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

SPAD: a distributed middleware architecture for QoS enhanced alternate path discovery

In the next generation Internet, the network will evolve from a plain communication medium into one that provides endless services to the users. These services will be composed of multiple cooperative distributed application elements. We name these services overlay applications. The cooperative application elements within an overlay application will build a dynamic communication mesh, namely an overlay association. The Quality of Service (QoS) perceived by the users of an overlay application greatly depends on the QoS experienced on the communication paths of the corresponding overlay association. In this paper, we present SPAD (Super-Peer Alternate path Discovery), a distributed middleware architecture that aims at providing enhanced QoS between end-points within an overlay association. To achieve this goal, SPAD provides a complete scheme to discover and utilize composite alternate end-to end paths with better QoS than the path given by the default IP routing mechanisms

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

Stochastic Analysis of a Churn-Tolerant Structured Peer-to-Peer Scheme

We present and analyze a simple and general scheme to build a churn (fault)-tolerant structured Peer-to-Peer (P2P) network. Our scheme shows how to "convert" a static network into a dynamic distributed hash table(DHT)-based P2P network such that all the good properties of the static network are guaranteed with high probability (w.h.p). Applying our scheme to a cube-connected cycles network, for example, yields a $O(\log N)$ degree connected network, in which every search succeeds in $O(\log N)$ hops w.h.p., using $O(\log N)$ messages, where $N$ is the expected stable network size. Our scheme has an constant storage overhead (the number of nodes responsible for servicing a data item) and an $O(\log N)$ overhead (messages and time) per insertion and essentially no overhead for deletions. All these bounds are essentially optimal. While DHT schemes with similar guarantees are already known in the literature, this work is new in the following aspects: (1) It presents a rigorous mathematical analysis of the scheme under a general stochastic model of churn and shows the above guarantees; (2) The theoretical analysis is complemented by a simulation-based analysis that validates the asymptotic bounds even in moderately sized networks and also studies performance under changing stable network size; (3) The presented scheme seems especially suitable for maintaining dynamic structures under churn efficiently. In particular, we show that a spanning tree of low diameter can be efficiently maintained in constant time and logarithmic number of messages per insertion or deletion w.h.p. Keywords: P2P Network, DHT Scheme, Churn, Dynamic Spanning Tree, Stochastic Analysis

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

The Reputation, Opinion, Credibility and Quality (ROCQ) Scheme

An implicit assumption of trust in the participants is at the basis of most Peer-to-Peer (P2P) networks. However, in practice, not all participants are benign or cooperative. Identifying such peers is critical to the smooth and effective functioning of a P2P network. In this paper, we present the ROCQ mechanism, a reputation-based trust management system that computes the trustworthiness of peers on the basis of transaction-based feedback. The ROCQ model combines four parameters: Reputation (R) or a peer's global trust rating, Opinion (O) formed by a peer's first-hand interactions, Credibility (C) of a reporting peer and Quality (Q) or the confidence a reporting peer puts on the judgement it provides. We then present a distributed implementation of our scheme over FreePastry, a structured P2P network. Experimental results considering different models for malicious behavior indicate the contexts in which the ROCQ scheme performs better than existing schemes