fiabilitat i puntualitat en el lliurament de paquets i s'apliquen tècniques d'agregació de dades per a ser eficients en el consum d'energia i l'ample de banda de la WSN. La nostra investigació proposa una arquitectura per a proporcionar un servei de presència per WSN basat en un model de Publish / Subscribe distribuït i centrat en mecanismes com ara l'agregació de dades i la publicació de missatges en demanda per aconseguir eficiència en l'energia i l'ample de banda . Tots aquests mecanismes han estat aplicats en el disseny d'un sistema anomenat Pash dirigit al control de la llar basat en el concepte de Vida Assistida (AAL). La fiabilitat proporcionada pels protocols de Publish / Subscribe WSN és de gran importància en el disseny d'aplicacions que requereixen rebre un missatge per reaccionar a temps o en temps real davant un esdeveniment. Inicialment enfoquem el nostre estudi en augmentar la proporció de lliurament de paquets (PDR) en el node de destinació a través de la millora dels mecanismes de fiabilitat. Avaluem el mecanisme de fiabilitat del protocol MQTT-SN i diversos mecanismes proposats del protocol COAP. A partir d'aquesta avaluació, proposem un nou i senzill mecanisme de retransmissió adaptable per respondre a la pèrdua de paquets de la manera més adequada. Finalment, considerem que les aplicacions com: salut electrònica, control d'infraestructura crítica i monitoratge, entre d'altres, han de complir diferents requisits de QoS, com la fiabilitat i la puntualitat per a cada tipus de missatge rebut. A més, les tècniques d'agregació de dades tenen un paper important en WSN per reduir el consum d'energia i l'ample de banda. En aquesta tesi, proposem un mecanisme que proporciona a la aplicació tres nivells de QoS diferents: proporcionem una millora del nostre mecanisme de retransmissió anterior per a la fiabilitat, incloem l'agregació de dades en el nostre mecanisme de fiabilitat i proporcionem un mecanisme de puntualitat en el lliurament de paquets.Postprint (published version

Contribution to the publish/subscribe communication model for the development of ubiquitous services in wireless sensor networks

Advances in wireless technologies and the rapid development of integrated electronics have made wireless sensor networks (WSN) one of the key technologies of the Internet of Things (IoT). Thanks to the ability of these networks to measure the physical phenomena of their environment, process and communicate this information using wireless technologies, they have excelled in the development of applications that respond or adapt to the context of a user, as is the case of ubiquitous environments such as smart cities, industrial automation, e-health among others. In addition, the IoT has opened the possibility that intelligent objects or devices are also capable of exchanging status information, conditions and capacity in order to interact with each other, in the same way that human beings have done through systems based on presence. These systems require information of an event in real time to react in a timely manner to the conditions or context of the user or device. These applications open new challenges in the management of WSN resources, since these networks operate in environments that are generally prone to packet loss and consist of generally small nodes with limited resources in memory, processing, bandwidth and power. The main objective of this thesis is the development of several mechanisms that allow the adaptation of the Publish/Subscribe protocols to the characteristics and limitations of the WSN for the provision of ubiquitous services in the context of the IoT. In addition, QoS support is supplied through mechanisms that provide reliability and timeliness in the delivery of packets and data aggregation techniques are applied to be efficient in the power consumption and the WSN bandwidth. Our research proposes an architecture to provide a presence service for WSN based on a Publish/ Subscribe model distributed and focused on mechanisms such as the aggregation of data and the publication of messages on demand to achieve energy efficiency and bandwidth. All these mechanisms have been applied in the design of a system called PASH aimed at home control based on the concept of Ambient Assisted Living (AAL). The reliability provided by Publish/Subscribe protocols in WSN is of great importance in the design of applications that require receiving a message to react on time or in real time to an event. Initially, we focused our study on increasing the proportion of packet delivery (PDR) in the destination node through the improvement of reliability mechanisms. We evaluated the reliability mechanism of the MQTT-SN protocol and several proposed mechanisms of the CoAP protocol. From this evaluation, we propose a new and simple adaptive retransmission mechanism to respond to packet loss in the most appropriate way. Finally, we consider that applications such as: e-health, critical infrastructure control and monitoring, among others, must meet different QoS requirements, such as reliability and timeliness for each type of message received. In addition, data aggregation techniques play an important role in WSN to reduce power consumption and bandwidth. In this thesis, we propose a mechanism that provides the application with three different levels of QoS: we provide an improvement of our previous relay mechanism for reliability, we include the data aggregation in our reliability mechanism and we provide a timeliness mechanism in the delivery of packets.Els avenços en les tecnologies sense fils i al ràpid desenvolupament de l'electrònica integrada, ha convertit les xarxes de sensors sense fils (WSN) en una de les tecnologies claus de l'Internet de les Coses (Iot). Gràcies a la capacitat que tenen aquestes xarxes de mesurar els fenòmens físics del seu entorn, processar i comunicar aquesta informació utilitzant tecnologies sense fils, s'han destacat en el desenvolupament d'aplicacions que responguin o s'adaptin al context d'un usuari, com és el cas dels entorns ubics com a ciutats intel·ligents, automatització industrial, salut electrònica entre d'altres. A més, el IOT ha obert la possibilitat que els objectes o dispositius intel·ligents també siguin capaços d'intercanviar informació d'estat, condicions i capacitat per tal d'interactuar entre si, de la mateixa manera que els éssers humans ho han fet a través de sistemes basats en presència. Aquests sistemes requereixen informació d'un esdeveniment en temps real per reaccionar de manera oportuna a les condicions o al context de l'usuari o dispositiu. Aquestes aplicacions obren nous desafiaments en l'administració dels recursos de WSN, ja que aquestes xarxes operen en entorns que generalment són propensos a la pèrdua de paquets i consten de nodes generalment petits amb recursos limitats en memòria, processament, ample de banda i alimentació. El principal objectiu d'aquesta tesi és el desenvolupament de diversos mecanismes que permetin l'adequació dels protocols d'Publish / Subscribe a les característiques i limitacions de la WSN per a la provisió de serveis ubics en el context de la IOT. A més, es brinda suport de QoS a través de mecanismes que proporcionen fiabilitat i puntualitat en el lliurament de paquets i s'apliquen tècniques d'agregació de dades per a ser eficients en el consum d'energia i l'ample de banda de la WSN. La nostra investigació proposa una arquitectura per a proporcionar un servei de presència per WSN basat en un model de Publish / Subscribe distribuït i centrat en mecanismes com ara l'agregació de dades i la publicació de missatges en demanda per aconseguir eficiència en l'energia i l'ample de banda . Tots aquests mecanismes han estat aplicats en el disseny d'un sistema anomenat Pash dirigit al control de la llar basat en el concepte de Vida Assistida (AAL). La fiabilitat proporcionada pels protocols de Publish / Subscribe WSN és de gran importància en el disseny d'aplicacions que requereixen rebre un missatge per reaccionar a temps o en temps real davant un esdeveniment. Inicialment enfoquem el nostre estudi en augmentar la proporció de lliurament de paquets (PDR) en el node de destinació a través de la millora dels mecanismes de fiabilitat. Avaluem el mecanisme de fiabilitat del protocol MQTT-SN i diversos mecanismes proposats del protocol COAP. A partir d'aquesta avaluació, proposem un nou i senzill mecanisme de retransmissió adaptable per respondre a la pèrdua de paquets de la manera més adequada. Finalment, considerem que les aplicacions com: salut electrònica, control d'infraestructura crítica i monitoratge, entre d'altres, han de complir diferents requisits de QoS, com la fiabilitat i la puntualitat per a cada tipus de missatge rebut. A més, les tècniques d'agregació de dades tenen un paper important en WSN per reduir el consum d'energia i l'ample de banda. En aquesta tesi, proposem un mecanisme que proporciona a la aplicació tres nivells de QoS diferents: proporcionem una millora del nostre mecanisme de retransmissió anterior per a la fiabilitat, incloem l'agregació de dades en el nostre mecanisme de fiabilitat i proporcionem un mecanisme de puntualitat en el lliurament de paquets.Postprint (published version

Challenges for engineering students working with authentic complex problems

Engineers are important participants in solving societal, environmental and technical problems. However, due to an increasing complexity in relation to these problems new interdisciplinary competences are needed in engineering. Instead of students working with monodisciplinary problems, a situation where students work with authentic complex problems in interdisciplinary teams together with a company may scaffold development of new competences. The question is: What are the challenges for students structuring the work on authentic interdisciplinary problems? This study explores a three-day event where 7 students from Aalborg University (AAU) from four different faculties and one student from University College North Denmark (UCN), (6th-10th semester), worked in two groups at a large Danish company, solving authentic complex problems. The event was structured as a Hackathon where the students for three days worked with problem identification, problem analysis and finalizing with a pitch competition presenting their findings. During the event the students had workshops to support the work and they had the opportunity to use employees from the company as facilitators. It was an extracurricular activity during the summer holiday season. The methodology used for data collection was qualitative both in terms of observations and participants’ reflection reports. The students were observed during the whole event. Findings from this part of a larger study indicated, that students experience inability to transfer and transform project competences from their previous disciplinary experiences to an interdisciplinary setting

Exploring the practical use of a collaborative robot for academic purposes

This article presents a set of experiences related to the setup and exploration of potential educational uses of a collaborative robot (cobot). The basic principles that have guided the work carried out have been three. First and foremost, study of all the functionalities offered by the robot and exploration of its potential academic uses both in subjects focused on industrial robotics and in subjects of related disciplines (automation, communications, computer vision). Second, achieve the total integration of the cobot at the laboratory, seeking not only independent uses of it but also seeking for applications (laboratory practices) in which the cobot interacts with some of the other devices already existing at the laboratory (other industrial robots and a flexible manufacturing system). Third, reuse of some available components and minimization of the number and associated cost of required new components. The experiences, carried out following a project-based learning methodology under the framework of bachelor and master subjects and thesis, have focused on the integration of mechanical, electronic and programming aspects in new design solutions (end effector, cooperative workspace, artificial vision system integration) and case studies (advanced task programming, cybersecure communication, remote access). These experiences have consolidated the students' acquisition of skills in the transition to professional life by having the close collaboration of the university faculty with the experts of the robotics company.Postprint (published version

Secure identity management in structured peer-to-peer (P2P) networks

Structured Peer-to-Peer (P2P) networks were proposed to solve routing problems of big distributed infrastructures. But the research community has been questioning their security for years. Most prior work in security services was focused on secure routing, reputation systems, anonymity, etc. However, the proper management of identities is an important prerequisite to provide most of these security services. The existence of anonymous nodes and the lack of a centralized authority capable of monitoring (and/or punishing) nodes make these systems more vulnerable against selfish or malicious behaviors. Moreover, these improper usages cannot be faced only with data confidentiality, nodes authentication, non-repudiation, etc. In particular, structured P2P networks should follow the following secure routing primitives: (1) secure maintenance of routing tables, (2) secure routing of messages, and (3) secure identity assignment to nodes. But the first two problems depend in some way on the third one. If nodes’ identifiers can be chosen by users without any control, these networks can have security and operational problems. Therefore, like any other network or service, structured P2P networks require a robust access control to prevent potential attackers joining the network and a robust identity assignment system to guarantee their proper operation. In this thesis, firstly, we analyze the operation of the current structured P2P networks when managing identities in order to identify what security problems are related to the nodes’ identifiers within the overlay, and propose a series of requirements to be accomplished by any generated node ID to provide more security to a DHT-based structured P2P network. Secondly, we propose the use of implicit certificates to provide more security and to exploit the improvement in bandwidth, storage and performance that these certificates present compared to explicit certificates, design three protocols to assign nodes’ identifiers avoiding the identified problems, while maintaining user anonymity and allowing users’ traceability. Finally, we analyze the operation of the most used mechanisms to distribute revocation data in the Internet, with special focus on the proposed systems to work in P2P networks, and design a new mechanism to distribute revocation data more efficiently in a structured P2P network.Las redes P2P estructuradas fueron propuestas para solventar problemas de enrutamiento en infraestructuras de grandes dimensiones pero su nivel de seguridad lleva años siendo cuestionado por la comunidad investigadora. La mayor parte de los trabajos que intentan mejorar la seguridad de estas redes se han centrado en proporcionar encaminamiento seguro, sistemas de reputación, anonimato de los usuarios, etc. Sin embargo, la adecuada gestión de las identidades es un requisito sumamente importante para proporcionar los servicios mencionados anteriormente. La existencia de nodos anónimos y la falta de una autoridad centralizada capaz de monitorizar (y/o penalizar) a los nodos hace que estos sistemas sean más vulnerables que otros a comportamientos maliciosos por parte de los usuarios. Además, esos comportamientos inadecuados no pueden ser detectados proporcionando únicamente confidencialidad de los datos, autenticación de los nodos, no repudio, etc. Las redes P2P estructuradas deberían seguir las siguientes primitivas de enrutamiento seguro: (1) mantenimiento seguro de las tablas de enrutamiento, (2) enrutamiento seguro de los mensajes, and (3) asignación segura de las identidades. Pero la primera de los dos primitivas depende de alguna forma de la tercera. Si las identidades de los nodos pueden ser elegidas por sus usuarios sin ningún tipo de control, muy probablemente aparecerán muchos problemas de funcionamiento y seguridad. Por lo tanto, de la misma forma que otras redes y servicios, las redes P2P estructuradas requieren de un control de acceso robusto para prevenir la presencia de atacantes potenciales, y un sistema robusto de asignación de identidades para garantizar su adecuado funcionamiento. En esta tesis, primero de todo analizamos el funcionamiento de las redes P2P estructuradas basadas en el uso de DHTs (Tablas de Hash Distribuidas), cómo gestionan las identidades de sus nodos, identificamos qué problemas de seguridad están relacionados con la identificación de los nodos y proponemos una serie de requisitos para generar identificadores de forma segura. Más adelante proponemos el uso de certificados implícitos para proporcionar más seguridad y explotar las mejoras en consumo de ancho de banda, almacenamiento y rendimiento que proporcionan estos certificados en comparación con los certificados explícitos. También hemos diseñado tres protocolos de asignación segura de identidades, los cuales evitan la mayor parte de los problemas identificados mientras mantienen el anonimato de los usuarios y la trazabilidad. Finalmente hemos analizado el funcionamiento de la mayoría de los mecanismos utilizados para distribuir datos de revocación en Internet, con especial interés en los sistemas propuestos para operar en redes P2P, y hemos diseñado un nuevo mecanismo para distribuir datos de revocación de forma más eficiente en redes P2P estructuradas.Postprint (published version

Contribution to the publish/subscribe communication model for the development of ubiquitous services in wireless sensor networks

Advances in wireless technologies and the rapid development of integrated electronics have made wireless sensor networks (WSN) one of the key technologies of the Internet of Things (IoT). Thanks to the ability of these networks to measure the physical phenomena of their environment, process and communicate this information using wireless technologies, they have excelled in the development of applications that respond or adapt to the context of a user, as is the case of ubiquitous environments such as smart cities, industrial automation, e-health among others. In addition, the IoT has opened the possibility that intelligent objects or devices are also capable of exchanging status information, conditions and capacity in order to interact with each other, in the same way that human beings have done through systems based on presence. These systems require information of an event in real time to react in a timely manner to the conditions or context of the user or device. These applications open new challenges in the management of WSN resources, since these networks operate in environments that are generally prone to packet loss and consist of generally small nodes with limited resources in memory, processing, bandwidth and power. The main objective of this thesis is the development of several mechanisms that allow the adaptation of the Publish/Subscribe protocols to the characteristics and limitations of the WSN for the provision of ubiquitous services in the context of the IoT. In addition, QoS support is supplied through mechanisms that provide reliability and timeliness in the delivery of packets and data aggregation techniques are applied to be efficient in the power consumption and the WSN bandwidth. Our research proposes an architecture to provide a presence service for WSN based on a Publish/ Subscribe model distributed and focused on mechanisms such as the aggregation of data and the publication of messages on demand to achieve energy efficiency and bandwidth. All these mechanisms have been applied in the design of a system called PASH aimed at home control based on the concept of Ambient Assisted Living (AAL). The reliability provided by Publish/Subscribe protocols in WSN is of great importance in the design of applications that require receiving a message to react on time or in real time to an event. Initially, we focused our study on increasing the proportion of packet delivery (PDR) in the destination node through the improvement of reliability mechanisms. We evaluated the reliability mechanism of the MQTT-SN protocol and several proposed mechanisms of the CoAP protocol. From this evaluation, we propose a new and simple adaptive retransmission mechanism to respond to packet loss in the most appropriate way. Finally, we consider that applications such as: e-health, critical infrastructure control and monitoring, among others, must meet different QoS requirements, such as reliability and timeliness for each type of message received. In addition, data aggregation techniques play an important role in WSN to reduce power consumption and bandwidth. In this thesis, we propose a mechanism that provides the application with three different levels of QoS: we provide an improvement of our previous relay mechanism for reliability, we include the data aggregation in our reliability mechanism and we provide a timeliness mechanism in the delivery of packets.Els avenços en les tecnologies sense fils i al ràpid desenvolupament de l'electrònica integrada, ha convertit les xarxes de sensors sense fils (WSN) en una de les tecnologies claus de l'Internet de les Coses (Iot). Gràcies a la capacitat que tenen aquestes xarxes de mesurar els fenòmens físics del seu entorn, processar i comunicar aquesta informació utilitzant tecnologies sense fils, s'han destacat en el desenvolupament d'aplicacions que responguin o s'adaptin al context d'un usuari, com és el cas dels entorns ubics com a ciutats intel·ligents, automatització industrial, salut electrònica entre d'altres. A més, el IOT ha obert la possibilitat que els objectes o dispositius intel·ligents també siguin capaços d'intercanviar informació d'estat, condicions i capacitat per tal d'interactuar entre si, de la mateixa manera que els éssers humans ho han fet a través de sistemes basats en presència. Aquests sistemes requereixen informació d'un esdeveniment en temps real per reaccionar de manera oportuna a les condicions o al context de l'usuari o dispositiu. Aquestes aplicacions obren nous desafiaments en l'administració dels recursos de WSN, ja que aquestes xarxes operen en entorns que generalment són propensos a la pèrdua de paquets i consten de nodes generalment petits amb recursos limitats en memòria, processament, ample de banda i alimentació. El principal objectiu d'aquesta tesi és el desenvolupament de diversos mecanismes que permetin l'adequació dels protocols d'Publish / Subscribe a les característiques i limitacions de la WSN per a la provisió de serveis ubics en el context de la IOT. A més, es brinda suport de QoS a través de mecanismes que proporcionen fiabilitat i puntualitat en el lliurament de paquets i s'apliquen tècniques d'agregació de dades per a ser eficients en el consum d'energia i l'ample de banda de la WSN. La nostra investigació proposa una arquitectura per a proporcionar un servei de presència per WSN basat en un model de Publish / Subscribe distribuït i centrat en mecanismes com ara l'agregació de dades i la publicació de missatges en demanda per aconseguir eficiència en l'energia i l'ample de banda . Tots aquests mecanismes han estat aplicats en el disseny d'un sistema anomenat Pash dirigit al control de la llar basat en el concepte de Vida Assistida (AAL). La fiabilitat proporcionada pels protocols de Publish / Subscribe WSN és de gran importància en el disseny d'aplicacions que requereixen rebre un missatge per reaccionar a temps o en temps real davant un esdeveniment. Inicialment enfoquem el nostre estudi en augmentar la proporció de lliurament de paquets (PDR) en el node de destinació a través de la millora dels mecanismes de fiabilitat. Avaluem el mecanisme de fiabilitat del protocol MQTT-SN i diversos mecanismes proposats del protocol COAP. A partir d'aquesta avaluació, proposem un nou i senzill mecanisme de retransmissió adaptable per respondre a la pèrdua de paquets de la manera més adequada. Finalment, considerem que les aplicacions com: salut electrònica, control d'infraestructura crítica i monitoratge, entre d'altres, han de complir diferents requisits de QoS, com la fiabilitat i la puntualitat per a cada tipus de missatge rebut. A més, les tècniques d'agregació de dades tenen un paper important en WSN per reduir el consum d'energia i l'ample de banda. En aquesta tesi, proposem un mecanisme que proporciona a la aplicació tres nivells de QoS diferents: proporcionem una millora del nostre mecanisme de retransmissió anterior per a la fiabilitat, incloem l'agregació de dades en el nostre mecanisme de fiabilitat i proporcionem un mecanisme de puntualitat en el lliurament de paquets

Mac-Phy Cross-Layer analysis and design of Mimo-Ofdm Wlans based on fast link adaptation

The latestWLAN standard, known as IEEE 802.11n, has notably increased the network capacity with respect to its predecessors thanks to the incorporation of the multipleinput multiple-output (MIMO) technology. Nonetheless, the new amendment, as its previous ones, does not specify how crucial configuration mechanisms, most notably the adaptive modulation and coding (AMC) algorithm should be implemented. The AMC process has proved essential to fully exploit the system resources in light of varying channel conditions. In this dissertation, a closed-loop AMC technique, referred to as fast link adaption (FLA) algorithm, that effectively selects themodulation and coding scheme (MCS) for multicarriermultiantennaWLAN networks is proposed. The FLA algorithm determines the MCS that maximizes the throughput while satisfying a quality of service (QoS) constraint, usually defined in the form of an objective packet error rate (PER). To this end, FLA uses a packet/bit error rate prediction methodology based on the exponential effective SNRmetric (EESM). The FLA algorithm performance has been evaluated under IEEE 802.11n systems that thanks to the incorporation of a feedbackmechanismare able to implement closed- loop AMC mechanisms. Initially, this AMC technique relies only on physical layer information but it is subsequently extended to also take into account themediumaccess control (MAC) sublayer performance. At the physical layer, the FLA algorithm has demonstrated its effectivity by performing very close to optimality in terms of throughput, while satisfying a prescribed PER constraint. The FLA algorithm has also been evaluated using imperfect channel information. It has been observed that the proposed FLA technique is rather robust against imperfect channel information, and only in highly-frequency selective channels, imperfect channel knowledge causes a noticeable degradation in throughput. At the MAC sublayer, the FLA algorithm has been complemented with a timeout strategy that weighs down the influence of the available channel information as this becomes outdated. This channel information outdate is caused by the MAC sublayer whose user multiplexing policy potentially results in large delays between acquiring the instant in which the channel state information is acquired and that in which the channel is accessed. Results demonstrate the superiority of FLA when compared to open-loop algorithms under saturated and non-saturated conditions and irrespective of the packet length, number of users, protocol (CSMA/CA or CDMA/E2CA) and access scheme (Basic Access or RTS/CTS). Additionally, several analytical models have been developed to estimate the system performance at the MAC sublayer. These models account for all operational details of the IEEE 802.11n MAC sublayer, such as finite number of retries, anomalous slot or channel errors. In particular, a semi-analytical model that assesses the MAC layer throughput under saturated conditions, considering the AMC performance is first introduced. Then, an analytical model that allows the evaluation of the QoS performance under non-saturated conditions is presented. This model focuses on single MCS and it is able to accurately predict very important system performance metrics such as blocking probability, delay, probability of discard or goodput thanks to the consideration of the finite queues on each station. Finally, the previous non-saturated analytical approach is used to define a semi-analytical model in order to estimate the system performance when considering AMC algorithms (i.e. whenmultiple MCSs are available)La darrera versió de l’estàndard deWLAN, anomenada IEEE 802.11n, ha augmentat la seva capacitat notablement en relació als sistemes anteriors gràcies a la incorporació de la tecnologia de múltiples antenes en transmissió i recepció (MIMO). No obstant això, la nova proposta, al igual que les anteriors, segueix sense especificar com s’han d’implementar elsmecanismes de configuraciómés crucials, un dels quals és l’algoritme de codificació imodulació adaptativa (AMC). Aquests algoritmes ja han demostrat la seva importància a l’hora demaximitzar el rendiment del sistema tenint en compte les condicions canviants del canal. En aquesta tesis s’ha proposat un algoritme AMC de llaç tancat, anomenat adaptació ràpida de l’enllaç (FLA), que selecciona eficientment l’esquema demodulació i codificació adaptativa per xarxes WLAN basades en arquitectures multiportadora multiantena. L’algoritme FLA determina el mode de transmissió capaç de maximitzar el throughput per les condicions de canal actuals, mentre satisfà un requisit de qualitat de servei en forma de taxa d’error per paquet (PER). FLA utilitza una metodologia de predicció de PER basada en l’estimació de la relació senyal renou (SNR) efectiva exponencial (EESM). El rendiment de l’algoritme FLA ha estat avaluat en sistemes IEEE 802.11n, ja que aquests, gràcies a la incorporació d’unmecanisme de realimentació demodes de transmissió, poden adoptar solucions AMC de llaç tancat. En una primera part, l’estudi s’ha centrat a la capa física i després s’ha estès a la subcapa MAC. A la capa física s’ha demostrat l’efectivitat de l’algoritme FLA aconseguint un rendiment molt proper al que ens proporcionaria un esquema AMC òptim en termes de throughput, alhora que es satisfan els requisits de PER objectiu. L’algoritme FLA també ha estat avaluat utilitzant informació imperfecte del canal. S’ha vist que l’algoritme FLA proposat és robust en front dels efectes d’estimació imperfecte del canal, i només en canals altament selectius en freqüència, la informació imperfecte del canal provoca una davallada en el rendiment en termes de throughput. A la subcapa MAC, l’algoritme FLA ha estat complementat amb una estratègia de temps d’espera que disminueix la dependència amb la informació de canal disponible a mesura que aquesta va quedant desfassada respecte de l’estat actual. Aquesta informació de canal desfassada és conseqüència de la subcapa MAC que degut a la multiplexació d’usuaris introdueix grans retards entre que es determina el mode de transmissió més adequat i la seva utilització per a l’accés al canal. Els resultats obtinguts han demostrat la superioritat de FLA respecte d’altres algoritmes de llaç obert en condicions de saturació i de no saturació, i independentment de la longitud de paquet, nombre d’usuaris, protocol (CSMA/CA i CSMA/E2CA) i esquema d’accés (Basic Access i RTS/CTS). Amés, s’han desenvolupat diversosmodels analítics per tal d’estimar el rendiment del sistema a la subcapa MAC. Aquests models consideren tots els detalls de funcionament de la subcapaMAC del 802.11n, comper exemple un nombre finit de retransmissions de cada paquet, l’slot anòmal o els errors introduïts pel canal. Inicialment s’ha proposat unmodel semi-analític que determina el throughtput en condicions de saturació, considerant el rendiment dels algoritmes AMC. Després s’ha presentat un model analític que estima el rendiment del sistema per condicions de no saturació, mitjançat elmodelat de cues finites a cada estació. Aquestmodel consideramodes de transmissió fixes i és capaç de determinar de manera molt precisa mètriques de rendimentmolt importants comsón la probabilitat de bloqueig de cada estació, el retard mitjà del paquets, la probabilitat de descart o la mesura del goodput. Finalment, el model analític de no saturació s’ha utilitzat per definir un model semi-analític per tal d’estimar el rendiment del sistema quan es considera l’ús d’algoritmes AMC