Cold Storage Data Archives: More Than Just a Bunch of Tapes

The abundance of available sensor and derived data from large scientific experiments, such as earth observation programs, radio astronomy sky surveys, and high-energy physics already exceeds the storage hardware globally fabricated per year. To that end, cold storage data archives are the---often overlooked---spearheads of modern big data analytics in scientific, data-intensive application domains. While high-performance data analytics has received much attention from the research community, the growing number of problems in designing and deploying cold storage archives has only received very little attention. In this paper, we take the first step towards bridging this gap in knowledge by presenting an analysis of four real-world cold storage archives from three different application domains. In doing so, we highlight (i) workload characteristics that differentiate these archives from traditional, performance-sensitive data analytics, (ii) design trade-offs involved in building cold storage systems for these archives, and (iii) deployment trade-offs with respect to migration to the public cloud. Based on our analysis, we discuss several other important research challenges that need to be addressed by the data management community

Hardware-conscious query processing for the many-core era

Die optimale Nutzung von moderner Hardware zur Beschleunigung von Datenbank-Anfragen ist keine triviale Aufgabe. Viele DBMS als auch DSMS der letzten Jahrzehnte basieren auf Sachverhalten, die heute kaum noch Gültigkeit besitzen. Ein Beispiel hierfür sind heutige Server-Systeme, deren Hauptspeichergröße im Bereich mehrerer Terabytes liegen kann und somit den Weg für Hauptspeicherdatenbanken geebnet haben. Einer der größeren letzten Hardware Trends geht hin zu Prozessoren mit einer hohen Anzahl von Kernen, den sogenannten Manycore CPUs. Diese erlauben hohe Parallelitätsgrade für Programme durch Multithreading sowie Vektorisierung (SIMD), was die Anforderungen an die Speicher-Bandbreite allerdings deutlich erhöht. Der sogenannte High-Bandwidth Memory (HBM) versucht diese Lücke zu schließen, kann aber ebenso wie Many-core CPUs jeglichen Performance-Vorteil negieren, wenn dieser leichtfertig eingesetzt wird. Diese Arbeit stellt die Many-core CPU-Architektur zusammen mit HBM vor, um Datenbank sowie Datenstrom-Anfragen zu beschleunigen. Es wird gezeigt, dass ein hardwarenahes Kostenmodell zusammen mit einem Kalibrierungsansatz die Performance verschiedener Anfrageoperatoren verlässlich vorhersagen kann. Dies ermöglicht sowohl eine adaptive Partitionierungs und Merge-Strategie für die Parallelisierung von Datenstrom-Anfragen als auch eine ideale Konfiguration von Join-Operationen auf einem DBMS. Nichtsdestotrotz ist nicht jede Operation und Anwendung für die Nutzung einer Many-core CPU und HBM geeignet. Datenstrom-Anfragen sind oft auch an niedrige Latenz und schnelle Antwortzeiten gebunden, welche von höherer Speicher-Bandbreite kaum profitieren können. Hinzu kommen üblicherweise niedrigere Taktraten durch die hohe Kernzahl der CPUs, sowie Nachteile für geteilte Datenstrukturen, wie das Herstellen von Cache-Kohärenz und das Synchronisieren von parallelen Thread-Zugriffen. Basierend auf den Ergebnissen dieser Arbeit lässt sich ableiten, welche parallelen Datenstrukturen sich für die Verwendung von HBM besonders eignen. Des Weiteren werden verschiedene Techniken zur Parallelisierung und Synchronisierung von Datenstrukturen vorgestellt, deren Effizienz anhand eines Mehrwege-Datenstrom-Joins demonstriert wird.Exploiting the opportunities given by modern hardware for accelerating query processing speed is no trivial task. Many DBMS and also DSMS from past decades are based on fundamentals that have changed over time, e.g., servers of today with terabytes of main memory capacity allow complete avoidance of spilling data to disk, which has prepared the ground some time ago for main memory databases. One of the recent trends in hardware are many-core processors with hundreds of logical cores on a single CPU, providing an intense degree of parallelism through multithreading as well as vectorized instructions (SIMD). Their demand for memory bandwidth has led to the further development of high-bandwidth memory (HBM) to overcome the memory wall. However, many-core CPUs as well as HBM have many pitfalls that can nullify any performance gain with ease. In this work, we explore the many-core architecture along with HBM for database and data stream query processing. We demonstrate that a hardware-conscious cost model with a calibration approach allows reliable performance prediction of various query operations. Based on that information, we can, therefore, come to an adaptive partitioning and merging strategy for stream query parallelization as well as finding an ideal configuration of parameters for one of the most common tasks in the history of DBMS, join processing. However, not all operations and applications can exploit a many-core processor or HBM, though. Stream queries optimized for low latency and quick individual responses usually do not benefit well from more bandwidth and suffer from penalties like low clock frequencies of many-core CPUs as well. Shared data structures between cores also lead to problems with cache coherence as well as high contention. Based on our insights, we give a rule of thumb which data structures are suitable to parallelize with focus on HBM usage. In addition, different parallelization schemas and synchronization techniques are evaluated, based on the example of a multiway stream join operation

Transactional and analytical data management on persistent memory

Die zunehmende Anzahl von Smart-Geräten und Sensoren, aber auch die sozialen Medien lassen das Datenvolumen und damit die geforderte Verarbeitungsgeschwindigkeit stetig wachsen. Gleichzeitig müssen viele Anwendungen Daten persistent speichern oder sogar strenge Transaktionsgarantien einhalten. Die neuartige Speichertechnologie Persistent Memory (PMem) mit ihren einzigartigen Eigenschaften scheint ein natürlicher Anwärter zu sein, um diesen Anforderungen effizient nachzukommen. Sie ist im Vergleich zu DRAM skalierbarer, günstiger und dauerhaft. Im Gegensatz zu Disks ist sie deutlich schneller und direkt adressierbar. Daher wird in dieser Dissertation der gezielte Einsatz von PMem untersucht, um den Anforderungen moderner Anwendung gerecht zu werden. Nach der Darlegung der grundlegenden Arbeitsweise von und mit PMem, konzentrieren wir uns primär auf drei Aspekte der Datenverwaltung. Zunächst zerlegen wir mehrere persistente Daten- und Indexstrukturen in ihre zugrundeliegenden Entwurfsprimitive, um Abwägungen für verschiedene Zugriffsmuster aufzuzeigen. So können wir ihre besten Anwendungsfälle und Schwachstellen, aber auch allgemeine Erkenntnisse über das Entwerfen von PMem-basierten Datenstrukturen ermitteln. Zweitens schlagen wir zwei Speicherlayouts vor, die auf analytische Arbeitslasten abzielen und eine effiziente Abfrageausführung auf beliebigen Attributen ermöglichen. Während der erste Ansatz eine verknüpfte Liste von mehrdimensionalen gruppierten Blöcken verwendet, handelt es sich beim zweiten Ansatz um einen mehrdimensionalen Index, der Knoten im DRAM zwischenspeichert. Drittens zeigen wir unter Verwendung der bisherigen Datenstrukturen und Erkenntnisse, wie Datenstrom- und Ereignisverarbeitungssysteme mit transaktionaler Zustandsverwaltung verbessert werden können. Dabei schlagen wir ein neuartiges Transactional Stream Processing (TSP) Modell mit geeigneten Konsistenz- und Nebenläufigkeitsprotokollen vor, die an PMem angepasst sind. Zusammen sollen die diskutierten Aspekte eine Grundlage für die Entwicklung noch ausgereifterer PMem-fähiger Systeme bilden. Gleichzeitig zeigen sie, wie Datenverwaltungsaufgaben PMem ausnutzen können, indem sie neue Anwendungsgebiete erschließen, die Leistung, Skalierbarkeit und Wiederherstellungsgarantien verbessern, die Codekomplexität vereinfachen sowie die ökonomischen und ökologischen Kosten reduzieren.The increasing number of smart devices and sensors, but also social media are causing the volume of data and thus the demanded processing speed to grow steadily. At the same time, many applications need to store data persistently or even comply with strict transactional guarantees. The novel storage technology Persistent Memory (PMem), with its unique properties, seems to be a natural candidate to meet these requirements efficiently. Compared to DRAM, it is more scalable, less expensive, and durable. In contrast to disks, it is significantly faster and directly addressable. Therefore, this dissertation investigates the deliberate employment of PMem to fit the needs of modern applications. After presenting the fundamental work of and with PMem, we focus primarily on three aspects of data management. First, we disassemble several persistent data and index structures into their underlying design primitives to reveal the trade-offs for various access patterns. It allows us to identify their best use cases and vulnerabilities but also to gain general insights into the design of PMem-based data structures. Second, we propose two storage layouts that target analytical workloads and enable an efficient query execution on arbitrary attributes. While the first approach employs a linked list of multi-dimensional clustered blocks that potentially span several storage layers, the second approach is a multi-dimensional index that caches nodes in DRAM. Third, we show how to improve stream and event processing systems involving transactional state management using the preceding data structures and insights. In this context, we propose a novel Transactional Stream Processing (TSP) model with appropriate consistency and concurrency protocols adapted to PMem. Together, the discussed aspects are intended to provide a foundation for developing even more sophisticated PMemenabled systems. At the same time, they show how data management tasks can take advantage of PMem by opening up new application domains, improving performance, scalability, and recovery guarantees, simplifying code complexity, plus reducing economic and environmental costs