12 research outputs found

    Managing polyglot systems metadata with hypergraphs

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    A single type of data store can hardly fulfill every end-user requirements in the NoSQL world. Therefore, polyglot systems use different types of NoSQL datastores in combination. However, the heterogeneity of the data storage models makes managing the metadata a complex task in such systems, with only a handful of research carried out to address this. In this paper, we propose a hypergraph-based approach for representing the catalog of metadata in a polyglot system. Taking an existing common programming interface to NoSQL systems, we extend and formalize it as hypergraphs for managing metadata. Then, we define design constraints and query transformation rules for three representative data store types. Furthermore, we propose a simple query rewriting algorithm using the catalog itself for these data store types and provide a prototype implementation. Finally, we show the feasibility of our approach on a use case of an existing polyglot system.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

    Physical database design in document stores

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    Tesi en modalitat de cotutela, Universitat Politècnica de Catalunya i Université libre de BruxellesNoSQL is an umbrella term used to classify alternate storage systems to the traditional Relational Database Management Systems (RDBMSs). Among these, Document stores have gained popularity mainly due to the semi-structured data storage model and the rich query capabilities. They encourage users to use a data-first approach as opposed to a design-first one. Database design on document stores is mainly carried out in a trial-and-error or ad-hoc rule-based manner instead of a formal process such as normalization in an RDBMS. However, these approaches could easily lead to a non-optimal design resulting additional costs in the long run. This PhD thesis aims to provide a novel multi-criteria-based approach to database design in document stores. Most of such existing approaches are based on optimizing query performance. However, other factors include storage requirement and complexity of the stored documents specific to each use case. There is a large solution space of alternative designs due to the different combinations of referencing and nesting of data. Thus, we believe multi-criteria optimization is ideal to solve this problem. To achieve this, we need to address several issues that will enable us to apply multi-criteria optimization for the data design problem. First, we evaluate the impact of alternate storage representations of semi-structured data. There are multiple and equivalent ways to physically represent semi-structured data, but there is a lack of evidence about the potential impact on space and query performance. Thus, we embark on the task of quantifying that precisely for document stores. We empirically compare multiple ways of representing semi-structured data, allowing us to derive a set of guidelines for efficient physical database design considering both JSON and relational options in the same palette. Then, we need a formal canonical model that can represent alternative designs. We propose a hypergraph-based approach for representing heterogeneous datastore designs. We extend and formalize an existing common programming interface to NoSQL systems as hypergraphs. We define design constraints and query transformation rules for representative data store types. Next, we propose a simple query rewriting algorithm and provide a prototype implementation together with storage statistics estimator. Next, we require a formal query cost model to estimate and evaluate query performance on alternative document store designs. Document stores use primitive approaches to query processing, such as relying on the end-user to specify the usage of indexes instead of a formal cost model. But we require a reliable approach to compare alternative designs on how they perform on a specific query. For this, we define a generic storage and query cost model based on disk access and memory allocation. As all document stores carry out data operations in memory, we first estimate the memory usage by considering the characteristics of the stored documents, their access patterns, and memory management algorithms. Then, using this estimation and metadata storage size, we introduce a cost model for random access queries. We validate our work on two well-known document store implementations. The results show that the memory usage estimates have an average precision of 91% and predicted costs are highly correlated to the actual execution times. During this work, we also managed to suggest several improvements to document stores. Finally, we implement the automated database design solution using multi-criteria optimization. We introduce an algebra of transformations that can systematically modify a design of our canonical representation. Then, using them, we implement a local search algorithm driven by a loss function that can propose near-optimal designs with high probability. We compare our prototype against an existing document store data design solution. Our proposed designs have better performance and are more compact with less redundancy.NoSQL descriu sistemes d'emmagatzematge alternatius als tradicionals de gestió de bases de dades relacionals (RDBMS). Entre aquests, els magatzems de documents han guanyat popularitat principalment a causa del model de dades semiestructurat i les riques capacitats de consulta. Animen els usuaris a utilitzar un enfocament de dades primer, en lloc d'un enfocament de disseny primer. El disseny de dades en magatzems de documents es porta a terme principalment en forma d'assaig-error o basat en regles ad-hoc en lloc d'un procés formal i sistemàtic com ara la normalització en un RDBMS. Aquest enfocament condueix fàcilment a un disseny no òptim que generarà costos addicionals a llarg termini. La majoria dels enfocaments existents es basen en l'optimització del rendiment de les consultes. Aquesta tesi pretén, en canvi, proporcionar un nou enfocament basat en diversos criteris per al disseny de bases de dades en magatzems de documents, inclouen el requisit d'espai i la complexitat dels documents emmagatzemats específics per a cada cas d'ús. En general, hi ha un gran espai de solucions de dissenys alternatives. Per tant, creiem que l'optimització multicriteri és ideal per resoldre aquest problema. Per aconseguir-ho, hem d'abordar diversos problemes que ens permetran aplicar l'optimització multicriteri. En primer, avaluem l'impacte de les representacions alternatives de dades semiestructurades. Hi ha maneres múltiples i equivalents de representar dades semiestructurades, però hi ha una manca d'evidència sobre l'impacte potencial en l'espai i el rendiment de les consultes. Així, ens embarquem en la tasca de quantificar-ho. Comparem empíricament múltiples representacions de dades semiestructurades, cosa que ens permet derivar directrius per a un disseny eficient tenint en compte les opcions dels JSON i relacionals alhora. Aleshores, necessitem un model canònic que pugui representar dissenys alternatius i proposem un enfocament basat en hipergrafs. Estenem i formalitzem una interfície de programació comuna existent als sistemes NoSQL com a hipergrafs. Definim restriccions de disseny i regles de transformació de consultes per a tipus de magatzem de dades representatius. A continuació, proposem un algorisme de reescriptura de consultes senzill i proporcionem una implementació juntament amb un estimador d'estadístiques d'emmagatzematge. Els magatzems de documents utilitzen enfocaments primitius per al processament de consultes, com ara confiar en l'usuari final per especificar l'ús d'índexs en lloc d'un model de cost. Conseqüentment, necessitem un model de cost de consulta per estimar i avaluar el rendiment en dissenys alternatius. Per això, definim un model genèric propi basat en l'accés a disc i l'assignació de memòria. Com que tots els magatzems de documents duen a terme operacions de dades a memòria, primer estimem l'ús de la memòria tenint en compte les característiques dels documents emmagatzemats, els seus patrons d'accés i els algorismes de gestió de memòria. A continuació, utilitzant aquesta estimació i la mida d'emmagatzematge de metadades, introduïm un model de costos per a consultes d'accés aleatori. Validem el nostre treball en dues implementacions conegudes. Els resultats mostren que les estimacions d'ús de memòria tenen una precisió mitjana del 91% i els costos previstos estan altament correlacionats amb els temps d'execució reals. Finalment, implementem la solució de disseny automatitzat de bases de dades mitjançant l'optimització multicriteri. Introduïm una àlgebra de transformacions que pot modificar sistemàticament un disseny en la nostra representació canònica. A continuació, utilitzant-la, implementem un algorisme de cerca local impulsat per una funció de pèrdua que pot proposar dissenys gairebé òptims amb alta probabilitat. Comparem el nostre prototip amb una solució de disseny de dades de magatzem de documents existent. Els nostres dissenys proposats tenen un millor rendiment i són més compactes, amb menys redundànciaNoSQL est un terme générique utilisé pour classer les systèmes de stockage alternatifs aux systèmes de gestion de bases de données relationnelles (SGBDR) traditionnels. Au moment de la rédaction de cet article, il existe plus de 200 systèmes NoSQL disponibles qui peuvent être classés en quatre catégories principales sur le modèle de stockage de données : magasins de valeurs-clés, magasins de documents, magasins de familles de colonnes et magasins de graphiques. Les magasins de documents ont gagné en popularité principalement en raison du modèle de stockage de données semi-structuré et des capacités de requêtes riches par rapport aux autres systèmes NoSQL, ce qui en fait un candidat idéal pour le prototypage rapide. Les magasins de documents encouragent les utilisateurs à utiliser une approche axée sur les données plutôt que sur la conception. La conception de bases de données sur les magasins de documents est principalement effectuée par essais et erreurs ou selon des règles ad hoc plutôt que par un processus formel tel que la normalisation dans un SGBDR. Cependant, ces approches pourraient facilement conduire à une conception de base de données non optimale entraînant des coûts supplémentaires de traitement des requêtes, de stockage des données et de refonte. Cette thèse de doctorat vise à fournir une nouvelle approche multicritère de la conception de bases de données dans les magasins de documents. La plupart des approches existantes de conception de bases de données sont basées sur l’optimisation des performances des requêtes. Cependant, d’autres facteurs incluent les exigences de stockage et la complexité des documents stockés spécifique à chaque cas d’utilisation. De plus, il existe un grand espace de solution de conceptions alternatives en raison des différentes combinaisons de référencement et d’imbrication des données. Par conséquent, nous pensons que l’optimisation multicritères est idéale par l’intermédiaire d’une expérience éprouvée dans la résolution de tels problèmes dans divers domaines. Cependant, pour y parvenir, nous devons résoudre plusieurs problèmes qui nous permettront d’appliquer une optimisation multicritère pour le problème de conception de données. Premièrement, nous évaluons l’impact des représentations alternatives de stockage des données semi-structurées. Il existe plusieurs manières équivalentes de représenter physiquement des données semi-structurées, mais il y a un manque de preuves concernant l’impact potentiel sur l’espace et sur les performances des requêtes. Ainsi, nous nous lançons dans la tâche de quantifier cela précisément pour les magasins de documents. Nous comparons empiriquement plusieurs façons de représenter des données semi-structurées, ce qui nous permet de dériver un ensemble de directives pour une conception de base de données physique efficace en tenant compte à la fois des options JSON et relationnelles dans la même palette. Ensuite, nous avons besoin d’un modèle canonique formel capable de représenter des conceptions alternatives. Dans cette mesure, nous proposons une approche basée sur des hypergraphes pour représenter des conceptions de magasins de données hétérogènes. Prenant une interface de programmation commune existante aux systèmes NoSQL, nous l’étendons et la formalisons sous forme d’hypergraphes. Ensuite, nous définissons les contraintes de conception et les règles de transformation des requêtes pour trois types de magasins de données représentatifs. Ensuite, nous proposons un algorithme de réécriture de requête simple à partir d’un algorithme générique dans un magasin de données sous-jacent spécifique et fournissons une implémentation prototype. De plus, nous introduisons un estimateur de statistiques de stockage sur les magasins de données sous-jacents. Enfin, nous montrons la faisabilité de notre approche sur un cas d’utilisation d’un système polyglotte existant ainsi que son utilité dans les calculs de métadonnées et de chemins de requêtes physiques. Ensuite, nous avons besoin d’un modèle de coûts de requêtes formel pour estimer et évaluer les performances des requêtes sur des conceptions alternatives de magasin de documents. Les magasins de documents utilisent des approches primitives du traitement des requêtes, telles que l’évaluation de tous les plans de requête possibles pour trouver le plan gagnant et son utilisation dans les requêtes similaires ultérieures, ou l’appui sur l’usager final pour spécifier l’utilisation des index au lieu d’un modèle de coûts formel. Cependant, nous avons besoin d’une approche fiable pour comparer deux conceptions alternatives sur la façon dont elles fonctionnent sur une requête spécifique. Pour cela, nous définissons un modèle de coûts de stockage et de requête générique basé sur l’accès au disque et l’allocation de mémoire qui permet d’estimer l’impact des décisions de conception. Étant donné que tous les magasins de documents effectuent des opérations sur les données en mémoire, nous estimons d’abord l’utilisation de la mémoire en considérant les caractéristiques des documents stockés, leurs modèles d’accès et les algorithmes de gestion de la mémoire. Ensuite, en utilisant cette estimation et la taille de stockage des métadonnées, nous introduisons un modèle de coûts pour les requêtes à accès aléatoire. Il s’agit de la première tenta ive d’une telle approche au meilleur de notre connaissance. Enfin, nous validons notre travail sur deux implémentations de magasin de documents bien connues : MongoDB et Couchbase. Les résultats démontrent que les estimations d’utilisation de la mémoire ont une précision moyenne de 91% et que les coûts prévus sont fortement corrélés aux temps d’exécution réels. Au cours de ce travail, nous avons réussi à proposer plusieurs améliorations aux systèmes de stockage de documents. Ainsi, ce modèle de coûts contribue également à identifier les discordances entre les implémentations de stockage de documents et leurs attentes théoriques. Enfin, nous implémentons la solution de conception automatisée de bases de données en utilisant l’optimisation multicritères. Tout d’abord, nous introduisons une algèbre de transformations qui peut systématiquement modifier une conception de notre représentation canonique. Ensuite, en utilisant ces transformations, nous implémentons un algorithme de recherche locale piloté par une fonction de perte qui peut proposer des conceptions quasi optimales avec une probabilité élevée. Enfin, nous comparons notre prototype à une solution de conception de données de magasin de documents existante uniquement basée sur le coût des requêtes. Nos conceptions proposées ont de meilleures performances et sont plus compactes avec moins de redondancePostprint (published version

    Conceptual modeling in the era of Big Data and Artificial Intelligence: Research topics and introduction to the special issue

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    Since the first version of the Entity–Relationship (ER) model proposed by Peter Chen over forty years ago, both the ER model and conceptual modeling activities have been key success factors for modeling computer-based systems. During the last decade, conceptual modeling has been recognized as an important research topic in academia, as well as a necessity for practitioners. However, there are many research challenges for conceptual modeling in contemporary applications such as Big Data, data-intensive applications, decision support systems, e-health applications, and ontologies. In addition, there remain challenges related to the traditional efforts associated with methodologies, tools, and theory development. Recently, novel research is uniting contributions from both the conceptual modeling area and the Artificial Intelligence discipline in two directions. The first one is efforts related to how conceptual modeling can aid in the design of Artificial Intelligence (AI) and Machine Learning (ML) algorithms. The second one is how Artificial Intelligence and Machine Learning can be applied in model-based solutions, such as model-based engineering, to infer and improve the generated models. For the first time in the history of Conceptual Modeling (ER) conferences, we encouraged the submission of papers based on AI and ML solutions in an attempt to highlight research from both communities. In this paper, we present some of important topics in current research in conceptual modeling. We introduce the selected best papers from the 37th International Conference on Conceptual Modeling (ER’18) held in Xi’an, China and summarize some of the valuable contributions made based on the discussions of these papers. We conclude with suggestions for continued research.The research reported in this paper was partially funded by the ECLIPSE-UA (RTI2018-094283-B-C32) and the AETHER-UA (PID2020-112540RB-C43) Projects from the Spanish Ministry of Science and Innovation

    Quarry: A user-centered big data integration platform

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    Obtaining valuable insights and actionable knowledge from data requires cross-analysis of domain data typically coming from various sources. Doing so, inevitably imposes burdensome processes of unifying different data formats, discovering integration paths, and all this given specific analytical needs of a data analyst. Along with large volumes of data, the variety of formats, data models, and semantics drastically contribute to the complexity of such processes. Although there have been many attempts to automate various processes along the Big Data pipeline, no unified platforms accessible by users without technical skills (like statisticians or business analysts) have been proposed. In this paper, we present a Big Data integration platform (Quarry) that uses hypergraph-based metadata to facilitate (and largely automate) the integration of domain data coming from a variety of sources, and provides an intuitive interface to assist end users both in: (1) data exploration with the goal of discovering potentially relevant analysis facets, and (2) consolidation and deployment of data flows which integrate the data, and prepare them for further analysis (descriptive or predictive), visualization, and/or publishing. We validate Quarry’s functionalities with the use case of World Health Organization (WHO) epidemiologists and data analysts in their fight against Neglected Tropical Diseases (NTDs).This work is partially supported by GENESIS project, funded by the Spanish Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades under project TIN2016-79269-R.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

    NoSQL Database Modeling and Management: A Systematic Literature Review

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    The NoSQL databases that emerged this century were created to solve the limitations of relational database systems due to the different types of data that have appeared for information processing. In this paper, we present the results of a secondary study carried out to find and synthesize the research made up to now on modeling processes, characteristics of the used types of data, and management tools for NoSQL Databases. Currently, four types are recognized and classified according to the data model they use: key-value, document-oriented, column-based, and graph-based. With this study, it was possible to identify that the most frequently type of NoSQL database model is that of documents because it offers greater flexibility and versatility compared to the other three models. Although it offers more complex search methods, in terms of data, column and document schemas are the ones that usually describe their characteristics. It was also possible to observe a trend in the use of the column-oriented model and the document-oriented model in the management tools, and, although they all comply with the basic functionalities, the differences lie in the way in which the information is stored and the way they can be accessed

    IDEAS-1997-2021-Final-Programs

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    This document records the final program for each of the 26 meetings of the International Database and Engineering Application Symposium from 1997 through 2021. These meetings were organized in various locations on three continents. Most of the papers published during these years are in the digital libraries of IEEE(1997-2007) or ACM(2008-2021)

    The 11th Conference of PhD Students in Computer Science

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    Análisis Comparativo de Sistemas Gestores De Base de Datos Relacional y No Relacional en el Contexto del Manejo de Información de Grupos de Rescate Internacional en Desastres

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    El enfoque se da hacia la el análisis de dos bases de datos relacional y no relacional efectuando una comparación en el contexto del manejo de información de grupos de rescate internacional en desastres con la finalidad de poder determinar, el análisis de rendimiento y escalabilidad a través del manejo de información que generan los grupos de Búsqueda y Rescate Urbano cuando son movilizados a Desastres Naturales para establecer, qué sistema gestor de base de datos es el que mejor rendimiento presenta en el manejo de información de grupos de búsqueda y rescate internacional en desastres. Se efectúa realiza un análisis comparativo de dos gestores de bases de datos: MySQL y NoSQL, en lo referente al comportamiento del motor en tiempos de respuestas ante diferentes operaciones de consulta y manejo de la información para determinar qué sistema gestor de base de datos es el que mejor rendimiento. Nuestro estudio se basa en el análisis comparativo de 02 gestores de base de datos, comparando el rendimiento en el procesamiento de la información generada por los equipos de Búsqueda y Rescate urbano; se eligió dos gestores de bases de datos tomando en consideración el ranking de popularidad de los Gestores de bases de datos en Ranking DB-Engines - Tendencia de popularidad; del cual se seleccionó los 15 primeros en el ranking de los 394 Gestores de base de datos. Se efectuó el análisis comparativo de los SGBD en sus características esenciales Tipo de base de datos, Escalabilidad, Modelo de datos, Rendimiento de lectura, Rendimiento de escritura, Transacción, Finalmente se efectuaron las pruebas de rendimiento. Posteriormente se determinó uso de dos SGBD, MySQL y Casandra en base a sus características tipo y de modelo, uso libre. SE evaluaron mediante los siguientes indicadores en las pruebas de rendimiento Uso de Ram, uso de CPU, respuesta, concluyendo que el sistema Gestor de base de datos CASANDRA presenta mejor rendimiento en el manejo de información de grupos de búsqueda y rescate Internacional en desastres.TesisInfraestructura, Tecnología y Medio Ambient

    Generator-Composition for Aspect-Oriented Domain-Specific Languages

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    Software systems are complex, as they must cover a diverse set of requirements describing functionality and the environment. Software engineering addresses this complexity with Model-Driven Engineering ( MDE ). MDE utilizes different models and metamodels to specify views and aspects of a software system. Subsequently, these models must be transformed into code and other artifacts, which is performed by generators. Information systems and embedded systems are often used over decades. Over time, they must be modified and extended to fulfill new and changed requirements. These alterations can be triggered by the modeling domain and by technology changes in both the platform and programming languages. In MDE these alterations result in changes of syntax and semantics of metamodels, and subsequently of generator implementations. In MDE, generators can become complex software applications. Their complexity depends on the semantics of source and target metamodels, and the number of involved metamodels. Changes to metamodels and their semantics require generator modifications and can cause architecture and code degradation. This can result in errors in the generator, which have a negative effect on development costs and time. Furthermore, these errors can reduce quality and increase costs in projects utilizing the generator. Therefore, we propose the generator construction and evolution approach GECO, which supports decoupling of generator components and their modularization. GECO comprises three contributions: (a) a method for metamodel partitioning into views, aspects, and base models together with partitioning along semantic boundaries, (b) a generator composition approach utilizing megamodel patterns for generator fragments, which are generators depending on only one source and one target metamodel, (c) an approach to modularize fragments along metamodel semantics and fragment functionality. All three contributions together support modularization and evolvability of generators

    Managing polyglot systems metadata with hypergraphs

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    A single type of data store can hardly fulfill every end-user requirements in the NoSQL world. Therefore, polyglot systems use different types of NoSQL datastores in combination. However, the heterogeneity of the data storage models makes managing the metadata a complex task in such systems, with only a handful of research carried out to address this. In this paper, we propose a hypergraph-based approach for representing the catalog of metadata in a polyglot system. Taking an existing common programming interface to NoSQL systems, we extend and formalize it as hypergraphs. Then, we define design constraints and query transformation rules for three representative data store types. Next, we propose a simple query rewriting algorithm from the metadata of the catalog to underlying data store specific ones and provide a prototype implementation. Furthermore, we introduce a storage statistics estimator on the underlying data stores. Finally, we show the feasibility of our approach on a use case of an existing polyglot system, and its usefulness in metadata and physical query path calculations.This research has been funded by the European Commission, Spain through the Erasmus Mundus Joint Doctorate ‘‘Information Technologies for Business Intelligence - Doctoral College" (IT4BI-DC).Peer ReviewedPostprint (published version
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