Efficient classification using parallel and scalable compressed model and Its application on intrusion detection

In order to achieve high efficiency of classification in intrusion detection, a compressed model is proposed in this paper which combines horizontal compression with vertical compression. OneR is utilized as horizontal com-pression for attribute reduction, and affinity propagation is employed as vertical compression to select small representative exemplars from large training data. As to be able to computationally compress the larger volume of training data with scalability, MapReduce based parallelization approach is then implemented and evaluated for each step of the model compression process abovementioned, on which common but efficient classification methods can be directly used. Experimental application study on two publicly available datasets of intrusion detection, KDD99 and CMDC2012, demonstrates that the classification using the compressed model proposed can effectively speed up the detection procedure at up to 184 times, most importantly at the cost of a minimal accuracy difference with less than 1% on average

A Survey on Automatic Parameter Tuning for Big Data Processing Systems

Big data processing systems (e.g., Hadoop, Spark, Storm) contain a vast number of configuration parameters controlling parallelism, I/O behavior, memory settings, and compression. Improper parameter settings can cause significant performance degradation and stability issues. However, regular users and even expert administrators grapple with understanding and tuning them to achieve good performance. We investigate existing approaches on parameter tuning for both batch and stream data processing systems and classify them into six categories: rule-based, cost modeling, simulation-based, experiment-driven, machine learning, and adaptive tuning. We summarize the pros and cons of each approach and raise some open research problems for automatic parameter tuning.Peer reviewe

Cross-Layer Rapid Prototyping and Synthesis of Application-Specific and Reconfigurable Many-accelerator Platforms

Technological advances of recent years laid the foundation consolidation of informatisationof society, impacting on economic, political, cultural and socialdimensions. At the peak of this realization, today, more and more everydaydevices are connected to the web, giving the term ”Internet of Things”. The futureholds the full connection and interaction of IT and communications systemsto the natural world, delimiting the transition to natural cyber systems and offeringmeta-services in the physical world, such as personalized medical care, autonomoustransportation, smart energy cities etc. . Outlining the necessities of this dynamicallyevolving market, computer engineers are required to implement computingplatforms that incorporate both increased systemic complexity and also cover awide range of meta-characteristics, such as the cost and design time, reliabilityand reuse, which are prescribed by a conflicting set of functional, technical andconstruction constraints. This thesis aims to address these design challenges bydeveloping methodologies and hardware/software co-design tools that enable therapid implementation and efficient synthesis of architectural solutions, which specifyoperating meta-features required by the modern market. Specifically, this thesispresents a) methodologies to accelerate the design flow for both reconfigurableand application-specific architectures, b) coarse-grain heterogeneous architecturaltemplates for processing and communication acceleration and c) efficient multiobjectivesynthesis techniques both at high abstraction level of programming andphysical silicon level.Regarding to the acceleration of the design flow, the proposed methodologyemploys virtual platforms in order to hide architectural details and drastically reducesimulation time. An extension of this framework introduces the systemicco-simulation using reconfigurable acceleration platforms as co-emulation intermediateplatforms. Thus, the development cycle of a hardware/software productis accelerated by moving from a vertical serial flow to a circular interactive loop.Moreover the simulation capabilities are enriched with efficient detection and correctiontechniques of design errors, as well as control methods of performancemetrics of the system according to the desired specifications, during all phasesof the system development. In orthogonal correlation with the aforementionedmethodological framework, a new architectural template is proposed, aiming atbridging the gap between design complexity and technological productivity usingspecialized hardware accelerators in heterogeneous systems-on-chip and networkon-chip platforms. It is presented a novel co-design methodology for the hardwareaccelerators and their respective programming software, including the tasks allocationto the available resources of the system/network. The introduced frameworkprovides implementation techniques for the accelerators, using either conventionalprogramming flows with hardware description language or abstract programmingmodel flows, using techniques from high-level synthesis. In any case, it is providedthe option of systemic measures optimization, such as the processing speed,the throughput, the reliability, the power consumption and the design silicon area.Finally, on addressing the increased complexity in design tools of reconfigurablesystems, there are proposed novel multi-objective optimization evolutionary algo-rithms which exploit the modern multicore processors and the coarse-grain natureof multithreaded programming environments (e.g. OpenMP) in order to reduce theplacement time, while by simultaneously grouping the applications based on theirintrinsic characteristics, the effectively explore the design space effectively.The efficiency of the proposed architectural templates, design tools and methodologyflows is evaluated in relation to the existing edge solutions with applicationsfrom typical computing domains, such as digital signal processing, multimedia andarithmetic complexity, as well as from systemic heterogeneous environments, suchas a computer vision system for autonomous robotic space navigation and manyacceleratorsystems for HPC and workstations/datacenters. The results strengthenthe belief of the author, that this thesis provides competitive expertise to addresscomplex modern - and projected future - design challenges.Οι τεχνολογικές εξελίξεις των τελευταίων ετών έθεσαν τα θεμέλια εδραίωσης της πληροφοριοποίησης της κοινωνίας, επιδρώντας σε οικονομικές,πολιτικές, πολιτιστικές και κοινωνικές διαστάσεις. Στο απόγειο αυτής τη ςπραγμάτωσης, σήμερα, ολοένα και περισσότερες καθημερινές συσκευές συνδέονται στο παγκόσμιο ιστό, αποδίδοντας τον όρο «Ίντερνετ των πραγμάτων».Το μέλλον επιφυλάσσει την πλήρη σύνδεση και αλληλεπίδραση των συστημάτων πληροφορικής και επικοινωνιών με τον φυσικό κόσμο, οριοθετώντας τη μετάβαση στα συστήματα φυσικού κυβερνοχώρου και προσφέροντας μεταυπηρεσίες στον φυσικό κόσμο όπως προσωποποιημένη ιατρική περίθαλψη, αυτόνομες μετακινήσεις, έξυπνες ενεργειακά πόλεις κ.α. . Σκιαγραφώντας τις ανάγκες αυτής της δυναμικά εξελισσόμενης αγοράς, οι μηχανικοί υπολογιστών καλούνται να υλοποιήσουν υπολογιστικές πλατφόρμες που αφενός ενσωματώνουν αυξημένη συστημική πολυπλοκότητα και αφετέρου καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα μεταχαρακτηριστικών, όπως λ.χ. το κόστος σχεδιασμού, ο χρόνος σχεδιασμού, η αξιοπιστία και η επαναχρησιμοποίηση, τα οποία προδιαγράφονται από ένα αντικρουόμενο σύνολο λειτουργικών, τεχνολογικών και κατασκευαστικών περιορισμών. Η παρούσα διατριβή στοχεύει στην αντιμετώπιση των παραπάνω σχεδιαστικών προκλήσεων, μέσω της ανάπτυξης μεθοδολογιών και εργαλείων συνσχεδίασης υλικού/λογισμικού που επιτρέπουν την ταχεία υλοποίηση καθώς και την αποδοτική σύνθεση αρχιτεκτονικών λύσεων, οι οποίες προδιαγράφουν τα μετα-χαρακτηριστικά λειτουργίας που απαιτεί η σύγχρονη αγορά. Συγκεκριμένα, στα πλαίσια αυτής της διατριβής, παρουσιάζονται α) μεθοδολογίες επιτάχυνσης της ροής σχεδιασμού τόσο για επαναδιαμορφούμενες όσο και για εξειδικευμένες αρχιτεκτονικές, β) ετερογενή αδρομερή αρχιτεκτονικά πρότυπα επιτάχυνσης επεξεργασίας και επικοινωνίας και γ) αποδοτικές τεχνικές πολυκριτηριακής σύνθεσης τόσο σε υψηλό αφαιρετικό επίπεδο προγραμματισμού,όσο και σε φυσικό επίπεδο πυριτίου.Αναφορικά προς την επιτάχυνση της ροής σχεδιασμού, προτείνεται μια μεθοδολογία που χρησιμοποιεί εικονικές πλατφόρμες, οι οποίες αφαιρώντας τις αρχιτεκτονικές λεπτομέρειες καταφέρνουν να μειώσουν σημαντικά το χρόνο εξομοίωσης. Παράλληλα, εισηγείται η συστημική συν-εξομοίωση με τη χρήση επαναδιαμορφούμενων πλατφορμών, ως μέσων επιτάχυνσης. Με αυτόν τον τρόπο, ο κύκλος ανάπτυξης ενός προϊόντος υλικού, μετατεθειμένος από την κάθετη σειριακή ροή σε έναν κυκλικό αλληλεπιδραστικό βρόγχο, καθίσταται ταχύτερος, ενώ οι δυνατότητες προσομοίωσης εμπλουτίζονται με αποδοτικότερες μεθόδους εντοπισμού και διόρθωσης σχεδιαστικών σφαλμάτων, καθώς και μεθόδους ελέγχου των μετρικών απόδοσης του συστήματος σε σχέση με τις επιθυμητές προδιαγραφές, σε όλες τις φάσεις ανάπτυξης του συστήματος. Σε ορθογώνια συνάφεια με το προαναφερθέν μεθοδολογικό πλαίσιο, προτείνονται νέα αρχιτεκτονικά πρότυπα που στοχεύουν στη γεφύρωση του χάσματος μεταξύ της σχεδιαστικής πολυπλοκότητας και της τεχνολογικής παραγωγικότητας, με τη χρήση συστημάτων εξειδικευμένων επιταχυντών υλικού σε ετερογενή συστήματα-σε-ψηφίδα καθώς και δίκτυα-σε-ψηφίδα. Παρουσιάζεται κατάλληλη μεθοδολογία συν-σχεδίασης των επιταχυντών υλικού και του λογισμικού προκειμένου να αποφασισθεί η κατανομή των εργασιών στους διαθέσιμους πόρους του συστήματος/δικτύου. Το μεθοδολογικό πλαίσιο προβλέπει την υλοποίηση των επιταχυντών είτε με συμβατικές μεθόδους προγραμματισμού σε γλώσσα περιγραφής υλικού είτε με αφαιρετικό προγραμματιστικό μοντέλο με τη χρήση τεχνικών υψηλού επιπέδου σύνθεσης. Σε κάθε περίπτωση, δίδεται η δυνατότητα στο σχεδιαστή για βελτιστοποίηση συστημικών μετρικών, όπως η ταχύτητα επεξεργασίας, η ρυθμαπόδοση, η αξιοπιστία, η κατανάλωση ενέργειας και η επιφάνεια πυριτίου του σχεδιασμού. Τέλος, προκειμένου να αντιμετωπισθεί η αυξημένη πολυπλοκότητα στα σχεδιαστικά εργαλεία επαναδιαμορφούμενων συστημάτων, προτείνονται νέοι εξελικτικοί αλγόριθμοι πολυκριτηριακής βελτιστοποίησης, οι οποίοι εκμεταλλευόμενοι τους σύγχρονους πολυπύρηνους επεξεργαστές και την αδρομερή φύση των πολυνηματικών περιβαλλόντων προγραμματισμού (π.χ. OpenMP), μειώνουν το χρόνο επίλυσης του προβλήματος της τοποθέτησης των λογικών πόρων σε φυσικούς,ενώ ταυτόχρονα, ομαδοποιώντας τις εφαρμογές βάση των εγγενών χαρακτηριστικών τους, διερευνούν αποτελεσματικότερα το χώρο σχεδίασης.Η αποδοτικότητά των προτεινόμενων αρχιτεκτονικών προτύπων και μεθοδολογιών επαληθεύτηκε σε σχέση με τις υφιστάμενες λύσεις αιχμής τόσο σε αυτοτελής εφαρμογές, όπως η ψηφιακή επεξεργασία σήματος, τα πολυμέσα και τα προβλήματα αριθμητικής πολυπλοκότητας, καθώς και σε συστημικά ετερογενή περιβάλλοντα, όπως ένα σύστημα όρασης υπολογιστών για αυτόνομα διαστημικά ρομποτικά οχήματα και ένα σύστημα πολλαπλών επιταχυντών υλικού για σταθμούς εργασίας και κέντρα δεδομένων, στοχεύοντας εφαρμογές υψηλής υπολογιστικής απόδοσης (HPC). Τα αποτελέσματα ενισχύουν την πεποίθηση του γράφοντα, ότι η παρούσα διατριβή παρέχει ανταγωνιστική τεχνογνωσία για την αντιμετώπιση των πολύπλοκων σύγχρονων και προβλεπόμενα μελλοντικών σχεδιαστικών προκλήσεων

Nuevos retos en clasificación asociativa: Big Data y aplicaciones

La clasificación asociativa surge como resultado de la unión de dos importantes ámbitos del aprendizaje automático. Por un lado la tarea descriptiva de extracción de reglas de asociación, como mecanismo para obtener información previamente desconocida e interesante de un conjunto de datos, combinado con una tarea predictiva, como es la clasificación, que permite en base a un conjunto de variables explicativas y previamente conocidas realizar una predicción sobre una variable de interés o predictiva. Los objetivos de esta tesis doctoral son los siguientes: 1) El estudio y el análisis del estado del arte de tanto la extracción de reglas de asociación como de la clasificación asociativa; 2) La propuesta de nuevos modelos de clasificación asociativa así como de extracción de reglas de asociación teniendo en cuenta la obtención de modelos que sean precisos, interpretables, eficientes así como flexibles para poder introducir conocimiento subjetivo en éstos. 3) Adicionalmente, y dado la gran cantidad de datos que cada día se genera en las últimas décadas, se prestará especial atención al tratamiento de grandes cantidades datos, también conocido como Big Data. En primer lugar, se ha analizado el estado del arte tanto de clasificación asociativa como de la extracción de reglas de asociación. En este sentido, se ha realizado un estudio y análisis exhaustivo de la bibliografía de los trabajos relacionados para poder conocer con gran nivel de detalle el estado del arte. Como resultado, se ha permitido sentar las bases para la consecución de los demás objetivos así como detectar que dentro de la clasificación asociativa se requería de algún mecanismo que facilitara la unificación de comparativas así como que fueran lo más completas posibles. Para tal fin, se ha propuesto una herramienta de software que cuenta con al menos un algoritmo de todas las categorías que componen la taxonomía actual. Esto permitirá dentro de las investigaciones del área, realizar comparaciones más diversas y completas que hasta el momento se consideraba una tarea en el mejor de los casos muy ardua, al no estar disponibles muchos de los algoritmos en un formato ejecutable ni mucho menos como código abierto. Además, esta herramienta también dispone de un conjunto muy diverso de métricas que permite cuantificar la calidad de los resultados desde diferentes perspectivas. Esto permite conseguir clasificadores lo más completos posibles, así como para unificar futuras comparaciones con otras propuestas. En segundo lugar, y como resultado del análisis previo, se ha detectado que las propuestas actuales no permiten escalar, ni horizontalmente, ni verticalmente, las metodologías sobre conjuntos de datos relativamente grandes. Dado el creciente interés, tanto del mundo académico como del industrial, de aumentar la capacidad de cómputo a ingentes cantidades de datos, se ha considerado interesante continuar esta tesis doctoral realizando un análisis de diferentes propuestas sobre Big Data. Para tal fin, se ha comenzado realizando un análisis pormenorizado de los últimos avances para el tratamiento de tal cantidad de datos. En este respecto, se ha prestado especial atención a la computación distribuida ya que ha demostrado ser el único procedimiento que permite el tratamiento de grandes cantidades de datos sin la realización de técnicas de muestreo. En concreto, se ha prestado especial atención a las metodologías basadas en MapReduce que permite la descomposición de problemas complejos en fracciones divisibles y paralelizables, que posteriormente pueden ser agrupadas para obtener el resultado final. Como resultado de este objetivo se han propuesto diferentes algoritmos que permiten el tratamiento de grandes cantidades de datos, sin la pérdida de precisión ni interpretabilidad. Todos los algoritmos propuestos se han diseñado para que puedan funcionar sobre las implementaciones de código abierto más conocidas de MapReduce. En tercer y último lugar, se ha considerado interesante realizar una propuesta que mejore el estado del arte de la clasificación asociativa. Para tal fin, y dado que las reglas de asociación son la base y factores determinantes para los clasificadores asociativos, se ha comenzado realizando una nueva propuesta para la extracción de reglas de asociación. En este aspecto, se ha combinado el uso de los últimos avances en computación distribuida, como MapReduce, con los algoritmos evolutivos que han demostrado obtener excelentes resultados en el área. En particular, se ha hecho uso de programación genética gramatical por su flexibilidad para codificar las soluciones, así como introducir conocimiento subjetivo en el proceso de búsqueda a la vez que permiten aliviar los requisitos computacionales y de memoria. Este nuevo algoritmo, supone una mejora significativa de la extracción de reglas de asociación ya que ha demostrado obtener mejores resultados que las propuestas existentes sobre diferentes tipos de datos así como sobre diferentes métricas de interés, es decir, no sólo obtiene mejores resultados sobre Big Data, sino que se ha comparado en su versión secuencial con los algoritmos existentes. Una vez que se ha conseguido este algoritmo que permite extraer excelentes reglas de asociación, se ha adaptado para la obtención de reglas de asociación de clase así como para obtener un clasificador a partir de tales reglas. De nuevo, se ha hecho uso de programación genética gramatical para la obtención del clasificador de forma que se permite al usuario no sólo introducir conocimiento subjetivo en las propias formas de las reglas, sino también en la forma final del clasificador. Esta nueva propuesta también se ha comparado con los algoritmos existentes de clasificación asociativa forma secuencial para garantizar que consigue diferencias significativas respecto a éstos en términos de exactitud, interpretabilidad y eficiencia. Adicionalmente, también se ha comparado con otras propuestas específicas de Big Data demostrado obtener excelentes resultados a la vez que mantiene un compromiso entre los objetivos conflictivos de interpretabilidad, exactitud y eficiencia. Esta tesis doctoral se ha desarrollado bajo un entorno experimental apropiado, haciendo uso de diversos conjunto de datos incluyendo tanto datos de pequeña dimensionalidad como Big Data. Además, todos los conjuntos de datos usados están publicados libremente y conforman un conglomerado de diversas dimensionalidades, número de instancias y de clases. Todos los resultados obtenidos se han comparado con el estado de arte correspondiente, y se ha hecho uso de tests estadísticos no paramétricos para comprobar que las diferencias encontradas son significativas desde un punto de vista estadístico, y no son fruto del azar. Adicionalmente, todas las comparaciones realizadas consideran diferentes perspectivas, es decir, se ha analizado rendimiento, eficiencia, precisión así como interpretabilidad en cada uno de los estudios.This Doctoral Thesis aims at solving the challenging problem of associative classification and its application on very large datasets. First, associative classification state-of-art has been studied and analyzed, and a new tool covering the whole taxonomy of algorithms as well as providing many different measures has been proposed. The goal of this tool is two-fold: 1) unification of comparisons, since existing works compare with very different measures; 2) providing a unique tool which has at least one algorithm of each category forming the taxonomy. This tool is a very important advancement in the field, since until the moment the whole taxonomy has not been covered due to that many algorithms have not been released as open source nor they were available to be run. Second, AC has been analyzed on very large quantities of data. In this regard, many different platforms for distributed computing have been studied and different proposals have been developed on them. These proposals enable to deal with very large data in a efficient way scaling up the load on very different compute nodes. Third, as one of the most important part of the associative classification is to extract high quality rules, it has been proposed a novel grammar-guided genetic programming algorithm which enables to obtain interesting association rules with regard to different metrics and in different kinds of data, including truly Big Data datasets. This proposal has proved to obtain very good results in terms of both quality and interpretability, at the same time of providing a very flexible way of representing the solutions and enabling to introduce subjective knowledge in the search process. Then, a novel algorithm has been proposed for associative classification using a non-trivial adaptation of the aforementioned algorithm to obtain the rules forming the classifier. This methodology is also based on grammar-guided genetic programming enabling user not only to constrain the form of the rules, but the final form of the classifier. Results have proved that this algorithm obtains very accurate classifiers at the same time of maintaining a good level of interpretability. All the methodologies proposed along this Thesis has been evaluated using a proper experimental framework, using a varied set of datasets including both classical and Big Data dataset, and analyzing different metrics to quantify the quality of the algorithms with regard to different perspectives. Results have been compared with state-of-the-art and they have been verified by means of non-parametric statistical tests proving that the proposed methods overcome to existing approaches

Rolling Window Time Series Prediction Using MapReduce

Prediction of time series data is an important application in many domains. Despite their inherent advantages, traditional databases and MapReduce methodology are not ideally suited for this type of processing due to dependencies introduced by the sequential nature of time series. In this thesis a novel framework is presented to facilitate retrieval and rolling window prediction of irregularly sampled large-scale time series data. By introducing a new index pool data structure, processing of time series can be efficiently parallelised. The proposed framework is implemented in R programming environment and utilises Hadoop to support parallelisation and fault tolerance. A systematic multi-predictor selection model is designed and applied, in order to choose the best-fit algorithm for different circumstances. Additionally, the boosting method is deployed as a post-processing to further optimise the predictive results. Experimental results on a cloud-based platform indicate that the proposed framework scales linearly up to 32-nodes, and performs efficiently with a relatively optimised prediction