On the Evaluation of RDF Distribution Algorithms Implemented over Apache Spark

Querying very large RDF data sets in an efficient manner requires a sophisticated distribution strategy. Several innovative solutions have recently been proposed for optimizing data distribution with predefined query workloads. This paper presents an in-depth analysis and experimental comparison of five representative and complementary distribution approaches. For achieving fair experimental results, we are using Apache Spark as a common parallel computing framework by rewriting the concerned algorithms using the Spark API. Spark provides guarantees in terms of fault tolerance, high availability and scalability which are essential in such systems. Our different implementations aim to highlight the fundamental implementation-independent characteristics of each approach in terms of data preparation, load balancing, data replication and to some extent to query answering cost and performance. The presented measures are obtained by testing each system on one synthetic and one real-world data set over query workloads with differing characteristics and different partitioning constraints.Comment: 16 pages, 3 figure

Scalable Architecture for Integrated Batch and Streaming Analysis of Big Data

Thesis (Ph.D.) - Indiana University, Computer Sciences, 2015As Big Data processing problems evolve, many modern applications demonstrate special characteristics. Data exists in the form of both large historical datasets and high-speed real-time streams, and many analysis pipelines require integrated parallel batch processing and stream processing. Despite the large size of the whole dataset, most analyses focus on specific subsets according to certain criteria. Correspondingly, integrated support for efficient queries and post- query analysis is required. To address the system-level requirements brought by such characteristics, this dissertation proposes a scalable architecture for integrated queries, batch analysis, and streaming analysis of Big Data in the cloud. We verify its effectiveness using a representative application domain - social media data analysis - and tackle related research challenges emerging from each module of the architecture by integrating and extending multiple state-of-the-art Big Data storage and processing systems. In the storage layer, we reveal that existing text indexing techniques do not work well for the unique queries of social data, which put constraints on both textual content and social context. To address this issue, we propose a flexible indexing framework over NoSQL databases to support fully customizable index structures, which can embed necessary social context information for efficient queries. The batch analysis module demonstrates that analysis workflows consist of multiple algorithms with different computation and communication patterns, which are suitable for different processing frameworks. To achieve efficient workflows, we build an integrated analysis stack based on YARN, and make novel use of customized indices in developing sophisticated analysis algorithms. In the streaming analysis module, the high-dimensional data representation of social media streams poses special challenges to the problem of parallel stream clustering. Due to the sparsity of the high-dimensional data, traditional synchronization method becomes expensive and severely impacts the scalability of the algorithm. Therefore, we design a novel strategy that broadcasts the incremental changes rather than the whole centroids of the clusters to achieve scalable parallel stream clustering algorithms. Performance tests using real applications show that our solutions for parallel data loading/indexing, queries, analysis tasks, and stream clustering all significantly outperform implementations using current state-of-the-art technologies

Study and optimization of the memory management in Memcached

Over the years the Internet has become more popular than ever and web applications like Facebook and Twitter are gaining more users. This results in generation of more and more data by the users which has to be efficiently managed, because access speed is an important factor nowadays, a user will not wait no more than three seconds for a web page to load before abandoning the site. In-memory key-value stores like Memcached and Redis are used to speed up web applications by speeding up access to the data by decreasing the number of accesses to the slower data storage’s. The first implementation of Memcached, in the LiveJournal’s website, showed that by using 28 instances of Memcached on ten unique hosts, caching the most popular 30GB of data can achieve a hit rate around 92%, reducing the number of accesses to the database and reducing the response time considerably. Not all objects in cache take the same time to recompute, so this research is going to study and present a new cost aware memory management that is easy to integrate in a key-value store, with this approach being implemented in Memcached. The new memory management and cache will give some priority to key-value pairs that take longer to be recomputed. Instead of replacing Memcached’s replacement structure and its policy, we simply add a new segment in each structure that is capable of storing the more costly key-value pairs. Apart from this new segment in each replacement structure, we created a new dynamic cost-aware rebalancing policy in Memcached, giving more memory to store more costly key-value pairs. With the implementations of our approaches, we were able to offer a prototype that can be used to research the cost on the caching systems performance. In addition, we were able to improve in certain scenarios the access latency of the user and the total recomputation cost of the key-value stored in the system

Metadata-driven data integration

Cotutela: Universitat Politècnica de Catalunya i Université Libre de Bruxelles, IT4BI-DC programme for the joint Ph.D. degree in computer science.Data has an undoubtable impact on society. Storing and processing large amounts of available data is currently one of the key success factors for an organization. Nonetheless, we are recently witnessing a change represented by huge and heterogeneous amounts of data. Indeed, 90% of the data in the world has been generated in the last two years. Thus, in order to carry on these data exploitation tasks, organizations must first perform data integration combining data from multiple sources to yield a unified view over them. Yet, the integration of massive and heterogeneous amounts of data requires revisiting the traditional integration assumptions to cope with the new requirements posed by such data-intensive settings. This PhD thesis aims to provide a novel framework for data integration in the context of data-intensive ecosystems, which entails dealing with vast amounts of heterogeneous data, from multiple sources and in their original format. To this end, we advocate for an integration process consisting of sequential activities governed by a semantic layer, implemented via a shared repository of metadata. From an stewardship perspective, this activities are the deployment of a data integration architecture, followed by the population of such shared metadata. From a data consumption perspective, the activities are virtual and materialized data integration, the former an exploratory task and the latter a consolidation one. Following the proposed framework, we focus on providing contributions to each of the four activities. We begin proposing a software reference architecture for semantic-aware data-intensive systems. Such architecture serves as a blueprint to deploy a stack of systems, its core being the metadata repository. Next, we propose a graph-based metadata model as formalism for metadata management. We focus on supporting schema and data source evolution, a predominant factor on the heterogeneous sources at hand. For virtual integration, we propose query rewriting algorithms that rely on the previously proposed metadata model. We additionally consider semantic heterogeneities in the data sources, which the proposed algorithms are capable of automatically resolving. Finally, the thesis focuses on the materialized integration activity, and to this end, proposes a method to select intermediate results to materialize in data-intensive flows. Overall, the results of this thesis serve as contribution to the field of data integration in contemporary data-intensive ecosystems.Les dades tenen un impacte indubtable en la societat. La capacitat d’emmagatzemar i processar grans quantitats de dades disponibles és avui en dia un dels factors claus per l’èxit d’una organització. No obstant, avui en dia estem presenciant un canvi representat per grans volums de dades heterogenis. En efecte, el 90% de les dades mundials han sigut generades en els últims dos anys. Per tal de dur a terme aquestes tasques d’explotació de dades, les organitzacions primer han de realitzar una integració de les dades, combinantles a partir de diferents fonts amb l’objectiu de tenir-ne una vista unificada d’elles. Per això, aquest fet requereix reconsiderar les assumpcions tradicionals en integració amb l’objectiu de lidiar amb els requisits imposats per aquests sistemes de tractament massiu de dades. Aquesta tesi doctoral té com a objectiu proporcional un nou marc de treball per a la integració de dades en el context de sistemes de tractament massiu de dades, el qual implica lidiar amb una gran quantitat de dades heterogènies, provinents de múltiples fonts i en el seu format original. Per això, proposem un procés d’integració compost d’una seqüència d’activitats governades per una capa semàntica, la qual és implementada a partir d’un repositori de metadades compartides. Des d’una perspectiva d’administració, aquestes activitats són el desplegament d’una arquitectura d’integració de dades, seguit per la inserció d’aquestes metadades compartides. Des d’una perspectiva de consum de dades, les activitats són la integració virtual i materialització de les dades, la primera sent una tasca exploratòria i la segona una de consolidació. Seguint el marc de treball proposat, ens centrem en proporcionar contribucions a cada una de les quatre activitats. La tesi inicia proposant una arquitectura de referència de software per a sistemes de tractament massiu de dades amb coneixement semàntic. Aquesta arquitectura serveix com a planell per a desplegar un conjunt de sistemes, sent el repositori de metadades al seu nucli. Posteriorment, proposem un model basat en grafs per a la gestió de metadades. Concretament, ens centrem en donar suport a l’evolució d’esquemes i fonts de dades, un dels factors predominants en les fonts de dades heterogènies considerades. Per a l’integració virtual, proposem algorismes de rescriptura de consultes que usen el model de metadades previament proposat. Com a afegitó, considerem heterogeneïtat semàntica en les fonts de dades, les quals els algorismes de rescriptura poden resoldre automàticament. Finalment, la tesi es centra en l’activitat d’integració materialitzada. Per això proposa un mètode per a seleccionar els resultats intermedis a materialitzar un fluxes de tractament intensiu de dades. En general, els resultats d’aquesta tesi serveixen com a contribució al camp d’integració de dades en els ecosistemes de tractament massiu de dades contemporanisLes données ont un impact indéniable sur la société. Le stockage et le traitement de grandes quantités de données disponibles constituent actuellement l’un des facteurs clés de succès d’une entreprise. Néanmoins, nous assistons récemment à un changement représenté par des quantités de données massives et hétérogènes. En effet, 90% des données dans le monde ont été générées au cours des deux dernières années. Ainsi, pour mener à bien ces tâches d’exploitation des données, les organisations doivent d’abord réaliser une intégration des données en combinant des données provenant de sources multiples pour obtenir une vue unifiée de ces dernières. Cependant, l’intégration de quantités de données massives et hétérogènes nécessite de revoir les hypothèses d’intégration traditionnelles afin de faire face aux nouvelles exigences posées par les systèmes de gestion de données massives. Cette thèse de doctorat a pour objectif de fournir un nouveau cadre pour l’intégration de données dans le contexte d’écosystèmes à forte intensité de données, ce qui implique de traiter de grandes quantités de données hétérogènes, provenant de sources multiples et dans leur format d’origine. À cette fin, nous préconisons un processus d’intégration constitué d’activités séquentielles régies par une couche sémantique, mise en oeuvre via un dépôt partagé de métadonnées. Du point de vue de la gestion, ces activités consistent à déployer une architecture d’intégration de données, suivies de la population de métadonnées partagées. Du point de vue de la consommation de données, les activités sont l’intégration de données virtuelle et matérialisée, la première étant une tâche exploratoire et la seconde, une tâche de consolidation. Conformément au cadre proposé, nous nous attachons à fournir des contributions à chacune des quatre activités. Nous commençons par proposer une architecture logicielle de référence pour les systèmes de gestion de données massives et à connaissance sémantique. Une telle architecture consiste en un schéma directeur pour le déploiement d’une pile de systèmes, le dépôt de métadonnées étant son composant principal. Ensuite, nous proposons un modèle de métadonnées basé sur des graphes comme formalisme pour la gestion des métadonnées. Nous mettons l’accent sur la prise en charge de l’évolution des schémas et des sources de données, facteur prédominant des sources hétérogènes sous-jacentes. Pour l’intégration virtuelle, nous proposons des algorithmes de réécriture de requêtes qui s’appuient sur le modèle de métadonnées proposé précédemment. Nous considérons en outre les hétérogénéités sémantiques dans les sources de données, que les algorithmes proposés sont capables de résoudre automatiquement. Enfin, la thèse se concentre sur l’activité d’intégration matérialisée et propose à cette fin une méthode de sélection de résultats intermédiaires à matérialiser dans des flux des données massives. Dans l’ensemble, les résultats de cette thèse constituent une contribution au domaine de l’intégration des données dans les écosystèmes contemporains de gestion de données massivesPostprint (published version