Bench-Ranking: ettekirjutav analüüsimeetod suurte teadmiste graafide päringutele

Relatsiooniliste suurandmete (BD) töötlemisraamistike kasutamine suurte teadmiste graafide töötlemiseks kätkeb endas võimalust päringu jõudlust optimeerimida. Kaasaegsed BD-süsteemid on samas keerulised andmesüsteemid, mille konfiguratsioonid omavad olulist mõju jõudlusele. Erinevate raamistike ja konfiguratsioonide võrdlusuuringud pakuvad kogukonnale parimaid tavasid parema jõudluse saavutamiseks. Enamik neist võrdlusuuringutest saab liigitada siiski vaid kirjeldavaks ja diagnostiliseks analüütikaks. Lisaks puudub ühtne standard nende uuringute võrdlemiseks kvantitatiivselt järjestatud kujul. Veelgi enam, suurte graafide töötlemiseks vajalike konveierite kavandamine eeldab täiendavaid disainiotsuseid mis tulenevad mitteloomulikust (relatsioonilisest) graafi töötlemise paradigmast. Taolisi disainiotsuseid ei saa automaatselt langetada, nt relatsiooniskeemi, partitsioonitehnika ja salvestusvormingute valikut. Käesolevas töös käsitleme kuidas me antud uurimuslünga täidame. Esmalt näitame disainiotsuste kompromisside mõju BD-süsteemide jõudluse korratavusele suurte teadmiste graafide päringute tegemisel. Lisaks näitame BD-raamistike jõudluse kirjeldavate ja diagnostiliste analüüside piiranguid suurte graafide päringute tegemisel. Seejärel uurime, kuidas lubada ettekirjutavat analüütikat järjestamisfunktsioonide ja mitmemõõtmeliste optimeerimistehnikate (nn "Bench-Ranking") kaudu. See lähenemine peidab kirjeldava tulemusanalüüsi keerukuse, suunates praktiku otse teostatavate teadlike otsusteni.Leveraging relational Big Data (BD) processing frameworks to process large knowledge graphs yields a great interest in optimizing query performance. Modern BD systems are yet complicated data systems, where the configurations notably affect the performance. Benchmarking different frameworks and configurations provides the community with best practices for better performance. However, most of these benchmarking efforts are classified as descriptive and diagnostic analytics. Moreover, there is no standard for comparing these benchmarks based on quantitative ranking techniques. Moreover, designing mature pipelines for processing big graphs entails considering additional design decisions that emerge with the non-native (relational) graph processing paradigm. Those design decisions cannot be decided automatically, e.g., the choice of the relational schema, partitioning technique, and storage formats. Thus, in this thesis, we discuss how our work fills this timely research gap. Particularly, we first show the impact of those design decisions’ trade-offs on the BD systems’ performance replicability when querying large knowledge graphs. Moreover, we showed the limitations of the descriptive and diagnostic analyses of BD frameworks’ performance for querying large graphs. Thus, we investigate how to enable prescriptive analytics via ranking functions and Multi-Dimensional optimization techniques (called ”Bench-Ranking”). This approach abstracts out from the complexity of descriptive performance analysis, guiding the practitioner directly to actionable informed decisions.https://www.ester.ee/record=b553332

Advanced analytics through FPGA based query processing and deep reinforcement learning

Today, vast streams of structured and unstructured data have been incorporated in databases, and analytical processes are applied to discover patterns, correlations, trends and other useful relationships that help to take part in a broad range of decision-making processes. The amount of generated data has grown very large over the years, and conventional database processing methods from previous generations have not been sufficient to provide satisfactory results regarding analytics performance and prediction accuracy metrics. Thus, new methods are needed in a wide array of fields from computer architectures, storage systems, network design to statistics and physics. This thesis proposes two methods to address the current challenges and meet the future demands of advanced analytics. First, we present AxleDB, a Field Programmable Gate Array based query processing system which constitutes the frontend of an advanced analytics system. AxleDB melds highly-efficient accelerators with memory, storage and provides a unified programmable environment. AxleDB is capable of offloading complex Structured Query Language queries from host CPU. The experiments have shown that running a set of TPC-H queries, AxleDB can perform full queries between 1.8x and 34.2x faster and 2.8x to 62.1x more energy efficient compared to MonetDB, and PostgreSQL on a single workstation node. Second, we introduce TauRieL, a novel deep reinforcement learning (DRL) based method for combinatorial problems. The design idea behind combining DRL and combinatorial problems is to apply the prediction capabilities of deep reinforcement learning and to use the universality of combinatorial optimization problems to explore general purpose predictive methods. TauRieL utilizes an actor-critic inspired DRL architecture that adopts ordinary feedforward nets. Furthermore, TauRieL performs online training which unifies training and state space exploration. The experiments show that TauRieL can generate solutions two orders of magnitude faster and performs within 3% of accuracy compared to the state-of-the-art DRL on the Traveling Salesman Problem while searching for the shortest tour. Also, we present that TauRieL can be adapted to the Knapsack combinatorial problem. With a very minimal problem specific modification, TauRieL can outperform a Knapsack specific greedy heuristics.Hoy en día, se han incorporado grandes cantidades de datos estructurados y no estructurados en las bases de datos, y se les aplican procesos analíticos para descubrir patrones, correlaciones, tendencias y otras relaciones útiles que se utilizan mayormente para la toma de decisiones. La cantidad de datos generados ha crecido enormemente a lo largo de los años, y los métodos de procesamiento de bases de datos convencionales utilizados en las generaciones anteriores no son suficientes para proporcionar resultados satisfactorios respecto al rendimiento del análisis y respecto de la precisión de las predicciones. Por lo tanto, se necesitan nuevos métodos en una amplia gama de campos, desde arquitecturas de computadoras, sistemas de almacenamiento, diseño de redes hasta estadísticas y física. Esta tesis propone dos métodos para abordar los desafíos actuales y satisfacer las demandas futuras de análisis avanzado. Primero, presentamos AxleDB, un sistema de procesamiento de consultas basado en FPGAs (Field Programmable Gate Array) que constituye la interfaz de un sistema de análisis avanzado. AxleDB combina aceleradores altamente eficientes con memoria, almacenamiento y proporciona un entorno programable unificado. AxleDB es capaz de descargar consultas complejas de lenguaje de consulta estructurado desde la CPU del host. Los experimentos han demostrado que al ejecutar un conjunto de consultas TPC-H, AxleDB puede realizar consultas completas entre 1.8x y 34.2x más rápido y 2.8x a 62.1x más eficiente energéticamente que MonetDB, y PostgreSQL en un solo nodo de una estación de trabajo. En segundo lugar, presentamos TauRieL, un nuevo método basado en Deep Reinforcement Learning (DRL) para problemas combinatorios. La idea central que está detrás de la combinación de DRL y problemas combinatorios, es aplicar las capacidades de predicción del aprendizaje de refuerzo profundo y el uso de la universalidad de los problemas de optimización combinatoria para explorar métodos predictivos de propósito general. TauRieL utiliza una arquitectura DRL inspirada en el actor-crítico que se adapta a redes feedforward. Además, TauRieL realiza el entrenamieton en línea que unifica el entrenamiento y la exploración espacial de los estados. Los experimentos muestran que TauRieL puede generar soluciones dos órdenes de magnitud más rápido y funciona con un 3% de precisión en comparación con el estado del arte en DRL aplicado al problema del viajante mientras busca el recorrido más corto. Además, presentamos que TauRieL puede adaptarse al problema de la Mochila. Con una modificación específica muy mínima del problema, TauRieL puede superar a una heurística codiciosa de Knapsack Problem.Postprint (published version

Storage Format Selection and Optimization for Materialized Intermediate Results in Data-Intensive Flows

Modern organizations produce and collect large volumes of data, that need to be processed repeatedly and quickly for gaining business insights. For such processing, typically, Data-intensive Flows (DIFs) are deployed on distributed processing frameworks. The DIFs of different users have many computation overlaps (i.e., parts of the processing are duplicated), thus wasting computational resources and increasing the overall cost. The output of these computation overlaps (known as intermediate results) can be materialized for reuse, which helps in reducing the cost and saves computational resources if properly done. Furthermore, the way such outputs are materialized must be considered, as different storage layouts (i.e., horizontal, vertical, and hybrid) can be used to reduce the I/O cost. In this PhD work, we first propose a novel approach for automatically materializing the intermediate results of DIFs through a multi-objective optimization method, which can tackle multiple and conflicting quality metrics. Next, we study the behavior of different operators of DIFs that are the first to process the loaded materialized results. Based on this study, we devise a rule-based approach, that decides the storage layout for materialized results based on the subsequent operation types. Despite improving the cost in general, the heuristic rules do not consider the amount of data read while making the choice, which could lead to a wrong decision. Thus, we design a cost model that is capable of finding the right storage layout for every scenario. The cost model uses data and workload characteristics to estimate the I/O cost of a materialized intermediate results with different storage layouts and chooses the one which has minimum cost. The results show that storage layouts help to reduce the loading time of materialized results and overall, they improve the performance of DIFs. The thesis also focuses on the optimization of the configurable parameters of hybrid layouts. We propose ATUN-HL (Auto TUNing Hybrid Layouts), which based on the same cost model and given the workload and characteristics of data, finds the optimal values for configurable parameters in hybrid layouts (i.e., Parquet). Finally, the thesis also studies the impact of parallelism in DIFs and hybrid layouts. Our proposed cost model helps to devise an approach for fine-tuning the parallelism by deciding the number of tasks and machines to process the data. Thus, the cost model proposed in this thesis, enables in choosing the best possible storage layout for materialized intermediate results, tuning the configurable parameters of hybrid layouts, and estimating the number of tasks and machines for the execution of DIFs.Moderne Unternehmen produzieren und sammeln große Datenmengen, die wiederholt und schnell verarbeitet werden müssen, um geschäftliche Erkenntnisse zu gewinnen. Für die Verarbeitung dieser Daten werden typischerweise Datenintensive Prozesse (DIFs) auf verteilten Systemen wie z.B. MapReduce bereitgestellt. Dabei ist festzustellen, dass die DIFs verschiedener Nutzer sich in großen Teilen überschneiden, wodurch viel Arbeit mehrfach geleistet, Ressourcen verschwendet und damit die Gesamtkosten erhöht werden. Um diesen Effekt entgegenzuwirken, können die Zwischenergebnisse der DIFs für spätere Wiederverwendungen materialisiert werden. Hierbei müssen vor allem die unterschiedlichen Speicherlayouts (horizontal, vertikal und hybrid) berücksichtigt werden. In dieser Doktorarbeit wird ein neuartiger Ansatz zur automatischen Materialisierung der Zwischenergebnisse von DIFs durch eine mehrkriterielle Optimierungsmethode vorgeschlagen, der in der Lage ist widersprüchliche Qualitätsmetriken zu behandeln. Des Weiteren wird untersucht die Wechselwirkung zwischen verschiedenen peratortypen und unterschiedlichen Speicherlayouts untersucht. Basierend auf dieser Untersuchung wird ein regelbasierter Ansatz vorgeschlagen, der das Speicherlayout für materialisierte Ergebnisse, basierend auf den nachfolgenden Operationstypen, festlegt. Obwohl sich die Gesamtkosten für die Ausführung der DIFs im Allgemeinen verbessern, ist der heuristische Ansatz nicht in der Lage die gelesene Datenmenge bei der Auswahl des Speicherlayouts zu berücksichtigen. Dies kann in einigen Fällen zu falschen Entscheidung führen. Aus diesem Grund wird ein Kostenmodell entwickelt, mit dem für jedes Szenario das richtige Speicherlayout gefunden werden kann. Das Kostenmodell schätzt anhand von Daten und Auslastungsmerkmalen die E/A-Kosten eines materialisierten Zwischenergebnisses mit unterschiedlichen Speicherlayouts und wählt das kostenminimale aus. Die Ergebnisse zeigen, dass Speicherlayouts die Ladezeit materialisierter Ergebnisse verkürzen und insgesamt die Leistung von DIFs verbessern. Die Arbeit befasst sich auch mit der Optimierung der konfigurierbaren Parameter von hybriden Layouts. Konkret wird der sogenannte ATUN-HL Ansatz (Auto TUNing Hybrid Layouts) entwickelt, der auf der Grundlage des gleichen Kostenmodells und unter Berücksichtigung der Auslastung und der Merkmale der Daten die optimalen Werte für konfigurierbare Parameter in Parquet, d.h. eine Implementierung von hybrider Layouts. Schließlich werden in dieser Arbeit auch die Auswirkungen von Parallelität in DIFs und hybriden Layouts untersucht. Dazu wird ein Ansatz entwickelt, der in der Lage ist die Anzahl der Aufgaben und dafür notwendigen Maschinen automatisch zu bestimmen. Zusammengefasst lässt sich festhalten, dass das in dieser Arbeit vorgeschlagene Kostenmodell es ermöglicht, das bestmögliche Speicherlayout für materialisierte Zwischenergebnisse zu ermitteln, die konfigurierbaren Parameter hybrider Layouts festzulegen und die Anzahl der Aufgaben und Maschinen für die Ausführung von DIFs zu schätzen

Storage format selection and optimization for materialized intermediate results in data-intensive flows

Tesi en modalitat de cotuela: Universitat Politècnica de Catalunya i Technische Universität DresdenModern organizations produce and collect large volumes of data, that need to be processed repeatedly and quickly for gaining business insights. For such processing, typically, Data-intensive Flows (DIFs) are deployed on distributed processing frameworks. The DIFs of different users have many computation overlaps (i.e., parts of the processing are duplicated), thus wasting computational resources and increasing the overall cost. The output of these computation overlaps (known as intermediate results) can be materialized for reuse, which helps in reducing the cost and saves computational resources if properly done. Furthermore, the way such outputs are materialized must be considered, as different storage layouts (i.e., horizontal, vertical, and hybrid) can be used to reduce the I/O cost. In this PhD work, we first propose a novel approach for automatically materializing the intermediate results of DIFs through a multi-objective optimization method, which can tackle multiple and conflicting quality metrics. Next, we study the behavior of different operators of DIFs that are the first to process the loaded materialized results. Based on this study, we devise a rule-based approach, that decides the storage layout for materialized results based on the subsequent operation types. Despite improving the cost in general, the heuristic rules do not consider the amount of data read while making the choice, which could lead to a wrong decision. Thus, we design a cost model that is capable of finding the right storage layout for every scenario. The cost model uses data and workload characteristics to estimate the I/O cost of a materialized intermediate results with different storage layouts and chooses the one which has minimum cost. The results show that storage layouts help to reduce the loading time of materialized results and overall, they improve the performance of DIFs. The thesis also focuses on the optimization of the configurable parameters of hybrid layouts. We propose ATUN-HL (Auto TUNing Hybrid Layouts), which based on the same cost model and given the workload and characteristics of data, finds the optimal values for configurable parameters in hybrid layouts (i.e., Parquet). Finally, the thesis also studies the impact of parallelism in DIFs and hybrid layouts. Our proposed cost model helps to devise an approach for fine-tuning the parallelism by deciding the number of tasks and machines to process the data. Thus, the cost model proposed in this thesis, enables in choosing the best possible storage layout for materialized intermediate results, tuning the configurable parameters of hybrid layouts, and estimating the number of tasks and machines for the execution of DIFs.Las organizaciones producen y recopilan grandes volúmenes de datos, que deben procesarse de forma repetitiva y rápida para obtener información relevante para la empresa. Para tal procesamiento, por lo general, se emplean flujos intensivos de datos (DIFs por sussiglas en inglés) en entornos de procesamiento distribuido. Los DIFs de diferentes usuarios tienen elementos comunes (es decir, se duplican partes del procesamiento, lo que desperdicia recursos computacionales y aumenta el coste en general). Los resultados intermedios de varios DIFs pueden pues coincidir y se pueden por tanto materializar para facilitar su reutilización, lo que ayuda a reducir el coste y ahorrar recursos si se realiza correctamente. Además, la forma en qué se materializan dichos resultados debe ser considerada. Por ejemplo, diferentes tipos de diseño lógico de los datos (es decir, horizontal, vertical o híbrido) se pueden utilizar para reducir el coste de E/S. En esta tesis doctoral, primero proponemos un enfoque novedoso para materializar automáticamente los resultados intermedios de los DIFs a través de un método de optimización multi-objetivo, que puede considerar múltiples y contradictorias métricas de calidad. A continuación, estudiamos el comportamiento de diferentes operadores de DIF que acceden directamente a los resultados materializados. Sobre la base de este estudio, ideamos un enfoque basado en reglas, que decide el diseño del almacenamiento para los resultados materializados en función de los tipos de operaciones que los utilizan directamente. A pesar de mejorar el coste en general, las reglas heurísticas no consideran estadísticas sobre la cantidad de datos leídos al hacer la elección, lo que podría llevar a una decisión errónea. Consecuentemente, diseñamos un modelo de costos que es capaz de encontrar el diseño de almacenamiento adecuado para cada escenario dependiendo de las características de los datos almacenados. El modelo de costes usa estadísticas y características de acceso para estimar el coste de E/S de un resultado intervii medio materializado con diferentes diseños de almacenamiento y elige el de menor coste. Los resultados muestran que los diseños de almacenamiento ayudan a reducir el tiempo de carga de los resultados materializados y, en general, mejoran el rendimiento de los DIF. La tesis también presta atención a la optimización de los parámetros configurables de diseños híbridos. Proponemos así ATUN-HL (Auto TUNing Hybrid Layouts), que, basado en el mismo modelo de costes, las características de los datos y el tipo de acceso que se está haciendo, encuentra los valores óptimos para los parámetros de configuración en disponibles Parquet (una implementación de diseños híbridos para Hadoop Distributed File System). Finalmente, esta tesis estudia el impacto del paralelismo en DIF y diseños híbridos. El modelo de coste propuesto ayuda a idear un enfoque para ajustar el paralelismo al decidir la cantidad de tareas y máquinas para procesar los datos. En resumen, el modelo de costes propuesto permite elegir el mejor diseño de almacenamiento posible para los resultados intermedios materializados, ajustar los parámetros configurables de diseños híbridos y estimar el número de tareas y máquinas para la ejecución de DIF.Moderne Unternehmen produzieren und sammeln große Datenmengen, die wiederholt und schnell verarbeitet werden müssen, um geschäftliche Erkenntnisse zu gewinnen. Für die Verarbeitung dieser Daten werden typischerweise Datenintensive Prozesse (DIFs) auf verteilten Systemen wie z.B. MapReduce bereitgestellt. Dabei ist festzustellen, dass die DIFs verschiedener Nutzer sich in großen Teilen überschneiden, wodurch viel Arbeit mehrfach geleistet, Ressourcen verschwendet und damit die Gesamtkosten erhöht werden. Um diesen Effekt entgegenzuwirken, können die Zwischenergebnisse der DIFs für spätere Wiederverwendungen materialisiert werden. Hierbei müssen vor allem die unterschiedlichen Speicherlayouts (horizontal, vertikal und hybrid) berücksichtigt werden. In dieser Doktorarbeit wird ein neuartiger Ansatz zur automatischen Materialisierung der Zwischenergebnisse von DIFs durch eine mehrkriterielle Optimierungsmethode vorgeschlagen, der in der Lage ist widersprüchliche Qualitätsmetriken zu behandeln. Des Weiteren wird untersucht die Wechselwirkung zwischen verschiedenen Operatortypen und unterschiedlichen Speicherlayouts untersucht. Basierend auf dieser Untersuchung wird ein regelbasierter Ansatz vorgeschlagen, der das Speicherlayout für materialisierte Ergebnisse, basierend auf den nachfolgenden Operationstypen, festlegt. Obwohl sich die Gesamtkosten für die Ausführung der DIFs im Allgemeinen verbessern, ist der heuristische Ansatz nicht in der Lage die gelesene Datenmenge bei der Auswahl des Speicherlayouts zu berücksichtigen. Dies kann in einigen Fällen zu falschen Entscheidung führen. Aus diesem Grund wird ein Kostenmodell entwickelt, mit dem für jedes Szenario das richtige Speicherlayout gefunden werden kann. Das Kostenmodell schätzt anhand von Daten und Auslastungsmerkmalen die E/A-Kosten eines materialisierten Zwischenergebnisses mit unterschiedlichen Speicherlayouts und wählt das kostenminimale aus. Die Ergebnisse zeigen, dass Speicherlayouts die Ladezeit materialisierter Ergebnisse verkürzen und insgesamt die Leistung von DIFs verbessern. Die Arbeit befasst sich auch mit der Optimierung der konfigurierbaren Parameter von hybriden Layouts. Konkret wird der sogenannte ATUN-HLAnsatz (Auto TUNing Hybrid Layouts) entwickelt, der auf der Grundlage des gleichen Kostenmodells und unter Berücksichtigung der Auslastung und der Merkmale der Daten die optimalen Werte für konfigurierbare Parameter in Parquet, d.h. eine Implementierung von hybrider Layouts. Schließlich werden in dieser Arbeit auch die Auswirkungen von Parallelität in DIFs und hybriden Layouts untersucht. Dazu wird ein Ansatz entwickelt, der in der Lage ist die Anzahl der Aufgaben und dafür notwendigen Maschinen automatisch zu bestimmen. Zusammengefasst lässt sich festhalten, dass das in dieser Arbeit vorgeschlagene Kostenmodell es ermöglicht, das bestmögliche Speicherlayout für materialisierte Zwischenergebnisse zu ermitteln, die konfigurierbaren Parameter hybrider Layouts festzulegen und die Anzahl der Aufgaben und Maschinen für die Ausführung von DIFs zu schätzenPostprint (published version

A connectome and analysis of the adult Drosophila central brain

The neural circuits responsible for animal behavior remain largely unknown. We summarize new methods and present the circuitry of a large fraction of the brain of the fruit fly Drosophila melanogaster. Improved methods include new procedures to prepare, image, align, segment, find synapses in, and proofread such large data sets. We define cell types, refine computational compartments, and provide an exhaustive atlas of cell examples and types, many of them novel. We provide detailed circuits consisting of neurons and their chemical synapses for most of the central brain. We make the data public and simplify access, reducing the effort needed to answer circuit questions, and provide procedures linking the neurons defined by our analysis with genetic reagents. Biologically, we examine distributions of connection strengths, neural motifs on different scales, electrical consequences of compartmentalization, and evidence that maximizing packing density is an important criterion in the evolution of the fly’s brain

A connectome and analysis of the adult Drosophila central brain.

The neural circuits responsible for animal behavior remain largely unknown. We summarize new methods and present the circuitry of a large fraction of the brain of the fruit fly Drosophila melanogaster. Improved methods include new procedures to prepare, image, align, segment, find synapses in, and proofread such large data sets. We define cell types, refine computational compartments, and provide an exhaustive atlas of cell examples and types, many of them novel. We provide detailed circuits consisting of neurons and their chemical synapses for most of the central brain. We make the data public and simplify access, reducing the effort needed to answer circuit questions, and provide procedures linking the neurons defined by our analysis with genetic reagents. Biologically, we examine distributions of connection strengths, neural motifs on different scales, electrical consequences of compartmentalization, and evidence that maximizing packing density is an important criterion in the evolution of the fly's brain