Search

Graph modification problems play important role in both structural and algorithmic graph theory. These problems have been studied for decades and find a large number of practical applications in several different fields in real world. In this thesis, we study a famous edge deletion problem, known under the terms Cluster Deletion or P_3-free Edge Deletion, and we consider an edge labeling scheme that characterizes social networks in terms of an edge deletion problem, known as MaxSTC. Both problems are known to be NP-hard. We provide the first computational results of MaxSTC and we determine the computational complexity of Cluster Deletion on particular graph classes. Moreover, we generalize the MaxSTC problem and propose a relaxation of the classical F-free Edge Deletion problem that we call Strong F-Closure. We study Strong F-Closure from the parameterized perspective and provide computational results with various natural parameterizations. Τα προβλήματα επεξεργασίας γραφημάτων παίζουν σημαντικό ρόλο τόσο στην δομική όσο και στην αλγοριθμική θεωρία γραφημάτων. Τα προβλήματα αυτά έχουν μελετηθεί για δεκαετίες και βρίσκουν πρακτικές εφαρμογές σε σημαντικές περιοχές έρευνας. Σε αυτήν την διατριβή μελετάμε ένα κλασικό πρόβλημα επεξεργασίας ακμών, γνωστό ως Cluster Deletion ή P_3-free Edge Deletion, και εξετάζουμε έναν κανόνα επιγραφής ακμών ο οποίος χαρακτηρίζει τα κοινωνικά δίκτυα, ως ένα πρόβλημα διαγραφής ακμών, γνωστό ως MaxSTC. Τα δύο αυτά προβλήματα είναι γνωστό ότι είναι ΝΡ-δύσκολα. Παρέχουμε τα πρώτα υπολογιστικά αποτελέσματα για το MaxSTC και καθορίζουμε την υπολογιστική πολυπλοκότητα για το Cluster Deletion σε κλάσεις γραφημάτων. Επιπλέον, γενικεύουμε το πρόβλημα MaxSTC προτείνοντας μία "χαλάρωση1’ του κλασικού προβλήματος επεξεργασίας ακμών F-free Edge Deletion, το οποίο καλούμε Strong F-Closure. Μελετάμε το πρόβλημα Strong F-Closure από την σκοπιά της παραμετρικής πολυπλοκότητας και παρέχουμε τα πρώτα υπολογιστικά αποτελέσματα υπό διαφορετικούς παραμέτρους. 170 σ.

Στην παρούσα μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία μελετήθηκε το πρόβλημα Δρομολόγησης Στόλου Οχημάτων με Παράθυρα Χρόνου (VRPTW) κάτω από ένα φιλικό προς το περιβάλλον πρίσμα που απαιτεί την δημιουργία ισορροπημένων και συμπαγών συστάδων. Παρουσιάζεται μια νέα ευρετική προσέγγιση που αποτελείται από τρεις φάσεις: (i) συσταδοποίηση των πελατών με συμβατά παράθυρα χρόνου, (ii) συσταδοποίηση των πελατών που βρίσκονται γεωγραφικά κοντά χρησιμοποιώντας διάφορες μεθόδους (φυσικές αποκοπές, KaHIP, τετραδικά δένδρα), (iii) μια φάση εκλέπτυνσης που είτε χωρίζει μια συστάδα σε μικρότερες, είτε συγχωνεύει συστάδες δημιουργώντας μια συμπαγή μεγαλύτερη συστάδα. Η νέα προσέγγιση αποδίδει πολύ καλά όταν χρησιμοποιείται σε δυναμικά σενάρια στα οποία ζητούνται αλλαγές στην αρχικά υπολογισμένη διαδρομή (προσθήκη μιας νέας παραγγελίας ή ακύρωση κάποιας παραγγελίας). Η νέα μέθοδος αποτελεί ένα πολύ καλό σημείο εκκίνησης για επανεξέταση και περαιτέρω βελτιστοποίηση της λύσης του προβλήματος Δρομολόγησης Στόλου Οχημάτων με Παράθυρα Χρόνου. Πειράματα που έγιναν με πραγματικά σύνολα δεδομένων δείχνουν ότι η νέα προσέγγιση υπερέχει σε σχέση με τις συνήθεις προσεγγίσεις που ξεκινούν από μία βασική λύση. We investigate the Vehicle Routing Problem with Time Windows (VRPTW) under a new approach, consisting of three major phases: (i) a first clustering of customers with compatible time windows; (ii) a second clustering of customers with close geographic proximity based on various methods (natural cuts, KaHIP, quad trees); (iii) a refinement phase that either splits a cluster into smaller ones, or merges clusters to form a bigger compact cluster. Our approach turns out to be beneficial when used in an on-line environment, where changes to the initial tour are requested (add a new customer to the tour or drop some customers). The new method serves as a warm starting point for re-evaluating and further optimizing the solution of VRPTW. Experiments with real data sets demonstrate that our approach compares favorably with standard approaches that start from a basic (cold) solution.

Στη παρούσα διπλωματική εργασία ασχολούμαστε με την αποδοτική επίλυση ταινιακών και γενικών, αραιών γραμμικών συστημάτων σε παράλληλες αρχιτεκτονικές μέσω της οικογένειας αλγορίθμων Spike. Ζητούμενο είναι η βελτίωση (μείωση) του χρόνου επίλυσης μέσω τεχνικών επίλυσης γραμμικών συστημάτων με πολλά δεξιά μέλη. Πιο συγκεκριμένα, επικεντρωνόμαστε στην επίλυση της εξίσωσης μητρώου $AX=F$ (1) όπου $A\in \mathbb{R}^{n\times n}$ είναι το μητρώο συντελεστών και το οποίο είναι αραιό ή/και ταινιακό, $F\in \mathbb{R}^{n\times s}$ είναι ένα μητρώο με $s$ στήλες το οποίο ονομάζεται μητρώο δεξιών μελών και $X\in \mathbb{R}^{n\times s}$ είναι η λύση του συστήματος. Μια σημαντική μέθοδος για την παράλληλη επίλυση της παραπάνω εξίσωσης, είναι η μέθοδος Spike και οι παραλλαγές της. Η μέθοδος Spike βασίζεται στη τεχνική διαίρει και βασίλευε και αποτελείται από δυο φάσεις: α) επίλυση ανεξάρτητων υπο-προβλημάτων τοπικά σε κάθε επεξεργαστή, και β) επίλυση ενός πολύ μικρότερου προβλήματος το οποίο απαιτεί επικοινωνία μεταξύ των επεξεργαστών. Οι δύο φάσεις συνδυάζονται ώστε να παραχθεί η τελική λύση $X$. Η συνεισφορά της διπλωματικής εργασίας έγκειται στην επιτάχυνση της οικογένειας αλγορίθμων Spike για την επίλυση της εξίσωσης (1) μέσω της μελέτης, το σχεδιασμό και την υλοποίηση νέων, περισσότερο αποδοτικών αλγοριθμικών σχημάτων τα οποία βασίζονται σε τεχνικές επίλυσης γραμμικών συστημάτων με πολλά δεξιά μέλη. Αυτά τα νέα αλγοριθμικά σχήματα έχουν ως στόχο τη βελτίωση του χρόνου επίλυσης των γραμμικών συστημάτων καθώς και άλλα οφέλη όπως η αποδοτικότερη χρήση μνήμης. In this thesis we focus on the efficient solution of general banded and general sparse linear systems on parallel architectures by exploiting the Spike family of algorithms. The equation of interest can be written in matrix form as $ AX = F $ (1) where $ A \ in \ mathbb {R} ^ {n \ times n} $ is the coefficient matrix, which is also sparse and / or banded, $ F \ in \ mathbb {R} ^ {n \ times s} $ is a matrix with $ s $ columns called matrix of the right hand sides and $ X \ in \ mathbb {R} ^ {n \ times s} $ is the solution of the system. An important method for the parallel solution of the above equation, is the Spike method and its variants. The Spike method is based on the divide and conquer technique and consists of two phases: a) solution of local, independent sub-problems in each processor, and b) solution of a much smaller problem which requires communication among the processors. The two phases are combined to produce the final solution $ X $. The contribution of this thesis is the acceleration of the Spike method for the solution of the matrix equation in (1) by studying, designing and implementing new, more efficient algorithmic schemes which are based on techniques used for the effective solution of linear systems with multiple right hand sides. These new algorithmic schemes were designed to improve the solving time of the linear systems as well as to provide other benefits such as more efficient use of memory.

Η διπλωµατική εργασία αποτελεί συνέχεια της µελέτης προβληµάτων χρονοπρογραµµατισµού µε αυστηρές προθεσµίες που ξεκίνησε η Αµαλία Στούµπου στην δικιά της διπλωµατική εργασία µε όνοµα "Προβλήµατα Επιτάχυνσης ∆ιεργασιών σε Grid Computing: Αλγόριθµοι και Πολυπλοκότητα". Εξετάζονται προβλήµατα δροµολόγησης διεργασιών σε περισσότερους από έναν, ίδιους µεταξύ τους, επεξεργαστές. ∆ίνονται αλγόριθµοι που λύνουν το πρόβληµα ελαχιστοποίησης του συνολικού χρόνου εκτέλεσης, µε αυστηρές προθεσµίες, αρχικά για 2 και στη συνέχεια για m επεξεργαστές. Οι αλγόριθµοι αυτοί έχουν ψευδοπολυωνυµική πολυπλοκότητα. Στη συνέχεια εξετάζονται προβλήµατα δροµολόγησης και επιτάχυνσης διεργασιών µε ίδιο χρόνο εκτέλεσης, σε περιβάλλοντα µε ίδιους µεταξύ τους επεξεργαστές και δίνονται πολυωνυµικοί αλγόριθµοι που τα λύνουν. Τέλος αναφέρονται συνοπτικά ορισµένα προβλήµατα του ευρύτερου χώρου προϐληµάτων χρονοπρογραµµατισµού που µπορούν να προσεγγιστούν ή να λυθούν µε τεχνικές που εφαρµόστηκαν για τη λύση των προηγούµενων προβληµάτων που αναφέρθηκαν. This thesis is a continuation of the study of scheduling problems with strict deadlines that begun in the thesis "Προβλήµατα Επιτάχυνσης ∆ιεργασιών σε Grid Computing : Αλγόριθµοι και Πολυπλοκότητα" by Amalia Stoumpou. We study scheduling problems on more than one parallel processors. Algorithms are given that solve the problem of minimizing the makespan with strict deadlines, first for 2 and then for m processors. These algorithms are pseudopolynomial in complexity. We also study problems of scheduling and speedup of processes with the same execution time in parallel processor environments and we give pseudopolynomial algorithms that solve them. Finally, we mention briefly other problems that can be solved or approached using the techniques that we applied to solve the previous problems.

Στην παρούσα διατριβή μελετάμε αγορές δημοπρασιών και εξετάζουμε διάφορες ιδιότητές τους καθώς και τον τρόπο που αυτές επηρεάζονται από τον τρόπο που συμπεριφέρονται και δρουν οι συμμετέχοντες. Η έννοια δημοπρασία αναφέρεται σε κάθε μηχανισμό, ή σύνολο κανόνων, που διέπει μια διαδικασία ανάθεσης αγαθών. Τέτοιοι μηχανισμοί είναι επιρρεπείς σε στρατηγικούς χειρισμούς (χειραγώγηση) από τους συμμετέχοντες, γεγονός που δικαιολογεί την έμφυτη δυσκολία στον σχεδιασμό τους. Σκοπός αυτής της εργασίας είναι η μελέτη σε θεωρητικό επίπεδο των ιδιοτήτων μηχανισμών δημοπρασίας έτσι ώστε να είμαστε σε θέση να προβλέψουμε, να εξηγήσουμε, ακόμα και να τροποποιήσουμε την απόδοσή τους στην πράξη. Εστιάζουμε την προσοχή μας σε δημοπρασίες χρηματοδοτούμενης αναζήτησης, οι οποίες αποτελούν την επικρατέστερη διαδικασία για την προβολή διαφημίσεων στο Διαδίκτυο. Υιοθετούμε παιγνιοθεωρητική προσέγγιση και υπολογίζουμε το Τίμημα της Αναρχίας για να φράξουμε την απώλεια αποδοτικότητας εξαιτίας της στρατηγικής συμπεριφοράς των παιχτών. Επίσης, αποδεικνύουμε εγγυήσεις εσόδων για να φράξουμε την απώλεια των εσόδων του μηχανισμού δημοπρασίας GSP (γενικευμένος μηχανισμός δεύτερης τιμής) σε αυτό το πλαίσιο. Για την ακρίβεια, ορίζουμε παραλλαγές του μηχανισμού δημοπρασίας GSP που δίνουν καλές εγγυήσεις εσόδων. Στη συνέχεια εξετάζουμε το πρόβλημα του σχεδιασμού της βέλτιστης δημοπρασίας ενός αντικειμένου. Αποδεικνύουμε ένα υπολογίσιμο φράγμα δυσκολίας στην προσέγγιση για την περίπτωση με τρεις παίχτες. Επίσης, αποδεικνύουμε ότι υπάρχει αξιοσημείωτη διαφορά ανάμεσα στα έσοδα που προκύπτουν από ντετερμινιστικούς φιλαλήθεις μηχανισμούς και πιθανοτικούς μηχανισμούς που είναι φιλαλήθεις κατά μέσο όρο. In this dissertation we consider auction markets and examine their properties and how these are affected by the way the participants act. An auction may refer to any mechanism or set of rules governing a resource allocation process. Designing such a mechanism is not an easy task and this is partly due to their vulnerability to strategic manipulation by the participants. Our goal is to examine the theoretical properties of auction mechanisms in order to predict, explain, or even adjust their behavior in practice in terms of some desired features. We focus on sponsored search auctions, which constitute the leading procedure in Internet advertising. We adopt a game-theoretic approach and provide Price of Anarchy bounds in order to measure the efficiency loss due to the strategic behavior of the players. Moreover, we prove revenue guarantees to bound the suboptimality of GSP (generalized second price mechanism) in that respect. Ιn particular, we define variants of the GSP auction mechanism that yield good revenue guarantees. We also consider the problem of designing an optimal auction in the single-item setting. We prove a strong APX-hardness result that applies to the 3-player case. We furthermore give a separation result between the revenue of deterministic and randomized optimal auctions.

This doctoral thesis approaches the problem of designing versatile architectures for cryptographic hardware. By the term versatile we define hardware architectures capable of supporting a variety of arithmetic operations and algorithms useful in cryptography, with no need to reconfigure the internal interconnections of the integrated circuit. A versatile architecture could offer considerable benefits to the end-user. By embedding a variety of crucial operations in a common architecture, the user is able to switch seamlessly the underlying cryptographic protocols, which not only gives an added value in the design from flexibility but also from practicality point of view. The total cost of a cryptographic application can be also benefited; assuming a versatile integrated circuit which requires no additional circuitry for other vital operations (for example input–output converters) it is easy to deduce that the total cost of development and fabrication of these extra components is eliminated, thus reducing the total production cost. We follow a systematic approach for developing and presenting the proposed versatile architectures. First, an in-depth analysis of the algorithms of interest is carried out, in order to identify new research areas and weaknesses of existing solutions. The proposed algorithms and architectures operate on Galois Fields GF of the form GF(p) for integers and GF(2^n) for polynomials. Alternative number representation systems such as Residue Number System (RNS) for integers and Polynomial Residue Number System (PRNS) for polynomials are employed. The mathematical validity of the proposed algorithms and the applicability of RNS and PRNS in the context of cryptographic algorithms is also presented. The derived algorithms are decomposed in a way that versatile structures can be formulated and the corresponding hardware is developed and evaluated. New cryptanalytic properties of the proposed algorithms against certain types of attacks are also highlighted. Furthermore, we try to approach a fundamental problem in Very Large Scale Integration (VLSI) design, that is the problem of evaluating and comparing architectures using models independent from the underlying fabrication technology. We also provide generic methods to evaluate the optimal operation parameters of the proposed architectures and methods to optimize the proposed architectures in terms of speed, area, and area x speed product, based on the needs of the underlying application. The proposed methodologies can be expanded to include applications other than cryptography. Finally, novel algorithms based on new mathematical and design problems for the crucial operation of modular multiplication are presented. The new algorithms preserve the versatile characteristics discussed previously and it is proved that, along with existing algorithms in the literature, they may forma large family of algorithms applicable in cryptography, unified under the common frame of the proposed versatile architectures. Η παρούσα διατριβή άπτεται του θέματος της ανάπτυξης ευέλικτων αρχιτεκτονικών κρυπτογραφίας σε ολοκληρωμένα κυκλώματα υψηλής ολοκλήρωσης (VLSI). Με τον όρο ευέλικτες ορίζονται οι αρχιτεκτονικές που δύνανται να υλοποιούν πλήθος βασικών αριθμητικών πράξεων για την εκτέλεση κρυπτογραφικών αλγορίθμων, χωρίς την ανάγκη επαναπροσδιορισμού των εσωτερικών διατάξεων στο ολοκληρωμένο κύκλωμα. Η χρήση ευέλικτων αρχιτεκτονικών παρέχει πολλαπλά οφέλη στο χρήστη. Η ενσωμάτωση κρίσιμων πράξεων απαραίτητων στη κρυπτογραφία σε μια κοινή αρχιτεκτονική δίνει τη δυνατότητα στο χρήστη να εναλλάσσει το υποστηριζόμενο κρυπτογραφικό πρωτόκολλο, εισάγοντας έτσι χαρακτηριστικά ευελιξίας και πρακτικότητας, χωρίς επιπρόσθετη επιβάρυνση του συστήματος σε υλικό. Αξίζει να σημειωθεί πως οι εναλλαγές αυτές δεν απαιτούν τη παρέμβαση του χρήστη. Σημαντική είναι η συνεισφορά μιας ευέλικτης αρχιτεκτονικής και στο κόστος μιας εφαρμογής. Αναλογιζόμενοι ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα που μπορεί να υλοποιεί αυτόνομα όλες τις απαραίτητες πράξεις ενός αλγόριθμου χωρίς την εξάρτηση από εξωτερικά υποσυστήματα (π.χ. μετατροπείς εισόδου–εξόδου), είναι εύκολο να αντιληφθούμε πως το τελικό κόστος της εκάστοτε εφαρμογής μειώνεται σημαντικά καθώς μειώνονται οι ανάγκες υλοποίησης και διασύνδεσης επιπρόσθετων υποσυστημάτων στο ολοκληρωμένο κύκλωμα. Η ανάπτυξη των προτεινόμενων αρχιτεκτονικών ακολουθεί μια δομημένη προσέγγιση. Διενεργείται εκτενής μελέτη για τον προσδιορισμό γόνιμων ερευνητικών περιοχών και εντοπίζονται προβλήματα και δυνατότητες βελτιστοποίησης υπαρχουσών κρυπτογραφικών λύσεων. Οι νέοι αλγόριθμοι που αναπτύσσονται αφορούν τα Galois πεδία GF(p) και GF(2^n) και χρησιμοποιούν εναλλακτικές αριθμητικές αναπαράστασης δεδομένων όπως το αριθμητικό σύστημα υπολοίπων (Residue Number System (RNS)) για ακέραιους αριθμούς και το πολυωνυμικό αριθμητικό σύστημα υπολοίπων (Polynomial Residue Number System (PRNS)) για πολυώνυμα. Αποδεικνύεται η μαθηματική τους ορθότητα και βελτιστοποιούνται κατά τέτοιο τρόπο ώστε να σχηματίζουν ευέλικτες δομές. Αναπτύσσεται το κατάλληλο υλικό (hardware) και διενεργείται μελέτη χρήσιμων ιδιοτήτων των νέων αλγορίθμων, όπως για παράδειγμα νέες κρυπταναλυτικές ιδιότητες. Επιπρόσθετα, προσεγγίζουμε στα πλαίσια της διατριβής ένα βασικό πρόβλημα της επιστήμης σχεδιασμού ολοκληρωμένων συστημάτων μεγάλης κλίμακας (Very Large Scale Integration (VLSI)). Συγκεκριμένα, προτείνονται μέθοδοι σύγκρισης αρχιτεκτονικών ανεξαρτήτως τεχνολογίας καθώς και τρόποι εύρεσης των βέλτιστων συνθηκών λειτουργίας των προτεινόμενων αρχιτεκτονικών. Οι μέθοδοι αυτές επιτρέπουν στον σχεδιαστή να παραμετροποιήσει τις προτεινόμενες αρχιτεκτονικές με βάση τη ταχύτητα, επιφάνεια, ή το γινόμενο ταχύτητα x επιφάνεια. Οι προτεινόμενες μεθοδολογίες μπορούν εύκολα να επεκταθούν και σε άλλες εφαρμογές πέραν της κρυπτογραφίας. Τέλος, προτείνονται νέοι αλγόριθμοι για τη σημαντικότατη για την κρυπτογραφία πράξη του πολλαπλασιασμού με υπόλοιπα. Οι νέοι αλγόριθμοι ενσωματώνουν από τη μία τις ιδέες των ευέλικτων δομών, από την άλλη όμως βασίζονται σε νέες ιδέες και μαθηματικά προβλήματα τα οποία προσπαθούμε να προσεγγίσουμε και να επιλύσουμε. Αποδεικνύεται πως είναι δυνατή η ενοποίηση μιας μεγάλης οικογένειας αλγορίθμων για χρήση στην κρυπτογραφία, υπό τη στέγη των προτεινόμενων μεθοδολογιών για ευέλικτο σχεδιασμό.

Το πρόβλημα εύρεσης συντομότερων διαδρομών είναι ένα από τα πιο θεμελιώδη προβλήματα μονοκριτηριακής βελτιστοποίησης σε δίκτυα. Σε αυτό το πρόβλημα αναζητείται η συντομότερη διαδρομή μεταξύ δύο δεδομένων σημείων ελαχιστοποιώντας ένα κριτήριο κόστους. Σε πολλές εφαρμογές ωστόσο, μας ενδιαφέρουν περισσότερα από ένα κριτήρια προς βελτιστοποίηση. Για παράδειγμα, στην εύρεση διαδρομών σε ένα οδικό δίκτυο με διόδια, μας ενδιαφέρει εκτός από την διανυμένη απόσταση και η ελαχιστοποίηση του χρόνου και του κόστους. Παρόμοια παραδείγματα βρίσκουμε και στον χώρο των δικτύων τηλεπικοινωνιών, όπου εξετάζονται κριτήρια όπως η καθυστέρηση, η πιθανότητα λάθους, ο αριθμός συνδέσμων και άλλα. Σε αυτές τις περιπτώσεις η καλύτερη λύση δεν μπορεί να οριστεί με μονοσήμαντο τρόπο, και συνεπώς καταφεύγουμε σε αντισταθμίσεις μεταξύ των παραγόντων, που είναι γνωστές ως σύνολο λύσεων κατά Pareto. Παρόλο που για το πρόβλημα μονοκριτηριακής εύρεσης συντομότερων διαδρομών υπάρχουν πολλοί αποδοτικοί αλγόριθμοι για την επίλυση του προβλήματος, το αντίστοιχο πολυκριτηριακό πρόβλημα είναι πολύ πιο σύνθετο. Μέχρι τώρα, αυτό το πρόβλημα έχει αποδειχθεί ότι είναι NP-πλήρες. Επιπλέον, έχει αποδειχθεί ότι το πλήθος των λύσεων σε αυτό το πρόβλημα αυξάνεται εκθετικά σε σχέση με το μέγεθος της εισόδου. Υπάρχουν δύο βασικές προσεγγίσεις επίλυσης τέτοιων προβλημάτων, όπου εξετάζονται πολλαπλά κριτήρια. α) Η πρώτη μέθοδος βρίσκει προσεγγιστικές λύσης κατά έναν ορισμένο παράγοντα. Οι προσεγγιστικές μέθοδοι δεν βρίσκουν απαραίτητα ακριβείς λύσεις, αλλά είναι σχετικά γρήγορες και προσφέρουν εγγύηση για το ποσοστό απόκλισης από την βέλτιστη λύση. β) Η δεύτερη μέθοδος χρησιμοποιεί ευρετικές βελτιώσεις για να επιταχύνει τους ήδη υπάρχοντες αλγορίθμους. Τέτοιες τεχνικές βρίσκουν ακριβείς λύσεις, και το ζητούμενο είναι να επιτευχθεί μια πολύ καλή χρονική απόδοση. Στην παρούσα διπλωματική εργασία επικεντρωνόμαστε στην δεύτερη μέθοδο, υποκινούμενοι από την μεγάλη ζήτηση πρακτικών εφαρμογών για εύρεση αποτελεσματικής και ακριβούς λύσης του προβλήματος συντομότερων διαδρομών υπό πολλαπλά κριτήρια. Πιο συγκεκριμένα, στην εργασία αυτή παρουσιάζουμε ένα ενοποιημένο πλαίσιο για την αποδοτική επίλυση αυτών των προβλημάτων. Προτείνουμε νέες μεθόδους ή βελτιώσεις των υπαρχόντων. Υλοποιήσαμε τις μεθόδους που παρουσιάζουμε συνοδεύοντάς τις με μια εκτενή πειραματική μελέτη πάνω σε δίκτυα ευρείας κλίμακας. We present new implementations of heuristic algorithms for the solution of the multiobjective shortest path problem, using a new graph structure specifically suited for large scale road networks. We enhance the heuristics with further optimizations and experimentally evaluate the performance of our enhanced implementation on real world road networks achieving 10 times better performance with respect to the best previous study.

Στην διπλωματική εργασία παρουσιάζεται μια νέα δομή δεδομένων ειδικά σχεδιασμένη για δίκτυα μεταφορών ευρείας κλίμακας τα οποία αλλάζουν δυναμικά. Η νέα δομή δεδομένων γραφημάτων μας παρέχει ταυτόχρονα τρία μοναδικά χαρακτηρισ τικά: 1. Σύμπτυξη(Compactness): ικανότητα να προσπελάσει αποδοτικά διαδοχικές κορυφές και ακμές, μια απαίτηση όλων των αλγορίθμων γραφημάτων). 2. Ευκινησία (Agility): ικανότητα να αλλάξει και να ρυθμίσει εξαρχής την εσωτερική της διάταξη με σκοπό να βελτιώσει την τοπικότητα των αναφορών των στοιχείων, σύμφωνα με έναν δεδομένο αλγόριθμο. 3. Δυναμικότητα (Dynamicity): ικανότητα να ενθέσει ή να διαγράψει αποδοτικά κορυφές και ακμές. Όλες οι προηγούμενες γνωστές δομές γραφημάτων δεν υποστήριζαν τουλάχιστον ένα από τα προηγούμενα χαρακτηριστικά ή/και δεν μπορούσαν να εφαρμοστούν σε δυναμικά δίκτυα μεταφορών ευρείας κλίμακας. Σε αυτή τη διπλωματική εργασία, παρουσιάζεται η πρακτικότητα της νέας δομής γραφημάτων εκτελώντας μια εκτενή πειραματική μελέτη για δρομολόγηση συντομότερων διαδρομών σε Ευρωπαϊκά οδικά δίκτυα ευρείας κλίμακας με μερικές δεκάδες εκατομμύρια κορυφές και ακμές. Χρησιμοποιώντας κλασικούς αλγόριθμους εύρεσης συντομότερων διαδρομών, επιτυγχάνονται εύκολα χρόνοι ερωτημάτων από μια αρχική κορυφή σε μια τελική κορυφή της τάξης των milliseconds, ενώ η νέα δομή γραφημάτων μας μπορεί να ενημερωθεί σε μόλις μερικά microseconds μετά από μια ένθεση ή διαγραφή μιας κορυφής ή ακμής. We present a new graph data structure specifically suited for large scale transportation networks in dynamic scenario. Our graph data structure provides tree unique characteristics, namely compactness, agility and dynamicity. All previous data structures were lacking support in at least one of the aforementioned characteristics. We demonstrate the practicality of the new graph data structure by conducting experiments on large scale European road networks, achieving query times of classical routing algorithms in the order of milliseconds and update times in the order of a few microseconds.

Είναι ευρέως αποδεκτό ότι η ασφάλεια δεδομένων έχει ήδη ξεκινήσει να διαδραματίζει κεντρικό ρόλο στον σχεδιασμό μελλοντικών συστημάτων τεχνολογίας πληροφορίας (IT – Information Technology). Μέχρι πριν από λίγα χρόνια, ο υπολογιστής αποτελούσε την κινητήρια δύναμη της ψηφιακής επικοινωνίας. Πρόσφατα, ωστόσο, έχει γίνει μια μετατόπιση προς τις εφαρμογές τεχνολογίας πληροφορίας που υλοποιούνται σαν ενσωματωμένα συστήματα. Πολλές από αυτές τις εφαρμογές στηρίζονται σε μεγάλο βαθμό σε μηχανισμούς ασφαλείας, περιλαμβάνοντας την ασφάλειας για ασύρματα τηλέφωνα, φαξ, φορητούς υπολογιστές, συνδρομητική τηλεόραση, καθώς και συστήματα προστασίας από αντιγραφή για audio / video καταναλωτικά προϊόντα και ψηφιακούς κινηματογράφους. Το γεγονός ότι ένα μεγάλο μέρος των ενσωματωμένων εφαρμογών είναι ασύρματο, καθιστά το κανάλι επικοινωνίας ιδιαίτερα ευάλωτο και φέρνει στο προσκήνιο την ανάγκη για ακόμη μεγαλύτερη ασφάλεια. Παράλληλα με τα ενσωματωμένα συστήματα, η εκρηκτική ανάπτυξη των ψηφιακών επικοινωνιών έχει επιφέρει πρόσθετες προκλήσεις για την ασφάλεια. Εκατομμύρια ηλεκτρονικές συναλλαγές πραγματοποιούνται κάθε μέρα, και η ταχεία ανάπτυξη του ηλεκτρονικού εμπορίου κατέστησε την ασφάλεια ένα θέμα ζωτικής σημασίας για πολλές καταναλωτές. Πολύτιμες επιχειρηματικές ευκαιρίες , καθώς επίσης και πολλές υπηρεσίες πραγματοποιούνται κάθε μέρα μέσω του Διαδικτύου και πλήθος ευαίσθητων δεδομένων μεταφέρονται από ανασφαλή κανάλια επικοινωνίας σε όλο τον κόσμο. Η επιτακτική ανάγκη για την αντιμετώπιση αυτών των προβλημάτων, κατέστησε πολύ σημαντική την συμβολή της κρυπτογραφίας, και δημιούργησε μια πολύ υποσχόμενη λύση, με την οποία ενσωματωμένα συστήματα σε συνδυασμό με κρυπτογραφικά πρωτόκολλα, θα μπορούσαν να μας οδηγήσουν στην εξασφάλιση των επιθυμητών αποτελεσμάτων. Στην παρούσα εργασία, παρουσιάζουμε την υλοποίηση ενός ενσωματωμένου συστήματος, εμπλουτισμένο με κρυπτογραφικά πρωτόκολλα, που ουσιαστικά μεταμορφώνει έναν κοινό ηλεκτρονικό υπολογιστή σε ένα ισχυρό Crypto System PC, και έχει σαν κύρια αρμοδιότητα να μπορεί να επικοινωνεί με ένα υπολογιστικό σύστημα και να στέλνει πληροφορίες για την κατάσταση του μέσω ασφαλούς σύνδεσης διαδικτύου σε κάποιον απομακρυσμένο υπολογιστή ελέγχου/καταγραφής συμβάντων σε ώρες που δεν είναι εφικτή η παρουσία εξειδικευμένου προσωπικού για τον έλεγχο του. Αξιολογούμε την απόδοση του και την λειτουργία του με την εκτέλεση διάφορων πειραμάτων, ενώ επίσης προτείνουμε λύσεις για πιο ιδανικές και αποδοτικές συνθήκες λειτουργίας για μελλοντικές εφαρμογές. It is widely recognized that data security already plays a central role in the design of future IT systems.Until a few years ago, the PC had been the major driver of the digital economy. Recently, however, there has been a shift towards IT applications realized as embedded systems.Many of those applications rely heavily on security mechanisms, including security for wireless phones, faxes, wireless computing, pay-TV, and copy protection schemes for audio/video consumer products and digital cinemas. Note that a large share of those embedded applications will be wireless, which makes the communication channel especially vulnerable and the need for security even more obvious. In addition to embedded devices, the explosive growth of digital communications also brings additional security challenges. Millions of electronic transactions are completed each day, and the rapid growth of eCommerce has made security a vital issue for many consumers. Valuable business opportunities are realized over the Internet and megabytes of sensitive data are transferred and moved over insecure communication channels around the world. The urgent need to face these problems has made the contribution of cryptography very important , and created a very promising solution, in which embedded systems in combination with cryptographic protocols, could lead us to obtain the desired results. In this paper, we present the implementation of an embedded system, enriched with cryptographic protocols, which turns a common computer into a powerful Crypto System PC, and has as its primary responsibility to be able to communicate with a computer system and send information for its situation through secure internet connections to a remote computer which is responsible for recording of events, when there is not qualified staff to control the computer system. We evalauate its performance and operation, by executing various experiments and we also suggest solutions for more optimal and efficient operating conditions for future applications.

Τα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων (ΑΔΑ) αποτελούν μία αρκετά πρόσφατη και πολλά υποσχόμενη νέα τεχνολογία που βρίσκει πληθώρα εφαρμογών. Λόγω της ευρύτατης εφαρμοσιμότητάς της και της προφανούς θέσης που βρίσκει στο σύγχρονο κατανεμημένο υπολογιστικό κόσμο, η επιστημονική τυπική θεμελίωση των νόμων που διέπουν αυτή τη νέα τεχνολογία καθίσταται απαραίτητη. Έτσι, έχουν προταθεί πολλά νέα υπολογιστικά μοντέλα για ΑΔΑ. Μία ειδική κατηγορία τέτοιων συστημάτων είναι τα Πρωτόκολλα Πληθυσμών (ΠΠ). Αυτά διέπονται από τρία ιδιαίτερα χαρακτηριστικά: Οι κόμβοι αίσθησης (πράκτορες) κινούνται παθητικά, δηλαδή δε μπορούν να ελέγξουν την κίνηση στην οποία υπόκεινται, η διαθέσιμη μνήμη κάθε κόμβου είναι πολύ περιορισμένη και οι πράκτορες αλληλεπιδρούν κατά ζεύγη. Έχει αποδειχθεί ότι ένα κατηγόρημα είναι υπολογίσιμο από το μοντέλο των ΠΠ εάν και μόνο εάν είναι ημιγραμμικό. Η κλάση των ημιγραμμικών κατηγορημάτων αποτελεί μία αρκετά μικρή κλάση. Στην παρούσα εργασία, βασικός μας στόχος είναι η επέκταση του μοντέλου των πρωτοκόλλων πληθυσμών με σκοπό το κέρδος σε υπολογιστική ισχύ. Πρώτα κάνουμε την παραδοχή ότι, πέρα των κόμβων αίσθησης, και οι ακμές του γραφήματος μπορούν να διατηρούν περιορισμένες καταστάσεις. Έτσι, σε ένα πλήρες γράφημα n κόμβων είναι σα να έχουμε προσθέσει Ο(n^2) επιπλέον θέσεις μνήμης οι οποίες διαβάζονται και γράφονται μόνο από τα άκρα της αντίστοιχης ακμής. Αποδεικνύουμε ότι το νέο μοντέλο, το οποίο καλούμε μοντέλο Πρωτοκόλλων Πληθυσμών με Διαμεσολαβητή, μπορεί να λειτουργήσει ως μία κατανεμημένη ανταιτιοκρατική μηχανή Turing (ΜΤ) που χρησιμοποιεί όλη τη διαθέσιμη μνήμη. Η μόνη διαφορά από μία συνήθη ΜΤ είναι ότι η συγκεκριμένη μηχανή υπολογίζει μόνο συμμετρικές γλώσσες. Πιο τυπικά, δείχνουμε ότι ένα κατηγόρημα είναι υπολογίσιμο από το νέο μοντέλο εάν και μόνο εάν είναι συμμετρικό και ανήκει στην NSPACE(n^2). Επιπλέον, μελετάμε και τη δυνατότητα του νέου μοντέλου να διαγιγνώσκει γλώσσες γραφημάτων (για γενικά γραφήματα). Εν συνεχεία, αγνοούμε τις καταστάσεις των ακμών και δίνουμε μία νέα βελτίωση και πάλι απευθείας απ' το μοντέλο των ΠΠ. Η υπόθεση που κάνουμε τώρα είναι ότι οι πράκτορες είναι πολυταινιακές ΜΤ με άπειρη μνήμη, που μπορούν τόσο να εκτελούν εσωτερικό υπολογισμό όσο και να αλληλεπιδρούν με άλλους πράκτορες και ορίζουμε χωρικά φραγμένους υπολογισμούς. Καλούμε το νέο αυτό μοντέλο, μοντέλο Παθητικά κινούμενων Μηχανών. Αποδεικνύουμε ότι αν χρησιμοποιείται σε κάθε πράκτορα μνήμη το πολύ f(n) για f(n)=Ω(log n) τότε ένα κατηγόρημα είναι υπολογίσιμο από το νέο μοντέλο εάν και μόνο εάν είναι συμμετρικό και ανήκει στην NSPACE(nf(n)). Δείχνουμε επίσης ότι αυτό δεν ισχύει για f(n)=o(log n). Βασιζόμενοι σε αυτά, δείχνουμε ότι για f(n)=Ω(log n) υπάρχει μία χωρική ιεραρχία ακριβώς όπως και για τις συνήθεις (συμμετρικές) ΜΤ. Δείχνουμε επίσης ότι αυτό δεν ισχύει για f(n)=o(loglog n), καθώς στην τελευταία περίπτωση η αντίστοιχη κλάση καταρρέει μέσα στην κλάση των ημιγραμμικών κατηγορημάτων, και τέλος ότι για f(n)=Ω(loglog n) η κλάση γίνεται αυστηρά μεγαλύτερη των ημιγραμμικών κατηγορημάτων. Αφήνουμε ανοικτό το πρόβλημα του τι ακριβώς συμβαίνει για χωρικά φράγματα f(n) τέτοια ώστε f(n)=Ω(loglog n) και f(n)=o(log n). Wireless Sensor Networks (WSNs) constitute a recent and promising new technology that is widely applicable. Due to the applicability of this technology and its obvious importance for the modern distributed computational world, the formal scientific foundation of its inherent laws becomes essential. As a result, many new computational models for WSNs have been proposed. Population Protocols (PPs) are a special category of such systems. These are mainly identified by three distinctive characteristics: the sensor nodes (agents) move passively, that is, they cannot control the underlying mobility pattern, the available memory to each agent is restricted, and the agents interact in pairs. It has been proven that a predicate is computable by the PP model iff it is semilinear. The class of semilinear predicates is a fairly small class. In this work, our basic goal is to enhance the PP model in order to improve the computational power. We first make the assumption that not only the nodes but also the edges of the communication graph can store restricted states. In a complete graph of n nodes it is like having added O(n^2) additional memory cells which are only read and written by the endpoints of the corresponding edge. We prove that the new model, called Mediated Population Protocol model, can operate as a distributed nondeterministic Turing machine (TM) that uses all the available memory. The only difference from a usual TM is that this one computes only symmetric languages. More formally, we establish that a predicate is computable by the new model iff it is symmetric and belongs to NSPACE(n^2). Moreover, we study the ability of the new model to decide graph languages (for general graphs). The next step is to ignore the states of the edges and provide another enhancement straight away from the PP model. The assumption now is that the agents are multitape TMs equipped with infinite memory, that can perform internal computation and interact with other agents, and we define space-bounded computations. We call this the Passively mobile Machines model. We prove that if each agent uses at most f(n) memory for f(n)=Ω(log n) then a predicate is computable iff it is symmetric and belongs to NSPACE(nf(n)). We also show that this is not the case for f(n)=o(log n). Based on these, we show that for f(n)=Ω(log n) there exists a space hierarchy like the one for classical symmetric TMs. We also show that the latter is not the case for f(n)=o(loglog n), since here the corresponding class collapses in the class of semilinear predicates and finally that for f(n)=Ω(loglog n) the class becomes a proper superset of semilinear predicates. We leave open the problem of characterizing the classes for f(n)=Ω(loglog n) and f(n)=o(log n).

Τα δίκτυα πλέγματος (grid networks) αποτελούνται από ένα σύνολο ισχυρών υπολογιστικών, αποθηκευτικών και άλλων πόρων. Οι πόροι αυτοί είναι συνήθως γεωγραφικά αλλά και διοικητικά διασκορπισμένοι και συνδέονται με ένα δίκτυο δεδομένων. Τα δίκτυα πλέγματος το τελευταίο καιρό έχουν αποκτήσει μία δυναμική, η οποία εντάσσεται μέσα σε ένα γενικότερο πλαίσιο, αυτό της κατανεμημένης επεξεργασίας και αποθήκευσης δεδομένων. Επιστήμονες, ερευνητές αλλά και απλοί χρήστες χρησιμοποιούν από κοινού τους κατανεμημένους πόρους για την εκτέλεση διεργασιών ή τη χρήση εφαρμογών, για τις οποίες δεν μπορούν να χρησιμοποιήσουν τους τοπικά διαθέσιμους υπολογιστές τους λόγω των περιορισμένων δυνατοτήτων τους. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή εξετάζουμε ζητήματα που σχετίζονται με το χρονοπρογραμματισμό (scheduling) των διεργασιών στους διαθέσιμους πόρους, καθώς και με τη δρομολόγηση (routing) των δεδομένων που οι διεργασίες χρειάζονται. Εξετάζουμε τα ζητήματα αυτά είτε χωριστά, είτε σε συνδυασμό, μελετώντας έτσι τις αλληλεπιδράσεις τους. Αρχικά, προτείνουμε ένα πλαίσιο παροχής ποιότητας υπηρεσιών στα δίκτυα πλέγματος, το οποίο μπορεί να εγγυηθεί σε ένα χρήστη μία μέγιστη χρονική καθυστέρηση εκτέλεσης των διεργασιών του. Με τον τρόπο αυτό, ένας χρήστης μπορεί να επιλέξει με απόλυτη βεβαιότητα εκείνον τον υπολογιστικό πόρο που μπορεί να εκτελέσει τη διεργασία του πριν τη λήξη της προθεσμίας της. Το προτεινόμενο πλαίσιο δεν στηρίζεται στην εκ των προτέρων δέσμευση των υπολογιστικών πόρων, αλλά στο ότι οι χρήστες μπορούν να αυτό-περιορίσουν το ρυθμό δημιουργίας διεργασιών τους, ο οποίος συμφωνείται ξεχωριστά με κάθε πόρο κατά τη διάρκεια μίας φάσης εγγραφής τους. Πραγματοποιούμε έναν αριθμό πειραμάτων προσομοίωσης που αποδεικνύουν ότι το προτεινόμενο πλαίσιο μπορεί πράγματι να παρέχει στους χρήστες εγγυημένο μέγιστο χρόνο καθυστέρησης εκτέλεσης των διεργασιών τους, ενώ με τις κατάλληλες επεκτάσεις το πλαίσιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ακόμα και όταν το φορτίο των διεργασιών δεν είναι εκ των προτέρων γνωστό. Στη συνέχεια εξετάζουμε το πρόβλημα της ``Συγκέντρωσης Δεδομένων'' (ΣΔ), που εμφανίζεται όταν μία διεργασία χρειάζεται περισσότερα του ενός τμήματα δεδομένων να μεταφερθούν σε έναν υπολογιστικό πόρο, πριν η διεργασία ξεκινήσει την εκτέλεσή της σε αυτόν. Μελετάμε τα υπό-προβλήματα της επιλογής των αντιγράφων των δεδομένων, του χρονοπρογραμματισμού της διεργασίας και της δρομολόγησης των δεδομένων της και προτείνουμε έναν αριθμό πλαισίων ``Συγκέντρωσης Δεδομένων''. Μερικά πλαίσια εξετάζουν μόνο τις υπολογιστικές ή μόνο τις επικοινωνιακές απαιτήσεις των διεργασιών, ενώ άλλα εξετάζουν και τα δύο είδη απαιτήσεων. Επιπλέον, προτείνονται πλαίσια ``Συγκέντρωσης Δεδομένων'' τα οποία βασίζονται στην κατασκευή ελαχίστων γεννητικών δέντρων(Minimum Spanning Tree - MST), με σκοπό τη μείωση της συμφόρησης στο δίκτυο δεδομένων, που εμφανίζεται κατά την ταυτόχρονη μεταφορά των δεδομένων μίας διεργασίας. Στα πειράματα προσομοίωσης μας αξιολογούμε τα προτεινόμενα πλαίσια και δείχνουμε ότι αν η διαδικασία της ``Συγκέντρωση Δεδομένων'' πραγματοποιηθεί σωστά, τότε η απόδοση του δικτύου πλέγματος, όσον αφορά τη χρήση των πόρων και την εκτέλεση των διεργασιών, μπορεί να βελτιωθεί. Επιπλέον, ερευνούμε την εφαρμογή τεχνικών σύνοψης της πληροφορίας των χαρακτηριστικών των πόρων στα δίκτυα πλέγματος. Προτείνουμε ένα σύνολο μεθόδων και τελεστών σύνοψης, προσπαθώντας να μειώσουμε τον όγκο των πληροφοριών πόρων που μεταφέρονται πάνω από το δίκτυο, ενώ παράλληλα επιθυμούμε οι συνοπτικές πληροφορίες που παράγονται να βοηθούν το χρονοπρογραμματιστή να παίρνει αποδοτικές αποφάσεις ανάθεσης διεργασιών στους διαθέσιμους πόρους. Οι τεχνικές αυτές μπορούν να συνδυαστούν και με τις αντίστοιχες τεχνικές που εφαρμόζονται στα ιεραρχικά δίκτυα δεδομένων για τη δρομολόγηση, εξασφαλίζοντας έτσι τη διαλειτουργικότητα μεταξύ διαφορετικών δικτύων πλέγματος καθώς και το απόρρητο των πληροφοριών που ανήκουν σε διαφορετικούς παρόχους πόρων. Στα πειράματα προσομοίωσης μας χρησιμοποιούμε σαν μετρική της ποιότητας / αποδοτικότητας των αποφάσεων του χρονοπρογραμματιστή τον Stretch Factor (SF), που ορίζεται ως ο λόγος της μέσης καθυστέρησης εκτέλεσης των διεργασιών όταν αυτές χρονοπρογραμματίζονται με βάση ακριβείς πληροφορίες πόρων, προς τη μέση καθυστέρηση τους όταν χρησιμοποιούνται συνοπτικές πληροφορίες. Ακόμα, μετράμε τη συχνότητα με την οποία ο χρονοπρογραμματιστής ενημερώνεται για τις αλλαγές στην κατάσταση των πόρων καθώς και τον όγκο των πληροφοριών πόρων που μεταφέρονται. Μελετάμε, ακόμα, ζητήματα που προκύπτουν από την υλοποίηση αλγορίθμων χρονοπρογραμματισμού που έχουν αρχικά μελετηθεί σε περιβάλλοντα προσομοίωσης, σε πραγματικά συστήματα ενδιάμεσου λογισμικού (middleware) για δίκτυα πλέγματος, όπως το gLite. Το πρώτο ζήτημα που εξετάζουμε είναι το γεγονός ότι οι πληροφορίες που παρέχονται στους αλγορίθμους χρονοπρογραμματισμού στα συστήματα αυτά δεν είναι πάντα έγκυρες, ενώ το δεύτερο ζήτημα είναι ότι δεν υπάρχει ευελιξία στο διαμοιρασμό των πόρων μεταξύ διαφορετικών διεργασιών. Η μελέτη μας δείχνει ότι με απλές αλλαγές στους μηχανισμούς διαχείρισης διεργασιών ενός συστήματος ενδιάμεσου λογισμικού, αυτά αλλά και άλλα ζητήματα μπορούν να αντιμετωπιστούν, επιτυγχάνοντας σημαντικές βελτιώσεις στην απόδοση των δικτύων πλέγματος. Στα πλαίσια αυτά μάλιστα, εξετάζουμε τη χρήση της τεχνολογίας της εικονικοποίησης (virtualization). Υλοποιούμε και αξιολογούμε τους προτεινόμενους μηχανισμούς σε ένα μικρό δοκιμαστικό δίκτυο πλέγματος. Τέλος, προτείνουμε έναν αλγόριθμο πολλαπλών κριτηρίων για τη δρομολόγηση και ανάθεση μήκους κύματος υπό την παρουσία φυσικών εξασθενήσεων (Impairment-Aware Routing and Wavelength Assignment, IA-RWA) για οπτικά δίκτυα δεδομένων. Τα οπτικά δίκτυα είναι η δικτυακή τεχνολογία που χρησιμοποιείται σήμερα για τη διασύνδεση των υπολογιστικών και αποθηκευτικών πόρων των δικτύων πλέγματος, ενώ οι διάφορες φυσικές εξασθενήσεις τείνουν να μειώνουν την ποιότητα μετάδοσης (Quality of Transmission - QoT) των οπτικών σημάτων. Κύριο χαρακτηριστικό του προτεινόμενου αλγορίθμου είναι ότι υπολογίζει την ποιότητα μετάδοσης (Quality of Transmission - QoT) ενός υποψήφιου οπτικού μονοπατιού (lightpath) μη βασιζόμενο σε πραγματικές μετρήσεις ή εκτιμήσεις μέσω αναλυτικών μοντέλων των διαφόρων φυσικών εξασθενήσεων, αλλά μετρώντας τις αιτίες στις οποίες αυτά οφείλονται. Με τον τρόπο αυτό ο αλγόριθμος γίνεται πιο γενικός και εφαρμόσιμος σε διαφορετικές συνθήκες (μέθοδοι διαμόρφωσης του οπτικού σήματος, ρυθμοί μετάδοσης, τιμές διαφόρων φυσικών παραμέτρων, κ.α.). Τα πειράματα προσομοίωσης μας δείχνουν ότι ο προτεινόμενος αλγόριθμος μπορεί να εξυπηρετήσει τις περισσότερες δυναμικές αιτήσεις σύνδεσης, υπολογίζοντας γρήγορα, μονοπάτια με καλή ποιότητα μετάδοσης σήματος. Γενικά, η παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζει έναν αριθμό σημαντικών και καινοτόμων μεθόδων, πλαισίων και αλγορίθμων που αφορούν τα δίκτυα πλέγματος. Παράλληλα ωστόσο αποκαλύπτει το εύρος των ζητημάτων και ως ένα βαθμό και τις αλληλεπιδράσεις τους, που σχετίζονται με την αποδοτική λειτουργία των δικτύων πλέγματος, τα οποία απαιτούν τη σύνθεση και τη συνεργασία ερευνητών, μηχανικών και επιστημόνων από διάφορα πεδία. Grid networks consist of several high capacity, computational, storage and other resources, which are geographically distributed and may belong to different administrative domains. These resources are usually connected through high capacity optical networks. The grid networks evolution follows the current trend of distributedly performed computation and storage. This trend provides several new possibilities to scientists, researchers and to simple users around the world, so as to use the shared resources for executing their tasks and running their applications. These operations are not always possible to perform in local, limited capacity, resources. In this thesis we study issues related to the scheduling of tasks and the routing of their datasets. We study these issues both separately and jointly, along with their interactions. Initially, we present a Quality of Service (QoS) framework for grids that guarantees to users an upper bound on the execution delay of their submitted tasks. Such delay guarantees imply that a user can choose, with absolute certainty, a resource to execute a task before its deadline expires. Our framework is not based on the advance reservation of resources, instead, the users follow a self constrained task generation pattern, which is agreed separately with each resource during a registration phase. We validate experimentally the proposed Quality of Service (QoS) framework for grids, verifying that it satisfies the delay guarantees promised to users. In addition, when the proposed extensions are used, the framework also provides delay guarantees without exact a-priori knowledge of the task workloads. Next, we examine a task scheduling and data migration problem for grid networks, which we refer to as the Data Consolidation (DC) problem. Data Consolidation arises when a task requests concurrently multiple pieces of data, possibly scattered throughout the grid network that have to be present at a selected site before the task's execution starts. In such a case, the scheduler must select the data replicas to be used, the site where these data will be gathered for the task to be executed, and the routing paths to be followed. We propose and experimentally evaluate several Data Consolidation schemes. Some consider only the computational or only the communication requirements of the tasks, while others consider both kinds of requirements. We also propose Data Consolidation (DC) schemes, which are based on Minimum Spanning Trees (MST) that route concurrently the datasets so as to reduce the congestion that may appear in the future, due to these transfers. In our simulation experiments we validate the proposed schemes and show that if the Data Consolidation operation is performed efficiently, then significant benefits can be achieved, in terms of the resources' utilization and task delay. We also consider the use of resource information aggregation in grid networks. We propose a number of aggregation schemes and operators for reducing the information exchanged in a grid network and used by the resource manager in order to make efficient scheduling decisions. These schemes can be integrated with the schemes utilized in hierarchical data networks for data routing, providing interoperability between different grid networks, while the sensitive or detailed information of resource providers is kept private. We perform a large number of experiments to evaluate the proposed aggregation schemes and the used operators. As a metric of the quality of the aggregated information we introduce the Stretch Factor (SF), defined as the ratio of the task delay when the task is scheduled using complete resource information over the task delay when an aggregation scheme is used. We also measure the number of resource information updates triggered by each aggregation scheme and the amount of resource information transferred. In addition, we are interested in the difficulties encountered and the solutions provided in order to develop and evaluate scheduling policies, initially implemented in a simulation environment, in the gLite grid middleware. We identify two important such implementation issues, namely the inaccuracy of the information provided to the scheduler by the information system, and the inflexibility in the sharing of a resource among different jobs. Our study indicates that simple changes in the gLite's scheduling procedures can solve these and other similar issues, yielding significant performance gains. We also investigate the use of the virtualization technology in the gLite middleware. We implement and evaluate the proposed mechanisms in a small gLite testbed. Finally, we propose a multicost impairment-aware routing and wavelength assignment (IA-RWA) algorithm in optical networks. In general, physical impairments tend to degrade the optical signal quality. Also, optical networks is the main networking technology used today for the interconnection of the grid's, computational and storage, resources around the world. The main characteristic of the proposed algorithm is that it calculates the quality of transmission (QoT) of a candidate lightpath by measuring several impairment-generating source parameters and not by using complex formulas to directly account for the effects of physical impairments. In this way, this approach is more generic and more easily applicable to different conditions (modulation formats, bit rates). Our results indicate that the proposed impairment-aware routing and wavelength assignment (IA-RWA) algorithm can efficiently serve the online traffic in an optical network and to guarantee the transmission quality of the found lightpaths, with low running times. In general, in this thesis we present several novel mechanisms and algorithms for grid networks. At the same time, this Thesis reveals the variety of the issues that relate to the efficient operation of the grid networks and their interdependencies. For handling all these issues the cooperation of researches, scientists and engineers from various fields, is required.

Η διδακτορική διατριβή επικεντρώθηκε στη μελέτη νέων τεχνικών κρυπτογραφίας και κρυπτανάλυσης, αλλά και στην ανάπτυξη νέων πρωτοκόλλων για την ασφαλή ηλεκτρονική συγκέντρωση δεδομένων. Το πρώτο πρόβλημα το οποίο διερεύνησε η διατριβή ήταν η δυνατότητα εφαρμογής των μεθόδων Υπολογιστικής Νοημοσύνης στην κρυπτολογία. Στόχος ήταν η ανίχνευση των κρίσιμων σημείων κατά την εφαρμογή των μεθόδων αυτών στον πολύ απαιτητικό αυτό τομέα προβλημάτων και η μελέτη της αποτελεσματικότητας και της αποδοτικότητάς τους σε διάφορα προβλήματα κρυπτολογίας. Συνοψίζοντας, τα αποτελέσματα της διατριβής για την εφαρμογή μεθόδων Υπολογιστικής Νοημοσύνης στην κρυπτολογία υποδεικνύουν ότι παρά το γεγονός ότι η κατασκευή των αντικειμενικών συναρτήσεων είναι πολύ κρίσιμη για την αποδοτικότητα των μεθόδων, η Υπολογιστική Νοημοσύνη μπορεί να προσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα στον κλάδο αυτό όπως είναι η αυτοματοποίηση κάποιων διαδικασιών κρυπτανάλυσης ή κρυπτογράφησης, ο γρήγορος έλεγχος της σθεναρότητας νέων κρυπτοσυστημάτων αλλά και ο συνδυασμός τους με τυπικές μεθόδους που χρησιμοποιούνται μέχρι σήμερα για την αξιοποίηση της απλότητας και της αποδοτικότητάς τους. Το δεύτερο πρόβλημα που μελετάται στην διατριβή είναι η εφαρμογή μεθόδων αντίστροφης πολυωνυμικής παρεμβολής για την εύρεση της τιμής του διακριτού λογαρίθμου αλλά και του λογαρίθμου του Lucas. Για την μελέτη αυτή χρησιμοποιήθηκαν δύο υπολογιστικές μέθοδοι αντίστροφης πολυωνυμικής παρεμβολής, οι μέθοδοι Aitken και Neville, οι οποίες είναι κατασκευαστικές και επιτρέπουν την πρόσθεση νέων σημείων παρεμβολής για καλύτερη προσέγγιση του πολυωνύμου με μικρό υπολογιστικό κόστος. Η παρούσα μελέτη έδειξε ότι και με την προτεινόμενη μεθοδολογία το συνολικό κόστος υπολογισμού της τιμής των λογαρίθμων παραμένει υψηλό, ωστόσο η κατανομή των πολυωνύμων που έδωσαν την λύση των προβλημάτων δείχνει ότι η μεθοδολογία που χρησιμοποιήθηκε είτε εντόπισε την λύση στα πρώτα στάδια κατασκευής των πολυωνύμων είτε εντόπισε πολυώνυμα μικρού σχετικά βαθμού που προσεγγίζουν την αντίστοιχη λύση. Το τρίτο πρόβλημα που πραγματεύεται η παρούσα διατριβή είναι η δημιουργία νέων σθεναρών κρυπτοσυστημάτων με την χρήση μη-γραμμικών δυναμικών απεικονίσεων. Η αξιοποίηση των ιδιοτήτων του χάους στην κρυπτογραφία έχει αποτελέσει αντικείμενο μελέτης τα τελευταία χρόνια από τους ερευνητές λόγω της αποδεδειγμένης πολυπλοκότητας των συστημάτων του και των ιδιαίτερων στατιστικών ιδιοτήτων τους. Η διατριβή συνεισφέρει προτείνοντας ένα νέο συμμετρικό κρυπτοσύστημα που βασίζεται σε περιοδικές δυναμικές τροχιές και παρουσιάζει και τρεις τροποποιήσεις του που το καθιστούν ιδιαίτερα σθεναρό απέναντι στις συνήθεις κρυπταναλυτικές επιθέσεις. Δίνεται επίσης το υπολογιστικό κόστος κρυπτογράφησης και αποκρυπτογράφης του προτεινόμενου σχήματος και παρουσιάζονται πειραματικά αποτελέσματα που δείχνουν ότι η δομή των κρυπτογραφημάτων του κρυπτοσυστήματος δεν παρέχει πληροφορία για την ύπαρξη τυχόν μοτίβων στο αρχικό κείμενο. Τέλος, στην διατριβή αυτή προτείνονται δύο πρωτόκολλα για την ασφαλή ηλεκτρονική συγκέντρωση δεδομένων. Η συγκέντρωση δεδομένων από διαφορετικές βάσεις με ασφάλεια και ιδιωτικότητα θα ήταν σημαντική για την μελέτη των γνώσεων που ενυπάρχουν στα δεδομένα αυτά, με διάφορες μεθόδους εξόρυξης δεδομένων και ανάλυσης, καθώς οι γνώσεις αυτές ενδεχομένως δεν θα μπορούσαν να αποκαλυφθούν από την επιμέρους μελέτη των δεδομένων χωριστά από κάθε βάση. Τα δύο πρωτόκολλα που προτείνονται βασίζονται σε τροποποιήσεις πρωτοκόλλων ηλεκτρονικών εκλογών με τρόπο τέτοιο ώστε να ικανοποιούνται τα απαραίτητα κριτήρια ασφάλειας και ιδιωτικότητας που απαιτούνται για την συγκέντρωση των δεδομένων. Η βασική διαφορά των δύο πρωτοκόλλων είναι ότι στο ένα γίνεται χρήση έμπιστου τρίτου μέλους για την συγκέντρωση των δεδομένων, ενώ στο δεύτερο όχι. Και στις δύο περιπτώσεις, παρουσιάζεται ανάλυση της ασφάλειας των σχημάτων αλλά και της πολυπλοκότητάς τους αναφορικά με το υπολογιστικό τους κόστος. In this PhD thesis we study problems of cryptography and cryptanalysis through Computational Intelligence methods and computational mathematics. Furthermore, we examine the establishment and security of new privacy preserving protocols for electronic data gathering. Part I is dedicated to the application of Computational Intelligence (CI) methods, namely Evolutionary Computation (EC) methods and Artificial Neural Networks (ANNs), for solving problems of cryptology. Initially, three problems of cryptanalysis are formulated as discrete optimization tasks and Evolutionary Computation methods are utilized to address them. The first conclusion derived by these experiments is that when EC methods are applied to cryptanalysis special attention must be paid to the design of the fitness function so as to include as much information as possible for the target problem. The second conclusion is that when EC methods (and CI methods in general) can be used as a quick practical assessment for the efficiency and the effectiveness of proposed cryptographic systems. We also apply EC methods for the cryptanalysis of Feistel ciphers and for designing strong Substitution boxes. The results show that the proposed methods are able to tackle theses problem efficiently and effectively with low cost and in automated way. Then, ANNs are employed for classical problems of cryptography as a measure of their robustness. The results show that although different topologies, training methods and formulation of the problems were tested, ANNs were able to obtain the solution of the problems at hand only for small values of their parameters. The performance of ANNs is also studied on the computation of a Boolean function derived from the use of elliptic curves in cryptographic applications. The results indicate that ANNs are able to adapt to the data presented with high accuracy, while their response to unknown data is slightly better than a random selection. Another important finding is that ANNs require a small amount of storage for the known patterns in contrast to the storage needed of the data itself. Finally, a theoretical study of the application of Ridge Polynomial Networks for the computation of the least significant bit of the discrete logarithm is presented. In Part II, computational mathematics are utilized for different cryptographic problems. Initially, we consider the Aitken and Neville inverse interpolation methods for a discrete exponential function and the Lucas logarithm function. The results indicate that the computational cost for addressing the problems through this approach is high; however interesting features regarding the degree of the resulting interpolation polynomials are reported. Next, a new symmetric key cryptosystem that exploits the idea of nonlinear mappings and their fixed points to encrypt information is presented. Furthermore, a measure of the quality of the keys used is introduced. The experimental results indicate that the proposed cryptosystem is efficient and secure to ciphertext-only attacks. Finally, three modifications of the basic cryptosystem that render it more robust are presented and efficiency issues are discussed. Finally, at Part III of the thesis, two protocols for privacy preserving electronic data gathering are proposed. The security requirements that must be met for data gathering with privacy are presented and then two protocols, based on electronic voting protocols, are analytically described. Security and complexity issues are also discussed.

Περιέχει cd-rom 73 σ.

Τα τελευταία χρόνια έχουν γίνει σημαντικές προσπάθειες o Πληροφορικός-Επιστήμονας των Υπολογισμών να εκθέσει με εύληπτο τρόπο τη γνώση και εμπειρία του στις κοινότητες εκείνων που θέλουν να κάνουν υπολογισμούς. Κάτι τέτοιο έχει καταστεί δυνατό με την κατασκευή σύνθετων στη δομή, αλλά εύκολων στη χρήση, εργαλείων-περιβαλλόντων υπολογισμού στα οποία κανείς μπορεί με εντελώς φυσικό τρόπο να προδιαγράψει το πρόβλημά του και -ανάλογα με την εμπειρία του- να επέμβει στη ροή επίλυσής του. Τα Περιβάλλοντα Επίλυσης Προβλημάτων (ΠΕΠ) προβάλλουν λοιπόν ως μια πολύ ελκυστική λύση για τον επιστήμονα των εφαρμογών που αναζητεί μια εύχρηστη, ισχυρή και αξιόπιστη πλατφόρμα λογισμικού για τους υπολογισμούς του. Σε πολλές περιπτώσεις αυτοί οι υπολογισμοί είναι πολύ μεγάλης κλίμακας και απαιτούν πολυάριθμους και αποδοτικούς πόρους. Η τιθάσευσή τους σε κάποια έκταση έγινε δυνατή με τη στροφή σε παράλληλες-κατανεμημένες αρχιτεκτονικές, πρόσφατα μεγάλης κλίμακας, με έμφαση στην ευχρηστία, στην ασφάλεια πρόσβασης και στη συνεργατικότητα (Πλέγμα (Grid)). Σε άλλες περιπτώσεις οι πολυπύρηνοι επεξεργαστές που εξοπλίζουν πλέον τους τυπικούς οικιακούς υπολογιστές μας και οι προβλέψεις για αθρόα κλιμάκωση του αριθμού των προσφερόμενων πυρήνων, προτρέπουν σε επαναδιαπραγμάτευση κλασικών αλγορίθμων με στόχευση στην εξαγωγή παραλληλίας, αφού πλέον αυτή μπορεί να απεικονιστεί άμεσα στο διαθέσιμο υλικό. Επιπρόσθετα μια τέτοια στροφή ώθησε και τη διερεύνηση εναλλακτικών μοντέλων υπολογισμού: Το ασύγχρονο μοντέλο υπολογισμού προσφέροντας τη δυνατότητα για εξάλειψη των χρονοβόρων φάσεων συγχρονισμού των πολλαπλών μονάδων επεξεργασίας προβάλλει ως μια ενδιαφέρουσα επιλογή. Συστηματοποιούμε τη μελέτη των Περιβαλλόντων Επίλυσης Προβλημάτων (ΠΕΠ) εντοπίζοντας τους άξονες που χαρακτηρίζουν αυτήν την κατηγορία συστημάτων λογισμικού και υλοποιώντας το Jylab, ένα πρωτότυπο ΠΕΠ με έμφαση στη φορητότητα, την επαναχρησιμοποίηση ελεύθερα διαθέσιμου κώδικα και τη δυνατότητα για ακολουθιακό, παράλληλο και κατανεμημένο υπολογισμό σε πολλαπλές πλατφόρμες. Ειδικότερα, το Jylab περιλαμβάνει υποστήριξη για ασύγχρονο κατανεμημένο υπολογισμό, ανάλυση ιστογραφημάτων και εκτέλεση υπολογισμών στο Πλέγμα (Grid). Αμέσως μετά εισάγουμε το ασύγχρονο μοντέλο υπολογισμού εστιάζοντας σε καίρια ζητήματα όπως η ανάλυση της σύγκλισης, η ανίχνευση του τερματισμού και η υλοποίησή του. Προτείνουμε πιθανοτικό πλαίσιο εντοπισμού της σύγκλισης και διερευνούμε την πολυπλοκότητα του μοντέλου. Στη συνέχεια μελετούμε αλγορίθμους διάταξης των κόμβων ενός γραφήματος, επικεντρώνοντας στον υπολογισμό του διανύσματος του PageRank το οποίο χρησιμοποιεί η Google για να διατάξει τα αποτελέσματα μιας ερώτησης που υποβάλλουμε στη μηχανή αναζήτησής της. Αποδεικνύουμε πως και άλλες μέθοδοι διάταξης, οι οποίες εκφράζονται πρωταρχικά ως δυναμοσειρές ενός τροποποιημένου μητρώου συνδέσμων μπορούν να γραφτούν ως γινόμενα των επαναληπτικών μητρώων που χρησιμοποιούνται στον υπολογισμό του διανύσματος PageRank, αλλά με διαφορετική παράμετρο σε κάθε όρο τους (μέθοδος της πολυπαραμετρικής απόσβεσης). Στη συνέχεια εκθέτουμε την πειραματική συμπεριφορά του ασύγχρονου μοντέλου, όπως αυτή προκύπτει από υλοποιήσεις κυρίως του αλγορίθμου του PageRank, σε διάφορες πλατφόρμες (τοπικά, στη συστάδα υπολογισμών και στο Πλέγμα (Grid)) και με μονάδες εκτέλεσης νήματα ή διεργασίες. To Jylab χρησιμοποιήθηκε εντατικά σε αυτές τις διερευνήσεις και αποδείχτηκε πως όλοι οι πειραματισμοί μπορούν να τεθούν κάτω από ενιαίο πλαίσιο λογισμικού. Επίσης εισάγουμε μια κλάση αλγορίθμων κατανεμημένου υπολογισμού στατιστικών μεγεθών, τους gossip αλγορίθμους, σε κάθε στοιχειώδες βήμα των οποίων μόνο δύο οντότητες επικοινωνούν και υπολογίζουν. Επεκτείνουμε αυτούς τους αλγορίθμους επιτρέποντας σε k > 2 οντότητες να αλληλεπιδρούν ανά βήμα, προσομοιώνουμε τη συμπεριφορά τους και προτείνουμε πρωτόκολλα υλοποίησής τους. In recent years computational scientists strive to expose their knowledge and experience to the communities of people interested in performing computations. This endeavor focuses on the construction of complex in structure, however simple in use, toolchains and environments in which a researcher can specify his or her problem and - depending on his experience - change its exact solution flow. In many cases these computations necessitate large-scale and performant resources. Harnessing them, to some extent, became possible by turning to parallel-distributed architectures, recently of large scale, emphasizing usability, security in accessing them and collaboration perspectives (Grid). In other cases, the multicore processors, nowadays powering even typical personal computers, coupled with predictions for dramatic increase in the number of available cores in the near future, suggest a reconsideration of classic algorithms aiming at extracting parallelism, since this can be directly mapped to underlying hardware. Additionally, such a move, also fuels the investigation of alternative computation models: The asynchronous computation model, offering the flexibility for the complete removal of time-consuming synchronization phases, is a very interesting option. We study Problem Solving Environments (PSEs) in a systematic manner, specifying the axes characterizing this category of systems of software also implementing Jylab, a prototype PSE emphasizing portability and the reuse of freely available code and enabling sequential, parallel and distributed computing over multiple platforms. More specifically, Jylab includes support for asynchronous distributed computations, Web graph analysis and Grid computing. Then we introduce the asynchronous computation model, focusing in three core subjects, namely its convergence analysis, the termination detection problem and its implementation. We propose a probabilistic framework for convergence detection and explore the complexity of the model. Afterwards, we survey algorithms for ranking the nodes of a graph, focusing on computing the PageRank vector, which is used by Google for ranking the results of a query submitted to its search engine. We prove that a whole class of ranking methods, primarily expressed as a power series of a modified link matrix can be written as products of iterative matrices similar to those used in computing the PageRank vector, albeit with a different damping parameter for each of its terms (multidamping). Next, we present the experimental behavior of the asynchronous model, mainly as applied in computing the PageRank vector, over different platforms (locally, in a computer cluster and over the Grid) using either threads or processes as its units of execution. Jylab was intensively used in these investigations and it was proved that all experimentations can be cast under a unifying software framework. We also introduce a class of algorithms for the distributed computation of statistical quantities, namely gossip algorithms, for which only two entities communicate and compute at each elementary step. We extend these algorithms be permitting k > 2 entities to interact on a per elementary step basis, simulate their behavior and propose protocols for implementing them.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, ασχολούµαστε µε ζητήµατα που ανακύπτουν σε ασύρµατα δίκτυα επικοινωνίας, δηλ. δίκτυα που βασίζονται σε τηλεπικοινωνιακή υποδοµή όπως τα κυψελικά δίκτυα κινητής τηλεφωνίας, δίκτυα αυτόνοµων ασύρµατων εκποµπών όπως τα ασύρµατα δίκτυα τύπου ad hoc, κτλ. Τα ασύρµατα δίκτυα επικοινωνίας διαφόρων τύπων έχουν εξελιχθεί σηµαντικά τα τελευταία χρόνια. Ειδικότερα, τα ασύρµατα αδόµητα δίκτυα (ή αλλιώς ασύρµατα δίκτυα τύπου ad hoc) έχουν προσελκύσει το έντονο εν­διαφέρον της επιστηµονικής κοινότητας λόγω των πολλών εφαρµογών που έχουν κυρίως σε περιπτώσεις όπου δεν είναι δυνατή ή επιθυµητή η ολική ή µερική κάλυψη µέσω υποδοµής µε βάση την ενσύρµατη δικτύωση (π.χ., επι­κοινωνία σε δυσπρόσιτες ή αποµακρυσµένες περιοχές, φυσικές καταστροφές, στρατιωτικές εφαρµογές, κλπ.). ΄Οπως και στα παραδοσιακά ενσύρµατα δίκτυα, σηµαντικό πρόβληµα αποτελεί η εγκαθίδρυση σχηµάτων επικοινωνίας όπως διάδοση (broadcasting, multicasting), επικοινωνία όλων µε όλους (gossiping, all-to-all communica­tion), και επικοινωνία σε οµάδες (group communication). Για την επικοινω­νία απαιτείται η κατανάλωση ενέργειας στους κόµβους του δικτύου και, λαµβ.άνοντας υπόψη ότι τα αδόµητα ασύρµατα δίκτυα χρησιµοποιούν κόµβους µε περιορισµένα αποθέµατα ενέργειας, είναι απαραίτητη η ορθολογιστική χρήση αυτής της ενέργειας κατά την επικοινωνία. Αυτό µπορεί να σηµαίνει ότι είναι επιθυµητή είτε η ελαχιστοποίηση της συνολικής ενέργειας που κα­ταναλώνεται στους κόµβους του δικτύου για επικοινωνία ή η ελαχιστοποίηση της µέγιστης ενέργειας ώστε να επιτυγχάνεται όσο το δυνατό µεγαλύτερος χρόνος ζωής όλων των κόµβων του δικτύου. Στη διατριβή εξετάζουµε αλγόριθ­µους για την εγκαθίδρυση διαφορετικών σχηµάτων επικοινωνίας σε αδόµητα ασύρµατα δίκτυα όπου βασικό κριτήριο για την εκτίµηση της απόδοσής τους θα είναι η κατανάλωση ενέργειας που επιφέρουν στο δίκτυο. Μοντελοποιούµε τα δίκτυα µε ειδικά γραφήµατα και τα αντίστοιχα προβλήµατα επικοινωνίας σαν προβλήµατα συνδυαστικής βελτιστοποίησης στα γραφήµατα αυτά. Τα αποτελέσµατά µας περιλαµβάνουν νέους αλγόριθµους που βελτιώνουν προηγούµενα γνωστά σχετικά αποτελέσµατα και νέα κάτω φράγµατα. Με κεντρικό στόχο την αποδοτική κατανοµή ενέργειας σε ασύρµατα δίκτυα, η µελέτη µας έχει διττό χαρακτήρα: από τη µια πλευρά, ασχολούµαστε µε µε­λέτη και ανάλυση θεµελιωδών προβληµάτων της Θεωρητικής Επιστήµης των Υπολογιστών (όπως, π.χ., το πρόβληµα Κάλυψης µε Σύνολα). Τέτοια προβλήµατα, και ειδικές περιπτώσεις τους, παρουσιάζουν εξαιρετικό ενδιαφέρον αφού χρησιµοποιούνται (µεταξύ άλλων) συχνά για τη µοντελοποίηση προβλη­µάτων ενεργειακά αποδοτικής επικοινωνίας σε ασύρµατα δίκτυα. Επιπλέον, προτείνουµε και αναλύουµε νέους αλγόριθµους για συγκεκριµένα σενάρια επικοινωνίας σε σύγχρονα ασύρµατα δίκτυα. Από την άλλη πλευρά, µελετάµε και εκτιµούµε πειραµατικά την απόδοση αρκετών αλγορίθµων και τεχνικών (από τη βιβλιογραφία αλλά και νέων) για ενεργειακά αποδοτική επικοινωνία σε ασύρµατα δίκτυα. Ειδικότερα: Μελετάµε το πρόβληµα κάλυψης µε σύνολα και ενδιαφέρουσες παραλ­λαγές του. Παρουσιάζουµε νέους συνδυαστικούς προσεγγιστικούς αλγόριθµους για το πρόβληµα k-κάλυψης συνόλων. Προηγούµενες προσεγγίσεις έχουν βασισθεί σε επεκτάσεις του άπληστου αλγόριθµου µέσω αποδοτικού χειρισµού µικρών συνόλων. Οι νέοι αλγόριθµοι επεκτείνουν περαιτέρω τις προηγούµενες προσεγγίσεις χρησιµοποιώντας την ιδέα του υπολογισµού µεγάλων οµάδων στοιχείων και στη συνέχεια της οµαδοποίησής τους σε σύνολα µεγάλου µεγέθους. Τα αποτελέσµατά µας βελτιώνουν τα καλύτερα γνωστά φράγµατα προσέγγισης για το πρόβληµα k-κάλυψης συνόλων για κάθε τιµή του k >= 6. Η τεχνική που χρησιµοποιούµε για την ανάλυση παρουσιάζει επιπλέον ανεξάρτητα ενδιαφέρον: το πάνω φράγµα για τον παράγοντα προ­σέγγισης επιτυγχάνεται φράσσοντας την αντικειµενική τιµή ενός γραµµικού προγράµµατος η οποία ‘αποκαλύπτει’ το λόγο προσέγγισης του υπό εξέταση αλγορίθµου (factor-revealing). Παρουσιάζουµε έναν απλό αλγόριθµο για το πρόβληµα εύρεσης µέγιστου δάσους γεννητικού αστέρα. Λαµβάνουµε υπόψη το γεγονός ότι το πρόβληµα αποτελεί ειδική περίπτωση του συµπληρωµατικού προβλήµατος κάλυψης συ­νόλου και προσαρµόζουµε έναν αλγόριθµο των Duh και Furer για την επίλυ­σή του. Αποδεικνύουµε ότι ο αλγόριθµος αυτός υπολογίζει 193/240 που είναι περίπου ίσο με 0.804 ­προσεγγιστικά δάση γεννητικών αστέρων. Το αποτέλεσµα αυτό βελτιώνει ένα προηγούµενο άνω φράγµα µε τιµή 0.71 των Chen και άλλων. Αν και ο αλ­γόριθµος είναι καθαρά συνδυαστικός, η ανάλυσή µας ορίζει ένα γραµµικό πρόγραµµα που χρησιµοποιεί µια παράµετρο f το οποίο είναι επιλύσιµο για τιµές της παραµέτρου f που δεν είναι µικρότερες από το λόγο προσέγγισης του αλγορίθµου. Η ανάλυση είναι αυστηρή και, το ενδιαφέρον είναι ότι, µπορεί να εφαρµοστεί και σε συµπληρωµατικές εκδοχές του προβλήµατος κάλυψης συνόλου όπως η εξοικονόµηση χρωµάτων. Δίνει την ίδια εγγύηση προσέγγισης µε τιµή 193/240 που οριακά βελτιώνει το προηγούµενο γνω­στό κάτω φράγµα των Duh και Furer. Αποδεικνύουµε επίσης ότι, γενικά, µια φυσική κλάση αλγορίθµων τοπικής αναζήτησης δε δίνουν καλύτερα από 1/2-προσεγγιστικά δάση γεννητικών αστέρων. Μελετάµε προβλήµατα επικοινωνίας σε ασύρµατα δίκτυα που υποστηρί­ζουν πολλαπλά µέσα ασύρµατης διασύνδεσης. Σε τέτοια δίκτυα, δύο κόµβοι µπορούν να επικοινωνήσουν αν είναι αρκετά κοντά και διαθέτουν κάποιο κοινό µέσο ασύρµατης διασύνδεσης. Η ενεργοποίηση ενός µέσου ασύρµατης διασύνδεσης επιφέρει ένα κόστος που αντανακλά την ενέργεια που καταναλώ­νεται όταν κάποιος κόµβος χρησιµοποιεί το µέσο αυτό. Διακρίνουµε µεταξύ της συµµετρικής και της µη συµµετρικής περίπτωσης, µε βάση το κόστος ενεργοποίησης για κάθε ασύρµατο µέσο διασύνδεσης είναι το ίδιο για όλους τους κόµβους ή όχι. Για τη συµµετρική περίπτωση, παρουσιάζουµε έναν (3/2+ε)–προσεγγιστικό αλγόριθµο για το πρόβληµα πλήρους διασύνδεσης µε ελάχιστο κόστος ενεργοποίησης, βελτιώνοντας ένα προηγούµενο φράγµα µε τιµή 2. Για τη µη συµµετρική περίπτωση, αποδεικνύουµε ότι το πρόβληµα διασύνδεσης δεν είναι προσεγγίσιµο στα πλαίσια ενός παράγοντα υπολογα­ριθµικού ως προς το πλήθος των κόµβων και παρουσιάζουµε ένα λογαριθµι­κό προσεγγιστικό αλγόριθµο για µια γενικότερη περίπτωση που µοντελοποιεί την οµαδική επικοινωνία. Επίσης, µελετάµε αλγόριθµους για τον υπολογισµό αποδοτικών ως προς την ενέργεια δένδρων µετάδοσης (multicasting) σε ασύρµατα αδόµητα δί­κτυα. Τέτοιοι αλγόριθµοι είτε ξεκινούν από µια κενή λύση η οποία σταδιακά επαυξάνεται για να δώσει ένα δένδρο µετάδοσης (επαυξητικοί αλγόριθµοι ­augmentation algorithms) είτε λαµβάνουν σαν είσοδο ένα αρχικό δένδρο µε­τάδοσης και εκτελούν ‘περιπάτους ’ σε διαφορετικά δένδρα µετάδοσης για πεπερασµένο αριθµό βηµάτων µέχρι να επιτευχθεί κάποια αποδεκτή µείωση στην κατανάλωση της ενέργειας (αλγόριθµοι τοπικής αναζήτησης -local search algorithms). Εστιάζουµε τόσο σε επαυξητικούς αλγόριθµους όσο και σε αλγό­ριθµους τοπικής αναζήτησης και συγκεκριµένα έχουµε υλοποιήσει αρκετούς υπάρχοντες αλγόριθµους από τη βιβλιογραφία αλλά και νέους. Συγκρίνου­µε πειραµατικά τους αλγόριθµους αυτούς σε τυχαία γεωµετρικά στιγµιότυπα του προβλήµατος και επιτυγχάνουµε αποτελέσµατα όσον αφορά στην αποδο­τικότητα ως προς την ενέργεια των λύσεων που λαµβάνουµε. Παρουσιάζουµε επίσης αποτελέσµατα σχετικά µε το χρόνο εκτέλεσης των υλοποιήσεών µας. Επίσης διερευνούµε το κατά πόσον οι λύσεις που λαµβάνουµε από επαυ­ξητικούς αλγόριθµους µπορούν να βελτιωθούν µέσω αλγορίθµων τοπικής αναζήτησης. Τα αποτελέσµατά µας αποδεικνύουν ότι ένας από τους νέους αλγόριθµους που προτείνουµε και οι εκδοχές του επιτυγχάνουν τις πιο απο­δοτικές ενεργειακά λύσεις και µάλιστα πολύ γρήγορα και, επιπλέον, υποδεικ­νύουν ιδιότητες γεωµετρικών στιγµιοτύπων του προβλήµατος που συντελούν στη βελτιωµένη απόδοση των επαυξητικών αλγορίθµων. In this dissertation, we study issues arising in wireless communication networks, i.e., networks based on telecommunication infrastructure like cellular wireless networks, networks of autonomous wireless transmitters like ad hoc wireless networks, and so on. Wireless networks have received significant attention during the recent years. Especially, ad hoc wireless networks for which unlike traditional wired networks or cellular wireless networks, no wired backbone infrastructure is installed emerged due to their potential applications in emergency disaster relief, battlefield, etc. Like in traditional wired networks, an important problem concerns the establishment of communication patterns like broadcasting, multicasting, gossiping, all-to-all communication, and group communication. Communication then requires energy consumption at network nodes, and given that in ad hoc wireless networks energy is a scarce resource, it is of paramount importance to use it efficiently when establishing communication patterns. In such a setting, it is usually pursued that either the total energy consumed at networks nodes or the maximum energy consumed at any network node is minimized so that the network lifetime is prolonged as long as possible. Herein, we present and analyze theoretically and experimentally algorithms for guaranteeing the establishment of various communication patterns in ad hoc wireless networks and evaluate their performance in terms of their energy-efficiency. We represent these networks using graphs and model the corresponding communication problems as combinatorial optimization problems in such graphs. Our results include new algorithms which improve previously known relevant results as well as new lower bounds. Our main objective being the efficient energy allocation in wireless networks, our study is of dual character: on the one hand, we study and analyze fundamental problems of Theoretical Computer Science (like, e.g., Set Cover); such problems, as well as special cases of them, are highly interesting since they usually model energy-efficient communication problems in wireless networks. Furthermore, we propose and analyse new algorithms for particular communication scenaria in modern wireless networks. On the other hand, we experimentally study and evaluate several algorithms and techniques (both from the literature and new ones) for energy-efficient communication in wireless networks.

Βασική επιδίωξη της παρούσας διατριβής είναι η διερεύνηση των δυνατοτήτων του πεδίου της επιστήμης των υπολογιστών που πραγματεύεται την αποθήκευση και την επεξεργασία πληροφορίας, μέσα στο περιβάλλον που έχουν σχηματίσει οι σύγχρονες εφαρμογές. Τα τελευταία χρόνια, η πληροφορία που είναι διαθέσιμη σε ηλεκτρονική μορφή, έχει γιγαντωθεί με αποτέλεσμα να είναι αναγκαία η ανάπτυξη νέων τεχνικών για την αποτελεσματική αποθήκευση και επεξεργασία αυτής. Δύο πολύ χαρακτηριστικές και σημαντικές εφαρμογές, στις οποίες ανακύπτουν συνεχώς νέα προβλήματα, είναι η διαχείριση Βιολογικών δεδομένων, όπως π.χ. οι ακολουθίες γονιδιωμάτων, καθώς και η διαχείριση πληροφορίας από τον παγκόσμιο ιστό, όπως π.χ. τα έγγραφα HTML, XML ή οι συντομεύσεις (urls). Στόχος είναι ανάπτυξη δομών δεικτοδότησης πάνω στην πληροφορία έτσι ώστε τα σχετικά ερωτήματα με αυτή να απαντώνται αποδοτικά και πολύ πιο γρήγορα από το να ψάχναμε εκτενώς μέσα σε αυτή. Χαρακτηριστικά τέτοια ερωτήματα είναι η εύρεση προτύπων (pattern matching) ή ο εντοπισμός επαναλαμβανόμενων μοτίβων (motif extraction). Πιο συγκεκριμένα, τα ϑέματα στα οποία εστίασε η παρούσα διατριβή είναι τα ακόλουϑα: - Εντοπισμός Περιοδικοτήτων σε συμβολοσειρές. Στην ενότητα αυτή δίνεται μια σειρά από αλγόριθμους για την εξαγωγή περιοδικοτήτων από συμβολοσειρές. Δίνονται αλγόριθμοι για την εξαγωγή μέγιστων επαναλήψεων, της περιόδου του καλύμματος και της ρίζας μιας συμβολοσειράς. Οι αλγόριθμοι αυτοί χρησιμοποιούν ώς βάση το δένδρο επιθεμάτων και οι περισσότεροι από αυτούς είναι γραμμικοί. - Δεικτοδότηση Βεβαρημένων Ακολουθιών. Στην επόμενη ενότητα η μελέτη εστιάζει στην δεικτοδότηση βεβαρημένων ακολουθιών, καθώς και στην απάντηση ερωτημάτων σε αυτές όπως η εύρεση προτύπων, η εύρεση επαναλήψεων, η εύρεση καλυμμάτων, κ.α.. Οι βεβαρημένες ακολουθίες είναι ακολουθίες όπου σε κάθε ϑέση τους έχουμε εμφάνιση όλων των συμβόλων του αλφαβήτου της ακολουθίας, έχοντας λάβει ένα συγκεκριμένο βάρος. Οι βεβαρημένες ακολουθίες αναπαριστούν βιολογικές ακολουθίες είτε νουκλεοτιδίων είτε αμινοξέων και στην ουσία περιγράφουν την πιθανότητα εμφάνισης ενός συμβόλου του αλφαβήτου σε μια συγκεκριμένη ϑέση της ακολουθίας ή κάποιες συγκεκριμένες βιολογικές ιδιότητες που διαθέτουν οι ρυθμιστικές πρωτεΐνες σε κάθε ϑέση της ακολουθίας. Για την διαχείριση αυτών των ιδιόμορφων ακολουθιών προτείνεται ως δομή δεικτοδότησης το βεβαρημένο δένδρο επιθεμάτων (Weighted Suffix Tree), ένα δένδρο με παρόμοια δομικά χαρακτηριστικά με αυτά του γενικευμένου δένδρου επιθεμάτων. Στην παρούσα εργασία δίνεται ο ορισμός του βεβαρημένου δένδρου επιθεμάτων και αλγόριθμοι κατασκευής του σε γραμμικό χρόνο και χώρο. -Εξαγωγή μοτίβων από βεβαρημένες Ακολουθίες. Με την χρήση του βεβαρημένου δένδρου επιθεμάτων υλοποιούνται ένα σύνολο αλγόριθμων εξαγωγής επαναληπτικών δομών από βεβαρημένες ακολουθίες. Πιο συγκεκριμένα, δίνονται αλγόριθμοι για την εύρεση μέγιστων ευγών,επαναλαμβανόμενων μοτίβων και κοινών μοτίβων από περισσότερες της μίας βεβαρημένες ακολουθίες. - Αλγόριθμοι Σύστασης Σελίδων Παγκόσμιου Ιστού με χρήση τεχνικών επεξεργασίας συμβολοσειρών. Αρκετές εφαρμογές παγκόσμιου ιστού (συστήματα σύστασης ή συστήματα κρυφής μνήμης) προσπαθούν να προβλέψουν τις προθέσεις ενός επισκέπτη είτε για να του προτείνουν είτε για να προφορτώσουν μία σελίδα. Για το σκοπό αυτό προσπαθούν να εκμεταλλευτούν οποιαδήποτε εμπειρία που έχει καταγραφεί στο σύστημα από προηγούμενες προσπελάσεις. Προτείνεται νέος τρόπος δεικτοδότησης και αναπαράστασης της πληροφορίας που εξάγεται από τα διαθέσιμα δεδομένα, όπως οι προσβάσεις των χρηστών από τα logfilesκαι το περιεχόμενο των σελίδων. Για την εξόρυξη γνώσης από τα παραπάνω δεδομένα, αυτά αναπαριστώνται ως συμβολοσειρές και στη συνέχεια επεξεργάζονται και δεικτοδοτούνται από ένα γενικευμένο βεβαρημένο δένδρο επιθεμάτων. Το δένδρο αυτό συμπυκνώνει αποδοτικά τα πιο συχνά αλλά και πιο ουσιαστικά μοτίβα προσπελάσεων και χρησιμοποιείται, αφότου κατασκευαστεί, σαν ένα μοντέλο για την πρόβλεψη των κινήσεων τον επισκεπτών ενός ιστοτόπου. The basic goal of this thesis is to explore the possibilities of the field of computer science that deals with storing and processing information in the environment that formed by the modern applications. In recent years, the information that is available in electronic form, has met an enormous growth. Thus it is necessary to develop new techniques for efficient storage and processing. Two very specific and important applications in which constantly new problems arise are, the management of biological data, such as genome sequences, and the management information from the Web, such as documents HTML, XML or shortcuts (urls). The objective is the development of data structures for indexing information so that the questions are able to be answered in less time than looking explicitly in information. Such questions are to find patterns (pattern matching) or the identification of repeated motifs (motif extraction). In particular, the issues on which this thesis has focused are: - Locating Periodicities in strings. This section provides a series of algorithms for the extraction of periodicities of strings. We propose algorithms for the extraction of maximum repetitions of the cover, period and the seed of a string. The algorithms used are based on suffix tree and they are optimal. - Weighted Sequences indexing. In the next section, the study focuses on indexing of weighted sequences, and to answer questions like finding models, pairs, covers etc. in them. The weighted sequences are sequences where each position consists of all the symbols of the alphabet in sequence, having each one a specific weight. For the management of these sequences a particular indexing structure is proposed with the name Weighted Suffix Tree, a tree with structural features similar to those of the generalized suffix tree. In this work we propose the definition of the weighted suffix tree and construction algorithms in linear time and memory space. With the utilization of weighted suffix tree on a set of weighted sequences we propose algorithms for extracting repetitive structures from a set of weighted sequences. More specifically, we propose algorithms for finding maximum pairs, repeated motifs and common patterns of more than one weighted sequences -Recommendation Algorithms for web pages using strings processing algorithms. Several web applications (Recommendation systems or cache systems) want to predict the intentions of a visitor in order to propose or to preload a webpage. For this purpose systems try to exploit any experience that is recorded in the system from previous accesses. A new method for indexing and representing of information extracted is proposed upon the recorder data, from the user accesses in log files and content pages. For extracting knowledge from these data, the information is represented as strings and then treated and processed as weighted sequences. All these sequences are indexed by a generalized weighted sequence tree.

Τα ασύρματα δίκτυα μικροαισθητήρων είναι μια πρόσφατη κατηγορία αδόμητων υπολογιστικών δικτύων, τα οποία αποτελούνται από κόμβους με μικρό μέγεθος και περιορισμένους υπολογιστικούς και ενεργειακούς πόρους. Τέτοιοι κόμβοι έχουν δυνατότητες μέτρησης φυσικών μεγεθών (όπως πχ. θερμοκρασία, υγρασία, κ.α.), ασύρματης επικοινωνίας μεταξύ τους, και σε κάποιες περιπτώσεις αλληλεπίδρασης με το περιβάλλον τους (μέσω κατάλληλων ηλεκτρομηχανικών μερών). Καθώς τα δίκτυα αυτά έχουν αρχίσει να γίνονται πιο προσιτά (από άποψη κόστους και διαθεσιμότητας hardware), το πεδίο εφαρμογής και η φιλοσοφία χρήσης τους συνεχώς εξελίσσεται και διευρύνεται. Έτσι, έχουμε παραδείγματα εφαρμογών από παρακολούθηση της βιοποικιλότητας μιας περιοχής έως την παρακολούθηση στατικότητας κατασκευών, και δίκτυα με πλήθος κόμβων από δεκάδες έως και εκατοντάδες ή και χιλιάδες κόμβων. Κατά την εκπόνηση της διδακτορικής διατριβής ασχοληθήκαμε με τις εξής βασικές ερευνητικές κατευθύνσεις που αφορούν στα συγκεκριμένα δίκτυα: α) την εξομοίωσή τους, β) την ανάπτυξη πρωτοκόλλων διάδοσης πληροφορίας κατάλληλων για αυτά τα δίκτυα και τη μελέτη της απόδοσής τους μέσω εξομοίωσης, γ) τη μοντελοποίηση εχθρικών συνθηκών («εμποδίων») σε ένα τέτοιο δίκτυο και την εφαρμογή τους στο επίπεδο της εξομοίωσης, δ) την ανάπτυξη εφαρμογών για τη διαχείρισή τους. Στο σκέλος της εξομοίωσης, δόθηκε αρχικά έμφαση στην αποδοτική εξομοίωση τέτοιου τύπου δικτύων με μέγεθος αρκετών χιλιάδων κόμβων, και στα πλαίσια της έρευνας μας αναπτύχθηκε ένα περιβάλλον εξομοίωσης (simDust), με δυνατότητα προσθήκης νέων πρωτοκόλλων καθώς και οπτικοποίησης. Το περιβάλλον αυτό χρησιμοποιήθηκε ακολούθως για την επέκταση και πειραματική αξιολόγηση ορισμένων χαρακτηριστικών υπαρχόντων πρωτοκόλλων διάδοσης πληροφορίας σε ασύρματα δίκτυα μικροαισθητήρων. Παράλληλα, αναπτύξαμε ένα νέο πρωτόκολλο και κάναμε μια σύγκριση της απόδοσής του με άλλα αντίστοιχα πρωτόκολλα. Η πειραματική μας αξιολόγηση έδειξε ότι το νέο πρωτόκολλο, το οποίο βασίζεται σε δυναμικές αλλαγές της ακτίνας μετάδοσης των κόμβων του δικτύου, συμπεριφέρεται αποδοτικότερα από άλλα πρωτόκολλα της υπάρχουσας βιβλιογραφίας, και συγκεκριμένα σε δίκτυα με εμπόδια και ανομοιογενή ανάπτυξη των αισθητήρων. Στη συνέχεια, δόθηκε έμφαση στην προσθήκη «ρεαλιστικών» συνθηκών κατά τη διάρκεια της εξομοίωσης τέτοιων πρωτοκόλλων, οι οποίες να λειτουργούν ανταγωνιστικά ως προς τα πρωτόκολλα αυτά. Σκοπός μας ήταν να προταθεί ένα μοντέλο, το οποίο να μπορεί να περιγράψει συνθήκες που περιορίζουν την αποτελεσματικότητά τους. Συγκεκριμένα, προτείναμε και υλοποιήσαμε ένα ολοκληρωμένο μοντέλο ``εμποδίων'', το οποίο εισάγει μικρή πρόσθετη υπολογιστική πολυπλοκότητα σε έναν εξομοιωτή, ενώ παράλληλα για να εξετάσουμε την επίδρασή του εστιάσαμε σε πρωτόκολλα τα οποία χρησιμοποιούν γεωγραφική γνώση (απόλυτη ή σχετική) για να δρομολογήσουν την πληροφορία μέσα σε ένα δίκτυο ασύρματων μικροαισθητήρων. Τέτοια πρωτόκολλα είναι σχετικά ευαίσθητα σε δυναμικές αλλαγές της τοπολογίας και των συνθηκών του δικτύου. Μέσω πειραματικής αξιολόγησης δείξαμε την σημαντική επίδραση που μπορούν να έχουν συγκεκριμένες αντίξοες συνθήκες μέσα στο δίκτυο στην απόδοση αυτών των πρωτοκόλλων. Στο σκέλος των εφαρμογών, προτείναμε αρχικά μια αρχιτεκτονική (WebDust/ShareSense) για ένα σύστημα διαχείρισης τέτοιων δικτύων, το οποίο να παρέχει βασικές δυνατότητες δημιουργίας εφαρμογών για τέτοια δίκτυα σε συνδυασμό με επεκτασιμότητα. Χαρακτηριστικά που ξεχωρίζουν είναι η δυνατότητα διαχείρισης πολλαπλών ετερογενών ασύρματων δικτύων μικροαισθητήρων, η ανοικτότητα, η χρήση peer-to-peer αρχιτεκτονικής για τη διασύνδεση πολλών διαφορετικών δικτύων. Υλοποιήθηκε μέρος του προτεινόμενου συστήματος, ενώ στη συνέχεια το σύστημα αναθεωρήθηκε σε ότι αφορά την αρχιτεκτονική του και εμπλουτίστηκε με πρόσθετες δυνατότητες παρουσίασης. Wireless sensor networks are a recently introduced category of ad hoc computer networks, which are comprised by nodes of small size and limited computing and energy resources. Such nodes are able of measuring physical properties such as temperature, humidity, etc., wireless communication between each other and in some cases interaction with their surrounding environments (through the use of electromechanical parts). As these networks have begun to be widely available (in terms of cost and commercial hardware availability), their field of application and philosophy of use is constantly evolving. We have numerous examples of their applications, ranging from monitoring the biodiversity of a specific outdoor area to structural health monitoring of bridges, and also networks ranging from few tens of nodes to even thousands of nodes. In this PhD thesis we investigated the following basic research lines related to wireless sensor networks: a) their simulation, b) the development of data propagation protocols suited to such networks and their evaluation through simulation, c) the modelling of ``hostile'' circumstances (obstacles) during their operation and evaluation of their impact through simulation, d) the development of a sensor network management application. Regarding simulation, we initially placed an emphasis to issues such as the effective simulation of networks of several thousands of nodes, and in that respect we developed a network simulator (simDust), which is extendable through the addition of new data propagation protocols and visualization capabilities. This simulator was used to evaluate the performance of a number of characteristic data propagation protocols for wireless sensor networks. Furthermore, we developed a new protocol (VRTP) and evaluated its performance against other similar protocols. Our studies show that the new protocol, that uses dynamic changes of the transmission range of the network nodes, performs better in certain cases than other related protocols, especially in networks containing obstacles and in the case of non-homogeneous placement of nodes. Moreover, we emphasized on the addition of ``realistic'' conditions to the simulation of such protocols, that have an adversarial effect on their operation. Our goal was to introduce a model for obstacles that adds little computational overhead to a simulator, and also study the effect of the inclusion of such a model on data propagation protocols that use geographic information (absolute or relative). Such protocols are relatively sensitive to dynamic topology changes and network conditions. Through our experiments, we show that the inclusion of obstacles during simulation can have a significant effect on these protocols. Finally, regarding applications, we initially proposed an architecture (WebDust/ShareSense), for the management of such networks, that would provide basic capabilities of managing such networks and developing applications above it. Features that set it apart are the capability of managing multiple heterogeneous sensor networks, openess, the use of a peer-to-peer architecture for the interconnection of multiple sensor network. A large part of the proposed architecture was implemented, while the overall architecture was extended to also include additional visualization capabilities.

Τα κατανεμημένα δίκτυα κλίμακας Ίντερνετ και κυρίως τα δίκτυα ομοτίμων εταίρων, γνωστά και ως peer-to-peer (p2p), που αποτελούν το πιο αντιπροσωπευτικό παράδειγμά τους, προσελκύουν τα τελευταία χρόνια μεγάλο ενδιαφέρον από τους ερευνητές και τις επιχειρήσεις λόγω των ιδιόμορφων χαρακτηριστικών τους, όπως ο πλήρης αποκεντρωτικός χαρακτήρας, η αυτονομία των κόμβων, η ικανότητα κλιμάκωσης, κ.λπ. Αρχικά σχεδιασμένα να υποστηρίζουν εφαρμογές διαμοιρασμού αρχείων με βασική υπηρεσία την επεξεργασία απλών ερωτημάτων, σύντομα εξελίχτηκαν σε ένα καινούργιο μοντέλο κατανεμημένων συστημάτων, με μεγάλες και αυξανόμενες δυνατότητες για διαδικτυακές εφαρμογές, υποστηρίζοντας πολύπλοκες εφαρμογές διαμοιρασμού δομημένων και σημασιολογικά προσδιορισμένων δεδομένων. Η προσέγγισή μας στην περιοχή αυτή γίνεται προς δύο βασικές κατευθύνσεις: (α) την επεξεργασία πολύπλοκων ερωτημάτων και (β) την εκτίμηση των ανομοιομορφιών των διαφόρων κατανομών που συναντάμε στα δίκτυα αυτά (π.χ. φορτίου, προσφοράς ή κατανάλωσης ενός πόρου, τιμών των δεδομένων των κόμβων, κ.λπ.), που εκτός των άλλων αποτελεί ένα σημαντικό εργαλείο στην υποστήριξη πολύπλοκων ερωτημάτων. Συγκεκριμένα, ασχολούμαστε και επιλύουμε τρία βασικά ανοικτά προβλήματα. Το πρώτο ανοικτό πρόβλημα είναι η επεξεργασία ερωτημάτων εύρους τιμών σε ομότιμα συστήματα κατανεμημένου πίνακα κατακερματισμού, με ταυτόχρονη εξασφάλιση της εξισορρόπησης του φορτίου των κόμβων και της ανοχής σε σφάλματα. Προτείνουμε μια αρχιτεκτονική επικάλυψης, που ονομάζουμε Saturn, που εφαρμόζεται πάνω από ένα δίκτυο κατανεμημένου πίνακα κατακερματισμού. Η αρχιτεκτονική Saturn χρησιμοποιεί: (α) μια πρωτότυπη συνάρτηση κατακερματισμού που τοποθετεί διαδοχικές τιμές δεδομένων σε γειτονικούς κόμβους, για την αποδοτική επεξεργασία των ερωτημάτων εύρους τιμών και (β) την αντιγραφή, για την εξασφάλιση της εξισορρόπησης του φορτίου προσπελάσεων (κάθετη, καθοδηγούμενη από το φορτίο αντιγραφή) και της ανοχής σε σφάλματα (οριζόντια αντιγραφή). Μέσα από μια εκτεταμένη πειραματική αξιολόγηση του Saturn και σύγκριση με δύο βασικά δίκτυα κατανεμημένου πίνακα κατακερματισμού (Chord και OP-Chord) πιστοποιούμε την ανωτερότητα του Saturn να αντιμετωπίζει και τα τρία ζητήματα που θέσαμε, αλλά και την ικανότητά του να συντονίζει το βαθμό αντιγραφής ώστε να ανταλλάζει ανάμεσα στο κόστος αντιγραφής και στο βαθμό εξισορρόπησης του φορτίου. Το δεύτερο ανοικτό πρόβλημα που αντιμετωπίζουμε αφορά την έλλειψη κατάλληλων μετρικών που να εκφράζουν τις ανομοιομορφίες των διαφόρων κατανομών (όπως, για παράδειγμα, το βαθμό δικαιοσύνης μιας κατανομής φορτίου) σε κατανεμημένα δίκτυα κλίμακας Ίντερνετ και την μη αποτελεσματική ή δυναμική εκμετάλλευση μετρικών ανομοιομορφίας σε συνδυασμό με αλγορίθμους διόρθωσης (όπως ο αλγόριθμος εξισορρόπησης φορτίου). Το πρόβλημα είναι σημαντικό γιατί η εκτίμηση των κατανομών συντελεί στην ικανότητα κλιμάκωσης και στην επίδοση αυτών των δικτύων. Αρχικά, προτείνουμε τρεις μετρικές ανομοιομορφίας (το συντελεστή του Gini, τον δείκτη δικαιοσύνης και το συντελεστή διασποράς) μετά από μια αναλυτική αξιολόγηση μεταξύ γνωστών μετρικών εκτίμησης ανομοιομορφίας και στη συνέχεια, αναπτύσσουμε τεχνικές δειγματοληψίας (τρεις γνωστές τεχνικές και τρεις προτεινόμενες) για τη δυναμική εκτίμηση αυτών των μετρικών. Με εκτεταμένα πειράματα αξιολογούμε συγκριτικά τους προτεινόμενους αλγορίθμους εκτίμησης και τις τρεις μετρικές και επιδεικνύουμε πώς αυτές οι μετρικές και ειδικά, ο συντελεστής του Gini, μπορούν να χρησιμοποιηθούν εύκολα και δυναμικά από υψηλότερου επιπέδου αλγορίθμους, οι οποίοι μπορούν τώρα να ξέρουν πότε να επέμβουν για να διορθώσουν τις άδικες κατανομές. Το τρίτο και τελευταίο ανοικτό πρόβλημα αφορά την εκτίμηση του μεγέθους αυτοσύνδεσης μιας σχέσης όπου οι πλειάδες της είναι κατανεμημένες σε κόμβους δεδομένων που αποτελούν ένα ομότιμο δίκτυο επικάλυψης. Το μέγεθος αυτοσύνδεσης έχει χρησιμοποιηθεί εκτεταμένα σε συγκεντρωτικές βάσεις δεδομένων για τη βελτιστοποίηση ερωτημάτων και υποστηρίζουμε ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σε ένα πλήθος άλλων εφαρμογών, ειδικά στα ομότιμα δίκτυα (π.χ. συσταδοποίηση του Ιστού, αναζήτηση στον Ιστό, κ.λπ.). Η συνεισφορά μας περιλαμβάνει, αρχικά, τις προσαρμογές πέντε γνωστών συγκεντρωτικών τεχνικών εκτίμησης του μεγέθους αυτοσύνδεσης (συγκεκριμένα, σειριακή, ετεροδειγματοληπτική, προσαρμοστική και διεστιακή δειγματοληψία και δειγματοληψία με μέτρηση δείγματος) στο περιβάλλον ομοτίμων εταίρων και η ανάπτυξη μια πρωτότυπης τεχνικής εκτίμησης του μεγέθους αυτοσύνδεσης, βασισμένη στο συντελεστή του Gini. Με μαθηματική ανάλυση δείχνουμε ότι οι εκτιμήσεις του συντελεστή του Gini μπορούν να οδηγήσουν σε εκτιμήσεις των υποκείμενων κατανομών δεδομένων, όταν αυτά ακολουθούν το νόμο της δύναμης ή το νόμο του Zipf και αυτές, με τη σειρά τους, σε εκτιμήσεις του μεγέθους αυτοσύνδεσης των σχέσεων των δεδομένων. Μετά από αναλυτική πειραματική μελέτη και σύγκριση όλων των παραπάνω τεχνικών αποδεικνύουμε ότι η καινούργια τεχνική που προτείνουμε είναι πολύ αποτελεσματική ως προς την ακρίβεια, την πιστότητα και την απόδοση έναντι των άλλων πέντε μεθόδων. The distributed, Internet-scale networks, and mainly, the peer-to-peer networks (p2p), that constitute their most representative example, recently attract a great interest from the researchers and the industry, due to their outstanding properties, such as full decentralization, autonomy of nodes, scalability, etc. Initially designed to support file sharing applications with simple lookup operations, they soon developed in a new model of distributed systems, with many and increasing possibilities for Internet applications, supporting complex applications of structured and semantically rich data. Our research to the area has two basic points of view: (a) complex query processing and (b) estimation of skewness in various distributions existing in these networks (e.g. load distribution, distribution of offer, or consumption of resources, data value distributions, etc), which, among others, it is an important tool to complex query processing support. Specifically, we deal with and solve three basic open problems. The first open problem is range query processing in p2p systems based on distributed hash tables (DHT), with simultaneous guarantees of access load balancing and fault tolerance. We propose an overlay DHT architecture, coined Saturn. Saturn uses a novel order-preserving hash function that places consecutive data values in successive nodes to provide efficient range query processing, and replication to guarantee access load balancing (vertical, load-driven replication) and fault tolerance (horizontal replication). With extensive experimentation, we evaluate and compare Saturn with two basic DHT networks (Chord and OP - Chord), and certify its superiority to cope with the three above requirements, but also its ability to tune the degree of replication to trade off replication costs for access load balancing. The second open problem that we face concerns the lack of appropriate metrics to express the degree of skewness of various distributions (for example, the fairness degree of load balancing) in p2p networks, and the inefficient and offline-only exploitation of metrics of skewness, which does not enable any cooperation with corrective algorithms (for example, load balancing algorithms). The problem is important because estimation of distribution fairness contributes to system scalability and efficiency. First, after a comprehensive study and evaluation of popular metrics of skewness, we propose three of them (the coefficient of Gini, the fairness index, and the coefficient of variation), and, then, we develop sampling techniques (three already known techniques, and three novel ones) to dynamically estimate these metrics. With extensive experimentation, which comparatively evaluates both the various proposed estimation algorithms and the three metrics we propose, we show how these three metrics, and especially, the coefficient of Gini, can be easily utilized online by higher-level algorithms, which can now know when to best intervene to correct unfairness. The third and last open problem concerns self-join size estimation of a relation whose tuples are distributed over data nodes which comprise an overlay network. Self-join size has been extensively used in centralized databases for query optimization purposes, and we support that it can also be used in various other applications, specifically in p2p networks (e.g. web clustering, web searching, etc). Our contribution first includes the adaptations of five well-known self-join size estimation, centralized techniques (specifically, sequential sampling, cross-sampling, adaptive and bifocal sampling, and sample-count) to the p2p environment and a novel estimation technique which is based on the Gini coefficient. With mathematical analysis we show that, the estimates of the Gini coefficient can lead to estimates of the degree of skewness of the underlying data distribution, when these follow the power, or Zipf’s law, and these estimates can lead to self-join size estimates of those data relations. With extensive experimental study and comparison of all above techniques, we prove that the proposed technique is very efficient in terms of accuracy, precision, and cost of estimation against the other five methods.

Με την αύξηση της χρήσης του διαδικτύου σε εφαρμογές από απλή μεταφορά δεδομένων μέχρι ηλεκτρονικό εμπόριο, υπάρχει ανάγκη για ασφάλεια, η οποία έχει δώσει ώθηση στην έρευνα για κρυπτογραφικά πρωτόκολλα. Σήμερα είναι απαραίτητα πλέον τα πρωτόκολλα ασφαλείας σε όλες σχεδόν τις σημαντικές συναλλαγές, είτε είναι πρόσβαση σε κάποιο δίκτυο είτε για ηλεκτρονικό εμπόριο ή επικοινωνίες. Η κρυπτογραφία ελλειπτικών καμπυλών προσφέρει μια εναλλακτική λύση με εμφανή πλεονεκτήματα έναντι των παραδοσιακών συστημάτων ασφαλείας. Το βασικό τους πλεονέκτημα είναι ότι απαιτούν μικρότερο μήκος κλειδιού για επίτευξη ίδιου επιπέδου ασφαλείας με πιο παραδοσιακά κρυπτογραφικά συστήματα (όπως το RSA). Αυτή ακριβώς η ιδιότητα καθιστά τα κρυπτογραφικά συστήματα ελλειπτικών καμπυλών ιδιαίτερα ελκυστικά για εφαρμογή σε ενσωματωμένα συστήματα τα οποία εξορισμού έχουν περιορισμένους πόρους. Η παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζει την μεταφορά μιας βιβλιοθήκης ελλειπτικών καμπυλών σε ένα ενσωματωμένο σύστημα. Ιδιαίτερο βάρος δόθηκε στην δημιουργία ελλειπτικών καμπυλών κατάλληλων για χρήση σε κρυπτογραφικά συστήματα. Η κατασκευή των ελλειπτικών καμπυλών οι οποίες θεωρούνται ασφαλείς γίνονται με την μέθοδο του μιγαδικού πολλαπλασιασμού, Παρουσιάζεται η διαδικασία μεταφοράς, τα προβλήματα καθώς και τα πειραματικά αποτελέσματα. Επίσης παρουσιάζεται μια εφαρμογή η οποία επιδεικνύει τις δυνατότητες δημιουργίας ασφαλούς ελλειπτικής καμπύλης καθώς και την χρήση της καμπύλης αυτής για ασφαλή μετάδοση δεδομένων. Έτσι έχουμε ένα ενσωματωμένο σύστημα, με περιορισμένες δυνατότητες, το οποίο όχι μόνο υλοποιεί τα κατάλληλα πρωτόκολλα ελλειπτικών καμπυλών, αλλά έχει την δυνατότητα να δημιουργεί ασφαλείς ελλειπτικές καμπύλες κατάλληλες για χρήση από άλλες συσκευές. Over the last years there has been a rapid growth in Internet use and its benefits. Applications depending on connectivity range from simple networks to e-commerce and e-banking. Furthermore the nature of the hardware used in these transactions has been altered significally. Instead of high-end desktop computers laptops, PDAs and cell phones are widely used both in wired and wireless networks. In an environment as open as the Internet users may be in danger and their transactions may be compromised. There is an immediate need for safe cryptographic systems even for devices that meet hardware restrictions (i.e. processing power or memory and space limitations) without compromising the security levels required. Elliptic curve cryptography offers an interesting alternative in this direction instead of more traditional public key cryptosystem such as RSA. The main reason for this is the mathematical problems on which Elliptic Curve Cryptography (ECC) is based. ECC is based on the elliptic Curve Discrete Logarithm Problem (ECDLP). ECDLP is the ECC equivalent to DLP which is used in most public key cryptosystems and was introduced by Koblitz and Miller in 1985. So far the best algorithms for attacking the ECDLP take exponential time while for the DLP the time required is sub-exponential. This means that an ECC system can use smaller key size than traditional cryptosystems to achieve the same results. As an example, an ECC system with a key size of 160 bits is roughly equivalent to an RSA system with a key size of 1024 bits. Since the key size is significally smaller, so are requirements in space and memory, making ECC an excellent candidate for implementation in devices with limited resources. In this thesis we present an ECC library (ECC-LIB) in an embedded device with hardware limitations. ECC-LIB was developed by Elisavet Konstantinou, Yiannis Stamatiou, and Christos Zaroliagis as a tool to provide users with a modular library that allows development of various cryptographic protocols. We decided to use this library not on a desktop computer but on an embedded device to try and address any problems that might occur in such a limited environment. The device we selected is the AT76C520 chip, which can be used either as a wireless Access Point or as a network processor, with a microprocessor capable of running ucLinux, which is a Linux distribution for embedded devices. Our effort was focused on importing the library without changing the source code to ensure portability. We focused on the implementation of Complex Multiplication method for generating secure elliptic curves, which is not supported by most of the other implementations in embedded systems. Our experimental results demonstrate such an implementation is feasible and can produce efficiently elliptic curves suitable for use in cryptographic systems. Also, our implementation is highly portable. It can be used as is, or with minor changes, on practically any embedded system, since it is written exclusively in standard ANSI C, and there are no device specific optimizations (like assembly). We also implemented an application to support a working scenario. In this scenario our device is used as server from which other devices (wired or wireless, embedded or high end systems) can request an elliptic curve to use in order to achieve security in their communication. The client can request an elliptic curve of specific security level and our application can generate a suitable curve (using the Complex Multiplication method) and distribute it. This means that in a suitable environment plethora of devices can communicate safely, with devices types ranging from desktop computers to mobile phones and PDAs.

Η παρούσα εργασία έχει σαν στόχο την ανάλυση ενός προβλήματος δρομολόγησης το οποίο στη βάση του έχει ως εξής: Δίνεται ακολουθία διεργασιών που πρόκειται να δοθεί για επεξεργασία σε ένα σύνολο μηχανών. Η κάθε διεργασία χαρακτηρίζεται από το χρόνο επεξεργασίας της και θα πρέπει να δρομολογηθεί σε κάποια απ' τις μηχανές για χρόνο τουλάχιστον ίσο με αυτό. Επιπλέον υπάρχει απαίτηση από ένα υποσύνολο διεργασιών για επιτάχυνση. Το ζητούμενο είναι να δοθεί αλγόριθμος που δρομολογεί τις διεργασίες στις μηχανές ελαχιστοποιώντας κάποια μετρική απόδοσης, παράλληλα με την εξυπηρέτηση όσο το δυνατόν περισσότερων αιτήσεων για επιτάχυνση. Στα πλαίσια ενός εισαγωγικού κεφαλαίου δίνεται θεωρητικό υπόβαθρο που αφορά σε προβλήματα και αλγορίθμους δρομολόγησης, σημειώνοντας ιδιαίτερα τη διαφορά μεταξύ στατικών και δυναμικών αλγορίθμων. Αντικείμενο της εργασίας αυτής γίνεται στη συνέχεια η μελέτη του παραπάνω προβλήματος, σε περιβάλλον μιας μηχανής και σε παραλλαγές του οι οποίες σχετίζονται με παραμέτρους, όπως για παράδειγμα, προθεσμίες ολοκλήρωσης. Αποτέλεσμα της μελέτης αυτής είναι η ανάπτυξη, αλλά και η αξιολόγηση αποτελεσματικών μεθόδων επίλυσης, χρησιμοποιώντας γνωστά κριτήρια βελτιστοποίησης όπως ο χρόνος που απαιτείται για την ολοκλήρωση των διεργασιών, αλλά και κάποιες νέες μετρικές που συστήνονται και η ανάγκη τους επεξηγείται αναλυτικά. Τέλος στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται επισκόπηση προβλημάτων που αφορούν δρομολόγηση σε περισσότερες από μία μηχανές. Τα προβλήματα αυτά ενώ αποδεικνύονται ΝΡ-πλήρη, οι αποδείξεις παραλείπονται και δίδονται παρατηρήσεις για την πολυπλοκότητα παραλλαγών τους. Η εργασία κλείνει με μια παρουσίαση της υπολογιστικής μεθόδου του δυναμικού προγραμματισμού, που γίνεται προσπάθεια να εφαρμοστεί σε προβλήματα δρομολόγησης. The purpose of the present study is to analyze a scheduling problem, the def- inition of which is: We are given a sequence of tasks that are to be processed on a set of machines. Each task is characterized by its running time and has to be scheduled on a machine, for at least its running time. In addition, there are speedup requests from a subset of tasks. The scheduling algorithm is asked to produce a schedule that minimizes an objective function in par- allel with serving as many as possible speedup requests. The introduction gives a theoretical background concerning scheduling prob- lems and algorithms, with an emphasis on the di_erence between static and dynamic algorithms. The objective of the second chapter, is to study the problem above, in its many variations, with a reference to parameters like the number of the machines, deadlines etc. The result of this study, is the development and the evaluation of two algorithms, using objective functions like makespan, and also some new ones that arise in the essay and their need is analyzed. The thesis closes with a consideration of already known schedul- ing problems and its variants, that have been proved to be NP-complete.

Στο πλαίσιο της διδακτορικής διατριβής αυτής προσπαθήσαμε να δώσουμε λύση στο κεντρικό πρόβλημα του σχεδιασμού και της υλοποίησης κατανεμημένων αρχιτεκτονικών συστήματος, πρωτοκόλλων και αλγορίθμων που παρέχουν την αναγκαία υποδομή για τον υπολογισμό ορισμένων βασικών καθολικών ιδιοτήτων και μεταβλητών της κατάστασης ενός Δικτύου Ομοτίμων Εταίρων (ΔΟΕ). Μπορούμε να διακρίνουμε δύο κύριες διαστάσεις καθολικών ιδιοτήτων: (α) ιδιότητες που αναφέρονται στους κόμβους του δικτύου και τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά τους (υπολογιστική ισχύ, συμπεριφορά, κτλ.) και (β) ιδιότητες και μεταβλητές των αντικειμένων/δεδομένων που χειρίζεται το ΔΟΕ. Για το σκοπό αυτό, κινηθήκαμε προς δύο αλληλοσυμπληρούμενες κατευθύνσεις: (α) ποσοτικοποίηση και εκμετάλλευση της ετερογένειας των κόμβων ενός ΔΟΕ, και (β) υπολογισμός εκτιμήσεων καθολικών μεταβλητών του συστήματος, με απώτερο στόχο την υποστήριξη επεξεργασίας πολύπλοκων ερωτημάτων σε συστήματα διαχείρισης δεδομένων Διαδικτυακής κλίμακας. Στο πρώτο μέρος της διατριβής αυτής, ασχοληθήκαμε με το πρόβλημα της ετερογένειας στις υπολογιστικές δυνατότητες και στις συμπεριφορές των κόμβων ενός ΔΟΕ, καθ'οδόν προς ένα πιό αποδοτικό και ανθεκτικό περιβάλλον δρομολόγησης μηνυμάτων και επεξεργασίας ερωτημάτων, σε σχέση με τα κλασσικά υπάρχοντα δομημένα δικτυακά υποστρώματα ΔΟΕ Κατανεμημένων Πινάκων Κατακερματισμού. Έτσι, πρώτα παρουσιάζουμε ένα νέο παράδειγμα αρχιτεκτονικής δόμησης των ΔΟΕ, το οποίο ονομάζουμε AESOP. Ακόμα, ασχολούμαστε με το πρόβλημα της αποδοτικής επεξεργασίας ερωτημάτων εύρους σε ΔΟΕ βασισμένα σε DHT. Η καινοτομία της προτεινόμενης προσέγγισης βρίσκεται σε αρχιτεκτονικές, αλγορίθμους και πρωτόκολλα ταυτοποίησης και κατάλληλης εκμετάλλευσης δυνατών κόμβων του δικτύων αυτών. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής αυτής, ασχολούμστε με την κατανεμημένη εκτίμηση καθολικών μεταβλητών συστημάτων ΔΟΕ, όπως ο πληθάριθμος κατανεμημένων πολυσυνόλων, η επεξεργασία καθολικών συναθροιστικών ερωτημάτων και η διατήρηση ιστογραμμάτων επί δεδομένων κατανεμημένων σε όλους του κόμβους του ΔΟΕ, ώστε να επιτρέψουμε την μεταφορά τεχνικών βελτιστοποίησης ερωτημάτων από τα κεντρικοποιημένα περιβάλλοντα στον ευρέος κατανεμημένο χώρο των συστημάτων διαχείρισης δεδομένων Διαδικτυακής κλίμακας. As part of this doctoral thesis we tried to solve the central problem of the design and implementation of distributed system architectures, protocols and algorithms that provide the infrastructure necessary to calculate some basic global properties and variables of a peer-to-peer network. We can distinguish two main dimensions of such properties: (a) properties pertaining to the nodes of the network and their particular characteristics (computing power, behavior, etc.) and (b) properties of objects and variables/data managed by the P2P network. For this purpose, we moved in two complementary directions: (a) quantification and exploitation of heterogeneity of nodes in P2P networks, and (b) calculation of estimates of global variables, with a view to support complex query processing in Internet-scale data management systems. First, we dealt with the problem of heterogeneity in computing capabilities and behaviour patterns of the nodes in a P2P network, en route to a more efficient and fault resilient routing and query processing infrastructure compared to classic structure DHT-based data networks. So, first we present a new architecture paradigm, called AESOP. We then use this architecture to tackle the problem of efficient range query processing in DHT-based data management systems. The innovation of the proposed approach lies in architectures, algorithms and protocols for identification and proper exploitation of the powerful nodes of these networks. Then we deal with the distributed estimation of global system variables in P2P networks, such as the cardinality of distributed multisets, distributed aggregate query processing, and the maintenance of distributed histograms over data stored across all nodes of the P2P overlay, so as to allow the porting of query processing and optimization techniques from centralized environments to the widely distributed field of Internet-scale data management systems.

Στα πλαίσια αυτής της διδακτορικής διατριβής μελετήθηκαν τόσο το κρυπτογραφικό σχήμα του RSA όσο και τα διαφορά σχήματα κρυπτογραφίας ελλειπτικών καμπύλων με στόχο την πρόταση μιας αποδοτικής, σε ταχύτητα και απαιτούμενους πόρους υλικού, μεθοδολογία σχεδιασμού τους. Σε αυτή τη μεθοδολογία σχεδιασμού δίνεται μεγάλο βάρος στη βελτιστοποίηση των πράξεων στα πεπερασμένα σώματα που χρησιμοποιούνται στην κρυπτογραφία δημοσίου κλειδιού. Τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα σε κρυπτογραφία πεπερασμένα σώματα είναι τα GF(p) (πρώτα σώματα) και τα GF(2^k) (πεπερασμένα σώματα δυαδικής επέκτασης). Σε σχέση με την αριθμητική των GF(p), προτείνεται η χρήση του αλγόριθμου του Montgomery για modulo πολλαπλασιασμό, τροποποιημένου έτσι ώστε να χρησιμοποιεί Carry-Save πλεονάζουσα λογική καθώς και προεπεξεργασία τιμών. Η προκύπτουσα προτεινόμενη αρχιτεκτονική χρησιμοποιείται σε μονάδα ύψωσης σε δύναμη (που αποτελεί και την βασική αριθμητική πράξη του RSA). Η προτεινόμενη μονάδα επιτυγχάνει πολύ καλύτερα αποτελέσματα σε σχέση με άλλες αρχιτεκτονικές τόσο ως προς την ταχύτητα λειτουργίας αλλά και ως προς τους χρησιμοποιούμενους πόρους υλικού. Σε σχέση με την αριθμητική των GF(2^k), προτείνονται αλγόριθμοι και αρχιτεκτονικές για ευέλικτο πολλαπλασιασμό και για αντιστροφή, όταν χρησιμοποιείται πολυωνυμική βάση αναπαράστασης και μια μεθοδολογία πολλαπλασιασμού με αντίστοιχες σειριακές (SMPO) και παράλληλες αρχιτεκτονικές πολλαπλασιασμού όταν χρησιμοποιείται αναπαράσταση κανονικής βάσης. Τέλος, στα πλαίσια της αριθμητικής Ελλειπτικών Καμπύλων η οποία βασίζεται στα πεπερασμένα σώματα GF(p) ή GF(2^k) (στην κρυπτογραφία), χρησιμοποιήθηκαν προτεινόμενες αρχιτεκτονικές δομές για τα σώματα αυτά έτσι ώστε να προκύψει μια ανταγωνιστική αριθμητική μονάδα πράξεων για Ελλειπτικές Καμπύλες. Το πρόβλημα που εμφανίζεται σε μια τέτοια μονάδα έχει να κάνει με το μεγάλο κόστος της αντιστροφής σε πεπερασμένα σώματα σε πόρους υλικού αλλά και σε καθυστέρηση υπολογισμών. Χρησιμοποιώντας την αρχιτεκτονική δομή που προτείνεται στην παρούσα διδακτορική διατριβή για αντιστροφή-πολλαπλασιασμό σε GF(2^k) (μονάδα πολλαπλασιασμού/αντιστροφής) το προαναφερθέν κόστος ελαχιστοποιείται. In this PhD dissertation the cryptographic schemes of RSA and elliptic curve cryptography were studied extensively in order to propose design methodologies for those schemes that are efficient in terms of computation speed and employed hardware resources. In the proposed methodologies special attention is given in the optimization of finite field arithmetic operations employed in public key cryptography. The most widely used such fields are the prime fields or GF(p) and the binary extension fields or GF(2^k) Concerning GF(p) arithmetic, an optimized version of Montgomery modulo multiplication algorithm is proposed for performing modular multiplication that employs Carry - Save redundant logic and value precomputation. The resulting architecture is used in a modular exponentiation unit (which is the basic arithmetic operation of RSA. The proposed unit achieves much better results in terms of computation speed and utilized hardware resources when compared to other well known similar designs. Concerning arithmetic in GF(2^k), algorithms and architectures are proposed for versatile design and inversion when polynomial basis representation of the GF(2^k)is employed. Also, a multiplication design methodology is proposed along with resulting sequential (SMPO) and parallel hardware architectures when normal basis representation of the GF(2k) is chosen. Finally, on elliptic curve arithmetic defined over GF(p) or GF(2^k) the proposed architectures for those fields were used in order to propose a competitive elliptic curve point operation arithmetic unit. The major problem of such a unit is the extensive cost in hardware resources and computation delay of finite field inversion operation. Using the architectural structure proposed in the PhD dissertation for inversion/multiplication in GF(2^k) (multiplication/inversion unit) the design cost can be minimized.

Το βασικό χαρακτηριστικό των ασύρματων δικτύων αυθαίρετης τοπολογίας (wireless ad hoc networks) είναι πως δεν απαιτούν την ύπαρξη σταθερής υποδομής (σε αντίθεση π.χ. με τα κυψελωτά δίκτυα). Ένα ιδιαίτερα σημαντικό παράδειγμα τέτοιων δικτύων αποτελούν τα λεγόμενα δίκτυα αισθητήρων (sensor networks), τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε τομείς όπως η παρακολούθηση και καταγραφή φυσικών φαινομένων, ή η προσωρινή δημιουργία δικτύου επικοινωνίας σε περιοχές που έχουν πληγεί από κάποια καταστροφή, κλπ., και επομένως αποτελούν μια ερευνητική περιοχή μεγάλου ενδιαφέροντος. Στα δίκτυα αυτά, όταν ένας κόμβος πρέπει να στείλει ένα πακέτο σε κόμβο που βρίσκεται εκτός της ακτίνας μετάδοσης του, τότε η μετάδοση γίνεται μέσω κόμβων που βρίσκονται πάνω σε μια διαδρομή μεταξύ αυτών των δύο κόμβων. Επειδή, όμως, οι κόμβοι αυτοί συνήθως έχουν περιορισμένη ενέργεια, ο τρόπος δρομολόγησης είναι καθοριστικός για τη λειτουργία του δικτύου. Τα πρωτόκολλα δρομολόγησης βασίζονται σε διάφορες μεθόδους όπως: κάθε κόμβος να επικοινωνεί μόνο με ορισμένους από τους γείτονες του, ή κάθε κόμβος να επιλέγει κόμβους στους οποίους θα μεταδώσει πακέτα με βάση τη γεωμετρική θέση τους. Μια άλλη μέθοδος δρομολόγησης είναι η κατασκευή ενός εικονικού δικτύου υποδομής, οι κόμβοι του οποίου είναι κόμβοι του ασύρματου δικτύου και οι ακμές του οποίου χρησιμοποιούνται για τη μεταφορά των πακέτων. Η κατασκευή του δικτύου υποδομής πρέπει να πραγματοποιηθεί με κατανεμημένο τρόπο και το μέγεθος και η δομή του πρέπει να είναι τέτοια ώστε η δρομολόγηση να απαιτεί όσο το δυνατόν λιγότερη κατανάλωση ενέργειας από τους κόμβους. Στα πλαίσια της διπλωματικής αυτής εργασίας: 1) Αναπτύχθηκαν δύο νέες μέθοδοι δρομολόγησης σε ασύρματα δίκτυα αυθαίρετης τοπολογίας μέσω κατασκευής εικονικών δικτύων υποδομής. Οι μέθοδοι αυτοί βασίζονται σε αντίστοιχους αλγόριθμους κατασκευής επικαλυπτόντων υπογραφημάτων και έχουν την ιδιότητα ότι τα εικονικά δίκτυα που παράγονται έχουν σχετικά μικρό αριθμό ακμών, ενώ παράλληλα η απόσταση μεταξύ δύο κόμβων στο εικονικό δίκτυο είναι το πολύ t φορές μεγαλύτερη από την ελάχιστη απόσταση τους στο αρχικό δίκτυο (όπου t είναι παράμετρος που εξαρτάται από τον αλγόριθμο). 2) Υλοποιήθηκαν οι δύο αυτές νέες μέθοδοι δρομολόγησης σε κατάλληλο περιβάλλον εξομοίωσης και έγινε εκτενής πειραματική αξιολόγηση τους. The characteristic feature of wireless ad hoc networks is that there is no fixed infastructure (in constrast with cellular networks). One considerabe example of such networks is sensor networks, which can be used to monitor a natural phenomenon, or to construct a temporary communication network in areas where a disaster has occurred, etc, therefore wireless ad hoc networks is a research area of great interest. In wireless ad hoc networks when a node needs to send a message to a node which relies outside of its transmission range, then the transmission takes place through the nodes which rely on a path which connects these two nodes. The wireless nodes, however, have limited energy, therefore routing method is crusial for the operation of the network. Routing protocols are based on several methods, such as: each node is allowed to communicate with only a selected subset of its neighbors, or each node chooses to transmits a message to one of its neighbors based on its geometrical position. Another routing method is to construct a virtual backbone network. The virtual network has the same nodes as the ad hoc network, but only its links are used for the routing of messages. The construction of the virtual network must be executed in a distributed way and its size and structure must be suitable to allow the nodes to consume as less energy as possible in order to support the routing protocol. In this work 1) we have developed two new routing methods for wireless ad hoc networks by constructing virtual networks. These two methods are based on corresponding algorithms for maintaining spanners. The virtual networks constructed have relatively small number of links, while having the ability that for every pair of nodes their distance in the virtual network is at most t times their distance in the ad hoc network (parameter t depends on the algorithm). 2) we have implemented these two algorithms in a simulation environment, and we have conducted an extensive study on them.

Οι Δομές Δεδομένων είναι ένας από τους σημαντικότερους και ιστορικότερους κλάδους της Επιστήμης των Υπολογιστών, με συνεχή εξέλιξη από τη δεκαετία του εβδομήντα μέχρι σήμερα, παρέχοντας λύσεις σε θεμελιώδη προβλήματα σε ταξινόμηση, οργάνωση, διαχείριση και αναζήτηση πληροφορίας. Παράλληλα, η ανάπτυξη σύγχρονων κλάδων της Επιστήμης των Υπολογιστών όπως τα Σύγχρονα, Δικτυοκεντρικά Πληροφοριακά Συστήματα και η Βιοπληροφορική, έφερε μαζί της την έκρηξη των δεδομένων. Η ανάγκη αποδοτικής διαχείρισης της παρεχόμενης πληροφορίας καθίσταται έτσι πιο επιτακτική από ποτέ. Στα πλαίσια αυτής της διατριβής αναγνωρίζοντας την ανάγκη για αποδοτική διαχείριση πληροφορίας σε όλα τα επίπεδα, παρουσιάζουμε τη μελέτη και την πρόταση λύσεων σε σύγχρονα προβλήματα στους χώρους: της Διαχείρισης Συμβολοσειρών, της Αναδιοργάνωσης Δικτυακών Τόπων, της Ανακάλυψης Web Services με υποστήριξη χαρακτηριστικών Ποιότητας Υπηρεσίας και της Προσωποποιημένης Ανάκτησης Πληροφορίας στο Διαδίκτυο. Σε αυτή την κατεύθυνση, στον τομέα της Διαχείρισης Συμβολοσειρών, παραθέτουμε αλγορίθμους σε θεμελιώδη προβλήματα στο χώρο της διαχείρισης Σταθμισμένων Ακολουθιών (weighted sequences), όπως ταίριασμα προτύπου, εύρεση επαναληπτικών δομών, και συνεχίζουμε δίνοντας απλοποιητικές αλλά βέλτιστες λύσεις σε προβλήματα περιοδικοτήτων σε συνήθεις συμβολοσειρές, όπως τα προβλήματα εύρεσης όλων των καλυμμάτων μιας συμβολοσειράς, εύρεσης της περιόδου μιας συμβολοσειράς και εύρεσης όλων των φύτρων μιας συμβολοσειράς. Στην Αναδιοργάνωση Δικτυακών Τόπων, παραθέτουμε δυο διαφορετικές μετρικές για την αποτίμηση της αντικειμενικής αξίας των ιστοσελίδων του κάθε ιστοτόπου. Αυτές οι μετρικές παραλλάζουν τις προσβάσεις που δέχεται κάποια ιστοσελίδα με τρόπο που καταδεικνύει την αντικειμενική αξία της ιστοσελίδας. Από πειραματική αποτίμηση των μετρικών, προκύπτει ότι παρέχουν ακριβή πληροφόρηση για τα σημεία του δικτυακού τόπου που χρήζουν αναδιοργάνωσης. Στη συνέχεια δίνουμε μια μέθοδο για τον εντοπισμό σημαντικών τμημάτων μεγαλύτερου μεγέθους στο δικτυακό τόπο και παρουσιάζουμε μια σειρά μεθόδων τόσο σε τεχνικό όσο και θεωρητικό επίπεδο για την αναδιοργάνωση ενός δικτυακού τόπου. Στον τομέα της Ανακάλυψης Web Services, εξετάζουμε την Ανακάλυψη που πληροί περιορισμούς ως προς την παρεχόμενη Ποιότητα Υπηρεσίας. Αρχικά, παρουσιάζονται δυο απλές μέθοδοι για την καταχώριση χαρακτηριστικών ποιότητας υπηρεσίας επεκτείνοντας υπάρχοντα πρότυπα υλοποίησης Web Service. Στη συνέχεια παρουσιάζουμε έναν αλγόριθμο για την ανακάλυψη του σεναρίου εκτέλεσης μιας ακολουθίας (workflow) από συνεχόμενες Web Services, που ελαχιστοποιεί το συνολικό χρόνο εκτέλεσης. Μια σειρά από ευριστικές μεθόδους παρουσιάζονται επίσης, για την υλοποίηση σε πρακτικό επίπεδο του προτεινόμενου αλγορίθμου, οι οποίες αποτιμούνται πειραματικά. Τέλος, στον τομέα της Προσωποποιημένης Ανάκτησης Πληροφορίας στο Διαδίκτυο εξετάζουμε διαφορετικές τεχνικές προσωποποίησης των αποτελεσμάτων των μηχανών αναζήτησης. Η πρώτη τεχνική εφαρμόζει μετα-κατηγοριοποίηση των αποτελεσμάτων και παρουσίασή τους ανάλογα με τη σειρά ενδιαφέροντος του χρήστη ως προς τις κατηγορίες των αποτελεσμάτων. Η δεύτερη τεχνική, βασίζει την προσωποποίηση στην έμμεση απεικόνιση των ενδιαφερόντων χρήστη στις κατηγορίες του Open Directory Project, επεκτείνει μια τεχνική που έχει πρόσφατα προταθεί, τους ιδεατούς κόμβους συσχέτισης κατηγοριών, και χτίζει πολλαπλά επίπεδα ιδεατών κόμβων για την επίτευξη πιο εκλεπτυσμένης προσωποποίησης. Κλείνοντας, παρουσιάζουμε την επέκταση της λογικής της μεθόδου προσωποποίησης για την κατασκευή εστιασμένων συλλεκτών. Data Structures is one of the most important and most historical sectors of Computer Science, being under continuous development since the seventies. Data Structuring has offered solutions to fundamental problems in sorting, organising, and retrieving information. Meanwhile, the development of the modern fields of Computer Science such as Modern, Net-centric Information Systems and Bioinformatics has signalled a data blow-up. Therefore, the need for efficient information management has become a necessity. In this Thesis, having recognized the need for efficient information management at every level, we present a study and solutions to contemporary problems in the areas of: String Processing, Website Reorganization, Web Service retrieval with support for Quality of Service characteristics, and Personalized Information Retrieval on the Web. In the area of String Processing, we present algorithms for solving fundamental problems in Weighted Sequence Processing, such as Pattern Matching, Repetitive Structures Detection and we continue by giving simplifying yet optimal solutions to periodicity problems in ordinary sequences, namely detecting all covers in a sequence, detecting the period of a sequence and detecting all the seeds of a sequence. In the area of Website Reorganization, we present two different metrics for evaluation of the objective importance of each website's pages. These metrics modify the accesses each page receives in order to present the actual page importance. We have seen from the experimental evaluation of those metrics that they provide accurate information about the areas inside the website in need of reorganization. Furthermore, we present a method to detect larger important parts inside the website and we present methods for website reorganisation both from a technical and from a theoretical viewpoint. In the area of Web Service Retrieval we are coping with retrieval under constraints for the provided Quality of Service (QoS). Firstly, we present two simple methods to register QoS information by extending existing Web Service protocols. Secondly, we present an algorithm to discover the execution scenario for a sequence of contiguous Web Services that minimizes the total execution time. A series of heuristics to implement the above algorithm is also presented. We also present an extensive experimental evaluation of those heuristics. Ultimately, we present different personalization techniques for personalized Web Information Retrieval. The first technique, applies post-categorization of search engine results and presents them according to user preferences with respect to the results' categories. The second technique is based on implicit mapping of user preferences to the categories of the Open Directory Project, it extends a recently proposed technique, namely virtual nodes for associating categories, and builds multiple layers of nodes to achieve more elaborate personalization. Finally, we present the extension of personalization methods in order to build focused crawlers.

Στην παρούσα εργασία εξετάζουμε το πρόβλημα της δρομολόγησης σε δίκτυα ad-hoc, όπου οι κόμβοι είναι ακίνητοι και έχουν πεπερασμένα αλλά επαναφορτιζόμενα ενεργειακά αποθέματα. Αρχικά μελετάμε σε θεωρητική βάση τους ενεργειακούς και χωρητικούς περιορισμούς. Ενεργειακοί είναι οι περιορισμοί που οφείλονται στην μικρή ενεργειακή αυτοτέλεια των κόμβων, ενώ οι χωρητικοί περιορισμοί οφείλονται στην περιορισμένη χωρητικότητα του ασύρματου μέσου και στην παρεμβολή. Συγκεκριμένα εξετάζουμε πώς ορισμένα δικτυακά χαρακτηριστικά επηρεάζουν την απόδοση του δικτύου. Τέτοια δικτυακά χαρακτηριστικά είναι η πυκνότητα των κόμβων του δικτύου, η φυσική απόσταση τους, η ακτίνα μετάδοσης τους κ.α. Εξετάζουμε διαφόρων ειδών δίκτυα και σε γενικές γραμμές αποδεικνύουμε ότι η ενέργεια είναι ο κρίσιμος πόρος σε δίκτυα τα οποία είναι αραιά ή οι κόμβοι τους έχουν μικρό ρυθμό επαναφόρτισης της ενέργειας ή μεγάλη ακτίνα μετάδοσης. Στην αντίθετη περίπτωση η απόδοση των δικτύων περιορίζεται από την χωρητικότητα και την παρεμβολή. Επιπλέον προτείνουμε και υλοποιούμε έναν ενεργειακά-αποδοτικό αλγόριθμο δρομολόγησης με πολλαπλά κόστη, όπου ένα διάνυσμα από παραμέτρους, εν’αντιθέσει με μία μόνο παράμετρο, ανατίθεται σε κάθε σύνδεσμο του δικτύου. Σε κάθε ανακαλυπτόμενη διαδρομή ανατίθεται ομοίως ένα διάνυσμα παραμέτρων, που προκύπτει από τα αντίστοιχα διανύσματα των συνδέσμων της διαδρομής. Οι παράμετροι που χρησιμοποιούμε είναι ο αριθμός των συνδέσμων της διαδρομής, η υπολειπόμενη ενέργεια και η ισχύς μετάδοσης. Ο αλγόριθμος αυτός συγκρίνεται με τον αλγόριθμο ελάχιστου-μήκους διαδρομής, για την επίλυση του προβλήματος του άπειρου χρονικού ορίζοντα. Στο πρόβλημα του άπειρου χρονικά ορίζοντα, ενέργεια και νέα πακέτα δεδομένων δημιουργούνται συνεχώς σε κάθε κόμβο του δικτύου. Στα πειράματα που εκτελέσαμε μας ενδιαφέρει να υπολογίσουμε την μέγιστη πιθανότητα δημιουργίας πακέτων δεδομένων pmax στους κόμβους, η οποία επιτρέπει στο δίκτυο μας να παραμένει ευσταθές. Ένα δίκτυο χαρακτηρίζεται ευσταθές όταν η εισερχόμενη κίνηση εξυπηρετείται από το δίκτυο με μικρή μέση καθυστέρηση παράδοσης αλλά και μεγάλο ποσοστό επιτυχούς παράδοσης των πακέτων δεδομένων στους προορισμούς τους. Όταν μία από αυτές τις συνθήκες δεν ισχύει τότε θεωρούμε ότι το δίκτυο είναι ασταθές και δεν μας ενδιαφέρει περαιτέρω η μελέτη του. Ουσιαστικά η μέγιστη πιθανότητα δημιουργίας πακέτων δεδομένων pmax είναι η μέγιστη απόδοση του δικτύου μας. Η μέση καθυστέρηση παράδοσης των πακέτων δεδομένων ορίζεται ως ο μέσος χρόνος μεταξύ της δημιουργίας ενός πακέτου στον κόμβο-πηγή και της λήψης του πακέτου στον κόμβο-προορισμού. Το ποσοστό της επιτυχούς παράδοσης των πακέτων δεδομένων ορίζεται σαν τον λόγο του αριθμού των πακέτων που παρελήφθησαν επιτυχώς από τους κόμβους-προορισμού προς τον αριθμό των πακέτων που δημιουργήθηκαν στους κόμβους-πηγής. Κατά την διάρκεια των πειραμάτων μας δοκιμάζουμε διάφορες πιθανότητες δημιουργίας πακέτων δεδομένων p και διάφορους ρυθμούς επαναφόρτισης των κόμβων X. Από τα αποτελέσματα των πειραμάτων μας παρατηρούμε ότι ο ενεργειακά-αποδοτικός αλγόριθμος δρομολόγησης με πολλαπλά κόστη υπερτερεί του αλγορίθμου ελάχιστου-μήκους διαδρομής, πετυχαίνοντας όταν το δίκτυο είναι ενεργειακά περιορισμένο, μέγιστη πιθανότητα δημιουργίας πακέτων δεδομένων pmax σχεδόν διπλάσια από αυτή που πετυχαίνει ο ελάχιστου-μήκους διαδρομής αλγόριθμος. Ακόμα παρατηρούμε ότι η μέση καθυστέρηση καθώς και το ποσοστό επιτυχούς παράδοσης των πακέτων δεδομένων παρουσιάζουν καλύτερα αποτελέσματα με την χρήση του ενεργειακά-αποδοτικού αλγορίθμου. Επιπλέον παρατηρούμε ότι η μέση καθυστέρηση αυξάνει πολύ απότομα σε σχέση με την πιθανότητα δημιουργίας πακέτων δεδομένων p, όταν το δίκτυο γίνεται ασταθές λόγο των ενεργειακών περιορισμών. Αντίθετα η αύξηση αυτή είναι πολύ πιο ομαλή, όταν το δίκτυο γίνεται ασταθές λόγο των χωρητικών περιορισμών. In our thesis we examine the problem of routing in ad-hoc networks, where the nodes are stationary and have limited but rechargeable energy reserves. Initially we study theoretically, the energy and the capacity constraints. The energy constraints are the result of the limited energy reserves of the nodes, while the capacity constraints are the result of the limited capacity and of the interference in the wireless medium. In our theoretically study we examine how the various network characteristics, influence the network performance. Such network characteristics are the nodes density, their distance, the transmission radius etc. We examine various network topologies and in every case we prove that energy is a vital resource in networks which are sparsely or where the nodes have small recharge rate or big transmission radius. In every other case the performance of a network is constrained by the capacity and the interference. Furthermore we propose and implement an energy-aware multicost routing algorithm, where a vector of parameters, instead of just one parameter, is assigned to each link of the network. In the same way in every discovered path, a vector of parameters is assigned. This vector is calculated using the vectors of the links from which the path consists of. The parameters used are the hops number, the residual energy and the transmission power. The proposed algorithm is compared with the minimum-hop algorithm, under the infinite time horizon problem. In this problem energy and data packets are constantly created in every node of the network. In our experiments we are interested in finding the maximum packet generation probability pmax in the nodes, under which the network remains stable. A network is characterized as stable when the incoming traffic is served by the network with small average delivery delay and big successful delivery ratio, of the packets in their destinations. When one of these conditions doesn’t hold, then we assume that the network is unstable and we do not study it anymore. The maximum packet generation probability pmax is in fact the maximum throughput of the network. The average delivery delay is defined as the average time between the creation of a data packet in the source-node and the reception of the packet in the destination-node. The successful delivery ratio is defined as the ratio of the number of packets successfully received by their destinations by the number of packets created in the source-nodes. During our experiments we tried various packet generation probabilities p and recharge rates at the nodes X. From the results of ours experiments we observe that the energy-aware multicost routing algorithm outperforms the minimum-hop algorithm. Specifically when the network is energy constrained, the maximum packet generation probability pmax is almost double as the one achieved by the minimum-hop algorithm. Furthermore the average delivery delay and the successful delivery ratio present better results using the energy-aware algorithm. Also we generally observe that the average delivery delay increases suddenly as the packet generation probability p increases, when the network becomes unstable because of the energy constraints. On the other hand the increase in the average delivery delay is much more normal, when the network becomes unstable because of the capacity constraints.