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

Accurate and Resource-Efficient Monitoring for Future Networks

Monitoring functionality is a key component of any network management system. It is essential for profiling network resource usage, detecting attacks, and capturing the performance of a multitude of services using the network. Traditional monitoring solutions operate on long timescales producing periodic reports, which are mostly used for manual and infrequent network management tasks. However, these practices have been recently questioned by the advent of Software Defined Networking (SDN). By empowering management applications with the right tools to perform automatic, frequent, and fine-grained network reconfigurations, SDN has made these applications more dependent than before on the accuracy and timeliness of monitoring reports. As a result, monitoring systems are required to collect considerable amounts of heterogeneous measurement data, process them in real-time, and expose the resulting knowledge in short timescales to network decision-making processes. Satisfying these requirements is extremely challenging given today’s larger network scales, massive and dynamic traffic volumes, and the stringent constraints on time availability and hardware resources. This PhD thesis tackles this important challenge by investigating how an accurate and resource-efficient monitoring function can be realised in the context of future, software-defined networks. Novel monitoring methodologies, designs, and frameworks are provided in this thesis, which scale with increasing network sizes and automatically adjust to changes in the operating conditions. These achieve the goal of efficient measurement collection and reporting, lightweight measurement- data processing, and timely monitoring knowledge delivery

Decision tree learning for intelligent mobile robot navigation

The replication of human intelligence, learning and reasoning by means of computer algorithms is termed Artificial Intelligence (Al) and the interaction of such algorithms with the physical world can be achieved using robotics. The work described in this thesis investigates the applications of concept learning (an approach which takes its inspiration from biological motivations and from survival instincts in particular) to robot control and path planning. The methodology of concept learning has been applied using learning decision trees (DTs) which induce domain knowledge from a finite set of training vectors which in turn describe systematically a physical entity and are used to train a robot to learn new concepts and to adapt its behaviour. To achieve behaviour learning, this work introduces the novel approach of hierarchical learning and knowledge decomposition to the frame of the reactive robot architecture. Following the analogy with survival instincts, the robot is first taught how to survive in very simple and homogeneous environments, namely a world without any disturbances or any kind of "hostility". Once this simple behaviour, named a primitive, has been established, the robot is trained to adapt new knowledge to cope with increasingly complex environments by adding further worlds to its existing knowledge. The repertoire of the robot behaviours in the form of symbolic knowledge is retained in a hierarchy of clustered decision trees (DTs) accommodating a number of primitives. To classify robot perceptions, control rules are synthesised using symbolic knowledge derived from searching the hierarchy of DTs. A second novel concept is introduced, namely that of multi-dimensional fuzzy associative memories (MDFAMs). These are clustered fuzzy decision trees (FDTs) which are trained locally and accommodate specific perceptual knowledge. Fuzzy logic is incorporated to deal with inherent noise in sensory data and to merge conflicting behaviours of the DTs. In this thesis, the feasibility of the developed techniques is illustrated in the robot applications, their benefits and drawbacks are discussed

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

Efficient Learning Machines

Computer scienc

Continual learning from stationary and non-stationary data

Continual learning aims at developing models that are capable of working on constantly evolving problems over a long-time horizon. In such environments, we can distinguish three essential aspects of training and maintaining machine learning models - incorporating new knowledge, retaining it and reacting to changes. Each of them poses its own challenges, constituting a compound problem with multiple goals. Remembering previously incorporated concepts is the main property of a model that is required when dealing with stationary distributions. In non-stationary environments, models should be capable of selectively forgetting outdated decision boundaries and adapting to new concepts. Finally, a significant difficulty can be found in combining these two abilities within a single learning algorithm, since, in such scenarios, we have to balance remembering and forgetting instead of focusing only on one aspect. The presented dissertation addressed these problems in an exploratory way. Its main goal was to grasp the continual learning paradigm as a whole, analyze its different branches and tackle identified issues covering various aspects of learning from sequentially incoming data. By doing so, this work not only filled several gaps in the current continual learning research but also emphasized the complexity and diversity of challenges existing in this domain. Comprehensive experiments conducted for all of the presented contributions have demonstrated their effectiveness and substantiated the validity of the stated claims

Traffic engineering multi-layer optimization for wireless mesh network transmission a campus network routing protocol transmission performance inhancement

This thesis was submitted for the degree of Doctor of Philosophy and awarded by Brunel UniversityThe wireless mesh network is a potential network for the future due to its excellent inherent characteristic for dynamic self-healing, self-configuration and self-organization. It also has the advantage of easy interoperability networking and the ability to form multi-linked ad-hoc networks. It has a decentralized topology, is cheap and highly scalable. Furthermore, its ease in deployment and easy maintenance are other inherent networking qualities. These aforementioned qualities of the wireless mesh network bring advantages to transmission capability of heterogeneous networks. However, transmissions in wireless mesh network create comparative performance based challenges such as congestion, load-balancing, scalability over increasing networks and coverage capacity. Consequently, these challenges and problems in the routing and switching of packets in the wireless mesh network routing protocols led to a proposal on the resolution of these failures with a combination algorithm and a management based security for the network and its transmitted packets. There are equally contentious services like reliability of the network and quality of service for real-time multimedia traffic flows with other challenges such as path computation and selection in the wireless mesh network. This thesis is therefore a cumulative proposal to the resolution of the outlined challenges and open research areas posed by using wireless mesh network routing protocol. It advances the resolution of these challenges in the mesh environment using a hybrid optimization – traffic engineering, to increase the effectiveness and the reliability of the network. It also proffers a cumulative resolution of the diverse contributions on wireless mesh network routing protocol and transmission. Adaptation and optimization are carried out on the wireless mesh network designed network using traffic engineering mechanism and technique. The research examines the patterns of mesh packet transmission and evaluates the challenges and failures in the mesh network packet transmission. It develops a solution based algorithm for resolutions and proposes the traffic engineering based solution.. These resultant performances and analysis are usually tested and compared over wireless mesh IEEE802.11n or other older proposed documented solution. This thesis used a carefully designed campus mesh network to show a comparative evaluation of an optimal performance of the mesh nodes and routers over a normal IEE802.11n based wireless domain network to show differentiation by optimization using the created algorithms. Furthermore, the indexes of performance being the metric are used to measure the utility and the reliability, including capacity and throughput at the destination during traffic engineered transmission. In addition, the security of these transmitted data and packets are optimized under a traffic engineered technique. Finally, this thesis offers an understanding to the security contribution using traffic engineering resolution to create a management algorithm for processing and computation of the wireless mesh networks security needs. The results of this thesis confirmed, completed and extended the existing predictions with real measurement

Contrôle avancé des convertisseurs de puissance multi-niveaux pour applications sur réseaux faibles

139 p.El advenimiento progresivo de las microrredes que incorporan fuentes de energía renovable está dando lugar a un nuevo paradigma de distribución de la electricidad. Este nuevo planteamiento sirve de interfaz entre consumidores no controlados y fuentes intermitentes, implicando desafíos adicionales en materia de conversión, almacenamiento y gestión de la energía.Los convertidores de potencia se adaptan en consecuencia, en particular con el desarrollo de los convertidores multinivel, que integrando los mismos componentes que sus predecesores y un control más complejo, soportan potencias más altas y aseguran una mejor calidad de la energía.Debido al carácter híbrido de los convertidores de potencia, su control se divide comúnmente en dos partes: por un lado, el control de los objetivos continuos vinculados a la función principal de los convertidores de servir de interfaz, y, por otro, el control discreto de los interruptores de potencia, conocido con el nombre de modulación.En este contexto, las exigencias crecientes en términos de eficiencia, fiabilidad, versatilidad y rendimiento hacen necesaria una mejora de la inteligencia de la estructura de control. Para cumplir conestos requisitos, se propone tratar mediante un solo controlador ambas problemáticas, la vinculada a la función de interfaz de los convertidores y la relacionada con su naturaleza discreta. Esta decisión implica incorporar la no-linealidad de los convertidores de potencia en el controlador, lo que equivale a suprimir el bloque de modulación, que constituye la solución tradicional para linealizar el comportamiento interno de los convertidores. Se adopta un planteamiento de Control Predictivo basado en Modelos (MPC) para abordar la no-linealidad y la gran diversidad de objetivos de control que acompañan a los convertidores de potencia.El algoritmo desarrollado combina teoría de grafos ¿con algoritmos de Dijkstra, A* y otros¿ con un modelo de estado especial para sistemas conmutados al objeto de proporcionar una herramienta potente y universal, capaz de manipular simultáneamente el carácter cuantificado de los interruptores de potencia y el continuo de las entidades interconectadas por el convertidor. Se han obtenido resultados sobre la estabilidad y la controlabilidad de los modelos de estado conmutados aplicados al caso particular de los convertidores de potencia.El controlador así desarrollado y descrito se ha examinado en simulación frente a varios casos y aplicaciones: inversor aislado o conectado a la red, rectificador y convertidor bidireccional. Se ha empleado la misma estructura de control para tres topologías de convertidor multinivel: Neutral-Point Clamped, Flying Capacitor y Cascaded H-Bridge. Al objeto de adaptarse a los cambios citados, lo único que varía en el controlador es el modelo del convertidor adoptado para la predicción, así como la función de coste, que traduce los requisitos de control en un problema de optimización a solucionar por el algoritmo. Un cambio de topología resulta en una modificación del modelo interno, sin impacto sobre la función de coste, mientras que variaciones de esta función son suficientes para adaptarse a la aplicación.Los resultados muestran que el controlador logra actuar directamente sobre los interruptores de potencia en función de diversos requisitos. Los desempeños de la estructura de control propuesta son similares a los de las numerosas estructuras dedicadas a cada uno de los casos estudiados, excepto en el caso de operación en modo rectificador, en el que la versatilidad y rapidez de control obtenidos son particularmente interesantes.En definitiva, el controlador planteado puede emplearse para diferentes aplicaciones, topologías, objetivos y limitaciones. Si bien las estructuras de control lineal tradicionales han de modificarse, a menudo en profundidad, para afrontar diferentes modos de operación o requisitos de control, dichas alteraciones no tienen ningún impacto sobre la arquitectura del controlador MPC obtenido, lo que pone de manifiesto su versatilidad, así como su universalidad, también demostrada por su capacidad para adaptarse a diferentes convertidores de potencia sin modificaciones importantes. Finalmente, la solución propuesta elude por completo la complejidad de la modulación, ofreciendo simplicidad y flexibilidad al diseño del control