Stratified Random Sampling from Streaming and Stored Data

Stratified random sampling (SRS) is a widely used sampling technique for approximate query processing. We consider SRS on continuously arriving data streams, and make the following contributions. We present a lower bound that shows that any streaming algorithm for SRS must have (in the worst case) a variance that is Ω(r ) factor away from the optimal, where r is the number of strata. We present S-VOILA, a streaming algorithm for SRS that is locally variance-optimal. Results from experiments on real and synthetic data show that S-VOILA results in a variance that is typically close to an optimal offline algorithm, which was given the entire input beforehand. We also present a variance-optimal offline algorithm VOILA for stratified random sampling. VOILA is a strict generalization of the well-known Neyman allocation, which is optimal only under the assumption that each stratum is abundant, i.e. has a large number of data points to choose from. Experiments show that VOILA can have significantly smaller variance (1.4x to 50x) than Neyman allocation on real-world data

Time Series Management Systems:A Survey

The collection of time series data increases as more monitoring and automation are being deployed. These deployments range in scale from an Internet of things (IoT) device located in a household to enormous distributed Cyber-Physical Systems (CPSs) producing large volumes of data at high velocity. To store and analyze these vast amounts of data, specialized Time Series Management Systems (TSMSs) have been developed to overcome the limitations of general purpose Database Management Systems (DBMSs) for times series management. In this paper, we present a thorough analysis and classification of TSMSs developed through academic or industrial research and documented through publications. Our classification is organized into categories based on the architectures observed during our analysis. In addition, we provide an overview of each system with a focus on the motivational use case that drove the development of the system, the functionality for storage and querying of time series a system implements, the components the system is composed of, and the capabilities of each system with regard to Stream Processing and Approximate Query Processing (AQP). Last, we provide a summary of research directions proposed by other researchers in the field and present our vision for a next generation TSMS.Comment: 20 Pages, 15 Figures, 2 Tables, Accepted for publication in IEEE TKD

Transactional and analytical data management on persistent memory

Die zunehmende Anzahl von Smart-Geräten und Sensoren, aber auch die sozialen Medien lassen das Datenvolumen und damit die geforderte Verarbeitungsgeschwindigkeit stetig wachsen. Gleichzeitig müssen viele Anwendungen Daten persistent speichern oder sogar strenge Transaktionsgarantien einhalten. Die neuartige Speichertechnologie Persistent Memory (PMem) mit ihren einzigartigen Eigenschaften scheint ein natürlicher Anwärter zu sein, um diesen Anforderungen effizient nachzukommen. Sie ist im Vergleich zu DRAM skalierbarer, günstiger und dauerhaft. Im Gegensatz zu Disks ist sie deutlich schneller und direkt adressierbar. Daher wird in dieser Dissertation der gezielte Einsatz von PMem untersucht, um den Anforderungen moderner Anwendung gerecht zu werden. Nach der Darlegung der grundlegenden Arbeitsweise von und mit PMem, konzentrieren wir uns primär auf drei Aspekte der Datenverwaltung. Zunächst zerlegen wir mehrere persistente Daten- und Indexstrukturen in ihre zugrundeliegenden Entwurfsprimitive, um Abwägungen für verschiedene Zugriffsmuster aufzuzeigen. So können wir ihre besten Anwendungsfälle und Schwachstellen, aber auch allgemeine Erkenntnisse über das Entwerfen von PMem-basierten Datenstrukturen ermitteln. Zweitens schlagen wir zwei Speicherlayouts vor, die auf analytische Arbeitslasten abzielen und eine effiziente Abfrageausführung auf beliebigen Attributen ermöglichen. Während der erste Ansatz eine verknüpfte Liste von mehrdimensionalen gruppierten Blöcken verwendet, handelt es sich beim zweiten Ansatz um einen mehrdimensionalen Index, der Knoten im DRAM zwischenspeichert. Drittens zeigen wir unter Verwendung der bisherigen Datenstrukturen und Erkenntnisse, wie Datenstrom- und Ereignisverarbeitungssysteme mit transaktionaler Zustandsverwaltung verbessert werden können. Dabei schlagen wir ein neuartiges Transactional Stream Processing (TSP) Modell mit geeigneten Konsistenz- und Nebenläufigkeitsprotokollen vor, die an PMem angepasst sind. Zusammen sollen die diskutierten Aspekte eine Grundlage für die Entwicklung noch ausgereifterer PMem-fähiger Systeme bilden. Gleichzeitig zeigen sie, wie Datenverwaltungsaufgaben PMem ausnutzen können, indem sie neue Anwendungsgebiete erschließen, die Leistung, Skalierbarkeit und Wiederherstellungsgarantien verbessern, die Codekomplexität vereinfachen sowie die ökonomischen und ökologischen Kosten reduzieren.The increasing number of smart devices and sensors, but also social media are causing the volume of data and thus the demanded processing speed to grow steadily. At the same time, many applications need to store data persistently or even comply with strict transactional guarantees. The novel storage technology Persistent Memory (PMem), with its unique properties, seems to be a natural candidate to meet these requirements efficiently. Compared to DRAM, it is more scalable, less expensive, and durable. In contrast to disks, it is significantly faster and directly addressable. Therefore, this dissertation investigates the deliberate employment of PMem to fit the needs of modern applications. After presenting the fundamental work of and with PMem, we focus primarily on three aspects of data management. First, we disassemble several persistent data and index structures into their underlying design primitives to reveal the trade-offs for various access patterns. It allows us to identify their best use cases and vulnerabilities but also to gain general insights into the design of PMem-based data structures. Second, we propose two storage layouts that target analytical workloads and enable an efficient query execution on arbitrary attributes. While the first approach employs a linked list of multi-dimensional clustered blocks that potentially span several storage layers, the second approach is a multi-dimensional index that caches nodes in DRAM. Third, we show how to improve stream and event processing systems involving transactional state management using the preceding data structures and insights. In this context, we propose a novel Transactional Stream Processing (TSP) model with appropriate consistency and concurrency protocols adapted to PMem. Together, the discussed aspects are intended to provide a foundation for developing even more sophisticated PMemenabled systems. At the same time, they show how data management tasks can take advantage of PMem by opening up new application domains, improving performance, scalability, and recovery guarantees, simplifying code complexity, plus reducing economic and environmental costs

Secure Communication in Disaster Scenarios

Während Naturkatastrophen oder terroristischer Anschläge ist die bestehende Kommunikationsinfrastruktur häufig überlastet oder fällt komplett aus. In diesen Situationen können mobile Geräte mithilfe von drahtloser ad-hoc- und unterbrechungstoleranter Vernetzung miteinander verbunden werden, um ein Notfall-Kommunikationssystem für Zivilisten und Rettungsdienste einzurichten. Falls verfügbar, kann eine Verbindung zu Cloud-Diensten im Internet eine wertvolle Hilfe im Krisen- und Katastrophenmanagement sein. Solche Kommunikationssysteme bergen jedoch ernsthafte Sicherheitsrisiken, da Angreifer versuchen könnten, vertrauliche Daten zu stehlen, gefälschte Benachrichtigungen von Notfalldiensten einzuspeisen oder Denial-of-Service (DoS) Angriffe durchzuführen. Diese Dissertation schlägt neue Ansätze zur Kommunikation in Notfallnetzen von mobilen Geräten vor, die von der Kommunikation zwischen Mobilfunkgeräten bis zu Cloud-Diensten auf Servern im Internet reichen. Durch die Nutzung dieser Ansätze werden die Sicherheit der Geräte-zu-Geräte-Kommunikation, die Sicherheit von Notfall-Apps auf mobilen Geräten und die Sicherheit von Server-Systemen für Cloud-Dienste verbessert