Query processing of pre-partitioned data using Sandwich Operators

textabstractIn this paper we present the Sandwich Operators, an elegant approach to exploit pre-sorting or pre-grouping from clustered storage schemes in operators such as Aggregation/Grouping, HashJoin, and Sort of a database management system. Thereby, each of these operator types is "sandwiched" by two new operators, namely PartitionSplit and PartitionRestart. PartitionSplit splits the input relation into its smaller independent groups on which the sandwiched operator is executed. After a group is processed PartitionRestart is used to trigger the execution on the following group. Executing one of these operator types with the help of the Sandwich Operators introduces minimal overhead and does not penalty performance of the sandwiched operator as its implementation remains unchanged. On the contrary, we show that sandwiched execution of an operator results in lower memory consumption and faster execution time. PartitionSplit and PartitionRestart replace special implementations of partitioned versions of these operator. Sandwich Operators also turn blocking operators in streaming operators, resulting in faster response times for the first query results

Qd-tree: Learning Data Layouts for Big Data Analytics

Corporations today collect data at an unprecedented and accelerating scale, making the need to run queries on large datasets increasingly important. Technologies such as columnar block-based data organization and compression have become standard practice in most commercial database systems. However, the problem of best assigning records to data blocks on storage is still open. For example, today's systems usually partition data by arrival time into row groups, or range/hash partition the data based on selected fields. For a given workload, however, such techniques are unable to optimize for the important metric of the number of blocks accessed by a query. This metric directly relates to the I/O cost, and therefore performance, of most analytical queries. Further, they are unable to exploit additional available storage to drive this metric down further. In this paper, we propose a new framework called a query-data routing tree, or qd-tree, to address this problem, and propose two algorithms for their construction based on greedy and deep reinforcement learning techniques. Experiments over benchmark and real workloads show that a qd-tree can provide physical speedups of more than an order of magnitude compared to current blocking schemes, and can reach within 2X of the lower bound for data skipping based on selectivity, while providing complete semantic descriptions of created blocks.Comment: ACM SIGMOD 202

Efficient Query Processing for Multi-Dimensionally Clustered Tables in DB2

We have introduced a Multi-Dimensional Clustering (MDC) physical layout scheme in DB2 version 8.0 for relational tables. MultiDimensional Clustering is based on the definition of one or more orthogonal clustering attributes (or expressions) of a table. The table is organized physically by associating records with similar values for the dimension attributes in a cluster. Each clustering key is allocated one or more blocks of physical storage with the aim of storing the multiple records belonging to the cluster in almost contiguous fashion. Block oriented indexes are created to access these blocks. In this paper, we describe novel techniques for query processing operations that provide significant performance improvements for MDC tables. Curren

Modern data analytics in the cloud era

Cloud Computing ist die dominante Technologie des letzten Jahrzehnts. Die Benutzerfreundlichkeit der verwalteten Umgebung in Kombination mit einer nahezu unbegrenzten Menge an Ressourcen und einem nutzungsabhängigen Preismodell ermöglicht eine schnelle und kosteneffiziente Projektrealisierung für ein breites Nutzerspektrum. Cloud Computing verändert auch die Art und Weise wie Software entwickelt, bereitgestellt und genutzt wird. Diese Arbeit konzentriert sich auf Datenbanksysteme, die in der Cloud-Umgebung eingesetzt werden. Wir identifizieren drei Hauptinteraktionspunkte der Datenbank-Engine mit der Umgebung, die veränderte Anforderungen im Vergleich zu traditionellen On-Premise-Data-Warehouse-Lösungen aufweisen. Der erste Interaktionspunkt ist die Interaktion mit elastischen Ressourcen. Systeme in der Cloud sollten Elastizität unterstützen, um den Lastanforderungen zu entsprechen und dabei kosteneffizient zu sein. Wir stellen einen elastischen Skalierungsmechanismus für verteilte Datenbank-Engines vor, kombiniert mit einem Partitionsmanager, der einen Lastausgleich bietet und gleichzeitig die Neuzuweisung von Partitionen im Falle einer elastischen Skalierung minimiert. Darüber hinaus führen wir eine Strategie zum initialen Befüllen von Puffern ein, die es ermöglicht, skalierte Ressourcen unmittelbar nach der Skalierung auszunutzen. Cloudbasierte Systeme sind von fast überall aus zugänglich und verfügbar. Daten werden häufig von zahlreichen Endpunkten aus eingespeist, was sich von ETL-Pipelines in einer herkömmlichen Data-Warehouse-Lösung unterscheidet. Viele Benutzer verzichten auf die Definition von strikten Schemaanforderungen, um Transaktionsabbrüche aufgrund von Konflikten zu vermeiden oder um den Ladeprozess von Daten zu beschleunigen. Wir führen das Konzept der PatchIndexe ein, die die Definition von unscharfen Constraints ermöglichen. PatchIndexe verwalten Ausnahmen zu diesen Constraints, machen sie für die Optimierung und Ausführung von Anfragen nutzbar und bieten effiziente Unterstützung bei Datenaktualisierungen. Das Konzept kann auf beliebige Constraints angewendet werden und wir geben Beispiele für unscharfe Eindeutigkeits- und Sortierconstraints. Darüber hinaus zeigen wir, wie PatchIndexe genutzt werden können, um fortgeschrittene Constraints wie eine unscharfe Multi-Key-Partitionierung zu definieren, die eine robuste Anfrageperformance bei Workloads mit unterschiedlichen Partitionsanforderungen bietet. Der dritte Interaktionspunkt ist die Nutzerinteraktion. Datengetriebene Anwendungen haben sich in den letzten Jahren verändert. Neben den traditionellen SQL-Anfragen für Business Intelligence sind heute auch datenwissenschaftliche Anwendungen von großer Bedeutung. In diesen Fällen fungiert das Datenbanksystem oft nur als Datenlieferant, während der Rechenaufwand in dedizierten Data-Science- oder Machine-Learning-Umgebungen stattfindet. Wir verfolgen das Ziel, fortgeschrittene Analysen in Richtung der Datenbank-Engine zu verlagern und stellen das Grizzly-Framework als DataFrame-zu-SQL-Transpiler vor. Auf dieser Grundlage identifizieren wir benutzerdefinierte Funktionen (UDFs) und maschinelles Lernen (ML) als wichtige Aufgaben, die von einer tieferen Integration in die Datenbank-Engine profitieren würden. Daher untersuchen und bewerten wir Ansätze für die datenbankinterne Ausführung von Python-UDFs und datenbankinterne ML-Inferenz.Cloud computing has been the groundbreaking technology of the last decade. The ease-of-use of the managed environment in combination with nearly infinite amount of resources and a pay-per-use price model enables fast and cost-efficient project realization for a broad range of users. Cloud computing also changes the way software is designed, deployed and used. This thesis focuses on database systems deployed in the cloud environment. We identify three major interaction points of the database engine with the environment that show changed requirements compared to traditional on-premise data warehouse solutions. First, software is deployed on elastic resources. Consequently, systems should support elasticity in order to match workload requirements and be cost-effective. We present an elastic scaling mechanism for distributed database engines, combined with a partition manager that provides load balancing while minimizing partition reassignments in the case of elastic scaling. Furthermore we introduce a buffer pre-heating strategy that allows to mitigate a cold start after scaling and leads to an immediate performance benefit using scaling. Second, cloud based systems are accessible and available from nearly everywhere. Consequently, data is frequently ingested from numerous endpoints, which differs from bulk loads or ETL pipelines in a traditional data warehouse solution. Many users do not define database constraints in order to avoid transaction aborts due to conflicts or to speed up data ingestion. To mitigate this issue we introduce the concept of PatchIndexes, which allow the definition of approximate constraints. PatchIndexes maintain exceptions to constraints, make them usable in query optimization and execution and offer efficient update support. The concept can be applied to arbitrary constraints and we provide examples of approximate uniqueness and approximate sorting constraints. Moreover, we show how PatchIndexes can be exploited to define advanced constraints like an approximate multi-key partitioning, which offers robust query performance over workloads with different partition key requirements. Third, data-centric workloads changed over the last decade. Besides traditional SQL workloads for business intelligence, data science workloads are of significant importance nowadays. For these cases the database system might only act as data delivery, while the computational effort takes place in data science or machine learning (ML) environments. As this workflow has several drawbacks, we follow the goal of pushing advanced analytics towards the database engine and introduce the Grizzly framework as a DataFrame-to-SQL transpiler. Based on this we identify user-defined functions (UDFs) and machine learning inference as important tasks that would benefit from a deeper engine integration and investigate approaches to push these operations towards the database engine