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The differential effects of self-view in virtual meetings when speaking vs. listening
No full textWith the surging reliance on videoconferencing tools, users may find themselves staring at their reflections for hours a day. We refer to this phenomenon as self-referential information (SRI) consumption and examine its consequences and the mechanism behind them. Building on self-awareness research and the strength model of self-control, we argue that SRI consumption heightens the state of self-awareness and thereby depletes participants’ mental resources, eventually undermining virtual meeting (VM) outcomes. Our findings from a European employee sample revealed contrary effects of SRI consumption across speaker vs listener roles. Engagement with self-view is positively associated with self-awareness, which, in turn, is negatively related to satisfaction with VM process, perceived productivity, and enjoyment. Looking at the self while listening to others exhibits adverse direct and indirect (via self-awareness) effects on VM outcomes. However, looking at the self when speaking exhibits positive direct effects on satisfaction with VM process and enjoyment
Auswirkungen von Zyklonen auf das Meereis im Atlantischen Arktischen Ozean
No full textThe Arctic is the hot spot of the ongoing, global climate change. Over the last decades, near-surface temperatures in the Arctic have been rising almost four times faster than on global average. This amplified warming of the Arctic and the associated rapid changes of its environment are largely influenced by interactions between individual components of the Arctic climate system. On daily to weekly time scales, storms can have major impacts on the Arctic sea-ice cover and are thus an important part of these interactions within the Arctic climate. The sea-ice impacts of storms are related to high wind speeds, which enhance the drift and deformation of sea ice, as well as to changes in the surface energy budget in association with air mass advection, which impact the seasonal sea-ice growth and melt.
The occurrence of storms in the Arctic is typically associated with the passage of transient cyclones. Even though the above described mechanisms how storms/cyclones impact the Arctic sea ice are in principal known, there is a lack of statistical quantification of these effects. In accordance with that, the overarching objective of this thesis is to statistically quantify cyclone impacts on sea-ice concentration (SIC) in the Atlantic Arctic Ocean over the last four decades. In order to further advance the understanding of the related mechanisms, an additional objective is to separate dynamic and thermodynamic cyclone impacts on sea ice and assess their relative importance. Finally, this thesis aims to quantify recent changes in cyclone impacts on SIC. These research objectives are tackled utilizing various data sets, including atmospheric and oceanic reanalysis data as well as a coupled model simulation and a cyclone tracking algorithm.
Results from this thesis demonstrate that cyclones are significantly impacting SIC in the Atlantic Arctic Ocean from autumn to spring, while there are mostly no significant impacts in summer. The strength and the sign (SIC decreasing or SIC increasing) of the cyclone impacts strongly depends on the considered daily time scale and the region of the Atlantic Arctic Ocean. Specifically, an initial decrease in SIC (day -3 to day 0 relative to the cyclone) is found in the Greenland, Barents and Kara Seas, while SIC increases following cyclones (day 0 to day 5 relative to the cyclone) are mostly limited to the Barents and Kara Seas.
For the cold season, this results in a pronounced regional difference between overall (day -3 to day 5 relative to the cyclone) SIC-decreasing cyclone impacts in the Greenland Sea and overall SIC-increasing cyclone impacts in the Barents and Kara Seas. A cyclone case study based on a coupled model simulation indicates that both dynamic and thermodynamic mechanisms contribute to cyclone impacts on sea ice in winter. A typical pattern consisting of an initial dominance of dynamic sea-ice changes followed by enhanced thermodynamic ice growth after the cyclone passage was found. This enhanced ice growth after the cyclone passage most likely also explains the (statistical) overall SIC-increasing effects of cyclones in the Barents and Kara Seas in the cold season.
Significant changes in cyclone impacts on SIC over the last four decades have emerged throughout the year. These recent changes are strongly varying from region to region and month to month. The strongest trends in cyclone impacts on SIC are found in autumn in the Barents and Kara Seas. Here, the magnitude of destructive cyclone impacts on SIC has approximately doubled over the last four decades. The SIC-increasing effects following the cyclone passage have particularly weakened in the Barents Sea in autumn. As a consequence, previously existing overall SIC-increasing cyclone impacts in this region in autumn have recently disappeared. Generally, results from this thesis show that changes in the state of the sea-ice cover (decrease in mean sea-ice concentration and thickness) and near-surface air temperature are most important for changed cyclone impacts on SIC, while changes in cyclone properties (i.e. intensity) do not play a significant role.Die Arktis ist der Hotspot des globalen Klimawandels. In den letzten Jahrzehnten sind die oberflächennahen Temperaturen in der Arktis fast viermal so schnell gestiegen wie im globalen Durchschnitt. Diese verstärkte Erwärmung der Arktis und die damit verbundenen raschen Umweltveränderungen werden u.a. durch Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Komponenten des arktischen Klimasystems angetrieben. Auf täglichen bis wöchentlichen Zeitskalen können Stürme große Einflüsse auf das arktische Meereis haben und sind somit ein wichtiger Teil dieser Wechselwirkungen innerhalb des arktischen Klimas. Der Einfluss der Stürme auf das Meereis resultiert aus den hohen Windgeschwindigkeiten, welche die Drift und Verformung des Meereises verstärken, sowie aus Änderungen in der Oberflächenenergiebilanz im Zusammenhang mit der Advektion von Luftmassen, was das Wachstum und Schmelzen des Meereises beeinflusst.
Das Auftreten von Stürmen in der Arktis ist oft mit dem Durchzug von Zyklonen verbunden. Obwohl die oben beschriebenen Mechanismen, wie sich Stürme/Zyklone auf das arktische Meereis auswirken, im Prinzip bekannt sind, fehlt es an einer statistischen Quantifizierung dieser Effekte. Dementsprechend ist das übergeordnete Ziel dieser Arbeit eine statistische Quantifizierung der Auswirkungen von Zyklonen auf die Meereiskonzentration (engl. Sea Ice Concentration, SIC) im atlantischen Arktischen Ozeans über die letzten vier Jahrzehnte. Um ein Verständnis für die zugrunde liegenden Mechanismen zu erlangen, besteht ein weiteres Ziel darin, die dynamischen und thermodynamischen Auswirkungen von Zyklonen auf das Meereis zu trennen und ihre relative Bedeutung zu analysieren. Zuletzt zielt diese Arbeit darauf ab, aktuelle Veränderungen der Zykloneneinflüsse auf das Meereis zu quantifizieren. Zum Erreichen dieser Forschungsziele werden verschiedene Datensätze genutzt, darunter atmosphärische und ozeanische Reanalysedaten sowie eine gekoppelte Modellsimulation und ein Algorithmus zur automatischen Identifikation von Zyklonen.
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass Zyklone die SIC im atlantischen Arktischen Ozean von Herbst bis Frühjahr signifikant beeinflussen, während es im Sommer meist keine signifikanten Auswirkungen gibt. Die Stärke und das Vorzeichen (abnehmende oder zunehmende SIC) der Auswirkungen der Zyklone hängt stark von der betrachteten täglichen Zeitskala und der Region des Arktischen Ozeans ab. So ist ein anfänglicher Rückgang der SIC (Tag -3 bis Tag 0 relativ zum Zyklonendurchgang) in der Grönland-, der Barents- und der Karasee festzustellen, während ein SIC-Anstieg nach dem Zyklonendurchgang (Tag 0 bis Tag 5 relativ zum Zyklonendurchgang) hauptsächlich auf die Barents- und die Karasee beschränkt ist.
Für die kalte Jahreszeit ergibt sich daraus ein ausgeprägter regionaler Unterschied zwischen insgesamt (Tag -3 bis Tag 5 relativ zum Zyklon) SIC-verringernden Zyklonenauswirkungen in der Grönlandsee und insgesamt SIC-erhöhenden Zyklonenauswirkungen in der Barents- und Karasee. Die Analyse spezifischer Zyklonenfälle basierend auf einer gekoppelten Modellsimulation zeigt, dass sowohl dynamische als auch thermodynamische Mechanismen zu den Auswirkungen von Zyklonen auf das Meereis im Winter beitragen. Hierbei wurde ein typisches Muster bestehend aus einer anfänglichen Dominanz dynamischer Meereisveränderungen gefolgt von verstärktem thermodynamischem Eiswachstum nach der Zyklonenpassage gefunden. Dieses verstärkte Eiswachstum nach der Zyklonenpassage erklärt u.a. auch die (statistischen) insgesamt SIC-erhöhenden Effekte von Zyklonen in der Barents- und Karasee im Winter.
Signifikante Änderungen in den Auswirkungen von Zyklonen auf die SIC über die letzten vier Dekaden sind das ganze Jahr über zu finden. Diese Veränderungen variieren stark von Region zu Region und von Monat zu Monat. Die stärksten Trends in den Auswirkungen von Zyklonen auf die SIC sind im Herbst in der Barents- und Karasee zu beobachten. Hier hat sich die Stärke der zerstörerischen Auswirkungen von Zyklonen auf die SIC in den letzten vier Jahrzehnten ungefähr verdoppelt. Die SIC-erhöhenden Effekte nach der Zyklonenpassage haben sich in der Barentssee im Herbst besonders abgeschwächt. Dadurch sind zuvor existierende, insgesamt SIC-erhöhende Zyklonenauswirkungen in dieser Region und Jahreszeit zuletzt verschwunden. Generell zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass Änderungen im Zustand des Meereises (Abnahme der mittleren Meereiskonzentration und -dicke) sowie in der Lufttemperatur die veränderten Auswirkungen der Zyklonen auf die SIC antreiben, während Veränderungen in den Eigenschaften der Zyklonen (z.B. ihre Intensität) keine wesentliche Rolle spielen
Epistemische Ungerechtigkeiten
No full textWem wird geglaubt und wem nicht? Wessen Wissen wird weitergegeben und wessen nicht? Wer hat eine Stimme und wer nicht? Theorien der epistemischen Ungerechtigkeit befassen sich mit dem breiten Feld der ungerechten oder unfairen Behandlung, die mit Fragen des Wissens, Verstehens und Kommunizierens zusammenhängen, wie z.B. die Möglichkeit, vom Wissen oder von kommunikativen Praktiken ausgeschlossen zu werden oder zum Schweigen gebracht zu werden, aber auch Kontexte, in denen die Bedeutungen mancher systematisch verzerrt oder falsch gehört und falsch dargestellt werden, in denen manchen misstraut wird oder es an epistemischer Handlungsfähigkeit mangelt. In diesem Buch wird eine Übersicht über die breite Debatte epistemischer Ungerechtigkeit, epistemischer Unterdrückung und epistemischer Gewalt gegeben, in dem unterschiedliche Theorien, die sich auf der Schnittstelle von Gerechtigkeitstheorie und epistemischen Fragen befinden, systematisch und kritisch diskutiert sowie theoretische Vorgänger dieser Theorien beleuchtet werden
Modeling of spatially distributed nitrate transport to investigate the effects of drought and river restoration in the Bode catchment, Central Germany
No full textThe European Water Framework Directive (WFD) has identified river morphological alteration and diffuse pollution as the two main pressures affecting water bodies in Europe at the catchment scale. Consequently, river restoration has become a priority to achieve the WFD's objective of good ecological status. However, little is known about the effects of stream morphological changes, such as re-meandering, on in-stream nitrate retention at the river network scale. Therefore, catchment nitrate modeling is necessary to guide the implementation of spatially targeted and cost-effective mitigation measures. Meanwhile, Germany, like many other regions in central Europe, has experienced consecutive summer droughts from 2015-2018, resulting in significant changes in river nitrate concentrations in various catchments. However, the mechanistic exploration of catchment nitrate responses to changing weather conditions is still lacking.
Firstly, a fully distributed, process-based catchment Nitrate model (mHM-Nitrate) was used, which was properly calibrated and comprehensively evaluated at numerous spatially distributed nitrate sampling locations. Three calibration schemes were designed, taking into account land use, stream order, and mean nitrate concentrations, and they varied in spatial coverage but used data from the same period (2011–2019). The model performance for discharge was similar among the three schemes, with Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE) scores ranging from 0.88 to 0.92. However, for nitrate concentrations, scheme 2 outperformed schemes 1 and 3 when compared to observed data from eight gauging stations. This was likely because scheme 2 incorporated a diverse range of data, including low discharge values and nitrate concentrations, and thus provided a better representation of within-catchment heterogenous. Therefore, the study suggests that strategically selecting gauging stations that reflect the full range of within-catchment heterogeneity is more important for calibration than simply increasing the number of stations.
Secondly, the mHM-Nitrate model was used to reveal the causal relations between sequential droughts and nitrate concentration in the Bode catchment (3200 km2) in central Germany, where stream nitrate concentrations exhibited contrasting trends from upstream to downstream reaches. The model was evaluated using data from six gauging stations, reflecting different levels of runoff components and their associated nitrate-mixing from upstream to downstream. Results indicated that the mHM-Nitrate model reproduced dynamics of daily discharge and nitrate concentration well, with Nash-Sutcliffe Efficiency ≥ 0.73 for discharge and Kling-Gupta Efficiency ≥ 0.50 for nitrate concentration at most stations. Particularly, the spatially contrasting trends of nitrate concentration were successfully captured by the model. The decrease of nitrate concentration in the lowland area in drought years (2015-2018) was presumably due to (1) limited terrestrial export loading (ca. 40% lower than that of normal years 2004-2014), and (2) increased in-stream retention efficiency (20% higher in summer within the whole river network). From a mechanistic modelling perspective, this study provided insights into spatially heterogeneous flow and nitrate dynamics and effects of sequential droughts, which shed light on water-quality responses to future climate change, as droughts are projected to be more frequent.
Thirdly, this study investigated the effects of stream restoration via re-meandering on in-stream nitrate retention at network-scale in the well-monitored Bode catchment. The mHM-Nitrate model showed good performance in reproducing daily discharge and nitrate concentrations, with median Kling-Gupta values of 0.78 and 0.74, respectively. The mean and standard deviation of gross nitrate retention efficiency, which accounted for both denitrification and assimilatory uptake, were 5.1 ± 0.61% and 74.7 ± 23.2% in winter and summer, respectively, within the stream network. The study found that in the summer, denitrification rates were about two times higher in lowland sub-catchments dominated by agricultural lands than in mountainous sub-catchments dominated by forested areas, with median ± SD of 204 ± 22.6 and 102 ± 22.1 mg N m-2 d-1, respectively. Similarly, assimilatory uptake rates were approximately five times higher in streams surrounded by lowland agricultural areas than in those in higher-elevation, forested areas, with median ± SD of 200 ± 27.1 and 39.1 ± 8.7 mg N m-2 d-1, respectively. Therefore, restoration strategies targeting lowland agricultural areas may have greater potential for increasing nitrate retention. The study also found that restoring stream sinuosity could increase net nitrate retention efficiency by up to 25.4 ± 5.3%, with greater effects seen in small streams. These results suggest that restoration efforts should consider augmenting stream sinuosity to increase nitrate retention and decrease nitrate concentrations at the catchment scale.Die Europäische Wasserrahmenrichtlinie hat die morphologischen Veränderungen der Flüsse und die diffuse Verschmutzung als die Hauptprobleme der Gewässer in Europa identifiziert. Um diese Probleme anzugehen, hat die Renaturierung von Fließgewässern hohe Priorität. Es ist jedoch nur wenig darüber bekannt, wie sich Veränderungen der Flussform, wie z. B. die Re-Mäanderung, auf die Nitratrückhaltung im Fließgewässer auswirken. Deutschland hat in den letzten Jahren Dürreperioden erlebt, die zu Veränderungen der Nitratkonzentration in den Fließgewässern geführt haben. Es gibt jedoch nur wenig Erkenntnisse darüber, wie sich diese Dürreperioden auf die Nitratkonzentration auswirken. Zur Untersuchung dieser Einflüsse kann eine Modellierung des Nitrat-Transports und -Rückhalts in Einzugsgebieten wichtige Hinweise zu wirksamen Reduzierungsmaßnahmen liefern.
In dieser Studie wurde ein prozessbasiertes hydrologisches Wasserqualitätsmodell (mHM-Nitrate) verwendet, um die Nitratdynamik im Einzugsgebiet der Bode (3200 km2) zu simulieren. Das Modell wurde anhand von Daten aus verschiedenen Teileinzugsgebieten kalibriert und bewertet. Es wurden drei Kalibrierungsvarianten entwickelt, die die Flächennutzung, die Ordnung der Fließgewässer und die mittleren Nitratkonzentrationen mit unterschiedlichem Detaillierungsgrad berücksichtigten. Die Modellierungsgüte für den Abfluss war bei allen drei Kalibrierungsvarianten ähnlich, während sich bei den Nitratkonzentrationen deutliche Unterschiede ergaben. Die Studie zeigte, dass die Auswahl von Messstationen, die die charakteristischen Gebietseigenschaften widerspiegeln, für die Nitrat-Kalibrierung wichtiger ist als die reine Anzahl der Messstationen.
Das Modell wurde auch verwendet, um die Beziehung zwischen Dürreperioden und der Nitratdynamik im Bodegebiet zu untersuchen. Das Modell gab die Dynamik von Abfluss und Nitrat sehr gut wider und erfasste hierbei auch die räumlichen Unterschiede in den Nitratkonzentrationen sehr gut. Die Studie ergab, dass Dürreperioden zu niedrigeren Nitratkonzentrationen in den landwirtschaftlich genutzten Gebieten im Tiefland führten, was auf einen geringeren terrestrischen Export und einen erhöhten Rückhalt in den Fließgewässern zurückzuführen war. Die Untersuchung liefert Erkenntnisse über die Auswirkungen von Dürren auf den Nitrataustrag, was für das Verständnis der Auswirkungen des künftigen Klimawandels wichtig ist.
Darüber hinaus untersuchte die Studie die Auswirkungen der Renaturierung von Fließgewässern, insbesondere der Re-Mäanderung, auf die Nitratrückhaltung im Fließgewässernetz. Die Untersuchung zeigte, dass der gewässerinterne Nitratrückhalt in landwirtschaftlichen Tieflandgebieten höher war als in bewaldeten Gebieten. Die Wiederherstellung natürlich meandrierender Fließgewässer erhöhte die Nitratretention und verringerte die Nitratkonzentration im Fließgewässer, insbesondere in kleinen Bächen in landwirtschaftlichen Gebieten. Dies deutet darauf hin, dass bei Sanierungsmaßnahmen die Erhöhung der Gewässersinuosität berücksichtigt werden sollte, um den Nitratrückhalt und die Wasserqualität insbesondere in den Teiflandgebieten zu erhöhen
Language-linking elements in the French textbooks Découvertes and À plus as a component for promoting plurilingualism
No full textDie vorliegende Masterarbeit widmet sich der Frage, inwiefern die neuesten Lehrwerke für den gymnasialen Französischunterricht, Découvertes 1 (Klett) und À plus 1 (Cornelsen) aus dem Jahr 2020, sprachvernetzende Inhalte nutzen, um auf vorgelernte Sprachen und frühere Spracherwerbsprozesse hinzuweisen oder darauf zurückzugreifen. Der Fokus liegt dabei auf der Schul- und/oder Erstsprache Deutsch sowie der ersten Fremdsprache Englisch, wobei auch andere auftretende Sprachen in die Untersuchung einbezogen werden.
Die Arbeit leistet einen Beitrag zum fachdidaktischen Diskurs bezüglich mehrsprachigkeitsdidaktischer Inhalte in Fremdsprachenlehrwerken. Darüber hinaus kann sie Lehrkräften aufzeigen, wie diese aktuellen Lehrwerke ihren mehrsprachigkeitsorientierten Unterricht begleiten können.
Die Einleitung betont die Relevanz der Sprachvernetzung für den Fremdsprachenunterricht, insbesondere im Hinblick auf die individuelle Mehrsprachigkeit der Schüler*innen. Es wird auf das Potenzial des interlingualen Transfers hingewiesen, das u. a. in einer Lernerleichterung sowie der Förderung der Sprachbewusstheit und der Sprachlernbewusstheit besteht.
In Kapitel 2 werden die theoretischen Grundlagen für die Analyse gelegt, indem Mehrsprachigkeit und Mehrsprachigkeitsdidaktik, Sprachvernetzung und ihr Potenzial näher betrachtet werden. Zudem wird anhand des Deutschen und Englischen aufgezeigt, welches sprachliche Transferpotenzial im Anfangsunterricht Französisch eingebracht werden könnte. Auch die Bedingungen dafür, dass Schüler*innen den interlingualen Transfer in ihrem Spracherwerb einsetzen, werden besprochen.
Kapitel 3 gibt einen Überblick über den Forschungsstand zu Sprachvernetzung und Mehrsprachigkeit in Fremdsprachenlehrwerken und identifiziert die Forschungslücke, die diese Arbeit zu schließen versucht.
In Kapitel 4 werden die Forschungsfrage und ihre Unterfragen formuliert, die untersuchten Lehrwerke beschrieben und die Auswahl der Lehrwerke und der untersuchten Lehrwerkskomponenten begründet. Zudem wird die Methodik der vergleichenden Lehrwerkanalyse erläutert.
Die Ergebnisse der Analyse werden in Kapitel 5 ausführlich dargestellt. Es wird aufgezeigt, welche sprachvernetzenden Inhalte in den jeweiligen Lehrwerken vorkommen – in welcher Form und unter Einbezug welcher Sprachen und sprachlichen Ebenen.
In Kapitel 6 werden die Ergebnisse diskutiert und analysiert, wobei auf die Mehrsprachigkeitskonzepte der Lehrwerke und die Trends bei den sprachvernetzenden Inhalten eingegangen wird.
Im abschließenden Kapitel 7 wird zusammenfassend betont, dass beide Lehrwerke viele sprachvernetzende Inhalte anbieten, die das Potenzial haben, mehrsprachigkeitsdidaktisches Arbeiten zu unterstützen. Insbesondere auf der Produktionsebene werden jedoch noch zu wenige Transferprozesse initiiert. Zudem wird aufgezeigt, welche weiteren Untersuchungen ergänzend möglich sind, z. B. hinsichtlich des Einsatzes der sprachvernetzenden Inhalte im Unterricht.This master's thesis examines the extent to which the latest German textbooks for secondary school French, Découvertes 1 (Klett) and À plus 1 (Cornelsen), published in 2020, use language-linking content to refer to or draw on previously learned languages and earlier language acquisition processes. The focus is on the school and/or first language German and the first foreign language English. However, other emerging languages are also included in the study.
The study contributes to the didactic discourse on multilingual didactic content in foreign language textbooks. It can also show teachers how these current textbooks can support their multilingual teaching.
The introduction emphasizes the relevance of language linking for foreign language teaching, especially with regard to students' individual plurilingualism. It points out the potential of interlingual transfer, which includes facilitating learning and promoting language awareness and language learning awareness.
Chapter 2 lays the theoretical foundations for the analysis by taking a closer look at pluri- and multilingualism and multilingual didactics, language linking and its potential. In addition, German and English are used to illustrate the potential for interlingual transfer that could be introduced in the teaching of French to beginners. The conditions for students to use interlingual transfer in their language acquisition are also discussed.
Chapter 3 provides an overview of the current state of research on language linking and plurilingualism in foreign language textbooks and identifies the research gap that this thesis seeks to fill.
Chapter 4 formulates the research question and its sub-questions, describes the textbooks studied and justifies the selection of the textbooks and the textbook components to be analyzed. The methodology of the comparative textbook analysis is explained.
The results of the analysis are presented in detail in Chapter 5. It is shown which language-related content occurs in the respective textbooks – in which form and including which languages and linguistic levels.
Chapter 6 discusses and analyzes the results, focusing on the textbooks' approaches to plurilingualism and trends found in the language-linking content.
In the concluding chapter 7, it is summarized that both textbooks offer a lot of language-linking content that has the potential to support multilingual didactic teaching. However, too few transfer processes are initiated, especially at the production level. In addition, it is shown which further studies are possible, e.g. with regard to the use of language-linking content in the classroom
Navigating the unknown
No full textVisionary leadership is considered to be one of the most important elements of effective leadership. Among other things, it is related to followers' perceived meaningfulness of their work. However, little is known about whether uncertainty in the workplace affects visionary leadership's effects. Given that uncertainty is rising in many, if not most, workplaces, it is vital to understand whether this development influences the extent to which visionary leadership is associated with followers' perceived meaningfulness. In a two-source, lagged design field study of 258 leader-follower dyads from different settings, we show that uncertainty moderates the relation between visionary leadership and followers' perceived meaningfulness such that this relation is more strongly positive when uncertainty is high, rather than low. Moreover, we show that with increasing uncertainty, visionary leadership is more negatively related to followers' turnover intentions via perceived meaningfulness. This research broadens our understanding of how visionary leadership may be a particularly potent tool in times of increasing uncertainty
Efficient state management with persistent memory
No full textEfficiently managing large state is a key challenge for data management systems. Traditionally, state is split into fast but volatile state in memory for processing and persistent but slow state on secondary storage for durability. Persistent memory (PMem), as a new technology in the storage hierarchy, blurs the lines between these states by offering both byte-addressability and low latency like DRAM as well persistence like secondary storage. These characteristics have the potential to cause a major performance shift in database systems.
Driven by the potential impact that PMem has on data management systems, in this thesis we explore their use of PMem. We first evaluate the performance of real PMem hardware in the form of Intel Optane in a wide range of setups. To this end, we propose PerMA-Bench, a configurable benchmark framework that allows users to evaluate the performance of customizable database-related PMem access. Based on experimental results obtained with PerMA-Bench, we discuss findings and identify general and implementation-specific aspects that influence PMem performance and should be considered in future work to improve PMem-aware designs. We then propose Viper, a hybrid PMem-DRAM key-value store. Based on PMem-aware access patterns, we show how to leverage PMem and DRAM efficiently to design a key database component. Our evaluation shows that Viper outperforms existing key-value stores by 4–18x for inserts while offering full data persistence and achieving similar or better lookup performance. Next, we show which changes must be made to integrate PMem components into larger systems. By the example of stream processing engines, we highlight limitations of current designs and propose a prototype engine that overcomes these limitations. This allows our prototype to fully leverage PMem's performance for its internal state management. Finally, in light of Optane's discontinuation, we discuss how insights from PMem research can be transferred to future multi-tier memory setups by the example of Compute Express Link (CXL).
Overall, we show that PMem offers high performance for state management, bridging the gap between fast but volatile DRAM and persistent but slow secondary storage. Although Optane was discontinued, new memory technologies are continuously emerging in various forms and we outline how novel designs for them can build on insights from existing PMem research.Die effiziente Verwaltung großer Zustände ist eine zentrale Herausforderung für Datenverwaltungssysteme. Traditionell wird der Zustand in einen schnellen, aber flüchtigen Zustand im Speicher für die Verarbeitung und einen persistenten, aber langsamen Zustand im Sekundärspeicher für die Speicherung unterteilt. Persistenter Speicher (PMem), eine neue Technologie in der Speicherhierarchie, lässt die Grenzen zwischen diesen Zuständen verschwimmen, indem er sowohl Byte-Adressierbarkeit und geringe Latenz wie DRAM als auch Persistenz wie Sekundärspeicher bietet. Diese Eigenschaften haben das Potenzial, die Leistung von Datenbanksystemen grundlegend zu verändern.
Aufgrund der potenziellen Auswirkungen, die PMem auf Datenverwaltungssysteme hat, untersuchen wir in dieser Arbeit ihre Verwendung von PMem. Zunächst evaluieren wir die Leistung von echter PMem-Hardware in Form von Intel Optane in einer Vielzahl von Konfigurationen. Zu diesem Zweck stellen wir PerMA-Bench vor, ein konfigurierbares Benchmark-Framework, mit dem Benutzer die Leistung von anpassbaren datenbankbezogenen PMem-Zugriffen untersuchen können. Auf der Grundlage der mit PerMA-Bench erzielten experimentellen Ergebnisse diskutieren wir unsere Erkenntnisse und identifizieren allgemeine und implementierungsspezifische Aspekte, die die PMem-Leistung beeinflussen und in zukünftigen Arbeiten berücksichtigt werden sollten, um PMem-fähige Designs zu verbessern. Anschließend präsentieren wir Viper, einen hybriden PMem-DRAM Key-Value-Store. Basierend auf PMem-bewussten Zugriffsmustern zeigen wir, wie PMem und DRAM effizient genutzt werden können, um eine wichtige Datenbankkomponente zu entwickeln. Unsere Evaluierung zeigt, dass Viper bestehende Key-Value-Stores bei Einfügungen um 4- bis 18-mal übertrifft, während er gleichzeitig vollständige Datenpersistenz bietet und ähnliche oder bessere Lookup-Leistung erzielt. Als nächstes zeigen wir, welche Änderungen vorgenommen werden müssen, um PMem-Komponenten in größere Systeme zu integrieren. Am Beispiel von Datenstromverarbeitungssystemen zeigen wir die Einschränkungen aktueller Designs auf und stellen einen Prototyp eines Systems vor, das diese Einschränkungen überwindet. Dadurch kann unser Prototyp die Leistung von PMem für die interne Zustandsverwaltung voll ausnutzen. Schließlich erörtern wir angesichts der Abkündigung von Optane, wie Erkenntnisse aus der PMem-Forschung am Beispiel von Compute Express Link (CXL) auf künftige mehrstufige Speicher-Setups übertragen werden können.
Insgesamt zeigen wir, dass PMem eine hohe Leistungsfähigkeit für die Zustandsverwaltung bietet und die Lücke zwischen schnellem, aber flüchtigem DRAM und beständigem, aber langsamem Sekundärspeicher schließt. Obwohl Optane eingestellt wurde, entstehen ständig neue Speichertechnologien in verschiedenen Formen, und wir skizzieren, wie neuartige Entwürfe für sie auf den Erkenntnissen aus der bestehenden PMem-Forschung aufbauen können