Two snap-stabilizing point-to-point communication protocols in message-switched networks

A snap-stabilizing protocol, starting from any configuration, always behaves according to its specification. In this paper, we present a snap-stabilizing protocol to solve the message forwarding problem in a message-switched network. In this problem, we must manage resources of the system to deliver messages to any processor of the network. In this purpose, we use information given by a routing algorithm. By the context of stabilization (in particular, the system starts in an arbitrary configuration), this information can be corrupted. So, the existence of a snap-stabilizing protocol for the message forwarding problem implies that we can ask the system to begin forwarding messages even if routing information are initially corrupted. In this paper, we propose two snap-stabilizing algorithms (in the state model) for the following specification of the problem: - Any message can be generated in a finite time. - Any emitted message is delivered to its destination once and only once in a finite time. This implies that our protocol can deliver any emitted message regardless of the state of routing tables in the initial configuration. These two algorithms are based on the previous work of [MS78]. Each algorithm needs a particular method to be transform into a snap-stabilizing one but both of them do not introduce a significant overcost in memory or in time with respect to algorithms of [MS78]

Stabilizing data-link over non-FIFO channels with optimal fault-resilience

Self-stabilizing systems have the ability to converge to a correct behavior when started in any configuration. Most of the work done so far in the self-stabilization area assumed either communication via shared memory or via FIFO channels. This paper is the first to lay the bases for the design of self-stabilizing message passing algorithms over unreliable non-FIFO channels. We propose a fault-send-deliver optimal stabilizing data-link layer that emulates a reliable FIFO communication channel over unreliable capacity bounded non-FIFO channels

Snap-Stabilization in Message-Passing Systems

In this paper, we tackle the open problem of snap-stabilization in message-passing systems. Snap-stabilization is a nice approach to design protocols that withstand transient faults. Compared to the well-known self-stabilizing approach, snap-stabilization guarantees that the effect of faults is contained immediately after faults cease to occur. Our contribution is twofold: we show that (1) snap-stabilization is impossible for a wide class of problems if we consider networks with finite yet unbounded channel capacity; (2) snap-stabilization becomes possible in the same setting if we assume bounded-capacity channels. We propose three snap-stabilizing protocols working in fully-connected networks. Our work opens exciting new research perspectives, as it enables the snap-stabilizing paradigm to be implemented in actual networks

Polynomial-Time Space-Optimal Silent Self-Stabilizing Minimum-Degree Spanning Tree Construction

Motivated by applications to sensor networks, as well as to many other areas, this paper studies the construction of minimum-degree spanning trees. We consider the classical node-register state model, with a weakly fair scheduler, and we present a space-optimal \emph{silent} self-stabilizing construction of minimum-degree spanning trees in this model. Computing a spanning tree with minimum degree is NP-hard. Therefore, we actually focus on constructing a spanning tree whose degree is within one from the optimal. Our algorithm uses registers on $O(\log n)$ bits, converges in a polynomial number of rounds, and performs polynomial-time computation at each node. Specifically, the algorithm constructs and stabilizes on a special class of spanning trees, with degree at most $OPT+1$. Indeed, we prove that, unless NP $=$ coNP, there are no proof-labeling schemes involving polynomial-time computation at each node for the whole family of spanning trees with degree at most $OPT+1$. Up to our knowledge, this is the first example of the design of a compact silent self-stabilizing algorithm constructing, and stabilizing on a subset of optimal solutions to a natural problem for which there are no time-efficient proof-labeling schemes. On our way to design our algorithm, we establish a set of independent results that may have interest on their own. In particular, we describe a new space-optimal silent self-stabilizing spanning tree construction, stabilizing on \emph{any} spanning tree, in $O(n)$ rounds, and using just \emph{one} additional bit compared to the size of the labels used to certify trees. We also design a silent loop-free self-stabilizing algorithm for transforming a tree into another tree. Last but not least, we provide a silent self-stabilizing algorithm for computing and certifying the labels of a NCA-labeling scheme

Snap-Stabilizing Message Forwarding Algorithm on Tree Topologies

In this paper, we consider the message forwarding problem that consists in managing the network resources that are used to forward messages. Previous works on this problem provide solutions that either use a significant number of buffers (that is n buffers per processor, where n is the number of processors in the network) making the solution not scalable or, they reserve all the buffers from the sender to the receiver to forward only one message %while using D buffers (where D refers to the diameter of the network) . The only solution that uses a constant number of buffers per link was introduced in [1]. However the solution works only on a chain networks. In this paper, we propose a snap-stabilizing algorithm for the message forwarding problem that uses the same complexity on the number of buffers as [1] and works on tree topologies.Nous considérons dans ce papier le problème d'acheminement de messages qui consiste à gérer les ressources du réseau. Des Solutions ont été proposées, soit qui utilisent un nombre significatif de buffers (n buffers par processeur où n correspond au nombre de processeurs dans le réseau), ce qui rend cette solution non adaptée au réseaux à grande échelle. Soit elles doivent réserver tout les buffers de la source à la destination. La seule solution qui utilise un nombre constant de buffers par lien a été introduite dans [1], cela dit cette solution fonctionne seulement sur des topologies linéaires. Dans ce papier, nous proposons un algorithme instantanément stabilisant pour le problème d'acheminement de messages ayant la même complexité en terme de nombre de buffers que [1] et qui fonctionne sur des topologies en arbre

Control Plane in Software Defined Networks and Stateful Data Planes

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen

Interfaces for Modular Surgical Planning and Assistance Systems

Modern surgery of the 21st century relies in many aspects on computers or, in a wider sense, digital data processing. Department administration, OR scheduling, billing, and - with increasing pervasion - patient data management are performed with the aid of so called Surgical Information Systems (SIS) or, more general, Hospital Information Systems (HIS). Computer Assisted Surgery (CAS) summarizes techniques which assist a surgeon in the preparation and conduction of surgical interventions. Today still predominantly based on radiology images, these techniques include the preoperative determination of an optimal surgical strategy and intraoperative systems which aim at increasing the accuracy of surgical manipulations. CAS is a relatively young field of computer science. One of the unsolved "teething troubles" of CAS is the absence of technical standards for the interconnectivity of CAS system. Current CAS systems are usually "islands of information" with no connection to other devices within the operating room or hospital-wide information systems. Several workshop reports and individual publications point out that this situation leads to ergonomic, logistic, and economic limitations in hospital work. Perioperative processes are prolonged by the manual installation and configuration of an increasing amount of technical devices. Intraoperatively, a large amount of the surgeons'' attention is absorbed by the requirement to monitor and operate systems. The need for open infrastructures which enable the integration of CAS devices from different vendors in order to exchange information as well as commands among these devices through a network has been identified by numerous experts with backgrounds in medicine as well as engineering. This thesis contains two approaches to the integration of CAS systems: - For perioperative data exchange, the specification of new data structures as an amendment to the existing DICOM standard for radiology image management is presented. The extension of DICOM towards surgical application allows for the seamless integration of surgical planning and reporting systems into DICOM-based Picture Archiving and Communication Systems (PACS) as they are installed in most hospitals for the exchange and long-term archival of patient images and image-related patient data. - For the integration of intraoperatively used CAS devices, such as, e.g., navigation systems, video image sources, or biosensors, the concept of a surgical middleware is presented. A c++ class library, the TiCoLi, is presented which facilitates the configuration of ad-hoc networks among the modules of a distributed CAS system as well as the exchange of data streams, singular data objects, and commands between these modules. The TiCoLi is the first software library for a surgical field of application to implement all of these services. To demonstrate the suitability of the presented specifications and their implementation, two modular CAS applications are presented which utilize the proposed DICOM extensions for perioperative exchange of surgical planning data as well as the TiCoLi for establishing an intraoperative network of autonomous, yet not independent, CAS modules.Die moderne Hochleistungschirurgie des 21. Jahrhunderts ist auf vielerlei Weise abhängig von Computern oder, im weiteren Sinne, der digitalen Datenverarbeitung. Administrative Abläufe, wie die Erstellung von Nutzungsplänen für die verfügbaren technischen, räumlichen und personellen Ressourcen, die Rechnungsstellung und - in zunehmendem Maße - die Verwaltung und Archivierung von Patientendaten werden mit Hilfe von digitalen Informationssystemen rationell und effizient durchgeführt. Innerhalb der Krankenhausinformationssysteme (KIS, oder englisch HIS) stehen für die speziellen Bedürfnisse der einzelnen Fachabteilungen oft spezifische Informationssysteme zur Verfügung. Chirurgieinformationssysteme (CIS, oder englisch SIS) decken hierbei vor allen Dingen die Bereiche Operationsplanung sowie Materialwirtschaft für spezifisch chirurgische Verbrauchsmaterialien ab. Während die genannten HIS und SIS vornehmlich der Optimierung administrativer Aufgaben dienen, stehen die Systeme der Computerassistierten Chirugie (CAS) wesentlich direkter im Dienste der eigentlichen chirugischen Behandlungsplanung und Therapie. Die CAS verwendet Methoden der Robotik, digitalen Bild- und Signalverarbeitung, künstlichen Intelligenz, numerischen Simulation, um nur einige zu nennen, zur patientenspezifischen Behandlungsplanung und zur intraoperativen Unterstützung des OP-Teams, allen voran des Chirurgen. Vor allen Dingen Fortschritte in der räumlichen Verfolgung von Werkzeugen und Patienten ("Tracking"), die Verfügbarkeit dreidimensionaler radiologischer Aufnahmen (CT, MRT, ...) und der Einsatz verschiedener Robotersysteme haben in den vergangenen Jahrzehnten den Einzug des Computers in den Operationssaal - medienwirksam - ermöglicht. Weniger prominent, jedoch keinesfalls von untergeordnetem praktischen Nutzen, sind Beispiele zur automatisierten Überwachung klinischer Messwerte, wie etwa Blutdruck oder Sauerstoffsättigung. Im Gegensatz zu den meist hochgradig verteilten und gut miteinander verwobenen Informationssystemen für die Krankenhausadministration und Patientendatenverwaltung, sind die Systeme der CAS heutzutage meist wenig oder überhaupt nicht miteinander und mit Hintergrundsdatenspeichern vernetzt. Eine Reihe wissenschaftlicher Publikationen und interdisziplinärer Workshops hat sich in den vergangen ein bis zwei Jahrzehnten mit den Problemen des Alltagseinsatzes von CAS Systemen befasst. Mit steigender Intensität wurde hierbei auf den Mangel an infrastrukturiellen Grundlagen für die Vernetzung intraoperativ eingesetzter CAS Systeme miteinander und mit den perioperativ eingesetzten Planungs-, Dokumentations- und Archivierungssystemen hingewiesen. Die sich daraus ergebenden negativen Einflüsse auf die Effizienz perioperativer Abläufe - jedes Gerät muss manuell in Betrieb genommen und mit den spezifischen Daten des nächsten Patienten gefüttert werden - sowie die zunehmende Aufmerksamkeit, welche der Operateur und sein Team auf die Überwachung und dem Betrieb der einzelnen Geräte verwenden muss, werden als eine der "Kinderkrankheiten" dieser relativ jungen Technologie betrachtet und stehen einer Verbreitung über die Grenzen einer engagierten technophilen Nutzergruppe hinaus im Wege. Die vorliegende Arbeit zeigt zwei parallel von einander (jedoch, im Sinne der Schnittstellenkompatibilität, nicht gänzlich unabhängig voneinander) zu betreibende Ansätze zur Integration von CAS Systemen. - Für den perioperativen Datenaustausch wird die Spezifikation zusätzlicher Datenstrukturen zum Transfer chirurgischer Planungsdaten im Rahmen des in radiologischen Bildverarbeitungssystemen weit verbreiteten DICOM Standards vorgeschlagen und an zwei Beispielen vorgeführt. Die Erweiterung des DICOM Standards für den perioperativen Einsatz ermöglicht hierbei die nahtlose Integration chirurgischer Planungssysteme in existierende "Picture Archiving and Communication Systems" (PACS), welche in den meisten Fällen auf dem DICOM Standard basieren oder zumindest damit kompatibel sind. Dadurch ist einerseits der Tatsache Rechnung getragen, dass die patientenspezifische OP-Planung in hohem Masse auf radiologischen Bildern basiert und andererseits sicher gestellt, dass die Planungsergebnisse entsprechend der geltenden Bestimmungen langfristig archiviert und gegen unbefugten Zugriff geschützt sind - PACS Server liefern hier bereits wohlerprobte Lösungen. - Für die integration intraoperativer CAS Systeme, wie etwa Navigationssysteme, Videobildquellen oder Sensoren zur Überwachung der Vitalparameter, wird das Konzept einer "chirurgischen Middleware" vorgestellt. Unter dem Namen TiCoLi wurde eine c++ Klassenbibliothek entwickelt, auf deren Grundlage die Konfiguration von ad-hoc Netzwerken während der OP-Vorbereitung mittels plug-and-play Mechanismen erleichtert wird. Nach erfolgter Konfiguration ermöglicht die TiCoLi den Austausch kontinuierlicher Datenströme sowie einzelner Datenpakete und Kommandos zwischen den Modulen einer verteilten CAS Anwendung durch ein Ethernet-basiertes Netzwerk. Die TiCoLi ist die erste frei verfügbare Klassenbibliothek welche diese Funktionalitäten dediziert für einen Einsatz im chirurgischen Umfeld vereinigt. Zum Nachweis der Tauglichkeit der gezeigten Spezifikationen und deren Implementierungen, werden zwei modulare CAS Anwendungen präsentiert, welche die vorgeschlagenen DICOM Erweiterungen zum perioperativen Austausch von Planungsergebnissen sowie die TiCoLi zum intraoperativen Datenaustausch von Messdaten unter echzeitnahen Anforderungen verwenden