Ray: A Distributed Execution Engine for the Machine Learning Ecosystem

In recent years, growing data volumes and more sophisticated computational procedures have greatly increased the demand for computational power. Machine learning and artificial intelligence applications, for example, are notorious for their computational requirements. At the same time, Moores law is ending and processor speeds are stalling. As a result, distributed computing has become ubiquitous. While the cloud makes distributed hardware infrastructure widely accessible and therefore offers the potential of horizontal scale, developing these distributed algorithms and applications remains surprisingly hard. This is due to the inherent complexity of concurrent algorithms, the engineering challenges that arise when communicating between many machines, the requirements like fault tolerance and straggler mitigation that arise at large scale and the lack of a general-purpose distributed execution engine that can support a wide variety of applications.In this thesis, we study the requirements for a general-purpose distributed computation model and present a solution that is easy to use yet expressive and resilient to faults. At its core our model takes familiar concepts from serial programming, namely functions and classes, and generalizes them to the distributed world, therefore unifying stateless and stateful distributed computation. This model not only supports many machine learning workloads like training or serving, but is also a good t for cross-cutting machine learning applications like reinforcement learning and data processing applications like streaming or graph processing. We implement this computational model as an open-source system called Ray, which matches or exceeds the performance of specialized systems in many application domains, while also offering horizontally scalability and strong fault tolerance properties

GeoMatch: Efficient Large-Scale Map Matching on Apache Spark

Peer reviewe

ST-Hadoop: A MapReduce Framework for Big Spatio-temporal Data Management

University of Minnesota Ph.D. dissertation.May 2019. Major: Computer Science. Advisor: Mohamed Mokbel. 1 computer file (PDF); x, 123 pages.Apache Hadoop, employing the MapReduce programming paradigm, that has been widely accepted as the standard framework for analyzing big data in distributed environments. Unfortunately, this rich framework was not genuinely exploited towards processing large scale spatio-temporal data, especially with the emergence and popularity of applications that create them in large-scale. The huge volumes of spatio-temporal data come from applications, like Taxi fleet in urban computing, Asteroids in astronomy research studies, animal movements in habitat studies, neuron analysis in neuroscience research studies, and contents of social networks (e.g., Twitter or Facebook). Managing space and time are two fundamental characteristics that raised the demand for processing spatio-temporal data created by these applications. Besides the massive size of data, the complexity of shapes and formats associated with these data raised many challenges in managing spatio-temporal data. The goal of the dissertation is centered on establishing a full-fledged big spatio-temporal data management system that serves the need for a wide range of spatio-temporal applications. This involves indexing, querying, and analyzing spatio-temporal data. We propose ST-Hadoop; the first full-fledged open-source system with native support for big spatio-temporal data, available to download http://st-hadoop.cs.umn.edu/. ST- Hadoop injects spatio-temporal data awareness inside the highly popular Hadoop system that is considered state-of-the-art for off-line analysis of big data systems. Considering a distributed environment, we focus on the following: (1) indexing spatio-temporal data and (2) Supporting various fundamental spatio-temporal operations, such as range, kNN, and join (3) Supporting indexing and querying trajectories, which is considered as a special class of spatio-temporal data that require special handling. Throughout this dissertation, we will touch base on the background and related work, motivate for the proposed system, and highlight our contributions

BigSQLTraj: A SQL-extended framework for storing & querying big mobility data

Τα τελευταία χρόνια, λόγω της ευρείας χρήση αισθητήρων και έξυπνων συσκευών, παρατηρείται μια εκθετική παραγωγή δεδομένων κίνησης, που εντάσσονται στην κατηγορία δεδομένα μεγάλης κλίμακας (big data). Για παράδειγμα εφαρμογές δρομολόγησης, παρακολούθηση κυκλοφοριακής ροής, έλεγχος στόλου ακόμη και προβλέψεις ή αποφυγή κινδύνων βασίζονται στην επεξεργασία χωρικών και χωροχρονικών δεδομένων. Τα δεδομένα αυτά πρέπει να αποθηκεύονται και να επεξεργάονται κατάλληλα ώστε στη συνέχεια να αποτελέσουν γνώση για τους οργανισμούς. Προφανώς η διδακασία αυτή απαιτεί συστήματα και τεχνολογίες κατάλληλες για τον μεγάλο όγκο δεδομένων εισόδου. Στην παρούσα διπλωματική εργασία χρησιμοποιήσαμε δεδομένων από κινήσεις πλοίων και πιο συγκεκριμένα δεδομένα που παράγονται από το automatic identification system (AIS). Για τους σκοπούς της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας αναπτύχθηκε το σύστημα BigSQLTraj: Ένα πλαίσιο βασισμένο σε SQL για την αποθήκευση και επερώτηση μεγάλων δεδομένων απο κινούμενα αντικείμενα. Οι εφαρμογές μεγάλων δεδομένων περιλαμβάνουν τα επίπεδα διαχείρισης, επεξεργασίας, αναλυτικές και οπτικοποίησης δεδομένων απο ετερογενής πηγές ή σε ιστορικά δεδομένα ή σε δεδομένα ροών. Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζουμε τα επίπεδα διαχείρισης και επεξεργασίας μεγάλων ιστορικών δεδομένων. Στόχος του συστήματος είναι να παρέχει την δυνατότητα σε χρήστες να αποθηκεύουν και να επεξεργάζονται με αποδοτικό τρόπο μεγάλα γεωχωρικά και χωροχρονικά δεδομένα πάνω από ένα κατενεμημένο σύστημα επεκτείνωντας ή αναπαράγοντας μεθόδους και αλγορίθμους από ήδη υπάρχοντα συστήματα. Πρώτος στόχος της εργασίας είναι να επιλεχθούν εργαλία που θα μπορούν να επικοινωνούν μεταξύ τους και θα παρουσιάζουν μια ενιαία εικόνα στους εξωτερικούς χρήστες. Οι καινοτομίες που παρέχει το σύστημα είναι η δημιουργία μεθόδων για ισοκατανεμημένη, αλλά ταυτόχρονα βασισμένη στην ομοιότητα, διαμέριση των δεδομένων στους κόμβους της συστάδας υπολογιστών, η δημιουργία μιας SQL διεπαφής στο κατανεμημένο σύστημα που θα παρέχει εξελιγμένες μεθόδους για την επεξεργασία των αποθηκευμένων δεδομένων και θα επιτρέπει σε συστήματα που ήδη αλληλεπιδρούν με συστήματα βασισμένα σε SQL να μεταφερθούν σε τεχνολογίες μεγάλων δεδομένων με τις ελάχιστες δυνατές αλλαγές. Πρώτος στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ενσωμάτωση (integration) διάφορων τεχνολογιών. Η υλοποίηση της παρούσας διπλωματικής βασίζεται σε βιβλιοθήκες ανοιχτού κώδικα για επεξεργασία μεγάλων δεδομένων. Οι βιβλιοθήκες αυτές είναι: Apache Hadoop, Apache Spark, Apache Hive και Apache Tez. Οι βασικότερες λειτουργίες που παρέχει η βιβλιοθήκη Apache Hadoop είναι το κατανεμημένο σύστημα αρχείων (Hadoop Distributed File System) που γράφονται και διαβάζονται τα δεδομένα. Επιπλέον ο διαχειριστής πόρων του Apache Hadoop (Yarn - resource manager) που ελέγχει το φόρτο εργασίας των υπολογιστών της συστάδας και αναθέτει τις διεργασίες που πρέπει να εκτελεστούν. Τα δύο αυτά εργαλεία είναι αποτελούν τον πυλώνα τις ενσωμάτωσης μεταξύ των υπολογιστών της συστάδας αλλά και των βιβλιοθηκών που τρέχουν στη συστάδα. Η βιβλιοθήκη Apache Spark, μέσω του προγραμματιστικού πλασίου MapReduce, παρέχει την λειτουργία την επεξεργασίας είτε σε ιστορικά δεδομένα είτε σε ροές δεδομένων και την αποθηκευσή τους στο κατανεμημένο σύστημα αρχείων του Hadoop. Στη συνέχεια το Apache Hive μας δίνει την δυνατότητα για εκτέλεση ερωτήματων σε αρχεία που βρίσκονται στο κατανεμημένο σύστημα αρχείων του Hadoop μέσω της HiveQL γλώσσας που είναι ισοδύναμη με της παραδοσιακή SQL, ενώ οι βιβλιοθήκες Apache Spark και Apache Tez αποτελούν την μηχανή εκτέλεσης (execution engine) ενός HiveQL ερωτήματος και μεταφράζουν την επερώτηση σε MapReduce διαδικασία. Κανένα από τα παραπάνω συστήματα δεν έχει την δυνατότητα επεξεργασίας γεωχωρικών ή δεδομένων κίνησης στην βασική του εκδοχή. Οι προθήκες που έγιναν περιλαμβάνουν: 1)δημιουργία συναρτήσεων για τον καθαρισμό χωροχρονικών σημείων και δημιουργία τροχιών κινούμενων αντικειμένων από τα σημεία αυτά με την βιβλιοθήκη Apache Spark, 2)χωροχρονικός καταμερισμός των τροχιών στους υπολογιστές της συστάδας, δημιουργία ευρετηρίων. Τα ευρετήρια περιλαμβανουν την χωροχρονική έκταση της διαμιρασμένης πληροφορίας και μια κωδικοποίηση βασισμένη σε τρισδιάστατα τοπικά ευρετήρια βάσει της πληροφορίας που έχει κάθε υπολογιστής με χρήση των βιβλιοθηκών Apache Spark και Apache Hadoop, 3) Δημιουργία κατάλληλων μεθόδων, για την αξιοποίηση της αποθήκευσης τους προηγούμενου βήματος, για επερωτήσης διαστήματος (range queries) και επερωτήσεων ομοιότητας (kNN queries). H σύγκριση που πραγματοποιήσαμε αφορά τη χρονική απóδοση των επερωτήσεων διαστήματος (range queries) και επερωτήσεων ομοιότητας (kNN queries), βάσει του τρόπου αποθήκευσης των δεδομένων όπως αναφέρθηκε προηγουμένως. Σε πρώτη φάση συγκρίναμε την χρονική διάρκεια ολοκλήρωσης των παραπάνω ερωτημάτων για τους διαθέσιμους τρόπους αποθήκευσης και για τους διαθέσιμους μηχανισμούς εκτέλεσης συναρτήσει του αριθμού των υπολογιστών που τρέχουν στο κατανεμημένο σύστημα (scalability). Στη συνέχεια συγκρίναμε την χρονική διάρκεια ολοκλήρωσης των παραπάνω ερωτημάτων για τους διαθέσιμους τρόπους αποθήκευσης και για τους διαθέσιμους μηχανισμούς εκτέλεσης συναρτήσει του όγκου δεδομένων (speed-up), αυξάνοντας σε κάθε βήμα των όγκο δεδομένων. Τα αποτελέσματα μας έδειξαν ότι ο πιο αποδοτικός τρόπος εκτέλεσης των ερωτημάτων με τη χρήση ενός ευρετηρίου για την διαμιρασμένη πληροφορία και στην συνέχεια η χρήση μιας κωδικοποίησης βασισμένη σε τοπικά ευρετήρια για την ανάκτηση του τελικού αποτελέσματος με μηχανισμό εκτέλεσης τη βιβλιοθήκη Apache Spark.Last decades, the need for performing advanced queries over massively produced data, such as mobility traces, in efficient and scalable ways is particularly important. This thesis describes BigSQLTraj a framework that supports efficient storing, partitioning, indexing and querying on spatial and spatio-temporal (i.e. mobility) data over a distributed engine. Every big data end-to-end application is consists of four layers, data management, data processing, data analytics and data visualization for heterogeneous data sources for batch or streaming data. This thesis focuses on data management and data processing for historical data. The first goal is finding systems that offers ready-to-use integration pipelines to take advantage of the best operation of each tool. For our implementation we chose open source big data frameworks such as Apache Hadoop, Apache Spark, Apache Hive and Apache Tez. Apache Hadoop and especially its distributed file system (HDFS) allowed all the other libraries to have a common read and write layer. On the other hand Hadoop's Resource Manager (Yarn) exploits the all the available computer resource. BigSQLTraj extending the functionality of existing spatial or spatio-temporal systems, centralized or distributed, to create two core and independent components. The first component is responsible for storing, spatiotemporal partitioning and indexing the data into a distributed file system and it is implemented on-top of Apache Spark. Many spatio-temporal partitioners and a 3D-STRtree index are implemented to support a collection of operators apart from existing partitioners and indexing methods that inherit from state-of-the-art distributed spatial and spatiotemporal systems. The second component is a distributed sql engine. He extend the functionality of HiveQL in order to achieve rapid access in such kind of data (i.e. geospatial and mobility data) and storing. Our final goal is optimizing Hive's join procedure that is required for both query types using the data structures from the first toolbox. We demonstrate the functionality of our approach and we conduct an extensive experimental study based on state-of-the-art benchmarks for mobility data. Our benchmark focuses on the total execution time of range queries and kNN queries based on the data storing model. At first we compare the temporal performance of different storing alternatives and execution engines for the entire dataset and vary the number of workers in order to review the systems scalability. Furthermore, we vary the size of our dataset and measure the execution time of the queries. To study the effect of dataset size, we split the original dataset into 5 chunks (20%, 40%, 60%, 80%, 100%). Βased on the results we come to the conclusion that the best workflow includes a global index structure for workers metadata and a local index-based encoding for storing the entire trajectories of a partition into a single column and the execution time seems to follow linear behaviour

k/2-hop: Fast Mining of Convoy Patterns With Effective Pruning

With the increase of devices equipped with location sensors, mining spatio-temporal data for interesting behavioral patterns has gained attention in recent years. One of such well-known patterns is the convoy pattern which can be used, e.g. to find groups of people moving together in public transport or to prevent traffic jams. A convoy consists of at least m objects moving together for at least k consecutive time instants where m and k are user-defined parameters. Convoy mining is an expensive task and existing sequential algorithms do not scale to real-life dataset sizes. Existing sequential as well as parallel algorithms require a complex set of data-dependent parameters which are hard to set and tune. Therefore, in this paper, we propose a new fast exact sequential convoy pattern mining algorithm \k/2-hop" that is free of data-dependent parameters. The proposed algorithm processes the data corresponding to a few specific key timestamps at each step and quickly prunes objects with no possibility of forming a convoy. Thus, only a very small portion of the complete dataset is considered for mining convoys. Our experimental results show that k/2-hop outperforms existing sequential as well as parallel convoy pattern mining algorithms by orders of magnitude, and scales to larger datasets which existing algorithms fail on.SCOPUS: cp.pDecretOANoAutActifinfo:eu-repo/semantics/publishe