Statistical structures for internet-scale data management

Efficient query processing in traditional database management systems relies on statistics on base data. For centralized systems, there is a rich body of research results on such statistics, from simple aggregates to more elaborate synopses such as sketches and histograms. For Internet-scale distributed systems, on the other hand, statistics management still poses major challenges. With the work in this paper we aim to endow peer-to-peer data management over structured overlays with the power associated with such statistical information, with emphasis on meeting the scalability challenge. To this end, we first contribute efficient, accurate, and decentralized algorithms that can compute key aggregates such as Count, CountDistinct, Sum, and Average. We show how to construct several types of histograms, such as simple Equi-Width, Average-Shifted Equi-Width, and Equi-Depth histograms. We present a full-fledged open-source implementation of these tools for distributed statistical synopses, and report on a comprehensive experimental performance evaluation, evaluating our contributions in terms of efficiency, accuracy, and scalability

Trade-off among timeliness, messages and accuracy for large-Ssale information management

The increasing amount of data and the number of nodes in large-scale environments require new techniques for information management. Examples of such environments are the decentralized infrastructures of Computational Grid and Computational Cloud applications. These large-scale applications need different kinds of aggregated information such as resource monitoring, resource discovery or economic information. The challenge of providing timely and accurate information in large scale environments arise from the distribution of the information. Reasons for delays in distributed information system are a long information transmission time due to the distribution, churn and failures. A problem of large applications such as peer-to-peer (P2P) systems is the increasing retrieval time of the information due to the decentralization of the data and the failure proneness. However, many applications need a timely information provision. Another problem is an increasing network consumption when the application scales to millions of users and data. Using approximation techniques allows reducing the retrieval time and the network consumption. However, the usage of approximation techniques decreases the accuracy of the results. Thus, the remaining problem is to offer a trade-off in order to solve the conflicting requirements of fast information retrieval, accurate results and low messaging cost. Our goal is to reach a self-adaptive decision mechanism to offer a trade-off among the retrieval time, the network consumption and the accuracy of the result. Self-adaption enables distributed software to modify its behavior based on changes in the operating environment. In large-scale information systems that use hierarchical data aggregation, we apply self-adaptation to control the approximation used for the information retrieval and reduces the network consumption and the retrieval time. The hypothesis of the thesis is that approximation techniquescan reduce the retrieval time and the network consumption while guaranteeing an accuracy of the results, while considering user’s defined priorities. First, this presented research addresses the problem of a trade-off among a timely information retrieval, accurate results and low messaging cost by proposing a summarization algorithm for resource discovery in P2P-content networks. After identifying how summarization can improve the discovery process, we propose an algorithm which uses a precision-recall metric to compare the accuracy and to offer a user-driven trade-off. Second, we propose an algorithm that applies a self-adaptive decision making on each node. The decision is about the pruning of the query and returning the result instead of continuing the query. The pruning reduces the retrieval time and the network consumption at the cost of a lower accuracy in contrast to continuing the query. The algorithm uses an analytic hierarchy process to assess the user’s priorities and to propose a trade-off in order to satisfy the accuracy requirements with a low message cost and a short delay. A quantitative analysis evaluates our presented algorithms with a simulator, which is fed with real data of a network topology and the nodes’ attributes. The usage of a simulator instead of the prototype allows the evaluation in a large scale of several thousands of nodes. The algorithm for content summarization is evaluated with half a million of resources and with different query types. The selfadaptive algorithm is evaluated with a simulator of several thousands of nodes that are created from real data. A qualitative analysis addresses the integration of the simulator’s components in existing market frameworks for Computational Grid and Cloud applications. The proposed content summarization algorithm reduces the information retrieval time from a logarithmic increase to a constant factor. Furthermore, the message size is reduced significantly by applying the summarization technique. For the user, a precision-recall metric allows defining the relation between the retrieval time and the accuracy. The self-adaptive algorithm reduces the number of messages needed from an exponential increase to a constant factor. At the same time, the retrieval time is reduced to a constant factor under an increasing number of nodes. Finally, the algorithm delivers the data with the required accuracy adjusting the depth of the query according to the network conditions.La gestió de la informació exigeix noves tècniques que tractin amb la creixent quantitat de dades i nodes en entorns a gran escala. Alguns exemples d’aquests entorns són les infraestructures descentralitzades de Computacional Grid i Cloud. Les aplicacions a gran escala necessiten diferents classes d’informació agregada com monitorització de recursos i informació econòmica. El desafiament de proporcionar una provisió ràpida i acurada d’informació en ambients de grans escala sorgeix de la distribució de la informació. Una raó és que el sistema d’informació ha de tractar amb l’adaptabilitat i fracassos d’aquests ambients. Un problema amb aplicacions molt grans com en sistemes peer-to-peer (P2P) és el creixent temps de recuperació de l’informació a causa de la descentralització de les dades i la facilitat al fracàs. No obstant això, moltes aplicacions necessiten una provisió d’informació puntual. A més, alguns usuaris i aplicacions accepten inexactituds dels resultats si la informació es reparteix a temps. A més i més, el consum de xarxa creixent fa que sorgeixi un altre problema per l’escalabilitat del sistema. La utilització de tècniques d’aproximació permet reduir el temps de recuperació i el consum de xarxa. No obstant això, l’ús de tècniques d’aproximació disminueix la precisió dels resultats. Així, el problema restant és oferir un compromís per resoldre els requisits en conflicte d’extracció de la informació ràpida, resultats acurats i cost d’enviament baix. El nostre objectiu és obtenir un mecanisme de decisió completament autoadaptatiu per tal d’oferir el compromís entre temps de recuperació, consum de xarxa i precisió del resultat. Autoadaptacío permet al programari distribuït modificar el seu comportament en funció dels canvis a l’entorn d’operació. En sistemes d’informació de gran escala que utilitzen agregació de dades jeràrquica, l’auto-adaptació permet controlar l’aproximació utilitzada per a l’extracció de la informació i redueixen el consum de xarxa i el temps de recuperació. La hipòtesi principal d’aquesta tesi és que els tècniques d’aproximació permeten reduir el temps de recuperació i el consum de xarxa mentre es garanteix una precisió adequada definida per l’usari. La recerca que es presenta, introdueix un algoritme de sumarització de continguts per a la descoberta de recursos a xarxes de contingut P2P. Després d’identificar com sumarització pot millorar el procés de descoberta, proposem una mètrica que s’utilitza per comparar la precisió i oferir un compromís definit per l’usuari. Després, introduïm un algoritme nou que aplica l’auto-adaptació a un ordre per satisfer els requisits de precisió amb un cost de missatge baix i un retard curt. Basat en les prioritats d’usuari, l’algoritme troba automàticament un compromís. L’anàlisi quantitativa avalua els algoritmes presentats amb un simulador per permetre l’evacuació d’uns quants milers de nodes. El simulador s’alimenta amb dades d’una topologia de xarxa i uns atributs dels nodes reals. L’algoritme de sumarització de contingut s’avalua amb mig milió de recursos i amb diferents tipus de sol·licituds. L’anàlisi qualitativa avalua la integració del components del simulador en estructures de mercat existents per a aplicacions de Computacional Grid i Cloud. Així, la funcionalitat implementada del simulador (com el procés d’agregació i la query language) és comprovada per la integració de prototips. L’algoritme de sumarització de contingut proposat redueix el temps d’extracció de l’informació d’un augment logarítmic a un factor constant. A més, també permet que la mida del missatge es redueix significativament. Per a l’usuari, una precision-recall mètric permet definir la relació entre el nivell de precisió i el temps d’extracció de la informació. Alhora, el temps de recuperació es redueix a un factor constant sota un nombre creixent de nodes. Finalment, l’algoritme reparteix les dades amb la precisió exigida i ajusta la profunditat de la sol·licitud segons les condicions de xarxa. Els algoritmes introduïts són prometedors per ser utilitzats per l’agregació d’informació en nous sistemes de gestió de la informació de gran escala en el futur

Trade-off among timeliness, messages and accuracy for large-Ssale information management

The increasing amount of data and the number of nodes in large-scale environments require new techniques for information management. Examples of such environments are the decentralized infrastructures of Computational Grid and Computational Cloud applications. These large-scale applications need different kinds of aggregated information such as resource monitoring, resource discovery or economic information. The challenge of providing timely and accurate information in large scale environments arise from the distribution of the information. Reasons for delays in distributed information system are a long information transmission time due to the distribution, churn and failures. A problem of large applications such as peer-to-peer (P2P) systems is the increasing retrieval time of the information due to the decentralization of the data and the failure proneness. However, many applications need a timely information provision. Another problem is an increasing network consumption when the application scales to millions of users and data. Using approximation techniques allows reducing the retrieval time and the network consumption. However, the usage of approximation techniques decreases the accuracy of the results. Thus, the remaining problem is to offer a trade-off in order to solve the conflicting requirements of fast information retrieval, accurate results and low messaging cost. Our goal is to reach a self-adaptive decision mechanism to offer a trade-off among the retrieval time, the network consumption and the accuracy of the result. Self-adaption enables distributed software to modify its behavior based on changes in the operating environment. In large-scale information systems that use hierarchical data aggregation, we apply self-adaptation to control the approximation used for the information retrieval and reduces the network consumption and the retrieval time. The hypothesis of the thesis is that approximation techniquescan reduce the retrieval time and the network consumption while guaranteeing an accuracy of the results, while considering user’s defined priorities. First, this presented research addresses the problem of a trade-off among a timely information retrieval, accurate results and low messaging cost by proposing a summarization algorithm for resource discovery in P2P-content networks. After identifying how summarization can improve the discovery process, we propose an algorithm which uses a precision-recall metric to compare the accuracy and to offer a user-driven trade-off. Second, we propose an algorithm that applies a self-adaptive decision making on each node. The decision is about the pruning of the query and returning the result instead of continuing the query. The pruning reduces the retrieval time and the network consumption at the cost of a lower accuracy in contrast to continuing the query. The algorithm uses an analytic hierarchy process to assess the user’s priorities and to propose a trade-off in order to satisfy the accuracy requirements with a low message cost and a short delay. A quantitative analysis evaluates our presented algorithms with a simulator, which is fed with real data of a network topology and the nodes’ attributes. The usage of a simulator instead of the prototype allows the evaluation in a large scale of several thousands of nodes. The algorithm for content summarization is evaluated with half a million of resources and with different query types. The selfadaptive algorithm is evaluated with a simulator of several thousands of nodes that are created from real data. A qualitative analysis addresses the integration of the simulator’s components in existing market frameworks for Computational Grid and Cloud applications. The proposed content summarization algorithm reduces the information retrieval time from a logarithmic increase to a constant factor. Furthermore, the message size is reduced significantly by applying the summarization technique. For the user, a precision-recall metric allows defining the relation between the retrieval time and the accuracy. The self-adaptive algorithm reduces the number of messages needed from an exponential increase to a constant factor. At the same time, the retrieval time is reduced to a constant factor under an increasing number of nodes. Finally, the algorithm delivers the data with the required accuracy adjusting the depth of the query according to the network conditions.La gestió de la informació exigeix noves tècniques que tractin amb la creixent quantitat de dades i nodes en entorns a gran escala. Alguns exemples d’aquests entorns són les infraestructures descentralitzades de Computacional Grid i Cloud. Les aplicacions a gran escala necessiten diferents classes d’informació agregada com monitorització de recursos i informació econòmica. El desafiament de proporcionar una provisió ràpida i acurada d’informació en ambients de grans escala sorgeix de la distribució de la informació. Una raó és que el sistema d’informació ha de tractar amb l’adaptabilitat i fracassos d’aquests ambients. Un problema amb aplicacions molt grans com en sistemes peer-to-peer (P2P) és el creixent temps de recuperació de l’informació a causa de la descentralització de les dades i la facilitat al fracàs. No obstant això, moltes aplicacions necessiten una provisió d’informació puntual. A més, alguns usuaris i aplicacions accepten inexactituds dels resultats si la informació es reparteix a temps. A més i més, el consum de xarxa creixent fa que sorgeixi un altre problema per l’escalabilitat del sistema. La utilització de tècniques d’aproximació permet reduir el temps de recuperació i el consum de xarxa. No obstant això, l’ús de tècniques d’aproximació disminueix la precisió dels resultats. Així, el problema restant és oferir un compromís per resoldre els requisits en conflicte d’extracció de la informació ràpida, resultats acurats i cost d’enviament baix. El nostre objectiu és obtenir un mecanisme de decisió completament autoadaptatiu per tal d’oferir el compromís entre temps de recuperació, consum de xarxa i precisió del resultat. Autoadaptacío permet al programari distribuït modificar el seu comportament en funció dels canvis a l’entorn d’operació. En sistemes d’informació de gran escala que utilitzen agregació de dades jeràrquica, l’auto-adaptació permet controlar l’aproximació utilitzada per a l’extracció de la informació i redueixen el consum de xarxa i el temps de recuperació. La hipòtesi principal d’aquesta tesi és que els tècniques d’aproximació permeten reduir el temps de recuperació i el consum de xarxa mentre es garanteix una precisió adequada definida per l’usari. La recerca que es presenta, introdueix un algoritme de sumarització de continguts per a la descoberta de recursos a xarxes de contingut P2P. Després d’identificar com sumarització pot millorar el procés de descoberta, proposem una mètrica que s’utilitza per comparar la precisió i oferir un compromís definit per l’usuari. Després, introduïm un algoritme nou que aplica l’auto-adaptació a un ordre per satisfer els requisits de precisió amb un cost de missatge baix i un retard curt. Basat en les prioritats d’usuari, l’algoritme troba automàticament un compromís. L’anàlisi quantitativa avalua els algoritmes presentats amb un simulador per permetre l’evacuació d’uns quants milers de nodes. El simulador s’alimenta amb dades d’una topologia de xarxa i uns atributs dels nodes reals. L’algoritme de sumarització de contingut s’avalua amb mig milió de recursos i amb diferents tipus de sol·licituds. L’anàlisi qualitativa avalua la integració del components del simulador en estructures de mercat existents per a aplicacions de Computacional Grid i Cloud. Així, la funcionalitat implementada del simulador (com el procés d’agregació i la query language) és comprovada per la integració de prototips. L’algoritme de sumarització de contingut proposat redueix el temps d’extracció de l’informació d’un augment logarítmic a un factor constant. A més, també permet que la mida del missatge es redueix significativament. Per a l’usuari, una precision-recall mètric permet definir la relació entre el nivell de precisió i el temps d’extracció de la informació. Alhora, el temps de recuperació es redueix a un factor constant sota un nombre creixent de nodes. Finalment, l’algoritme reparteix les dades amb la precisió exigida i ajusta la profunditat de la sol·licitud segons les condicions de xarxa. Els algoritmes introduïts són prometedors per ser utilitzats per l’agregació d’informació en nous sistemes de gestió de la informació de gran escala en el futur.Postprint (published version

Low-latency, query-driven analytics over voluminous multidimensional, spatiotemporal datasets

2017 Summer.Includes bibliographical references.Ubiquitous data collection from sources such as remote sensing equipment, networked observational devices, location-based services, and sales tracking has led to the accumulation of voluminous datasets; IDC projects that by 2020 we will generate 40 zettabytes of data per year, while Gartner and ABI estimate 20-35 billion new devices will be connected to the Internet in the same time frame. The storage and processing requirements of these datasets far exceed the capabilities of modern computing hardware, which has led to the development of distributed storage frameworks that can scale out by assimilating more computing resources as necessary. While challenging in its own right, storing and managing voluminous datasets is only the precursor to a broader field of study: extracting knowledge, insights, and relationships from the underlying datasets. The basic building block of this knowledge discovery process is analytic queries, encompassing both query instrumentation and evaluation. This dissertation is centered around query-driven exploratory and predictive analytics over voluminous, multidimensional datasets. Both of these types of analysis represent a higher-level abstraction over classical query models; rather than indexing every discrete value for subsequent retrieval, our framework autonomously learns the relationships and interactions between dimensions in the dataset (including time series and geospatial aspects), and makes the information readily available to users. This functionality includes statistical synopses, correlation analysis, hypothesis testing, probabilistic structures, and predictive models that not only enable the discovery of nuanced relationships between dimensions, but also allow future events and trends to be predicted. This requires specialized data structures and partitioning algorithms, along with adaptive reductions in the search space and management of the inherent trade-off between timeliness and accuracy. The algorithms presented in this dissertation were evaluated empirically on real-world geospatial time-series datasets in a production environment, and are broadly applicable across other storage frameworks

Efficient Processing of Ranking Queries in Novel Applications

Ranking queries, which return only a subset of results matching a user query, have been studied extensively in the past decade due to their importance in a wide range of applications. In this thesis, we study ranking queries in novel environments and settings where they have not been considered so far. With the advancements in sensor technologies, these small devices are today present in all corners of human life. Millions of them are deployed in various places and are sending data on a continuous basis. These sensors which before mainly monitored environmental phenomena or production chains, have now found their way into our daily lives as well; health monitoring being a plausible example of how much we rely on continuous observation of measurements. As the Web technology evolves and facilitates data stream transmissions, sensors do not remain the sole producers of data in form of streams. The Web 2.0 has escalated the production of user-generated content which appear in form of annotated posts in a Weblog (blog), pictures and videos, or small textual snippets reflecting the current activity or status of users and can be regarded as natural items of a temporal stream. A major part of this thesis is devoted to developing novel methods which assist in keeping track of this ever increasing flow of information with continuous monitoring of ranking queries over them, particularly when traditional approaches fail to meet the newly raised requirements. We consider the ranking problem when the information flow is not synchronized among its sources. This is a recurring situation, since sensors are run by different organizations, measure moving entities, or are simply represented by users which are inherently not synchronizable. Our methods are in particular designed for handling unsynchronized streams, calculating an object's score based on both its currently observed contribution to the registered queries as well as the contribution it might have in future. While this uncertainty in score calculation causes linear growth in the space necessary for providing exact results, we are able to define criteria which allows for evicting unpromising objects as early as possible. We also leverage statistical properties that reflect the correlation between multiple streams to predict the future to provide better bounds for the best possible contribution of an object, consequently limiting the necessary storage dramatically. To achieve this, we make use of small statistical synopses that are periodically refreshed during runtime. Furthermore, we consider user generated queries in the context of Web 2.0 applications which aim at filtering data streams in forms of textual documents, based on personal interests. In this case, the dimensionality of the data, the large cardinality of the subscribed queries, as well as the desire for consuming recent information, raise new challenges. We develop new approaches which efficiently filter the information and provide real-time updates to the user subscribed queries. Our methods rely on a novel ordering of user queries in traditional inverted lists which allows the system to effectively prune those queries for which a new piece of information is of no interest. Finally, we investigate high quality search in user generated content in Web 2.0 applications in form of images or videos. These resources are inherently dispersed all over the globe, therefore can be best managed in a purely distributed peer-to-peer network which eliminates single points of failure. Search in such a huge repository of high dimensional data involves evaluating ranking queries in form of nearest neighbor queries. Therefore, we study ranking queries in high dimensional spaces, where the index of the objects is maintained in a purely distributed fashion. Our solution meets the two major requirements of a viable solution in distributing the index and evaluating ranking queries: the underlying peer-to-peer network remains load balanced, and efficient query evaluation is feasible as similar objects are assigned to nearby peers

On the Potential of Generic Modeling for VANET Data Aggregation Protocols

In-network data aggregation is a promising communication mechanism to reduce bandwidth requirements of applications in vehicular ad-hoc networks (VANETs). Many aggregation schemes have been proposed, often with varying features. Most aggregation schemes are tailored to specific application scenarios and for specific aggregation operations. Comparative evaluation of different aggregation schemes is therefore difficult. An application centric view of aggregation does also not tap into the potential of cross application aggregation. Generic modeling may help to unlock this potential. We outline a generic modeling approach to enable improved comparability of aggregation schemes and facilitate joint optimization for different applications of aggregation schemes for VANETs. This work outlines the requirements and general concept of a generic modeling approach and identifies open challenges