Scalable Peer-to-Peer Indexing with Constant State

We present a distributed indexing scheme for peer to peer networks. Past work on distributed indexing traded off fast search times with non-constant degree topologies or network-unfriendly behavior such as flooding. In contrast, the scheme we present optimizes all three of these performance measures. That is, we provide logarithmic round searches while maintaining connections to a fixed number of peers and avoiding network flooding. In comparison to the well known scheme Chord, we provide competitive constant factors. Finally, we observe that arbitrary linear speedups are possible and discuss both a general brute force approach and specific economical optimizations

Small-world networks, distributed hash tables and the e-resource discovery problem

Resource discovery is one of the most important underpinning problems behind producing a scalable, robust and efficient global infrastructure for e-Science. A number of approaches to the resource discovery and management problem have been made in various computational grid environments and prototypes over the last decade. Computational resources and services in modern grid and cloud environments can be modelled as an overlay network superposed on the physical network structure of the Internet and World Wide Web. We discuss some of the main approaches to resource discovery in the context of the general properties of such an overlay network. We present some performance data and predicted properties based on algorithmic approaches such as distributed hash table resource discovery and management. We describe a prototype system and use its model to explore some of the known key graph aspects of the global resource overlay network - including small-world and scale-free properties

Peer to Peer Information Retrieval: An Overview

Peer-to-peer technology is widely used for file sharing. In the past decade a number of prototype peer-to-peer information retrieval systems have been developed. Unfortunately, none of these have seen widespread real- world adoption and thus, in contrast with file sharing, information retrieval is still dominated by centralised solutions. In this paper we provide an overview of the key challenges for peer-to-peer information retrieval and the work done so far. We want to stimulate and inspire further research to overcome these challenges. This will open the door to the development and large-scale deployment of real-world peer-to-peer information retrieval systems that rival existing centralised client-server solutions in terms of scalability, performance, user satisfaction and freedom

Evidence Collection for Forensic Investigation in Peer to Peer Systems

Abstract Peer to Peer(P2P) file sharing networks are amongst the best free sources of information on the internet. Voluntary participation and lack of control makes them a very attractive option to share data anonymously. However a small group of people take advantage of the freedom provided by these networks and share content that is prohibited by law. Apart from copyrighted content, there are cases where people share les related to Child Pornography which is a criminal offense. Law enforcement attempts to track down these offenders by obtaining a court order for search and seizure of computers at a suspect location. These seized computers are forensically examined using storage and memory-forensics tools. However before the search warrant is issued strong evidence must be presented to provide a reason for suspiscion. Deficient investigation in the intial stages might lead to mis-identification of the source and steer the investigation in a wrong direction. Initial evidence collection on peer to peer le sharing networks is a challenge due to the lack of a central point of control and highly dynamic nature of the networks. The goal of this work is to create a working prototype of an initial evidence collection tool for forensics in P2P networks. The prototype is based on the idea that P2P networks could be monitored by introducing modified peer nodes onto the network for a certain time period and recording relevant information about nodes that possess criminally offensive content. Logging information sent by a suspicious node along with timestamps and unique identication information would provide a strong, verfiiable initial evidence. This work presents one such working prototype in alignment with the goals stated above

Communication-Efficient Probabilistic Algorithms: Selection, Sampling, and Checking

Diese Dissertation behandelt drei grundlegende Klassen von Problemen in Big-Data-Systemen, für die wir kommunikationseffiziente probabilistische Algorithmen entwickeln. Im ersten Teil betrachten wir verschiedene Selektionsprobleme, im zweiten Teil das Ziehen gewichteter Stichproben (Weighted Sampling) und im dritten Teil die probabilistische Korrektheitsprüfung von Basisoperationen in Big-Data-Frameworks (Checking). Diese Arbeit ist durch einen wachsenden Bedarf an Kommunikationseffizienz motiviert, der daher rührt, dass der auf das Netzwerk und seine Nutzung zurückzuführende Anteil sowohl der Anschaffungskosten als auch des Energieverbrauchs von Supercomputern und der Laufzeit verteilter Anwendungen immer weiter wächst. Überraschend wenige kommunikationseffiziente Algorithmen sind für grundlegende Big-Data-Probleme bekannt. In dieser Arbeit schließen wir einige dieser Lücken. Zunächst betrachten wir verschiedene Selektionsprobleme, beginnend mit der verteilten Version des klassischen Selektionsproblems, d. h. dem Auffinden des Elements von Rang $k$ in einer großen verteilten Eingabe. Wir zeigen, wie dieses Problem kommunikationseffizient gelöst werden kann, ohne anzunehmen, dass die Elemente der Eingabe zufällig verteilt seien. Hierzu ersetzen wir die Methode zur Pivotwahl in einem schon lange bekannten Algorithmus und zeigen, dass dies hinreichend ist. Anschließend zeigen wir, dass die Selektion aus lokal sortierten Folgen – multisequence selection – wesentlich schneller lösbar ist, wenn der genaue Rang des Ausgabeelements in einem gewissen Bereich variieren darf. Dies benutzen wir anschließend, um eine verteilte Prioritätswarteschlange mit Bulk-Operationen zu konstruieren. Später werden wir diese verwenden, um gewichtete Stichproben aus Datenströmen zu ziehen (Reservoir Sampling). Schließlich betrachten wir das Problem, die global häufigsten Objekte sowie die, deren zugehörige Werte die größten Summen ergeben, mit einem stichprobenbasierten Ansatz zu identifizieren. Im Kapitel über gewichtete Stichproben werden zunächst neue Konstruktionsalgorithmen für eine klassische Datenstruktur für dieses Problem, sogenannte Alias-Tabellen, vorgestellt. Zu Beginn stellen wir den ersten Linearzeit-Konstruktionsalgorithmus für diese Datenstruktur vor, der mit konstant viel Zusatzspeicher auskommt. Anschließend parallelisieren wir diesen Algorithmus für Shared Memory und erhalten so den ersten parallelen Konstruktionsalgorithmus für Aliastabellen. Hiernach zeigen wir, wie das Problem für verteilte Systeme mit einem zweistufigen Algorithmus angegangen werden kann. Anschließend stellen wir einen ausgabesensitiven Algorithmus für gewichtete Stichproben mit Zurücklegen vor. Ausgabesensitiv bedeutet, dass die Laufzeit des Algorithmus sich auf die Anzahl der eindeutigen Elemente in der Ausgabe bezieht und nicht auf die Größe der Stichprobe. Dieser Algorithmus kann sowohl sequentiell als auch auf Shared-Memory-Maschinen und verteilten Systemen eingesetzt werden und ist der erste derartige Algorithmus in allen drei Kategorien. Wir passen ihn anschließend an das Ziehen gewichteter Stichproben ohne Zurücklegen an, indem wir ihn mit einem Schätzer für die Anzahl der eindeutigen Elemente in einer Stichprobe mit Zurücklegen kombinieren. Poisson-Sampling, eine Verallgemeinerung des Bernoulli-Sampling auf gewichtete Elemente, kann auf ganzzahlige Sortierung zurückgeführt werden, und wir zeigen, wie ein bestehender Ansatz parallelisiert werden kann. Für das Sampling aus Datenströmen passen wir einen sequentiellen Algorithmus an und zeigen, wie er in einem Mini-Batch-Modell unter Verwendung unserer im Selektionskapitel eingeführten Bulk-Prioritätswarteschlange parallelisiert werden kann. Das Kapitel endet mit einer ausführlichen Evaluierung unserer Aliastabellen-Konstruktionsalgorithmen, unseres ausgabesensitiven Algorithmus für gewichtete Stichproben mit Zurücklegen und unseres Algorithmus für gewichtetes Reservoir-Sampling. Um die Korrektheit verteilter Algorithmen probabilistisch zu verifizieren, schlagen wir Checker für grundlegende Operationen von Big-Data-Frameworks vor. Wir zeigen, dass die Überprüfung zahlreicher Operationen auf zwei „Kern“-Checker reduziert werden kann, nämlich die Prüfung von Aggregationen und ob eine Folge eine Permutation einer anderen Folge ist. Während mehrere Ansätze für letzteres Problem seit geraumer Zeit bekannt sind und sich auch einfach parallelisieren lassen, ist unser Summenaggregations-Checker eine neuartige Anwendung der gleichen Datenstruktur, die auch zählenden Bloom-Filtern und dem Count-Min-Sketch zugrunde liegt. Wir haben beide Checker in Thrill, einem Big-Data-Framework, implementiert. Experimente mit absichtlich herbeigeführten Fehlern bestätigen die von unserer theoretischen Analyse vorhergesagte Erkennungsgenauigkeit. Dies gilt selbst dann, wenn wir häufig verwendete schnelle Hash-Funktionen mit in der Theorie suboptimalen Eigenschaften verwenden. Skalierungsexperimente auf einem Supercomputer zeigen, dass unsere Checker nur sehr geringen Laufzeit-Overhead haben, welcher im Bereich von $2\,\%$ liegt und dabei die Korrektheit des Ergebnisses nahezu garantiert wird

JGraphT -- A Java library for graph data structures and algorithms

Mathematical software and graph-theoretical algorithmic packages to efficiently model, analyze and query graphs are crucial in an era where large-scale spatial, societal and economic network data are abundantly available. One such package is JGraphT, a programming library which contains very efficient and generic graph data-structures along with a large collection of state-of-the-art algorithms. The library is written in Java with stability, interoperability and performance in mind. A distinctive feature of this library is the ability to model vertices and edges as arbitrary objects, thereby permitting natural representations of many common networks including transportation, social and biological networks. Besides classic graph algorithms such as shortest-paths and spanning-tree algorithms, the library contains numerous advanced algorithms: graph and subgraph isomorphism; matching and flow problems; approximation algorithms for NP-hard problems such as independent set and TSP; and several more exotic algorithms such as Berge graph detection. Due to its versatility and generic design, JGraphT is currently used in large-scale commercial, non-commercial and academic research projects. In this work we describe in detail the design and underlying structure of the library, and discuss its most important features and algorithms. A computational study is conducted to evaluate the performance of JGraphT versus a number of similar libraries. Experiments on a large number of graphs over a variety of popular algorithms show that JGraphT is highly competitive with other established libraries such as NetworkX or the BGL.Comment: Major Revisio

Distributed Kernelized Locality-Sensitive Hashing for Faster Image Based Navigation

Content based image retrieval (CBIR) remains one of the most heavily researched areas in computer vision. Different image retrieval techniques and algorithms have been implemented and used in localization research, object recognition applications, and commercially by companies such as Facebook, Google, and Yahoo!. Current methods for image retrieval become problematic when implemented on image datasets that can easily reach billions of images. In order to process extremely large datasets, the computation must be distributed across a cluster of machines using software such as Apache Hadoop. There are many different algorithms for conducting content based image retrieval, but this research focuses on Kernelized Locality-Sensitive Hashing (KLSH). For the first time, a distributed implementation of the KLSH algorithm using the MapReduce programming paradigm performs CBIR and localization using an urban environment image dataset. This new distributed algorithm is shown to be 4.8 times faster than a brute force linear search while still maintaining localization accuracy within 8.5 meters