LogBase: A Scalable Log-structured Database System in the Cloud

Numerous applications such as financial transactions (e.g., stock trading) are write-heavy in nature. The shift from reads to writes in web applications has also been accelerating in recent years. Write-ahead-logging is a common approach for providing recovery capability while improving performance in most storage systems. However, the separation of log and application data incurs write overheads observed in write-heavy environments and hence adversely affects the write throughput and recovery time in the system. In this paper, we introduce LogBase - a scalable log-structured database system that adopts log-only storage for removing the write bottleneck and supporting fast system recovery. LogBase is designed to be dynamically deployed on commodity clusters to take advantage of elastic scaling property of cloud environments. LogBase provides in-memory multiversion indexes for supporting efficient access to data maintained in the log. LogBase also supports transactions that bundle read and write operations spanning across multiple records. We implemented the proposed system and compared it with HBase and a disk-based log-structured record-oriented system modeled after RAMCloud. The experimental results show that LogBase is able to provide sustained write throughput, efficient data access out of the cache, and effective system recovery.Comment: VLDB201

Efficient bulk-loading methods for temporal and multidimensional index structures

Nahezu alle naturwissenschaftlichen Bereiche profitieren von neuesten Analyse- und Verarbeitungsmethoden für große Datenmengen. Diese Verfahren setzten eine effiziente Verarbeitung von geo- und zeitbezogenen Daten voraus, da die Zeit und die Position wichtige Attribute vieler Daten sind. Die effiziente Anfrageverarbeitung wird insbesondere durch den Einsatz von Indexstrukturen ermöglicht. Im Fokus dieser Arbeit liegen zwei Indexstrukturen: Multiversion B-Baum (MVBT) und R-Baum. Die erste Struktur wird für die Verwaltung von zeitbehafteten Daten, die zweite für die Indexierung von mehrdimensionalen Rechteckdaten eingesetzt. Ständig- und schnellwachsendes Datenvolumen stellt eine große Herausforderung an die Informatik dar. Der Aufbau und das Aktualisieren von Indexen mit herkömmlichen Methoden (Datensatz für Datensatz) ist nicht mehr effizient. Um zeitnahe und kosteneffiziente Datenverarbeitung zu ermöglichen, werden Verfahren zum schnellen Laden von Indexstrukturen dringend benötigt. Im ersten Teil der Arbeit widmen wir uns der Frage, ob es ein Verfahren für das Laden von MVBT existiert, das die gleiche I/O-Komplexität wie das externe Sortieren besitz. Bis jetzt blieb diese Frage unbeantwortet. In dieser Arbeit haben wir eine neue Kostruktionsmethode entwickelt und haben gezeigt, dass diese gleiche Zeitkomplexität wie das externe Sortieren besitzt. Dabei haben wir zwei algorithmische Techniken eingesetzt: Gewichts-Balancierung und Puffer-Bäume. Unsere Experimenten zeigen, dass das Resultat nicht nur theoretischer Bedeutung ist. Im zweiten Teil der Arbeit beschäftigen wir uns mit der Frage, ob und wie statistische Informationen über Geo-Anfragen ausgenutzt werden können, um die Anfrageperformanz von R-Bäumen zu verbessern. Unsere neue Methode verwendet Informationen wie Seitenverhältnis und Seitenlängen eines repräsentativen Anfragerechtecks, um einen guten R-Baum bezüglich eines häufig eingesetzten Kostenmodells aufzubauen. Falls diese Informationen nicht verfügbar sind, optimieren wir R-Bäume bezüglich der Summe der Volumina von minimal umgebenden Rechtecken der Blattknoten. Da das Problem des Aufbaus von optimalen R-Bäumen bezüglich dieses Kostenmaßes NP-hart ist, führen wir zunächst das Problem auf ein eindimensionales Partitionierungsproblem zurück, indem wir die Daten bezüglich optimierte raumfüllende Kurven sortieren. Dann lösen wir dieses Problem durch Einsatz vom dynamischen Programmieren. Die I/O-Komplexität des Verfahrens ist gleich der von externem Sortieren, da die I/O-Laufzeit der Methode durch die Laufzeit des Sortierens dominiert wird. Im letzten Teil der Arbeit haben wir die entwickelten Partitionierungsvefahren für den Aufbau von Geo-Histogrammen eingesetzt, da diese ähnlich zu R-Bäumen eine disjunkte Partitionierung des Raums erzeugen. Ergebnisse von intensiven Experimenten zeigen, dass sich unter Verwendung von neuen Partitionierungstechniken sowohl R-Bäume mit besserer Anfrageperformanz als auch Geo-Histogrammen mit besserer Schätzqualität im Vergleich zu Konkurrenzverfahren generieren lassen

Collaborative OLAP with Tag Clouds: Web 2.0 OLAP Formalism and Experimental Evaluation

Increasingly, business projects are ephemeral. New Business Intelligence tools must support ad-lib data sources and quick perusal. Meanwhile, tag clouds are a popular community-driven visualization technique. Hence, we investigate tag-cloud views with support for OLAP operations such as roll-ups, slices, dices, clustering, and drill-downs. As a case study, we implemented an application where users can upload data and immediately navigate through its ad hoc dimensions. To support social networking, views can be easily shared and embedded in other Web sites. Algorithmically, our tag-cloud views are approximate range top-k queries over spontaneous data cubes. We present experimental evidence that iceberg cuboids provide adequate online approximations. We benchmark several browser-oblivious tag-cloud layout optimizations.Comment: Software at https://github.com/lemire/OLAPTagClou

Efficient Management of Short-Lived Data

Motivated by the increasing prominence of loosely-coupled systems, such as mobile and sensor networks, which are characterised by intermittent connectivity and volatile data, we study the tagging of data with so-called expiration times. More specifically, when data are inserted into a database, they may be tagged with time values indicating when they expire, i.e., when they are regarded as stale or invalid and thus are no longer considered part of the database. In a number of applications, expiration times are known and can be assigned at insertion time. We present data structures and algorithms for online management of data tagged with expiration times. The algorithms are based on fully functional, persistent treaps, which are a combination of binary search trees with respect to a primary attribute and heaps with respect to a secondary attribute. The primary attribute implements primary keys, and the secondary attribute stores expiration times in a minimum heap, thus keeping a priority queue of tuples to expire. A detailed and comprehensive experimental study demonstrates the well-behavedness and scalability of the approach as well as its efficiency with respect to a number of competitors.Comment: switched to TimeCenter latex styl

Ensuring Serializable Executions with Snapshot Isolation DBMS

Snapshot Isolation (SI) is a multiversion concurrency control that has been implemented by open source and commercial database systems such as PostgreSQL and Oracle. The main feature of SI is that a read operation does not block a write operation and vice versa, which allows higher degree of concurrency than traditional two-phase locking. SI prevents many anomalies that appear in other isolation levels, but it still can result in non-serializable execution, in which database integrity constraints can be violated. Several techniques have been proposed to ensure serializable execution with engines running SI; these techniques are based on modifying the applications by introducing conflicting SQL statements. However, with each of these techniques the DBA has to make a difficult choice among possible transactions to modify. This thesis helps the DBA’s to choose between these different techniques and choices by understanding how the choices affect system performance. It also proposes a novel technique called ’External Lock Manager’ (ELM) which introduces conflicts in a separate lock-manager object so that every execution will be serializable. We build a prototype system for ELM and we run experiments to demonstrate the robustness of the new technique compare to the previous techniques. Experiments show that modifying the application code for some transactions has a high impact on performance for some choices, which makes it very hard for DBA’s to choose wisely. However, ELM has peak performance which is similar to SI, no matter which transactions are chosen for modification. Thus we say that ELM is a robust technique for ensure serializable execution