Τεύχος Προτεινόµενων Πτυχιακών Εργασιών

Transcript

1 Τµήµα Τεχνολογίας Πληροφορικής & Τηλεπικοινωνιών Τεύχος Προτεινόµενων Πτυχιακών Εργασιών ρ. Τσουκάτος Κωνσταντίνος Επίκουρος Καθηγητής Έργο: «Ενίσχυση Σπουδών Πληροφορικής στο ΤΕΙ Λάρισας»

2 Βέλτιστη κατανεµηµένη δροµολόγηση στο ιαδίκτυο και το πρωτόκολλο PEFT. Internet traffic engineering, link state routing, PEFT protocol Η δροµολόγηση της κίνησης στο ιαδίκτυο έχει προσελκύσει αρκετή προσοχή την τελευταία δεκαπενταετία. Οι µηχανισµοί δροµολόγησης των πακέτων πληροφορίας στους διάφορους συνδέσµους έχουν επιπτώσεις στις καθυστερήσεις που αντιλαµβάνονται οι τελικοί χρήστες, ενώ η βέλτιστη χρήση των πόρων του ιαδικτύου µεταφράζεται και σε οικονοµικά οφέλη για τους πάροχους δικτυακών υπηρεσιών. Μια κατηγορία πρωτοκόλλων δροµολόγησης είναι τα link state πρωτόκολλα. Τα link state πρωτόκολλα υπολογίζουν το κατάλληλο βάρος για κάθε σύνδεσµο, ανάλογα µε την κατάσταση των συνδέσµων. Στη συνέχεια, ο κάθε δροµολογητής χρησιµοποιεί τα βάρη για να καθορίσει τα ποσοστά διαµέρισης της κίνησης για κάθε σύνδεσµο που αναχωρεί από το δροµολογητή. Τέλος, τα πακέτα της κίνησης προωθούνται στους συνδέσµους έτσι ώστε να πραγµατοποιηθεί η επιθυµητή διαµέριση της κίνησης. Ένα link state πρωτόκολλο δροµολόγησης που χρησιµοποιείται ευρέως σήµερα είναι το OSPF (Open Shortest Path First), όπου η κίνηση µοιράζεται εξίσου στα συντοµότερα µονοπάτια. Όµως το OSPF απέχει από το να είναι βέλτιστο, και η ρύθµιση των βαρών του είναι υπολογιστικά περίπλοκη. Σκοπός της πτυχιακής εργασίας είναι η εξοικείωση µε τα πρωτόκολλα δροµολόγησης στο ιαδίκτυο. Συγκεκριµένα, εκτός από το OSPF, θα µελετηθεί και θα προσοµοιωθεί ένα νέο προτεινόµενο πρωτόκολλο δροµολόγησης, το PEFT (Αναλογική Εκθετική ιαµέριση Κίνησης). O αλγόριθµος του PEFT προκύπτει συνδέοντας το πρόβληµα της βέλτιστης δροµολόγησης µε ένα πρόβληµα µεγιστοποίησης της εντροπίας των επιµέρους ροών κινήσεων. Το PEFT οδηγεί σε βέλτιστη δροµολόγηση µε την έννοια της ελαχιστοποίησης µιας συνάρτησης κόστους που εκφράζει (µεταξύ άλλων) την συνολική καθυστέρηση, και εξασφαλίζει αποδοτικότερη χρήση της χωρητικότητας του δικτύου. Στην εργασία θα συγκριθεί το PEFT µε το OSPF και θα αξιολογηθεί η επίδοσή τους, συµπεριλαµβανοµένης και της καθυστέρησης αναταξινόµησης, σε απλές δικτυακές τοπολογίες. 1. C/C++, Java. 2. ίκτυα, Επιχειρησιακή Έρευνα, Αλγόριθµοι 3. Γνώση εργαλείου προσοµοίωσης δικτύων (όπως το ns) διευκολύνει στην υλοποίηση, όµως δεν είναι απαραίτητη. Xu D, Chiang M, Rexford J (2008) Link State Routing with Hop-by-Hop Forwarding Can Achieve Optimal Traffic Engineering. Proceedings of IEEE INFOCOM. 2/14

3 ροµολόγηση για µεγιστοποίηση της διάρκειας λειτουργίας σε δίκτυα αισθητήρων Lifetime maximization, routing, wireless sensor networks Στα ασύρµατα δίκτυα αισθητήρων οι κόµβοι λειτουργούν µε περιορισµένη ενέργεια µπαταρίας και η αποτελεσµατική χρήση της διαθέσιµης ισχύος έχει µεγάλη σηµασία. Ένα χαρακτηριστικό αυτών των δικτύων είναι ότι η κατανάλωσης ισχύος µετάδοσης συνδέεται στενά µε την επιλογή µονοπατιών δροµολόγησης. Πολλές φορές η δροµολόγηση επιλέγεται µε τρόπο που να ελαχιστοποιεί τη συνολική ισχύ µετάδοσης έτσι ελαχιστοποιείται επίσης η ενέργεια που καταναλώνεται ανά πακέτο πληροφορίας. Όµως, όταν όλη η κίνηση δροµολογείται προς τον προορισµό κατά µήκος του µονοπατιού ελάχιστης ενέργειας, οι κόµβοι στο µονοπάτι αυτό θα εξαντλήσουν τη µπαταρία τους σύντοµα, οδηγώντας και άλλους κόµβους να αχρηστευτούν εξαιτίας απώλειας συνδεσιµότητας του δικτύου, ακόµη κι όταν οι άλλοι κόµβοι διαθέτουν ενέργεια. Ένα εναλλακτικό κριτήριο, αντί της ελαχιστοποίησης της συνολικής ενέργειας, είναι αυτό της µεγιστοποίησης της διάρκειας ζωής του δικτύου αισθητήρων. Αυτό είναι ισοδύναµο µε τη µεγιστοποίηση του χρόνου ώσπου το δίκτυο να διαχωριστεί λόγω µη συνδεσιµότητας. Αναζητούνται εποµένως αλγόριθµοι δροµολόγησης που να επιµηκύνουν όσο το δυνατόν περισσότερο τη διάρκεια λειτουργίας του δικτύου. Σκοπός της εργασίας είναι η µελέτη και προσοµοίωση αλγορίθµων δροµολόγησης για µεγιστοποίηση της διάρκειας λειτουργίας ενός δικτύου αισθητήρων. Έχει δειχθεί ότι η δροµολόγηση για µέγιστη διάρκεια ζωής µπορεί να διατυπωθεί ως ένα γραµµικό πρόγραµµα, όπου το κόστος της ροής για κάθε σύνδεσµο είναι συνδυασµός της κατανάλωσης ενέργειας για µετάδοση, για λήψη και της υπόλοιπης ενέργειας στους δύο κόµβους του κάθε σύνδεσµου. Η ακριβής επίλυση του προβλήµατος είναι δυνατή µέσω κεντρικοποιηµένου αλγορίθµου. Ενδιαφέρον έχουν και κατανεµηµένες ευριστικές µέθοδοι που έχουν προταθεί, καθώς και κατανεµηµένοι αλγόριθµοι για µια κυρτή προσέγγιση του προβλήµατος, που πλησιάζουν αυθαίρετα κοντά τη βέλτιστη λύση. Στην εργασία θα υλοποιηθούν και θα συγκριθούν οι αλγόριθµοι πάνω σε µικρές δικτυακές τοπολογίες. 1. C/C++. Java, MATLAB 2. ίκτυα, Επιχειρησιακή έρευνα, Αλγόριθµοι Chang J-H, Tassiulas L (2004) Maximum Lifetime Routing in Wireless Sensor Networks. IEEE/ACM Transactions on Networking, v 12, n 4, pp /14

4 ροµολόγηση πληροφορίας για ελάχιστη κατανάλωση ενέργειας σε ασύρµατα δίκτυα αισθητήρων. Routing algorithms, energy minimization, wireless sensor networks Οι περισσότερες εφαρµογές των δικτύων αισθητήρων προϋποθέτουν ότι οι αισθητήρες δεν είναι προσβάσιµοι µετά την τοποθέτησή τους στην περιοχή ενδιαφέροντος, και εποµένως δεν υπάρχει τρόπος αντικατάστασης των µπαταριών τους. Επιπλέον, λόγω του µικρού µεγέθους τους δε µπορούν παρά να διαθέτουν περιορισµένη µπαταρία. Καθώς η κατανάλωση ενέργειας εξαρτάται σε σηµαντικό βαθµό από τον τρόπο δροµολόγησης των δεδοµένων στο δίκτυο, αναζητούµε συχνά µια δοµή µετάδοσης της πληροφορίας στο γράφο του ασύρµατου δικτύου τέτοια ώστε η συνολική ενέργεια που καταναλώνεται κατά την µεταφορά των δεδοµένων από τους αισθητήρες προς τους κόµβους-καταβόθρες να ελαχιστοποιείται. Εάν το εύρος ζώνης του δικτύου δεν υπόκειται σε περιορισµούς αυτό είναι εύκολο να συµβεί. Κάθε κόµβος µεταδίδει τα δεδοµένα που συνέλεξε διαµέσου µονοπατιού που καταναλώνει την ελάχιστη ενέργεια. Ωστόσο, αυτό δε συµβαίνει ποτέ στην πράξη διότι υπάρχουν περιορισµοί στη χωρητικότητα του µέσου µετάδοσης αλλά και παρεµβολές µεταξύ των µεταδόσεων. Προκειµένου να βρούµε τη βέλτιστη δοµή µετάδοσης χρειάζεται να λάβουµε υπόψη τους περιορισµούς χωρητικότητας των συνδέσµων και τον ανταγωνισµό για πρόσβαση στο κοινό ασύρµατο µέσο µετάδοσης. Σκοπός της εργασίας είναι η µοντελοποίηση του πρόβλήµατος δροµολόγησης ροών πληροφορίας σε ασύρµατο δίκτυο δεδοµένων µε ελάχιστη κατανάλωση ενέργειας, και η επίλυσή του µε (κατανεµηµένους) αλγορίθµους. Συγκεκριµένα, η ελαχιστοποίηση της ενέργειας µπορεί (µε κατάλληλες υποθέσεις) να διατυπωθεί ως προβληµα εύρεσης ροής ελάχιστου κόστους σε γράφο µε χωρητικότητες. Κατανεµηµένοι αλγόριθµοι προκύπτουν αναζητώντας λύση στο δυϊκό πρόβληµα βελτιστοποίησης. Οι αλγόριθµοι θα υλοποιηθούν και θα εξαχθούν αποτελέσµατα για ένα απλό µοντέλο παρεµβολής σε µια µικρή δικτυακή τοπολογία. Επιπλέον, θα εξεταστούν επεκτάσεις των αλγορίθµων που να αντιµετωπίζουν δυναµικές µεταβολές της τοπολογίας του δικτύου. 1. C/C++, Java, MATLAB 2. ίκτυα, Επιχειρησιακή έρευνα, Αλγόριθµοι Yuen K.; Ben L; Li B (2008) A Distributed Framework for Correlated Data Gathering in Sensor Networks. IEEE Transactions on Vehicular Technology v 57, n 1, pp /14

5 Βέλτιστη συλλογή πληροφορίας µέσω ασύρµατων δικτύων αισθητήρων Information - optimal deployment, wireless sensor networks Τα δίκτυα από µικρούς ασύρµατους αισθητήρες αναµένεται να γίνουν όλο και πιο δηµοφιλή, προσφέροντας παρατήρηση διάφορων χωρικών φαινοµένων σε ποικίλες εφαρµογές. Λόγω της περιορισµένης διάρκεια ζωής της µπαταρίας, η εξοικονόµηση ενέργειας είναι ένας κύριος παράγοντας που χρειάζεται να ληφθεί υπόψη κατά την ανάπτυξη του δικτύου. Εκτός από την εξοικονόµηση ενέργειας, ένα άλλο σηµαντικό κριτήριο αφορά την ποσότητα πληροφορίας που συλλέγεται από το δίκτυο. Καθώς ο αριθµός των αισθητήρων που µπορούν να χρησιµοποιηθούν δεν είναι απεριόριστος, είναι φυσικό να επιδιώκεται να τοποθετηθούν σε σηµεία όπου εξάγεται η µέγιστη συνολική πληροφορία σχετικά µε το χωρικό φαινόµενο που παρατηρείται. Εποµένως, ένα βασικό ζήτηµα ανάπτυξης του δικτύου είναι αυτό της τοποθέτησης των αισθητήρων, µε τρόπο που να µεγιστοποιεί τη συλλεγόµενη από το δίκτυο πληροφορία. Το πρόβληµα αυτό έχει προσελκύσει αρκετή προσοχή τα τελευταία χρόνια. Παρόλο που κάποιες διατυπώσεις του είναι NP-πλήρεις, προσεγγιστικοί αλγόριθµοι έχουν προταθεί που καταλήγουν σε σχεδόν-βέλτιστες τοποθετήσεις των αισθητήρων, µε µικρότερη υπολογιστική πολυπλοκότητα. Σκοπός της εργασίας είναι η µελέτη και υλοποίηση αλγορίθµων τοποθέτησης αισθητήρων σε µια περιοχή για µετρήσεις ποσοτήτων όπως πχ. θερµοκρασία, υγρασία, ή ηλεκτρική αγωγιµότητα. Υποθέτοντας ότι υπάρχει κάποιος προκαταρκτικός χάρτης µετρήσεων, επιθυµούµε να αποφασίσουµε ποιες είναι οι βέλτιστες θέσεις για να τοποθετηθούν οι διαθέσιµοι αισθητήρες ώστε να ενηµερώνεται δυναµικά ο χάρτης µετρήσεων, και µελλοντικά να βελτιώνεται η επιλογή των τόπων. Τυπικές τεχνικές τοποθέτησης βασίζονται σε επιλογή τόπων όπου η αβεβαιότητα για το µετρούµενο µέγεθος είναι η µεγαλύτερη. Μια άλλη ενδιαφέρουσα κατηγορία αλγορίθµων χρησιµοποιεί το κριτήριο της µέγιστης αµοιβαίας πληροφορίας. 1. C/C++, Java, MATLAB. 2. Πιθανότητες και Στατιστική, Επιχειρησιακή έρευνα, Αλγόριθµοι. Guestrin C, Krause A, Singh AP (2005) Near-optimal Sensor Placement with Gaussian Processes. Proceedings of the 22 nd International Conference on Machine Learning. 5/14

6 Έλεγχος συµφόρησης και έλεγχος πρόσβασης σε ασύρµατα δίκτυα Wireless congestion control, MAC Το πρωτόκολλο TCP έχει δειχτεί ότι προσεγγίζει αλγορίθµους που υπολογίζουν λύσεις σε προβλήµατα βελτιστοποίησης της ωφελιµότητας που αντιλαµβάνονται οι πηγές πληροφορίας ενός ενσύρµατου δικτύου. Ποια είναι η αντίστοιχη ερµηνεία στα ασύρµατα δίκτυα, πχ σχετικά µε τα πρωτόκολλα πολλαπλής πρόσβασης (MAC) στο ασύρµατο κανάλι? Στα υπάρχοντα πρωτόκολλα MAC ο ανταγωνισµός για πρόσβαση στο ασύρµατο κανάλι ρυθµίζεται συνήθως µέσω δύο µηχανισµών: Την επιµονή (persistence) ή την υποχώρηση (backoff). Στην επιµονή, κάθε κόµβος προσπαθεί να µεταδώσει, όταν αντιλαµβάνεται ελεύθερο κανάλι, µε µια πιθανότητα επιµονής. Στην υποχώρηση κάθε κόµβος διατηρεί ένα παράθυρο ανταγωνισµού και περιµένει για ένα τυχαίο χρόνο που φράσσεται από το παράθυρο. Όταν υπάρχει σύγκρουση, η πιθανότητα επιµονής ή το παράθυρο ανταγωνισµού ρυθµίζονται κατάλληλα ώστε να µειωθεί ο ανταγωνισµός. Τα διάφορα πρωτόκολλα MAC διαφέρουν ως προς το πώς ενηµερώνουν αυτές τις παραµέτρους και ποια ακριβώς µέτρα του ανταγωνισµού χρησιµοποιούν. Υπάρχουν άραγε γενικές αρχές σχεδίασης που να οδηγούν στις βέλτιστες τιµές για αυτές τις παραµέτρους? Σκοπός της εργασίας είναι να κατανοηθούν και να προσοµοιωθούν πρωτόκολλα πολλαπλής πρόσβασης σε ασύρµατα δίκτυα, και να µελετηθεί η επίδοσή τους. Ως παράδειγµα, αναφέρεται το πρωτόκολλο υποχώρησης του Distributed Coordinated Function (DCF). Ένα πρωτόκολλο πολλαπλής πρόσβασης µπορεί συχνά να ερµηνευτεί ως παίγνιο, όπου υπό κατάλληλες προϋποθέσεις, προκύπτει σύγκλιση σε σηµείο ισορροπίας Nash. Μέσω προσοµοίωσης, θα ελεγχθεί η σύγκλιση του DCF σε µια απλή δικτυακή τοπολογία, και θα συγκριθεί η επίδοση του µε ένα άλλο προτεινόµενο πρωτόκολλο, που εγγυηµένα οδηγεί τους χρήστες/παίκτες σε ισορροπία. 1. C/C++. Java, MATLAB 2. ίκτυα 3. Γνώση εργαλείου προσοµοίωσης ns ίσως διευκολύνει, αλλά δεν είναι απαραίτητη. Lee JW, Tang A, Huang J, Chiang M, Calderbank AR (2007) Reverse engineering MAC: A game-theoretic model, IEEE Journal on Selected Areas in Communications v.25, n.6, pp /14

7 ιαστρωµατικός, από κοινού έλεγχος ροής και έλεγχος ισχύος σε ασύρµατα δίκτυα Joint cross-layer congestion and power control in wireless networks Οι µηχανισµοί ελέγχου ροής στο ιαδίκτυο, όπως υλοποιούνται από το πρωτόκολλο TCP και τις παραλλαγές του, έχει δειχθεί ότι αποσκοπούν στο να κατανεµηθεί η χωρητικότητα του δικτύου στις επιµέρους πηγές πληροφορίας που το χρησιµοποιούν, µε τρόπο που µεγιστοποιεί το άθροισµα των ωφελιµοτήτων που αντιλαµβάνονται οι πηγές. Σε ένα ενσύρµατο δίκτυο, οι χωρητικότητες των συνδεσµων θεωρούνται δεδοµένες ποσότητες. Σ ένα ασύρµατο δίκτυο όµως, οι χωρητικότητες δεν είναι σταθερές, αλλά µπορούν να αλλάξουν µέσω κατάλληλης εκχώρησης άλλων δικτυακών πόρων. Για παράδειγµα, σε ένα CDMA ασύρµατο δίκτυο (µε πολλαπλή πρόσβαση διαίρεσης κώδικα), οι ισχείς µπορούν να ρυθµιστούν κατάλληλα ώστε να επάγουν διαφορετικούς σηµατοθορυβικούς λόγους (SNIR) σε κάθε σύνδεσµο, µεταβάλλοντας έτσι τις χωρητικότητές τους. Οδηγούµαστε τότε σε µια διατύπωση του προβλήµατος µεγιστοποίησης ωφελιµότητας µε «ελαστικές» χωρητικότητες συνδέσµων. Άραγε είναι δυνατή η εξισορρόπηση του ελέγχου ισχύος στο φυσικό στρώµα δικτύου, και του έλεγχου ροής στο επίπεδο µεταφοράς, µε τρόπο που να βελτιστοποιεί τη συνολική επίδοση του δικτύου, διατηρώντας παράλληλα το διαχωρισµό µεταξύ πρωτοκόλλων διαφορετικών στρωµάτων? Σκοπός της εργασίας είναι να µελετηθεί και να προσοµοιωθεί ένας κατανεµηµένος διαστρωµατικός αλγόριθµος ελέγχου ισχύος για ασύρµατα δίκτυα. Η κύρια ιδέα του αλγορίθµου είναι ο έλεγχος ισχύος να χρησιµοποιείται ώστε να αυξάνει δυναµικά τη χωρητικότητα στους συνδέσµους του δικτύου όπου εµφανίζεται µεγαλύτερη συµφόρηση. Όµως, λόγω των παρεµβολών που υπάρχουν σε ένα ασύρµατο CDMA δίκτυο, η αύξηση της χωρητικότητας σε ένα σύνδεσµο συνεπάγεται τη µείωση της χωρητικότητας σε κάποιον άλλο. Εποµένως ο αλγόριθµoς χρειάζεται να επιτυγχάνει µια «έξυπνη» κατανοµή των πόρων ισχύος ανιχνεύοντας την υπάρχουσα συµφόρηση στους διάφορους συνδέσµους. 1. C/C++, Java, MATLAB 2. ίκτυα, Ασύρµατες Επικοινωνίες, Επιχειρησιακή Έρευνα. 3. Γνώση εργαλείου προσοµοίωσης ns διευκολύνει, χωρίς να είναι απαραίτητη. Chiang M (2005) Balancing Transport and Physical Layers in Wireless Multihop Networks. IEEE Journal on Selected Areas in Communications v23, n1, pp /14

8 Ευρυζωνική πρόσβαση DSL και δυναµική διαχείριση φάσµατος DSL, dynamic spectrum management, crosstalk mitigation Η τεχνολογία DSL (Ψηφιακή Συνδροµητική Γραµµή) επιτρέπει γρήγορη ευρυζωνική δικτυακή πρόσβαση χρησιµοποιώντας τα συµβατικά χάλκινα τηλεφωνικά σύρµατα. Mεγάλες ταχύτητες µετάδοσης δεδοµένων, έως και 20 Mbps, είναι δυνατές µε εκµετάλλευση φάσµατος περίπου 1MHz, πολύ µεγαλύτερου από τα 4KHz που χρησιµοποιεί η κλασική τηλεφωνική επικοινωνία. Οι ταχύτητες αυτές επιτυγχάνονται χωρίζοντας. το φάσµα των 1MHz σε µικρά επιµέρους κανάλια, εύρους περίπου 4 KHz. Υπάρχουν πολλές ποικιλίες τεχνολογιών DSL, µε τους περισσότερους χρήστες να έχουν συνήθως πρόσβαση ADSL (Ασύµµετρη DSL), µε ταχύτητες γύρω στα 1-2 Mbps. ύο κύριοι παράγοντες επηρεάζουν την ταχύτητα µετάδοσης: Τα µήκη των γραµµών και οι παρεµβολές (crosstalk) µεταξύ των γραµµών. Αυτές οφείλονται σε ηλεκτροµαγνητική σύζευξη που εµφανίζεται µεταξύ των συρµάτων, και δηµιουργεί προβλήµατα ακόµα και σε σύντοµες γραµµές, Οι παρεµβολές είναι ένα σηµαντικό τρέχον ζήτηµα, που η αποτελεσµατική αντιµετώπισή του αναµένεται να επιτρέψει στους παρόχους να υποστηρίξουν µετάδοση µε ρυθµούς αυξηµένους ως και 100 Mbps. Τεχνικές ελέγχου των παρεµβολών αναπτύσσονται τα τελευταία χρόνια, και είναι γνωστές µε τον όρο «υναµική ιαχείριση Φάσµατος». Σκοπός της εργασίας είναι η εξοικείωση µε τις τεχνολογίες DSL, και η µελέτη µηχανισµών δυναµικής διαχείρισης φάσµατος που έχουν προταθεί πρόσφατα. Οι µηχανισµοί διαχείρισης φάσµατος µοιράζουν την ισχύ µεταξύ των καναλιών του DSL συστήµατος, µε τρόπο που οδηγεί τις παρεµβολές µεταξύ των συζευγµένων γραµµών σε µια χρυσή τοµή που µεγιστοποιεί το συνολικό ρυθµό µετάδοσης. Πολλοί τέτοιοι µηχανισµοί βασίζονται στον αλγόριθµο «επαναληπτικού γεµίσµατος µε νερό» (iterative waterfilling - IWF) και παραλλαγές του, που προσφέρει µια (υπο)βέλτιστη λύση, αυτόνοµα για κάθε χρήστη. Οι µηχανισµοί IWF θα συγκριθούν µε νεότερους αλγόριθµους, µε µειωµένη υπολογιστική πολυπλοκότητα, όπως αυτούς που βασίζονται σε διαδοχικές κυρτές προσεγγίσεις. 1. C/C++, Java, MATLAB 2. ίκτυα, Ευρυζωνικά δίκτυα, Επιχειρησιακή Έρευνα. Song KB Chung TC Ginis G Cioffi JM (2002) Dynamic spectrum management for next generation DSL systems. IEEE Communications Magazine, v. 40, n. 10, pp /14

9 Εκχώρηση πόρων σε OFDMA ευρυζωνικά ασύρµατα δίκτυα Ασύρµατα δίκτυα OFDMA, πολλαπλή πρόσβαση µε πολυπλεξία διαίρεσης ορθογώνιων συχνοτήτων Σε ασύρµατα ευρυζωνικά δίκτυα τεχνολογίας WiMax οι χρήστες έχουν πρόσβαση σε περισσότερα από ένα ορθογώνια κανάλια. Το πρόβληµα της εκχώρησης πόρων συνίσταται στην ανάθεση των ορθογώνιων καναλιών στους χρήστες, και στον καθορισµό της ισχύος εκποµπής κάθε χρήστη, σε κάθε χρονική σχισµή. Κάθε συχνότητα/κανάλι ανατίθεται αποκλειστικά σε ένα χρήστη. Σκοπός είναι να επιτευχθεί συγκεκριµένος στόχος επίδοσης του δικτύου, πχ. να προσφερθεί µέγιστη διεκπεραιωτικότητα, ή αναλογική δικαιοσύνη στις ροές πληροφορίες. Η πολιτική εκχώρησης των πόρων δεν είναι στατική αλλά δυναµική διαδικασία, καθώς χρειάζεται να ανταποκρίνεται στη χρονικά µεταβαλλόµενη κατάσταση των ασύρµατων καναλιών. Επιπλέον, εκτός από την κατάσταση των καναλιών, η εξασφάλιση ποιότητας υπηρεσίας στις ροές δεδοµένων πρέπει να λαµβάνει υπόψη και τις ουρές δεδοµένων των χρηστών, που επίσης µεταβάλλονται στο χρόνο µε πιθανοτικό τρόπο. Η απαίτηση για βέλτιστη εκχώρηση πόρων διατυπώνεται συνήθως ως ένα πρόβληµα βελτιστοποίησης. Αυτό οδηγεί συχνά σε διαστρωµατικές λύσεις, όπου τα πρωτοκόλλα διαφόρων δικτυακών επιπέδων βρίσκονται σε µια χαλαρή αλληλεπίδραση µέσω συγκεκριµένων παραµέτρων. Σκοπός της εργασίας είναι η µελέτη, προσοµοίωση και σύγκριση αλγορίθµων εκχώρησης πόρων σε ασύρµατα OFDM δίκτυα. Οι αλγόριθµοι αφορούν εκχώρηση καναλιών και ρύθµιση των ισχύων των χρηστών, και στοχεύουν στη µεγιστοποίηση της διεκπεραιωτικότητας, ή της συνολικής ωφελιµότητας του δικτύου. Η σύγκριση των αλγορίθµων θα γίνει ως προς την πολυπλοκότητά τους, και, µέσω προσοµοίωσης, ως προς την καθυστέρηση αναµονής που επιφέρουν στις ροές δεδοµένων των χρηστών. Θα µελετηθεί επίσης η επίπτωση της ατελούς, ή µη πρόσφατα ενηµερωµένης γνώσης για την κατάσταση των ασύρµατων καναλιών στην επίδοση των αλγορίθµων. 1. C/C++, Java, MATLAB. 2. ίκτυα, Ευρυζωνικά δίκτυα. Yu Y, Giannakis G, (2007) Joint Congestion Control and OFDMA Scheduling for Hybrid Wireline-Wireless Networks. Proceedings of IEEE INFOCOM. 9/14

10 Συγκριτική µελέτη αλγορίθµων ιεράρχησης σελίδων στον Παγκόσµιο Ιστό. Page ranking, link analysis, World Wide Web Κανείς δεν θα ήθελε η ιστοσελίδα του να εµφανίζεται στις τελευταίες θέσεις της λίστας µιας γνωστής µηχανής αναζήτησης, ως απάντηση σε µια σχετική ερώτηση. Όµως, πως ιεραρχούνται οι σελίδες στον Παγκόσµιο Ιστό? Ποιος καθορίζει πόσο δηµοφιλής είναι µια σελίδα? Υπάρχουν τρόποι να καταστήσει κανείς τη σελίδα του πιο δηµοφιλή? Απαντήσεις σ αυτά τα ερωτήµατα µπορούν να αναζητηθούν στη δοµή των υπερσυνδέσµων του Παγκόσµιου Ιστού. Έχουν αναπτυχθεί µοντέλα ανάλυσης της δοµής των συνδέσµων και συνοδευτικοί αλγόριθµοι που προτείνουν ποσοτικές µεθοδολογίες συνολικής ιεράρχησης των σελίδων. Οι αλγόριθµοι χρησιµοποιούνται για να ταξινοµηθούν τα αποτελέσµατα που δίνουν οι µηχανές αναζήτησης στα εκατοµµύρια των ερωτηµάτων που δέχονται. Οι αλγόριθµοι αυτοί απαιτείται να είναι υπολογιστικά απλοί έτσι ώστε να µπορούν σε εύλογο χρόνο να δώσουν αποτελέσµατα για τον Παγκόσµιο Ιστό που αποτελείται από (δις)εκατοµµύρια σελίδες. Χρειάζεται επίσης τα αποτελέσµατα της ιεράρχησης να µπορούν να ενηµερωθούν σχετικά εύκολα όταν η δοµή των υπερσυνδέσµων τροποποιηθεί ελαφρά, λόγω της εισόδου νέων σελίδων, τη διαγραφή άλλων, και τη δηµιουργία/καταστροφή υπερσυνδέσµων. Σκοπός της εργασίας είναι η εξοικείωση µε αλγορίθµους ιεράρχησης των ιστοσελίδων στον Παγκόσµιο Ιστό. Συγκεκριµένα, θα µελετηθούν ο αλγόριθµος Pagerank (που επινοήθηκε από τους Brin και Page για τη µηχανή αναζήτησης Google) ο αλγόριθµος HITS του Kleinberg, ο αλγόριθµος TrafficRank του Tomlin και παραλλαγές/επεκτάσεις τους. Οι αλγόριθµοι θα υλοποιηθούν, και θα εφαρµοστούν πάνω σε µια µικρή δικτυακή τοπολογία. Τα αποτελέσµατα ιεράρχησης των σελίδων που θα εξαχθούν θα χρησιµοποιηθούν για να συγκριθούν µεταξύ τους οι αλγόριθµοι και να αξιολογηθούν ως προς διάφορα χαρακτηριστικά πολυπλοκότητας και επίδοσης. 1. C/C++, Java, MATLAB 2. Πιθανότητες και Στατιστική, Γραµµική Άλγεβρα Borodin A, Roberts GO, Rosenthal GS, Tsaparas P (2001) Finding Authorities and Hubs from Link Structures on the WWW. Proceedings of 10 th International World Wide Web Conference pp /14

11 Μοντέλα στατιστικής φυσικής για την κατανοµή εισοδηµάτων στις σύγχρονες οικονοµίες Statistical physics, information theory, gas-like models of wealth distribution in modern economies Ο πλούτος και η κατανοµή του παίζουν έναν πολύ σηµαντικό ρόλο στις σύγχρονες κοινωνίες. ιάφοροι παράγοντες, όπως η οικονοµική πολιτική, οι φυσικοί πόροι, η ανθρώπινη ψυχολογία, κλπ επηρεάζουν σε µεγάλο βαθµό την κατανοµή του πλούτου. Παρόλα αυτά, ανεξάρτητα από τις επιµέρους λεπτοµέρειες, ορισµένα χαρακτηριστικά της κατανοµής παραµένουν αναλλοίωτα:. Από το τέλος του 19 ου αιώνα ο Ιταλός οικονοµολόγος Vilfredo Pareto παρατήρησε ότι ένα µεγάλο ποσοστό του πλούτου σε οποιαδήποτε οικονοµία βρίσκεται πάντοτε στα χέρια ενός πολύ µικρού ποσοστού του πληθυσµού. Αντίστροφα, ένα µεγάλο ποσοστό του πληθυσµού κατέχει µόνο ένα µικρό µέρος του συνολικού πλούτου. Τα συµπεράσµατα αυτά επιβεβαιώνονται και από πρόσφατες µελέτες σε χώρες όπως ΗΠΑ, Ηνωµένο Βασίλειο, Ιαπωνία, Ινδία κλπ., δείχνοντας ότι η γενική µορφή της κατανοµής του πλούτου παραµένει αµετάβλητη από χώρα σε χώρα, και σε διαφορετικές χρονικές περιόδους. Συγκεκριµένα, η ουρά της κατανοµής παρουσιάζει υπερβολική απόσβεση, που είναι χαρακτηριστική της κατανοµής Pareto. Υπάρχουν άραγε γενικά µαθηµατικά µοντέλα για την οικονοµία, που να εξηγούν την «παγκόσµια» Pareto µορφή της κατανοµής πλούτου, και από που αυτή πηγάζει? Η οικονοµία είναι ένα τεράστιο σύστηµα, που απαρτίζεται από εκατοµµύρια πράκτορες, και µε στατιστική συµπεριφορά που παρουσιάζει οµοιότητες µε αυτήν ενός αερίου. Στη στατιστική φυσική η κατανοµή ισορροπίας των µορίων ενός αερίου στις διάφορες ενεργειακές στάθµες δίνεται από την κατανοµή Boltzmann Gibbs. Στην πτυχιακή εργασία θα γίνει προσοµοίωση συστηµάτων πολλαπλών πρακτόρων. Αυτοί εκφράζουν τα άτοµα που δρουν σε µία οικονοµία ανταλλάσσοντας χρήµατα και δηµιουργώντας πλούτο. ιάφοροι απλοί κανόνες ανταλλαγής πλούτου θα προσοµοιωθούν και θα εξαχθεί πειραµατικά η µακροπρόθεσµη κατανοµή πλούτου που προκύπτει έπειτα από πολλές συναλλαγές. Τα αποτελέσµατα θα συγκριθούν µε τις κατανοµές Pareto και Boltzmann- Gibbs. Θα προσπαθήσουµε να εξηγήσουµε τις αναλογίες και τις διαφορές που προκύπτουν, και την ανισοκατανοµή του πλούτου. 1 C/C++, Java, MATLAB 2 Πιθανότητες και Στατιστική 3 Εξοικείωση µε τα µαθηµατικά, προσοµοίωση συστηµάτων πολλαπλών πρακτόρων. Dragulescu AA, Yakovenko VM (2000) Statistical Mechanics of Money. The European Physical Journal B 17: /14

12 Μοντέλα τηλεπικοινωνιακής κίνησης για αξιολόγηση επίδοσης δικτύων Traffic models, communication networks performance Τα µοντέρνα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα υποστηρίζουν µεταφορά δεδοµένων από ποικίλες εφαρµογές. Πολλές από αυτές έχουν συχνά εξαιρετικά αυστηρές απαιτήσεις για ποιότητα υπηρεσίας (QoS). Για παράδειγµα, ένας σχεδιαστής αλγορίθµων αποδοχής κλήσεων αντιµετωπίζει το πρόβληµα αποδοχής ή όχι νέων κλήσεων, δεδοµένου ότι η πιθανότητα απώλειας πακέτων πρέπει να παραµείνει σε (πολύ χαµηλά) ανεκτά επίπεδα, ας πούµε µικρότερη από Συχνά, η µελέτη τέτοιων προβληµάτων παροχής ποιότητας υπηρεσίας µπορεί να γίνει µόνο µέσω προσοµοίωσης. Όµως, πόσο εφικτή είναι η χρήση προσοµοίωσης για την εκτίµηση τόσο µικρών πιθανοτήτων; Καθώς η πιθανότητα του σπάνιου γεγονότος που µας ενδιαφέρει ελαττώνεται, ο απαιτούµενος χρόνος προσοµοίωσης αυξάνεται, και γίνεται πολλές φορές τόσο µεγάλος που καθιστά την απευθείας προσοµοίωση του συστήµατος απαγορευτική. Υπάρχουν άραγε τεχνικές για «γρήγορη» προσοµοίωση και εκτίµηση πολύ µικρών πιθανοτήτων σε εύλογο χρονικό διάστηµα; Η απάντηση είναι θετική, και µια κατηγορία τεχνικών που επιτρέπουν την γρήγορη εκτίµηση µικρών πιθανοτήτων µε µεγάλη ακρίβεια είναι γνωστή µε το γενικό όρο Importance Sampling (IS). Σκοπός της πτυχιακής εργασίας είναι η εφαρµογή τεχνικών IS στη γρήγορη προσοµοίωση συστηµάτων µε «εκρηκτική» διαδικασία αφίξεων. Τέτοιες στοχαστικές διαδικασίες αναπαριστούν µε επιτυχία την µακρά µνήµη και αυτοόµοια υφή της κίνησης σε τηλεπικοινωνιακά δίκτυα. Θεωρητικά αποτελέσµατα είναι διαθέσιµα και υποδεικνύουν πώς µπορεί να γίνει η βέλτιστη γρήγορη προσοµοίωση. Στην εργασία θα εξαχθούν αποτελέσµατα µέσω γρήγορης προσοµοίωσης, και θα συγκριθούν µε αυτά της απευθείας «απλής» προσοµοίωσης (όποτε τέτοια αποτελέσµατα είναι διαθέσιµα). Θα επιβεβαιωθεί η ακρίβεια των αποτελεσµάτων και θα ποσοτικοποιηθούν τα οφέλη (σε εξοικονόµηση υπολογιστικού χρόνου) από την εφαρµογή των τεχνικών IS. 1 C/C++, Java, MATLAB 2 ίκτυα, Πιθανότητες και Στατιστική, Επίδοση ικτύων. Heidelberger P (1995) Fast Simulation of Rare Events in Queueing and Reliability Models. ACM Transactions on Modeling and Computer Simulation v 5, n 1 p /14

13 Συστήµατα φήµης/εµπιστοσύνης σε αυτοφυή και οµότιµα δίκτυα Reputation systems, self-organizing networks Καθώς το ιαδίκτυο αναπτύσσεται γρήγορα, η αυξανόµενη ζήτηση για δεδοµένα τροφοδοτείται από την επιτυχία οµότιµων (peer-to-peer) εφαρµογών για κοινή διάθεση αρχείων. Υπάρχει επίσης παράλληλη ραγδαία ανάπτυξη και προτυποποίηση εξοπλισµού για αυτοφυή ασύρµατα δίκτυα αυτά αναµένεται να υποστηρίζουν ποικιλία εφαρµογών, όπως πχ δίκτυα αισθητήρων για καταγραφή/παρατήρηση του περιβάλλοντος κτλ. Τέτοια συστήµατα διαφέρουν από τα παραδοσιακά τηλεπικοινωνιακά συστήµατα, λόγω της κατανεµηµένης φύσης τους, της µη ύπαρξης κάποιας κεντρικής αρχής, της χρονικά µεταβαλλόµενης συνδεσιµότητας, και της ανάγκης για αυτο-οργάνωση. Κρίσιµο ρόλο για την παροχή εγγυηµένης ποιότητας υπηρεσίας θα έχει η έννοια της εµπιστοσύνης/φήµης, όπως συµβαίνει και σε ανθρώπινα δίκτυα στην κοινωνία. Η έννοια της φήµης αντιπροσωπεύει υπάρχουσες σχέσεις και παρελθούσες αλληλεπιδράσεις µεταξύ των οντοτήτων του συστήµατος, και χρειάζεται να ποσοτικοποιηθεί µε βάση κανόνες, που συλλέγουν και κωδικοποιούν την συµπεριφορά µιας οντότητας στα πλαίσια ενός πρωτοκόλλου. Προς το παρόν, απλοί µηχανισµοί φήµης χρησιµοποιούνται σε συστήµατα on-line συναλλαγών όπως το e-bay. Παρόµοιοι µηχανισµοί αναµένεται να εφαρµοστούν σε αυτοφυή και άλλα οµότιµα δίκτυα. Σκοπός της εργασίας είναι η εξοικείωση µε µηχανισµούς φήµης/εµπιστοσύνης σε αυτοφυή και οµότιµα δίκτυα και η συγκριτική µελέτη τους. Ένας σηµαντικός αριθµός από κατανεµηµένους µηχανισµούς φήµης έχουν ήδη προταθεί, σε παραπλήσιες επιστηµονικές περιοχές. Η εργασία θα εστιαστεί σε αλγόριθµους φήµης για δίκτυα, όπως πχ. τo πρωτόκολλο CONFIDANT και το EigenTrust. Θα εξεταστεί επιπλέον και η επίπτωση που έχουν οι ψευδείς µαρτυρίες στην επίδοση των αλγορίθµων υπολογισµού εµπιστοσύνης. Για παράδειγµα, έχει δειχτεί ότι η τροφοδότηση µε ψευδή πληροφορία µπορεί να αντιµετωπιστεί αποτελεσµατικά εφόσον βρίσκεται κάτω από κάποιο κατώφλι, πέρα όµως από το οποίο ο µηχανισµός εµπιστοσύνης παύει να δίνει σωστές εκτιµήσεις. 1 C/C++, Java, MATLAB 2 ίκτυα, Πιθανότητες και Στατιστική, Αλγόριθµοι Mundinger J, LeBoudec J-Y (2006) Reputation in Self-Organizing Communication Systems and Beyond. In Proceedings of Inter-Perf /14

14 Το παρόν τεύχος δηµιουργήθηκε και εκδόθηκε στα πλαίσια του ΜΕΤΡΟ 2.2 «Αναµόρφωση Προγραµµάτων Σπουδών- ιεύρυνση» ΕΝΕΡΓΕΙΑ «Ολοκλήρωση της ιεύρυνσης και Αναµόρφωση των Προγραµµάτων Σπουδών της Τριτοβάθµιας Εκπαίδευσης» ΚΑΤΗΓΟΡΙΑ ΠΡΑΞΕΩΝ γ «Ενίσχυση των ΤΠΕ στην Τριτοβάθµια Εκπαίδευση» ΕΡΓΟ: «Ενίσχυση Σπουδών Πληροφορικής στο ΤΕΙ Λάρισας» ΥΠΟΕΡΓΟ: «Αυτεπιστασία-Αναµόρφωση του Π.Π. Σπουδών στο Τµήµα Τεχνολογίας Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών του ΤΕΙ Λάρισας» και συγχρηµατοδοτήθηκε από εθνικούς πόρους και πόρους της Ε.Ε. (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταµείο).