68-XX COMPUTER SCIENCE (For papers involving machine computations and programs in a specific mathematical area, see Section -04 in that area)
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Peer-to-peer (P2P) systems form a special class of distributed systems. Typically, nodes in a P2P system are flat and share the same responsabilities. In this thesis we focus on three problems that occur in P2P systems: the storage of data replicates, quantile computation on distributed data streams, and churn rate estimation. Data replication is one of the oldest techniques to maintain stored data in a P2P system and to reply to read requests. Applications, which use data replication are distributed databases. They are part of an abstract overlay network and do not see the underlying network topology. The question is how to place a set of data replicates in a distributed system such that response times and failure probabilities become minimal without a priori knowledge of the topology of the underlying hardware nodes? We show how to utilize an agglomerative clustering procedure to reach this goal. State-of-the-art algorithms for aggregation of distributed data or data streams require at some point synchronization, or merge data aggregates hierarchically, which does not accompany the basic principle of P2P systems. We test whether randomized communication and merging of data aggregates are able to produce the same results. These data aggregates serve for quantile queries. Constituting and maintaining a P2P overlay network requires frequent message passing. It is a goal to minimize the number of maintenance messages since they consume bandwidth which might be missing for other applications. The lower bound of the frequency for mainte- nance messages is highly dependent on the churn rate of peers. We show how to estimate the mean lifetime of peers and to reduce the frequency for maintenance messages without destabilizing the infrastructure of the constituting overlay.
Snapshots in Scalaris
(2013)
Eines der größten Hindernisse beim praktischen Einsatz von Scalaris, einer skalierbaren Implementierung einer verteilten Hashtabelle mit Unterstützung für Transaktionen, ist das Fehlen eines Verfahrens zur Aufnahme eines konsistenten Zustandes des gesamten Systems. Wir stellen in dieser Arbeit ein einfaches Protokoll vor, dass diese Aufgabe erfüllt und sich, auf Grund der von uns gewählten Herangehensweise, leicht implementieren lässt.
Als Ausgangspunkt dafür wählen wir aus einer Reihe von „klassischen“ Snapshot-Algorithmen ein 1993 von Mattern entworfenes Verfahren, welches auf dem Algorithmus von Lai und Yang basiert, aus. Diese Entscheidung basiert auf einer gründlichen Analyse der Protokolle unter Berücksichtigung der Architektur der existierenden Software.
Im nächsten Arbeitsschritt benutzen wir unser vollständiges Wissen über die Interna des Transaktionssystems von Scalaris und vereinfachen damit das Verfahren hinsichtlich Benutzbarkeit und Implementierungskomplexität, ohne die Anforderungen an den aufgenommenen Zustand aufzuweichen. Statt einer losen Anhäufung lokaler Zustände der einzelnen Teilnehmerknoten können wir am Ende eine große Schlüssel-Wert-Tabelle als Ergebnis erzeugen, die konsistent ist, sich leicht weiterverarbeiten lässt und die einem Zustand entspricht, in dem sich das System einmal befunden haben könnte.
Nachdem wir das Verfahren dann in Software umgesetzt haben, werten wir die Ergebnisse hinsichtlich des Einflusses auf die Performanz des Gesamtsystems aus und diskutieren mögliche Weiterentwicklungen.
Heutzutage ist eine Vielzahl der mehrstöckigen Gebäude mit Personenaufzugsgruppen
ausgestattet. Uns wohl bekannt sind die sogenannten konventionellen Systeme. Bei
diesen Systemen betätigt jeder ankommende Passagier eine der beiden Richtungstasten
und teilt dem dahinterstehenden Steuerungsalgorithmus seine gewünschte Startetage
und Fahrtrichtung mit. Betreten wird der zuerst auf der Startetage ankommende Aufzug
mit gleicher Fahrtrichtung und ausreichend Kapazität. Die entsprechende Zieletage
wird dem System erst nach dem Betreten der Fahrgastkabine mitgeteilt. Neben diesen
konventionellen Systemen gibt es Aufzugsgruppen mit Zielrufsteuerung. Die Besonderheit
eines zielrufgesteuerten Systems ist, dass ein ankommender Passagier bereits auf
der Startetage seine gewünschte Zieletage angibt und eine Rückmeldung vom System
erhält, welchen Aufzug er nutzen soll. Diese Zuweisung durch das System hat das Ziel,
die Warte- und Reisezeiten der Passagiere zu minimieren. Ein wesentlicher Faktor bei
der Berechnung warte- und reisezeitminimaler Fahrpläne ist das momentane Verkehrsmuster.
Eine Einteilung der Verkehrsszenarien lässt sich am besten bei Bürogebäuden
vornehmen. So ist es typisch für die Morgenstunden, dass jeder Passagier auf einer
Zugangsebene seine Fahrt beginnt und alle Passagiere die gleiche Fahrtrichtung haben.
Unter einer Zugangsebene ist z. B. der Haupteingang oder ein Parkdeck zu verstehen.
Ein weiterer wesentlicher Punkt bei Zielrufsystemen ist die Art der Zuweisung der Passagiere
durch das System. Zum einen gibt es unmittelbar zuweisende (UZ-) Systeme.
In einem UZ-System wird nach jeder Ankunft eines Passagiers eine Momentaufnahme
des momentanen Verkehrs erstellt und es findet eine Neuplanung und Zuweisung statt.
Eine solche Momentaufnahme werden wir im späteren Verkauf als Schnappschussproblem
bezeichnen. Jeder Passagier bekommt im Anschluss an die Lösung des Schnappschussproblems
eine Mitteilung vom System, z. B. über ein Display, welchen Aufzug
er benutzen soll. Zum anderen gibt es verzögert zuweisende (VZ-) Systeme. In diesen
Systemen wird die Erstellung und Lösung eines Schnappschussproblems bis kurz vor
Ankunft eines Aufzuges auf einer Etage verzögert. In einem VZ-System teilt das System
allen wartenden Passagieren die geplanten Zieletagen des ankommenden Aufzugs mit.
Jeder Passagier, der einen Ruf getätigt hat und zu einer dieser Zieletagen fahren will,
kann jetzt diesen Aufzug betreten. Durch die Verzögerung muss im Vergleich zu einem
UZ-System eine weitaus größere Menge von Passagieren zugewiesen werden. Dadurch
kann der Lösungsprozess bedeutend aufwändiger werden. Vorteil eines VZ-Systems ist
hingegen der größere Freiheitsgrad bei der Optimierung, da aufgrund der späten Zuweisung
die weitere Verkehrsentwicklung mit einbezogen werden kann.
VZ-Systeme sind aufgrund des größeren Freiheitsgrades interessant für die
Praxis ist, wir uns demzufolge in dieser Arbeit mit einer effizienteren Lösung dieser
Art von Schnappschussproblemen befassen. Es genügt dabei den Lösungsprozess eines
Schnappschussproblems zu betrachten. Das Ziel ist eine Reduzierung der benötigten
Rechenzeit. Unter Reoptimierung verstehen wir die Konstruktion
zulässiger Spalten in den jeweiligen Iterationsrunden der Spaltengenerierung
innerhalb eines Schnappschussproblems. Als eine Iterationsrunde bezeichnet wir einer
Menge zulässiger Touren mit negativen reduzierten Kosten. Eine effiziente Reoptimierung
zeichnet sich durch die Wiederverwendung und Aufbereitung von Informationen
aus vorangegangenen Iterationsrunden desselben Schnappschussproblems aus. Zu den
wichtigen Informationen gehört der konstruierte Suchbaum der vorherigen Iterationsrunde
mit seinen ausgeloteten (abgeschnittenen) Blättern sowie konstruierten Touren
bzw. Spalten, welche in der Iterationsrunde ihrer Konstruktion nicht zur Lösung des
Teilproblems der Spaltengenerierung beitrugen. Eine solche Wiederverwendung und
Aufbereitung von Informationen nennen wir Warmstart.
Simulations of the critical Ising model by means of local update algorithms suffer from critical slowing down. One way to partially compensate for the influence of this phenomenon on the runtime of simulations is using increasingly faster and parallel computer hardware. Another approach is using algorithms that do not suffer
from critical slowing down, such as cluster algorithms. This paper reports on the Swendsen-Wang multi-cluster algorithm on Intel Xeon Phi coprocessor 5110P, Nvidia Tesla M2090 GPU, and x86
multi-core CPU. We present shared memory versions of the said algorithm for the simulation of the two- and three-dimensional Ising model. We use a combination of local cluster search and global label reduction by means of atomic hardware primitives. Further, we
describe an MPI version of the algorithm on Xeon Phi and CPU, respectively. Significant performance improvements over known im
plementations of the Swendsen-Wang algorithm are demonstrated.
We propose a novel GPU-based approach to render virtual X-ray projections of deformable tetrahedral meshes. These meshes represent the shape and the internal density distribution of a particular anatomical structure and are derived from statistical shape and intensity models (SSIMs). We apply our method to improve the geometric reconstruction of 3D anatomy (e.g.\ pelvic bone) from 2D X-ray images. For that purpose, shape and density of a tetrahedral mesh are varied and virtual X-ray projections are generated within an optimization process until the similarity between the computed virtual X-ray and the respective anatomy depicted in a given clinical X-ray is maximized. The OpenGL implementation presented in this work deforms and projects tetrahedral meshes of high resolution (200.000+ tetrahedra) at interactive rates. It generates virtual X-rays that accurately depict the density distribution of an anatomy of interest. Compared to existing methods that accumulate X-ray attenuation in deformable meshes, our novel approach significantly boosts the deformation/projection performance. The proposed projection algorithm scales better with respect to mesh resolution and complexity of the density distribution, and the combined deformation and projection on the GPU scales better with respect to the number of deformation parameters. The gain in performance allows for a larger number of cycles in the optimization process. Consequently, it reduces the risk of being stuck in a local optimum. We believe that our approach contributes in orthopedic surgery, where 3D anatomy information needs to be extracted from 2D X-rays to support surgeons in better planning joint replacements.
This paper proposes a new method for probabilistic analysis of online algorithms. It is based on the notion of stochastic dominance. We develop the method for
the online bin coloring problem introduced by Krumke et al (2008). Using methods for the stochastic
comparison of Markov chains we establish the result that the performance of the online algorithm GreedyFit is stochastically better than the performance of the algorithm OneBin for any number of items processed. This result gives a more realistic
picture than competitive analysis and explains the behavior observed in simulations.
In the last 20 years competitive analysis has become the main tool for
analyzing the quality of online algorithms. Despite of this,
competitive analysis has also been criticized: It sometimes cannot
discriminate between algorithms that exhibit significantly different
empirical behavior, or it even favors an algorithm that is worse from
an empirical point of view. Therefore, there have been several
approaches to circumvent these drawbacks. In this survey, we discuss
probabilistic alternatives for competitive analysis.
In this paper we assess to which extent trenching costs of an FTTx network are unavoidable, even if technical side constraints are neglected. For that purpose we present an extended Steiner tree model. Using a variety of realistic problem instances we demonstrate that the total trenching cost can only be reduced by about 5 percent in realistic scenarios. This work has been funded by BMBF (German Federal Ministry of Education and Research) within the program "KMU-innovativ".
Radiologists from all application areas are trained to read slice-based visualizations of 3D medical image data. Despite the numerous
examples of sophisticated three-dimensional renderings, especially all variants of direct volume rendering, such methods are
often considered not very useful by radiologists who prefer slice-based visualization. Just recently there have been attempts to bridge this
gap between 2D and 3D renderings. These attempts include specialized techniques for volume picking that result in repositioning slices.
In this paper, we present a new volume picking technique that, in contrast to previous work, does not require pre-segmented data or metadata. The positions picked by our method are solely based on the data itself, the transfer function and,
most importantly, on the way the volumetric rendering is perceived by viewers. To demonstrate the usefulness of the proposed method
we apply it for automatically
repositioning slices in an abdominal MRI
scan, a data set from a flow simulation and a number of other volumetric scalar fields. Furthermore we discuss how the method can be implemented in combination with various different volumetric rendering techniques.
We present a level of detail method for trees based on ellipsoids and lines. We leverage the Expectation Maximization algorithm with a Gaussian Mixture Model to create a hierarchy of high-quality leaf clusterings, while the branches are simplified using agglomerative bottom-up clustering to preserve the connectivity. The simplification runs in a preprocessing step and requires no human interaction. For a fly by over and through a scene of 10k trees, our method renders on average at 40 ms/frame, up to 6 times faster than billboard clouds with comparable artifacts.