A Running Time Improvement for Two Thresholds Two Divisors Algorithm

Chunking algorithms play an important role in data de-duplication systems. The Basic Sliding Window (BSW) algorithm is the first prototype of the content-based chunking algorithm which can handle most types of data. The Two Thresholds Two Divisors (TTTD) algorithm was proposed to improve the BSW algorithm in terms of controlling the variations of the chunk-size. In this project, we investigate and compare the BSW algorithm and TTTD algorithm from different factors by a series of systematic experiments. Up to now, no paper conducts these experimental evaluations for these two algorithms. This is the first value of this paper. According to our analyses and the results of experiments, we provide a running time improvement for the TTTD algorithm. Our new solution reduces about 7 % of the total running time and also reduces about 50 % of the large-sized chunks while comparing with the original TTTD algorithm and make average chunk-size closer to the expected chunk-size. These significant results are the second important value of this project

Cloud security: literature survey

Today, the growth of digitalization has made the ease for livelihood for all the organizations. Cloud computing the storage provider for all the computer resources has made it easy for accessing the data from anywhere anytime. But at the same time the security for cloud data storage is the major drawback which is provided by various cryptographic algorithms. These algorithms convert the data into unreadable format, known as cipher text, Rivest, Shamir and Adleman (RSA) one of the most popularly used asymmetric algorithm. This paper gives detailed review about such different cryptographic algorithms used for the cloud data security. The comparison study is also made for the size of data and to analyze the encryption time and decryption time, which concludes that to enhance the cloud data security some addon techniques are to be used along with these cryptographic algorithms. To increase the security level and to increase the transmission speed of plaintext, integrated method will be proposed by encoding the plaintext to intermediate plaintext and then intermediate plaintext will be compressed using any one of the compression techniques to increase the compression ratio, lastly the compressed file is encrypted to further enhance the security level

Cross-core Microarchitectural Attacks and Countermeasures

In the last decade, multi-threaded systems and resource sharing have brought a number of technologies that facilitate our daily tasks in a way we never imagined. Among others, cloud computing has emerged to offer us powerful computational resources without having to physically acquire and install them, while smartphones have almost acquired the same importance desktop computers had a decade ago. This has only been possible thanks to the ever evolving performance optimization improvements made to modern microarchitectures that efficiently manage concurrent usage of hardware resources. One of the aforementioned optimizations is the usage of shared Last Level Caches (LLCs) to balance different CPU core loads and to maintain coherency between shared memory blocks utilized by different cores. The latter for instance has enabled concurrent execution of several processes in low RAM devices such as smartphones. Although efficient hardware resource sharing has become the de-facto model for several modern technologies, it also poses a major concern with respect to security. Some of the concurrently executed co-resident processes might in fact be malicious and try to take advantage of hardware proximity. New technologies usually claim to be secure by implementing sandboxing techniques and executing processes in isolated software environments, called Virtual Machines (VMs). However, the design of these isolated environments aims at preventing pure software- based attacks and usually does not consider hardware leakages. In fact, the malicious utilization of hardware resources as covert channels might have severe consequences to the privacy of the customers. Our work demonstrates that malicious customers of such technologies can utilize the LLC as the covert channel to obtain sensitive information from a co-resident victim. We show that the LLC is an attractive resource to be targeted by attackers, as it offers high resolution and, unlike previous microarchitectural attacks, does not require core-colocation. Particularly concerning are the cases in which cryptography is compromised, as it is the main component of every security solution. In this sense, the presented work does not only introduce three attack variants that can be applicable in different scenarios, but also demonstrates the ability to recover cryptographic keys (e.g. AES and RSA) and TLS session messages across VMs, bypassing sandboxing techniques. Finally, two countermeasures to prevent microarchitectural attacks in general and LLC attacks in particular from retrieving fine- grain information are presented. Unlike previously proposed countermeasures, ours do not add permanent overheads in the system but can be utilized as preemptive defenses. The first identifies leakages in cryptographic software that can potentially lead to key extraction, and thus, can be utilized by cryptographic code designers to ensure the sanity of their libraries before deployment. The second detects microarchitectural attacks embedded into innocent-looking binaries, preventing them from being posted in official application repositories that usually have the full trust of the customer

Developing automated meta-research approaches in the preclinical Alzheimer's disease literature

Alzheimer’s disease is a devastating neurodegenerative disorder for which there is no cure. A crucial part of the drug development pipeline involves testing therapeutic interventions in animal disease models. However, promising findings in preclinical experiments have not translated into clinical trial success. Reproducibility has often been cited as a major issue affecting biomedical research, where experimental results in one laboratory cannot be replicated in another. By using meta-research (research on research) approaches such as systematic reviews, researchers aim to identify and summarise all available evidence relating to a specific research question. By conducting a meta-analysis, researchers can also combine the results from different experiments statistically to understand the overall effect of an intervention and to explore reasons for variations seen across different publications. Systematic reviews of the preclinical Alzheimer’s disease literature could inform decision making, encourage research improvement, and identify gaps in the literature to guide future research. However, due to the vast amount of potentially useful evidence from animal models of Alzheimer’s disease, it remains difficult to make sense of and utilise this data effectively. Systematic reviews are common practice within evidence based medicine, yet their application to preclinical research is often limited by the time and resources required. In this thesis, I develop, build-upon, and implement automated meta-research approaches to collect, curate, and evaluate the preclinical Alzheimer’s literature. I searched several biomedical databases to obtain all research relevant to Alzheimer’s disease. I developed a novel deduplication tool to automatically identify and remove duplicate publications identified across different databases with minimal human effort. I trained a crowd of reviewers to annotate a subset of the publications identified and used this data to train a machine learning algorithm to screen through the remaining publications for relevance. I developed text-mining tools to extract model, intervention, and treatment information from publications and I improved existing automated tools to extract reported measures to reduce the risk of bias. Using these tools, I created a categorised database of research in transgenic Alzheimer’s disease animal models and created a visual summary of this dataset on an interactive, openly accessible online platform. Using the techniques described, I also identified relevant publications within the categorised dataset to perform systematic reviews of two key outcomes of interest in transgenic Alzheimer’s disease models: (1) synaptic plasticity and transmission in hippocampal slices and (2) motor activity in the open field test. Over 400,000 publications were identified across biomedical research databases, with 230,203 unique publications. In a performance evaluation across different preclinical datasets, the automated deduplication tool I developed could identify over 97% of duplicate citations and a had an error rate similar to that of human performance. When evaluated on a test set of publications, the machine learning classifier trained to identify relevant research in transgenic models performed was highly sensitive (captured 96.5% of relevant publications) and excluded 87.8% of irrelevant publications. Tools to identify the model(s) and outcome measure(s) within the full-text of publications may reduce the burden on reviewers and were found to be more sensitive than searching only the title and abstract of citations. Automated tools to assess risk of bias reporting were highly sensitive and could have the potential to monitor research improvement over time. The final dataset of categorised Alzheimer’s disease research contained 22,375 publications which were then visualised in the interactive web application. Within the application, users can see how many publications report measures to reduce the risk of bias and how many have been classified as using each transgenic model, testing each intervention, and measuring each outcome. Users can also filter to obtain curated lists of relevant research, allowing them to perform systematic reviews at an accelerated pace with reduced effort required to search across databases, and a reduced number of publications to screen for relevance. Both systematic reviews and meta-analyses highlighted failures to report key methodological information within publications. Poor transparency of reporting limited the statistical power I had to understand the sources of between-study variation. However, some variables were found to explain a significant proportion of the heterogeneity. Transgenic animal model had a significant impact on results in both reviews. For certain open field test outcomes, wall colour of the open field arena and the reporting of measures to reduce the risk of bias were found to impact results. For in vitro electrophysiology experiments measuring synaptic plasticity, several electrophysiology parameters, including magnesium concentration of the recording solution, were found to explain a significant proportion of the heterogeneity. Automated meta-research approaches and curated web platforms summarising preclinical research could have the potential to accelerate the conduct of systematic reviews and maximise the potential of existing evidence to inform translation

SimuBoost: Scalable Parallelization of Functional System Simulation

Für das Sammeln detaillierter Laufzeitinformationen, wie Speicherzugriffsmustern, wird in der Betriebssystem- und Sicherheitsforschung häufig auf die funktionale Systemsimulation zurückgegriffen. Der Simulator führt dabei die zu untersuchende Arbeitslast in einer virtuellen Maschine (VM) aus, indem er schrittweise Instruktionen interpretiert oder derart übersetzt, sodass diese auf dem Zustand der VM arbeiten. Dieser Prozess ermöglicht es, eine umfangreiche Instrumentierung durchzuführen und so an Informationen zum Laufzeitverhalten zu gelangen, die auf einer physischen Maschine nicht zugänglich sind. Obwohl die funktionale Systemsimulation als mächtiges Werkzeug gilt, stellt die durch die Interpretation oder Übersetzung resultierende immense Ausführungsverlangsamung eine substanzielle Einschränkung des Verfahrens dar. Im Vergleich zu einer nativen Ausführung messen wir für QEMU eine 30-fache Verlangsamung, wobei die Aufzeichnung von Speicherzugriffen diesen Faktor verdoppelt. Mit Simulatoren, die umfangreichere Instrumentierungsmöglichkeiten mitbringen als QEMU, kann die Verlangsamung um eine Größenordnung höher ausfallen. Dies macht die funktionale Simulation für lang laufende, vernetzte oder interaktive Arbeitslasten uninteressant. Darüber hinaus erzeugt die Verlangsamung ein unrealistisches Zeitverhalten, sobald Aktivitäten außerhalb der VM (z. B. Ein-/Ausgabe) involviert sind. In dieser Arbeit stellen wir SimuBoost vor, eine Methode zur drastischen Beschleunigung funktionaler Systemsimulation. SimuBoost führt die zu untersuchende Arbeitslast zunächst in einer schnellen hardwaregestützten virtuellen Maschine aus. Dies ermöglicht volle Interaktivität mit Benutzern und Netzwerkgeräten. Während der Ausführung erstellt SimuBoost periodisch Abbilder der VM (engl. Checkpoints). Diese dienen als Ausgangspunkt für eine parallele Simulation, bei der jedes Intervall unabhängig simuliert und analysiert wird. Eine heterogene deterministische Wiederholung (engl. heterogeneous deterministic Replay) garantiert, dass in dieser Phase die vorherige hardwaregestützte Ausführung jedes Intervalls exakt reproduziert wird, einschließlich Interaktionen und realistischem Zeitverhalten. Unser Prototyp ist in der Lage, die Laufzeit einer funktionalen Systemsimulation deutlich zu reduzieren. Während mit herkömmlichen Verfahren für die Simulation des Bauprozesses eines modernen Linux über 5 Stunden benötigt werden, schließt SimuBoost die Simulation in nur 15 Minuten ab. Dies sind lediglich 16% mehr Zeit, als der Bau in einer schnellen hardwaregestützten VM in Anspruch nimmt. SimuBoost ist imstande, diese Geschwindigkeit auch bei voller Instrumentierung zur Aufzeichnung von Speicherzugriffen beizubehalten. Die vorliegende Arbeit ist das erste Projekt, welches das Konzept der Partitionierung und Parallelisierung der Ausführungszeit auf die interaktive Systemvirtualisierung in einer Weise anwendet, die eine sofortige parallele funktionale Simulation gestattet. Wir ergänzen die praktische Umsetzung mit einem mathematischen Modell zur formalen Beschreibung der Beschleunigungseigenschaften. Dies erlaubt es, für ein gegebenes Szenario die voraussichtliche parallele Simulationszeit zu prognostizieren und gibt eine Orientierung zur Wahl der optimalen Intervalllänge. Im Gegensatz zu bisherigen Arbeiten legt SimuBoost einen starken Fokus auf die Skalierbarkeit über die Grenzen eines einzelnen physischen Systems hinaus. Ein zentraler Schlüssel hierzu ist der Einsatz moderner Checkpointing-Technologien. Im Rahmen dieser Arbeit präsentieren wir zwei neuartige Methoden zur effizienten und effektiven Kompression von periodischen Systemabbildern

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

Incremental parallel and distributed systems

Incremental computation strives for efficient successive runs of applications by re-executing only those parts of the computation that are affected by a given input change instead of recomputing everything from scratch. To realize the benefits of incremental computation, researchers and practitioners are developing new systems where the application programmer can provide an efficient update mechanism for changing application data. Unfortunately, most of the existing solutions are limiting because they not only depart from existing programming models, but also require programmers to devise an incremental update mechanism (or a dynamic algorithm) on a per-application basis. In this thesis, we present incremental parallel and distributed systems that enable existing real-world applications to automatically benefit from efficient incremental updates. Our approach neither requires departure from current models of programming, nor the design and implementation of dynamic algorithms. To achieve these goals, we have designed and built the following incremental systems: (i) Incoop — a system for incremental MapReduce computation; (ii) Shredder — a GPU-accelerated system for incremental storage; (iii) Slider — a stream processing platform for incremental sliding window analytics; and (iv) iThreads — a threading library for parallel incremental computation. Our experience with these systems shows that significant performance can be achieved for existing applications without requiring any additional effort from programmers.Inkrementelle Berechnungen ermöglichen die effizientere Ausführung aufeinanderfolgender Anwendungsaufrufe, indem nur die Teilbereiche der Anwendung erneut ausgefürt werden, die von den Änderungen der Eingabedaten betroffen sind. Dieses Berechnungsverfahren steht dem konventionellen und vollständig neu berechnenden Verfahren gegenüber. Um den Vorteil inkrementeller Berechnungen auszunutzen, entwickeln sowohl Wissenschaft als auch Industrie neue Systeme, bei denen der Anwendungsprogrammierer den effizienten Aktualisierungsmechanismus für die Änderung der Anwendungsdaten bereitstellt. Bedauerlicherweise lassen sich existierende Lösungen meist nur eingeschränkt anwenden, da sie das konventionelle Programmierungsmodel beibehalten und dadurch die erneute Entwicklung vom Programmierer des inkrementellen Aktualisierungsmechanismus (oder einen dynamischen Algorithmus) für jede Anwendung verlangen. Diese Doktorarbeit stellt inkrementelle Parallele- und Verteiltesysteme vor, die es existierenden Real-World-Anwendungen ermöglichen vom Vorteil der inkre- mentellen Berechnung automatisch zu profitieren. Unser Ansatz erfordert weder eine Abkehr von gegenwärtigen Programmiermodellen, noch Design und Implementierung von anwendungsspezifischen dynamischen Algorithmen. Um dieses Ziel zu erreichen, haben wir die folgenden Systeme zur inkrementellen parallelen und verteilten Berechnung entworfen und implementiert: (i) Incoop — ein System für inkrementelle Map-Reduce-Programme; (ii) Shredder — ein GPU- beschleunigtes System zur inkrementellen Speicherung; (iii) Slider — eine Plat- tform zur Batch-basierten Streamverarbeitung via inkrementeller Sliding-Window- Berechnung; und (iv) iThreads — eine Threading-Bibliothek zur parallelen inkre- mentellen Berechnung. Unsere Erfahrungen mit diesen Systemen zeigen, dass unsere Methoden sehr gute Performanz liefern können, und dies ohne weiteren Aufwand des Programmierers

Incremental parallel and distributed systems

Incremental computation strives for efficient successive runs of applications by re-executing only those parts of the computation that are affected by a given input change instead of recomputing everything from scratch. To realize the benefits of incremental computation, researchers and practitioners are developing new systems where the application programmer can provide an efficient update mechanism for changing application data. Unfortunately, most of the existing solutions are limiting because they not only depart from existing programming models, but also require programmers to devise an incremental update mechanism (or a dynamic algorithm) on a per-application basis. In this thesis, we present incremental parallel and distributed systems that enable existing real-world applications to automatically benefit from efficient incremental updates. Our approach neither requires departure from current models of programming, nor the design and implementation of dynamic algorithms. To achieve these goals, we have designed and built the following incremental systems: (i) Incoop — a system for incremental MapReduce computation; (ii) Shredder — a GPU-accelerated system for incremental storage; (iii) Slider — a stream processing platform for incremental sliding window analytics; and (iv) iThreads — a threading library for parallel incremental computation. Our experience with these systems shows that significant performance can be achieved for existing applications without requiring any additional effort from programmers.Inkrementelle Berechnungen ermöglichen die effizientere Ausführung aufeinanderfolgender Anwendungsaufrufe, indem nur die Teilbereiche der Anwendung erneut ausgefürt werden, die von den Änderungen der Eingabedaten betroffen sind. Dieses Berechnungsverfahren steht dem konventionellen und vollständig neu berechnenden Verfahren gegenüber. Um den Vorteil inkrementeller Berechnungen auszunutzen, entwickeln sowohl Wissenschaft als auch Industrie neue Systeme, bei denen der Anwendungsprogrammierer den effizienten Aktualisierungsmechanismus für die Änderung der Anwendungsdaten bereitstellt. Bedauerlicherweise lassen sich existierende Lösungen meist nur eingeschränkt anwenden, da sie das konventionelle Programmierungsmodel beibehalten und dadurch die erneute Entwicklung vom Programmierer des inkrementellen Aktualisierungsmechanismus (oder einen dynamischen Algorithmus) für jede Anwendung verlangen. Diese Doktorarbeit stellt inkrementelle Parallele- und Verteiltesysteme vor, die es existierenden Real-World-Anwendungen ermöglichen vom Vorteil der inkre- mentellen Berechnung automatisch zu profitieren. Unser Ansatz erfordert weder eine Abkehr von gegenwärtigen Programmiermodellen, noch Design und Implementierung von anwendungsspezifischen dynamischen Algorithmen. Um dieses Ziel zu erreichen, haben wir die folgenden Systeme zur inkrementellen parallelen und verteilten Berechnung entworfen und implementiert: (i) Incoop — ein System für inkrementelle Map-Reduce-Programme; (ii) Shredder — ein GPU- beschleunigtes System zur inkrementellen Speicherung; (iii) Slider — eine Plat- tform zur Batch-basierten Streamverarbeitung via inkrementeller Sliding-Window- Berechnung; und (iv) iThreads — eine Threading-Bibliothek zur parallelen inkre- mentellen Berechnung. Unsere Erfahrungen mit diesen Systemen zeigen, dass unsere Methoden sehr gute Performanz liefern können, und dies ohne weiteren Aufwand des Programmierers