Efficient processing of large-scale spatio-temporal data

Millionen Geräte, wie z.B. Mobiltelefone, Autos und Umweltsensoren senden ihre Positionen zusammen mit einem Zeitstempel und weiteren Nutzdaten an einen Server zu verschiedenen Analysezwecken. Die Positionsinformationen und übertragenen Ereignisinformationen werden als Punkte oder Polygone dargestellt. Eine weitere Art räumlicher Daten sind Rasterdaten, die zum Beispiel von Kameras und Sensoren produziert werden. Diese großen räumlich-zeitlichen Datenmengen können nur auf skalierbaren Plattformen wie Hadoop und Apache Spark verarbeitet werden, die jedoch z.B. die Nachbarschaftsinformation nicht ausnutzen können - was die Ausführung bestimmter Anfragen praktisch unmöglich macht. Die wiederholten Ausführungen der Analyseprogramme während ihrer Entwicklung und durch verschiedene Nutzer resultieren in langen Ausführungszeiten und hohen Kosten für gemietete Ressourcen, die durch die Wiederverwendung von Zwischenergebnissen reduziert werden können. Diese Arbeit beschäftigt sich mit den beiden oben beschriebenen Herausforderungen. Wir präsentieren zunächst das STARK Framework für die Verarbeitung räumlich-zeitlicher Vektor- und Rasterdaten in Apache Spark. Wir identifizieren verschiedene Algorithmen für Operatoren und analysieren, wie diese von den Eigenschaften der zugrundeliegenden Plattform profitieren können. Weiterhin wird untersucht, wie Indexe in der verteilten und parallelen Umgebung realisiert werden können. Außerdem vergleichen wir Partitionierungsmethoden, die unterschiedlich gut mit ungleichmäßiger Datenverteilung und der Größe der Datenmenge umgehen können und präsentieren einen Ansatz um die auf Operatorebene zu verarbeitende Datenmenge frühzeitig zu reduzieren. Um die Ausführungszeit von Programmen zu verkürzen, stellen wir einen Ansatz zur transparenten Materialisierung von Zwischenergebnissen vor. Dieser Ansatz benutzt ein Entscheidungsmodell, welches auf den tatsächlichen Operatorkosten basiert. In der Evaluierung vergleichen wir die verschiedenen Implementierungs- sowie Konfigurationsmöglichkeiten in STARK und identifizieren Szenarien wann Partitionierung und Indexierung eingesetzt werden sollten. Außerdem vergleichen wir STARK mit verwandten Systemen. Im zweiten Teil der Evaluierung zeigen wir, dass die transparente Wiederverwendung der materialisierten Zwischenergebnisse die Ausführungszeit der Programme signifikant verringern kann.Millions of location-aware devices, such as mobile phones, cars, and environmental sensors constantly report their positions often in combination with a timestamp to a server for different kinds of analyses. While the location information of the devices and reported events is represented as points and polygons, raster data is another type of spatial data, which is for example produced by cameras and sensors. This Big spatio-temporal Data needs to be processed on scalable platforms, such as Hadoop and Apache Spark, which, however, are unaware of, e.g., spatial neighborhood, what makes them practically impossible to use for this kind of data. The repeated executions of the programs during development and by different users result in long execution times and potentially high costs in rented clusters, which can be reduced by reusing commonly computed intermediate results. Within this thesis, we tackle the two challenges described above. First, we present the STARK framework for processing spatio-temporal vector and raster data on the Apache Spark stack. For operators, we identify several possible algorithms and study how they can benefit from the underlying platform's properties. We further investigate how indexes can be realized in the distributed and parallel architecture of Big Data processing engines and compare methods for data partitioning, which perform differently well with respect to data skew and data set size. Furthermore, an approach to reduce the amount of data to process at operator level is presented. In order to reduce the execution times, we introduce an approach to transparently recycle intermediate results of dataflow programs, based on operator costs. To compute the costs, we instrument the programs with profiling code to gather the execution time and result size of the operators. In the evaluation, we first compare the various implementation and configuration possibilities in STARK and identify scenarios when and how partitioning and indexing should be applied. We further compare STARK to related systems and show that we can achieve significantly better execution times, not only when exploiting existing partitioning information. In the second part of the evaluation, we show that with the transparent cost-based materialization and recycling of intermediate results, the execution times of programs can be reduced significantly

Tupleware: Redefining Modern Analytics

There is a fundamental discrepancy between the targeted and actual users of current analytics frameworks. Most systems are designed for the data and infrastructure of the Googles and Facebooks of the world---petabytes of data distributed across large cloud deployments consisting of thousands of cheap commodity machines. Yet, the vast majority of users operate clusters ranging from a few to a few dozen nodes, analyze relatively small datasets of up to a few terabytes, and perform primarily compute-intensive operations. Targeting these users fundamentally changes the way we should build analytics systems. This paper describes the design of Tupleware, a new system specifically aimed at the challenges faced by the typical user. Tupleware's architecture brings together ideas from the database, compiler, and programming languages communities to create a powerful end-to-end solution for data analysis. We propose novel techniques that consider the data, computations, and hardware together to achieve maximum performance on a case-by-case basis. Our experimental evaluation quantifies the impact of our novel techniques and shows orders of magnitude performance improvement over alternative systems

Deep Lake: a Lakehouse for Deep Learning

Traditional data lakes provide critical data infrastructure for analytical workloads by enabling time travel, running SQL queries, ingesting data with ACID transactions, and visualizing petabyte-scale datasets on cloud storage. They allow organizations to break down data silos, unlock data-driven decision-making, improve operational efficiency, and reduce costs. However, as deep learning takes over common analytical workflows, traditional data lakes become less useful for applications such as natural language processing (NLP), audio processing, computer vision, and applications involving non-tabular datasets. This paper presents Deep Lake, an open-source lakehouse for deep learning applications developed at Activeloop. Deep Lake maintains the benefits of a vanilla data lake with one key difference: it stores complex data, such as images, videos, annotations, as well as tabular data, in the form of tensors and rapidly streams the data over the network to (a) Tensor Query Language, (b) in-browser visualization engine, or (c) deep learning frameworks without sacrificing GPU utilization. Datasets stored in Deep Lake can be accessed from PyTorch, TensorFlow, JAX, and integrate with numerous MLOps tools

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

A unified view of data-intensive flows in business intelligence systems : a survey

Data-intensive flows are central processes in today’s business intelligence (BI) systems, deploying different technologies to deliver data, from a multitude of data sources, in user-preferred and analysis-ready formats. To meet complex requirements of next generation BI systems, we often need an effective combination of the traditionally batched extract-transform-load (ETL) processes that populate a data warehouse (DW) from integrated data sources, and more real-time and operational data flows that integrate source data at runtime. Both academia and industry thus must have a clear understanding of the foundations of data-intensive flows and the challenges of moving towards next generation BI environments. In this paper we present a survey of today’s research on data-intensive flows and the related fundamental fields of database theory. The study is based on a proposed set of dimensions describing the important challenges of data-intensive flows in the next generation BI setting. As a result of this survey, we envision an architecture of a system for managing the lifecycle of data-intensive flows. The results further provide a comprehensive understanding of data-intensive flows, recognizing challenges that still are to be addressed, and how the current solutions can be applied for addressing these challenges.Peer ReviewedPostprint (author's final draft