Trade-off among timeliness, messages and accuracy for large-Ssale information management
Authors:   , Brunner René 
Published: July 2023

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.