VerdictDB: Universalizing Approximate Query Processing

Despite 25 years of research in academia, approximate query processing (AQP) has had little industrial adoption. One of the major causes of this slow adoption is the reluctance of traditional vendors to make radical changes to their legacy codebases, and the preoccupation of newer vendors (e.g., SQL-on-Hadoop products) with implementing standard features. Additionally, the few AQP engines that are available are each tied to a specific platform and require users to completely abandon their existing databases---an unrealistic expectation given the infancy of the AQP technology. Therefore, we argue that a universal solution is needed: a database-agnostic approximation engine that will widen the reach of this emerging technology across various platforms. Our proposal, called VerdictDB, uses a middleware architecture that requires no changes to the backend database, and thus, can work with all off-the-shelf engines. Operating at the driver-level, VerdictDB intercepts analytical queries issued to the database and rewrites them into another query that, if executed by any standard relational engine, will yield sufficient information for computing an approximate answer. VerdictDB uses the returned result set to compute an approximate answer and error estimates, which are then passed on to the user or application. However, lack of access to the query execution layer introduces significant challenges in terms of generality, correctness, and efficiency. This paper shows how VerdictDB overcomes these challenges and delivers up to 171$\times$ speedup (18.45$\times$ on average) for a variety of existing engines, such as Impala, Spark SQL, and Amazon Redshift, while incurring less than 2.6% relative error. VerdictDB is open-sourced under Apache License.Comment: Extended technical report of the paper that appeared in Proceedings of the 2018 International Conference on Management of Data, pp. 1461-1476. ACM, 201

Cache Conscious Data Layouting for In-Memory Databases

Many applications with manually implemented data management exhibit a data storage pattern in which semantically related data items are stored closer in memory than unrelated data items. The strong sematic relationship between these data items commonly induces contemporary accesses to them. This is called the principle of data locality and has been recognized by hardware vendors. It is commonly exploited to improve the performance of hardware. General Purpose Database Management Systems (DBMSs), whose main goal is to simplify optimal data storage and processing, generally fall short of this claim because the usage pattern of the stored data cannot be anticipated when designing the system. The current interest in column oriented databases indicates that one strategy does not fit all applications. A DBMS that automatically adapts it’s storage strategy to the workload of the database promises a significant performance increase by maximizing the benefit of hardware optimizations that are based on the principle of data locality. This thesis gives an overview of optimizations that are based on the principle of data locality and the effect they have on the data access performance of applications. Based on the findings, a model is introduced that allows an estimation of the costs of data accesses based on the arrangement of the data in the main memory. This model is evaluated through a series of experiments and incorporated into an automatic layouting component for a DBMS. This layouting component allows the calculation of an analytically optimal storage layout. The performance benefits brought by this component are evaluated in an application benchmark

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

Efficient Subgraph Matching on Billion Node Graphs

The ability to handle large scale graph data is crucial to an increasing number of applications. Much work has been dedicated to supporting basic graph operations such as subgraph matching, reachability, regular expression matching, etc. In many cases, graph indices are employed to speed up query processing. Typically, most indices require either super-linear indexing time or super-linear indexing space. Unfortunately, for very large graphs, super-linear approaches are almost always infeasible. In this paper, we study the problem of subgraph matching on billion-node graphs. We present a novel algorithm that supports efficient subgraph matching for graphs deployed on a distributed memory store. Instead of relying on super-linear indices, we use efficient graph exploration and massive parallel computing for query processing. Our experimental results demonstrate the feasibility of performing subgraph matching on web-scale graph data.Comment: VLDB201

Intermediate Results Materialization Selection and Format for Data-Intensive Flows

Data-intensive flows deploy a variety of complex data transformations to build information pipelines from data sources to different end users. As data are processed, these workflows generate large intermediate results, typically pipelined from one operator to the following ones. Materializing intermediate results, shared among multiple flows, brings benefits not only in terms of performance but also in resource usage and consistency. Similar ideas have been proposed in the context of data warehouses, which are studied under the materialized view selection problem. With the rise of Big Data systems, new challenges emerge due to new quality metrics captured by service level agreements which must be taken into account. Moreover, the way such results are stored must be reconsidered, as different data layouts can be used to reduce the I/O cost. In this paper, we propose a novel approach for automatic selection of multi-objective materialization of intermediate results in data-intensive flows, which can tackle multiple and conflicting quality objectives. In addition, our approach chooses the optimal storage data format for selected materialized intermediate results based on subsequent access patterns. The experimental results show that our approach provides 40% better average speedup with respect to the current state-of-the-art, as well as an improvement on disk access time of 18% as compared to fixed format solutions

A grid-based infrastructure for distributed retrieval

In large-scale distributed retrieval, challenges of latency, heterogeneity, and dynamicity emphasise the importance of infrastructural support in reducing the development costs of state-of-the-art solutions. We present a service-based infrastructure for distributed retrieval which blends middleware facilities and a design framework to ‘lift’ the resource sharing approach and the computational services of a European Grid platform into the domain of e-Science applications. In this paper, we give an overview of the DILIGENT Search Framework and illustrate its exploitation in the field of Earth Science

Fast and Tiny Structural Self-Indexes for XML

XML document markup is highly repetitive and therefore well compressible using dictionary-based methods such as DAGs or grammars. In the context of selectivity estimation, grammar-compressed trees were used before as synopsis for structural XPath queries. Here a fully-fledged index over such grammars is presented. The index allows to execute arbitrary tree algorithms with a slow-down that is comparable to the space improvement. More interestingly, certain algorithms execute much faster over the index (because no decompression occurs). E.g., for structural XPath count queries, evaluating over the index is faster than previous XPath implementations, often by two orders of magnitude. The index also allows to serialize XML results (including texts) faster than previous systems, by a factor of ca. 2-3. This is due to efficient copy handling of grammar repetitions, and because materialization is totally avoided. In order to compare with twig join implementations, we implemented a materializer which writes out pre-order numbers of result nodes, and show its competitiveness.Comment: 13 page