結構化P2P網路上即時及非即時性發佈/訂閱系統之研究

全文

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行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

結構化 P2P 網路上即時及非即時性發佈/訂閱系統之研究 研究成果報告(精簡版)

計 畫 類 別 : 個別型

計 畫 編 號 : NSC 99-2221-E-011-114-

執 行 期 間 : 99 年 08 月 01 日至 100 年 07 月 31 日 執 行 單 位 : 國立臺灣科技大學資訊工程系

計 畫 主 持 人 : 陳秋華

計畫參與人員: 碩士班研究生-兼任助理人員:李建緯 碩士班研究生-兼任助理人員:張又升 碩士班研究生-兼任助理人員:董柏均 碩士班研究生-兼任助理人員:吳昱仁

報 告 附 件 : 出席國際會議研究心得報告及發表論文

公 開 資 訊 : 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 100 年 12 月 20 日

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中 文 摘 要 : 語意訂閱/發佈系統(content-based publish/subscribe services) [2,4,6,7,10,11,15,16,17],讓一個意欲發佈某 事件(event)的發佈者(publisher)發佈資訊,能輕鬆、有效 率的將事件傳送到訂閱者(subscriber)的手上。每一個事 件,由一組與此事件相關的屬性(attributes)集合而成,描 述一個事件的內容。訂閱者(Subscribers)透過訂閱

(subscriptions) ,來向訂閱/發佈系統記錄下他的喜好。而 subscriptions 由述語(constraints)組成,供訂閱者在眾多 發佈的事件中,過濾出他感興趣的事件。

本計劃針對結構化 P2P 網路上的語義發佈/訂閱系統

(content-based publish/subscribe services)的相關議題 作深入研究。我們提出一些新的研究方向,改善現有

pub/sub 系統在訂閱(subscriptions)儲存及 event 傳遞之成 本,並真正展現 P2P 網路應有的擴展性的特性。

本計劃之研究議題,包含以下三項

研究議題 1. 現有即時性發佈/訂閱系統之比較:由於訂閱者 的訂閱(subscriptions)需安裝於 pub/sub 系統內,且訂閱包 含範圍式條件,此類條件之處理有兩大架構,依據屬性值範 圍切割 (bin-based)的架構[10]及依據計算幾何

( computational geometry) 的架構[11]。但文獻中對兩設 計架構從未有系統之比較,本計劃深入研究兩架構之優劣。

研究議題 2. 現有即時性發佈/訂閱系統之改善:文獻中近來 提出一個依據計算幾何架構的 Cobas 系統[11],我們認為它 有一些方向值得深入研究

甲. 原系統假設下層 P2P 網路為 Mercury,但我們認為 Cobas 應有更佳範圍式條件處理機制選擇,例如架設 LIGHT[20]上。本計劃深入研究此新設計之優劣。

乙. Cobas 系統使用多棵區間樹作訂閱之儲存,但此作法當 屬性個數多時效能並不佳,本計劃深入討論區間樹合併之策 略。

研究議題 3. 使用 Event Batching 及資料廣播技術以提昇發 佈/訂閱系統效率之研究:現有 pub/sub 系統即時性把每一事 件均主動傳遞(push)給訂閱者的機制也可能造成網路資源的 極大負擔,本計劃研究使用事件 Batching 的方式,將發佈的 事件收集成一個 Batch 之後,再來資料廣播方式傳遞。由於 許多事件非常熱門,絕大多數的訂閱者均需傳遞,此作法可 以大幅降低網路資源的使用。包含發佈的事件如何收集成一 個 Batch 的策略,資料廣播的方法,及因此造成事件傳遞的 延遲。

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中文關鍵詞: 結構化 P2P 網路, 發佈/訂閱系統, 即時及非即時性模式, 事 件批次處理

英 文 摘 要 : 英文關鍵詞:

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結構化 P2P 網路上即時及非即時性發佈/訂閱系統之研究 Research on Delay Tolerant Publish/Subscribe Service over

Structured P2P Networks

計畫編號:99-2221-E-011-114- 執行期限:99 年 8 月 1 日至 100 年 7 月 31 日 主持人:陳秋華 國立台灣科技大學資訊工程系

中文摘要

語 意 訂 閱 / 發 佈 系 統 (content-based publish/subscribe services) [2,4,6,7,10,11,15,16,17] , 讓 一個意欲發佈某事件(event)的發佈者(publisher)發佈資 訊,能輕鬆、有效率的將事件傳送到訂閱者(subscriber) 的手上。每一個事件,由一組與此事件相關的屬性 (attributes)集合而成,描述一個事件的內容。訂閱者 (Subscribers)透過訂閱(subscriptions) ,來向訂閱/發佈 系 統 記 錄 下 他 的 喜 好 。 而 subscriptions 由 述 語 (constraints)組成,供訂閱者在眾多發佈的事件中,過 濾出他感興趣的事件。

本計劃針對結構化 P2P 網路上的語義發佈/訂閱系 統(content-based publish/subscribe services)的相關議題 作深入研究。我們提出一些新的研究方向,改善現有 pub/sub 系統在訂閱(subscriptions)儲存及 event 傳遞之 成本,並真正展現 P2P 網路應有的擴展性的特性。

本計劃之研究議題,包含以下三項

研究議題 1. 現有即時性發佈/訂閱系統之比較:由 於訂閱者的訂閱(subscriptions)需安裝於pub/sub系 統內,且訂閱包含範圍式條件,此類條件之處理 有兩大架構,依據屬性值範圍切割 (bin-based)的 架構[10]及依據計算幾何( computational geometry) 的架構[11]。但文獻中對兩設計架構從未有系統 之比較,本計劃深入研究兩架構之優劣。

研究議題 2. 現有即時性發佈/訂閱系統之改善:文 獻中近來提出一個依據計算幾何架構的Cobas系 統[11],我們認為它有一些方向值得深入研究 甲. 原系統假設下層P2P 網路為Mercury,但我

們認為Cobas應有更佳範圍式條件處理機制 選擇,例如架設LIGHT[20]上。本計劃深入 研究此新設計之優劣。

乙. Cobas系統使用多棵區間樹作訂閱之儲存,

但此作法當屬性個數多時效能並不佳,本 計劃深入討論區間樹合併之策略。

研究議題 3. 使用Event Batching及資料廣播技術 以提昇發佈/訂閱系統效率之研究:現有pub/sub 系統即時性把每一事件均主動傳遞(push)給訂閱 者的機制也可能造成網路資源的極大負擔,本計 劃研究使用事件Batching的方式,將發佈的事件 收集成一個Batch之後,再來資料廣播方式傳遞。

由於許多事件非常熱門,絕大多數的訂閱者均需 傳遞,此作法可以大幅降低網路資源的使用。包 含發佈的事件如何收集成一個Batch的策略,資 料廣播的方法,及因此造成事件傳遞的延遲。

計畫自評

本計畫的成果和原計畫的申請項目大致相同,計 畫中各子議題均已大致完成。本計畫所提及之各項成 果預期對於語意訂閱/發佈系統研究領域的架構設計,效 能評估等方面有很大的貢獻。本計畫結果除了在學術 界提供語意訂閱/發佈系統架構設計上的新解決方法外,

對業界也可提供相關問題上可更快更省空間的方式。

經由本計畫的研究與實作,讓參與的人員深入瞭解語 意訂閱/發佈系統的重要性,更促使參與人員體會到語 意訂閱/發佈系統等研究主題在學術及工業界的相互結 合,如此結合理論與實際應用,提昇參與人員今後之 研發能力進而提昇國家競爭力。

計劃主持人在本國科會計劃之支援下,針對相關之研 究工作,共發表了以下論文

A. Chyouhwa Chen, Chia-Liang Tsai, and Shi-Jinn Horng, Exploiting Attribute Popularity Distribution Skew to Enhance the Performance of Peer to Peer Publish/Subscribe Systems, International Journal of Innovative Computing Information and Control, 7(7), July, 2011

B. Chyouhwa Chen, Shi-Jinn Horng, and Chin-Pin Huang, Locality sensitive hashing for sampling-

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based algorithms in association rule mining, Expert Systems with Applications, Volume 38, Issue 10, September, 2011

C. Kuo-Liang Chung, Wei-Jen Yang, Chyouhwa Chen, and Sheng-Mao Zeng, Hong-Yuan Mark Liao, Efficient Chroma Subsampling Strategy for Compressing DTDI Mosaic Video Sequences in H.264/AVC, Journal of Electronic Imaging, May, 2011

D. Kuo-Liang Chung, Soo-Chang Pei, Ying-Lin Pan, Wei-Ling Hsu, Yong-Huai Huang, Wei-Ning Yang, and Chyouhwa Chen, A gradient-based adaptive error diffusion method with edge enhancement, Expert Systems With Applications, Volume 38, Issue 3, Pages 1591-1601, March 2011

計畫緣由與結果

1. Introduction

現有結構化 P2P 網路上的語義發佈/訂閱系統系統有許 多問題:

事件比對演算法方面: Hybrid[10]、IIM[10]等存 在一些錯誤,且各系統均未深入比對演算法。

subscription安裝方面: 基於屬性值的對應方式能 將subscriptions更加平均得分散到所有節點上,但 可能因為範圍式屬性,導致大量的subscriptions複 製。即使使用類似IIM scheme的機制,但不作任 何修正的話,仍會造成當範圍式訂閱的數量佔所 有訂閱的比例很高時,subscription被複製的數量 仍會到達非常多的地步。

事件發佈、傳遞方面: Ferry[18]系統在事件發佈 時,發佈節點必須將event複製數份,然後所有的 RP節點均發送一個複本,因此造成Ferry在事件 發佈的成本較其他系統多出不少。而Baldoni[2]、

Hybrid、IIM並未運用類似Ferry之定址空間分割 機制,因此平均傳遞距離距離較長。

系統在儲存、計算、傳輸的工作負載處理方面:

Ferry系統中的RP節點,幾乎負起了整個系統在 儲存、計算、傳輸的工作負載,其他節點則無事 可作。此現象與P2P精神不合,亦限制了其擴展 性。而IIM由於大量的subscriptions複製,也會造 成少數節點負擔過多儲存、計算、傳輸的工作負 載的後果。

當subscriptions的分佈呈現曲斜時方面:熱門屬性 會對特定RN節點所帶來儲存、計算、傳輸的工 作的負載。

2. Proposed Fleet System

本計畫提出一個新的,稱之為 Fleet 之系統架構,改善 了訂閱(subscriptions)儲存的成本以及 event 傳遞之成本

及系統負載方面的表現。Fleet 架構如圖 1 所示。以下 針對 Fleet System 中各方法作詳細說明。

1. The architecture of a Fleet node.

訂閱安裝 (Subscription Installation): 我們說明 Fleet 系 統中,訂閱安裝的設計, 演算法如圖 2 所示。

1). for all combinations of the attribute names having associated value partition trees

2). find the SSM node responsible for the event according to the value partition trees

3). deliver e to the designated MED node 4). end for

5). for each attribute value in the event e 6). deliver e to the successor of

7). end for

8). for each attribute in the event e 9). if( MPNF strategy || LPNF-Value strategy) 10). b= the discretized value of

11). deliver e to the successor of 12). else //LPNF-Name strategy 13). deliver e to the successor of 14). end if

1). end for

圖 2:訂閱安裝演算法圖示

Fleet 訂閱安裝可分為 MPNF/LPNF-Value/LPNF-name 三個策略。但基本精神為,當範圍屬性是熱門屬性時,

訂閱安裝演算法運用屬性值切割樹,作訂閱安裝時之 示意圖,如圖 3 所示。訂閱{25<=retraction<50}要安裝 時,Fleet 察覺 retraction 是一熱門屬性,因此依據其屬 性值切割樹,找出[25,50]的範圍,應由節點 021、101、

102、120 負責,便將訂閱{25<=retraction<50}複製四份 後,送交節點 021、101、102、120 儲存。而節點 021、

101、102、120 對應到底層 Chord 網路之 ID,乃經由 h(021)、h(101) 、h(102) 、h(120)產生。當所有範圍屬 性是是較冷門屬性時,訂閱安裝演算法運用類似 IIM 之方法,但屬性級距大小,需依其機率決定。如何決 定冷門屬性級距大小,需待計劃執行時由實驗探討之。

而訂閱安裝演算法第 6)行目的,乃在選取範圍最小的 屬性,如此可以降低 subscription 複本之總數。

Aic ( i, ) h A c

Aic

c ( i, ) h A b

( i) h A

MED layer: matched event delivery to satisfied subscribers SSM layer: subscription storage and matching Application layer: subscription/event generation route(MSG_SUB_INST/ MSG_EV_PUB,..)

route(MSG_SID_DLV,…)

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圖 3:Fleet 訂閱安裝演算法示意圖

事件發佈 (Event publishing): 我們說明 Fleet 系統中,

事件發佈節點的動作設計, 演算法如圖 4 所示

Fleet 中,一個事件發佈後,依據該事件的 constraint 數 量,而被對應到數個 RN 節點。事件發佈的方法,Fleet_

publish_event(),其演算法如圖 4 示,而其運用屬性值切 割樹作事件發佈時之示意圖如圖 5 所示

Fleet_ publish_event(Event e) 1). For each attribute

Ai in the event e,

2). if any combination of the attributes is Frequent/Hot 3). Deliver e according to the Kautz graph 4). Else

5). Deliver e to the successor broker of h A c( , )i 圖 4:Fleet 事件發佈演算法示意圖

圖 5 顯示事件{retraction=42}被發佈時,系統發現其為 熱門屬性,因此依據所建 Kautz 切割樹,尋找負責之 節點後,將事件傳給該節點之過程。

圖 5:Fleet 事件發佈演算法示意圖

事 件 傳 遞 (Event delivery from RP nodes to subscription nodes) : 我們說明 RB 節點在事件傳遞時 之動作設計。請注意 RB 節點負責事件傳遞,而 RN 節 點負責 subscription 儲存及事件之比對。RP 節點,在 接收到一個 subscriptionID 及發佈的 event 後,負責 event 傳遞到對應的 subscribers。在傳遞 event 時,是 從 RP 節點開始,沿著其 finger 節點將 event 傳遞下去,

如圖 34 所示。我們繼承了 Ferry 中事件傳遞的優點,

在於所有 RP 的節點,將會平行的執行 event 傳送的動 作。

3. Performance Evaluation

我們以下針對 Fleet 系統在 subscription replica cost, Cumulative fraction of subscription replicas among nodes, Cumulative fraction of computation cost among nodes, 及 Average number of hops for event delivery 等方面, 與文 獻中其他重要系統作一比較。

由圖六可知,Fleet 在 subscription replica cost 方面,

使用了中等的成本。

圖 6. The normalized subscription replica cost by each scheme

由 圖 7 可 知 , Fleet 在 Cumulative fraction of subscription replica 方面,可以將 subscription 更平均地 分配給所有節點,因此可以達到負載平衡的目的。

圖 7. Cumulative fraction of subscription replicas among nodes

事件批次處理策略及 P2P 網路廣播樹建構演算法 之研究方面: 當系統中網路節點不具備系統訂閱分群後 的各群組之資訊時,網路節點累積發佈事件於緩衝區,

透過定量方式,將多個累積事件裝入同一封包,直接 透過原有機制一同比對及傳遞之處理。由於一封包內 包含多個事件,因此網路中總封包的體傳輸數量會大 幅減低。以 Ferry 系統為例(如圖 8 所示),{e1~e6}由發 佈節點使用同一個封包傳輸給 RP 節點,由於 RP 節點

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儲存所負責的地址空間內的訂閱,因此可以在執行訂 閱比對後,將滿足的事件傳輸給所負責的地址空間內 的訂閱者,以大幅減低封包的總體傳輸數量.

圖 8. Ferry 系統中 Window-based 事件批次處理策 略,從發佈者傳遞至訂閱者的情形

圖 9 中 顯 示 , 統 計 Ferry 中 總 體 傳 輸 數 量 與 Window 大小的關係,由圖 9 中可知,當 window 大小 增加時,系統總體傳輸數量呈線性下降之趨勢,因此 Window-based 事件批次處理策有其有效性。

圖 9. 封包的總體傳輸數量 vs window size.

參考文獻

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Sturman, Mark Astley, Tushar D. Chandra, Matching events in a content-based subscription system,

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March, 2004

5. A. Carzaniga and A.L. Wolf, "A Benchmark Suite for Distributed Publish/Subscribe Systems". Technical Report CU-CS-927-02, Department of Computer Science, University of Colorado, April, 2002.

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9. Li, D. Cao, J. Lu, X. Chen, K. Efficient Range Query Processing in Peer-to-Peer Systems, IEEE Transactions on Knowledge and Data Engineering, accpted 2009

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International Journal of Information Technology, Vol. 12 No.4 2006

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18. Yingwu Zhu and Yiming Hu, Ferry A P2P-Based Architecture for Content-Based Publish/Subscribe Services, IEEE Transactions on Parallel and Distributed System, 2007; 18 (5)

19. Jonathan Ledlie and Margo Seltzer, Distributed, Secure Load Balancing with Skew, heterogeneity, and Churn, In Proceedings of IEEE INFOCOM 2005, March 2005

20. Yuzhe Tang, Shuigeng Zhou, Jianliang Xu."LIGHT:

A Query-Efficient yet Low-Maintenance Indexing Scheme over DHTs", IEEE Transactions on Knowledge and Data Engineering (TKDE), 2009

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出席國際學術會議心得報告

計畫編號 國科會 NSC 99-2221-E-011-114-

計畫名稱 結構化 P2P 網路上即時及非即時性發佈/訂閱系統之研究 出國人員姓名

服務機關及職稱

陳秋華

台灣科技大學資工系/ 教授兼系主任 會議時間地點 Ulaanbaatar, Mongolia July 8-11, 2011

會議名稱 The 2011 International Conference on Computing and Security (ICCS'11)

一、 參加會議經過

2011 年 International Conference on Computing and Security 於 Ulaanbaatar, Mongolia召開,此會議是台蒙交流計劃之一環,本人為該會議之program chair。此次會議 日期是從7月8日至7月11日止,共計四天。此會議內容包含以下各主題:

 Cloud Computing,,

 Fault Tolerant Computing,

 Biometrics Technologies

 Biometrics Performance Evaluation

 Information Security in Internet

 Biometrics Applications

二、 與會心得

台蒙交流計劃促進了台灣學術界與蒙古共和國內學術界人士的交流。除了參加會議並報 告本人發表之論文外,我們也和The National University of Mongolia,Ulan Bator, 之校 方人員作深入交流。其間拜會了School of Mathematics and Computer Science之Dean, 及 系主任多人,對互相之研究領域及教學系統的看法作廣泛意見的交換。

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三、 建議事項

本人十分感謝國科會能提供補助讓本人能參與此次交流的機會,並且希望國科會能夠提 供更多支持此類學術活動及交流的機會,促進國內學術界之國際化。

四、 攜回資料

參加本次會議一共攜回下列資料:

1. 大會論文集光碟片一張

2. 未來一兩年各項研討會徵稿資料一套

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國科會補助計畫衍生研發成果推廣資料表

日期:2011/12/20

國科會補助計畫

計畫名稱: 結構化P2P網路上即時及非即時性發佈/訂閱系統之研究 計畫主持人: 陳秋華

計畫編號: 99-2221-E-011-114- 學門領域: 人工智慧

無研發成果推廣資料

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99 年度專題研究計畫研究成果彙整表

計畫主持人:陳秋華 計畫編號:99-2221-E-011-114- 計畫名稱:結構化 P2P 網路上即時及非即時性發佈/訂閱系統之研究

量化

成果項目 實際已達成

數(被接受 或已發表)

預期總達成 數(含實際已

達成數)

本計畫實 際貢獻百

分比

單位

備 註 質 化 說 明:如 數 個 計 畫 共 同 成 果、成 果 列 為 該 期 刊 之 封 面 故 事 ...

期刊論文 0 0 100%

研究報告/技術報告 0 0 100%

研討會論文 0 0 100%

論文著作 篇

專書 0 0 100%

申請中件數 0 0 100%

專利 已獲得件數 0 0 100% 件

件數 0 0 100% 件

技術移轉

權利金 0 0 100% 千元

碩士生 4 0 100%

博士生 1 0 100%

博士後研究員 0 0 100%

國內

參與計畫人力

(本國籍)

專任助理 0 0 100%

人次

期刊論文 4 0 100%

研究報告/技術報告 0 0 100%

研討會論文 1 0 100%

論文著作 篇

專書 0 0 100% 章/本

申請中件數 0 0 100%

專利 已獲得件數 0 0 100% 件

件數 0 0 100% 件

技術移轉

權利金 0 0 100% 千元

碩士生 0 0 100%

博士生 0 0 100%

博士後研究員 0 0 100%

國外

參與計畫人力

(外國籍)

專任助理 0 0 100%

人次

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其他成果

(

無法以量化表達之成 果如辦理學術活動、獲 得獎項、重要國際合 作、研究成果國際影響 力及其他協助產業技 術發展之具體效益事 項等,請以文字敘述填 列。)

成果項目 量化 名稱或內容性質簡述

測驗工具(含質性與量性) 0

課程/模組 0

電腦及網路系統或工具 0

教材 0

舉辦之活動/競賽 0

研討會/工作坊 0

電子報、網站 0

目 計畫成果推廣之參與(閱聽)人數 0

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國科會補助專題研究計畫成果報告自評表

請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況、研究成果之學術或應用價 值(簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性) 、是否適 合在學術期刊發表或申請專利、主要發現或其他有關價值等,作一綜合評估。

1. 請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況作一綜合評估

■達成目標

□未達成目標(請說明,以 100 字為限)

□實驗失敗

□因故實驗中斷

□其他原因 說明:

2. 研究成果在學術期刊發表或申請專利等情形:

論文:■已發表 □未發表之文稿 □撰寫中 □無 專利:□已獲得 □申請中 ■無

技轉:□已技轉 □洽談中 ■無 其他:(以 100 字為限)

共發表了 4 篇論文

3. 請依學術成就、技術創新、社會影響等方面,評估研究成果之學術或應用價 值(簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性)(以 500 字為限)

本計劃針對結構化 P2P 網路上的語義發佈/訂閱系統(content-based publish/subscribe services)的相關議題作深入研究.本計劃之研究議題,包含以下三項: 現有即時性發佈/

訂閱系統之比較, 現有即時性發佈/訂閱系統之改善, 及使用 Event Batching 及資料廣播 技術以提昇發佈/訂閱系統效率之研究. 共發表了以下論文:

A. Chyouhwa Chen, Chia-Liang Tsai, and Shi-Jinn Horng, Exploiting Attribute Popularity Distribution Skew to Enhance the Performance of Peer to Peer Publish/Subscribe Systems, International Journal of Innovative Computing Information and Control, 7(7), July, 2011

B. Chyouhwa Chen, Shi-Jinn Horng, and Chin-Pin Huang, Locality sensitive hashing for sampling-based algorithms in association rule mining, Expert Systems with Applications, Volume 38, Issue 10, September, 2011

C. Kuo-Liang Chung, Wei-Jen Yang, Chyouhwa Chen, and Sheng-Mao Zeng, Hong-Yuan Mark Liao, Efficient Chroma Subsampling Strategy for Compressing DTDI Mosaic Video Sequences in H.264/AVC, Journal of Electronic Imaging, May, 2011

D. Kuo-Liang Chung, Soo-Chang Pei, Ying-Lin Pan, Wei-Ling Hsu, Yong-Huai Huang, Wei-Ning Yang, and Chyouhwa Chen, A gradient-based adaptive error diffusion method with edge enhancement, Expert Systems With Applications, Volume 38, Issue 3, Pages

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1591-1601, March 2011

數據

圖 3:Fleet 訂閱安裝演算法示意圖

圖 3:Fleet

訂閱安裝演算法示意圖 p.6
圖 5:Fleet 事件發佈演算法示意圖

圖 5:Fleet

事件發佈演算法示意圖 p.6
圖 6. The normalized subscription replica cost by each  scheme

圖 6.

The normalized subscription replica cost by each scheme p.6
圖 5 顯示事件{retraction=42}被發佈時,系統發現其為 熱門屬性,因此依據所建 Kautz 切割樹,尋找負責之 節點後,將事件傳給該節點之過程。

圖 5

顯示事件{retraction=42}被發佈時,系統發現其為 熱門屬性,因此依據所建 Kautz 切割樹,尋找負責之 節點後,將事件傳給該節點之過程。 p.6
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