Communication Efficient Checking of Big Data Operations

We propose fast probabilistic algorithms with low (i.e., sublinear in the input size) communication volume to check the correctness of operations in Big Data processing frameworks and distributed databases. Our checkers cover many of the commonly used operations, including sum, average, median, and minimum aggregation, as well as sorting, union, merge, and zip. An experimental evaluation of our implementation in Thrill (Bingmann et al., 2016) confirms the low overhead and high failure detection rate predicted by theoretical analysis

Erasure Coding Optimization for Data Storage: Acceleration Techniques and Delayed Parities Generation

Various techniques have been proposed in the literature to improve erasure code computation efficiency, including optimizing bitmatrix design and computation schedule, common XOR operation reduction, caching management techniques, and vectorization techniques. These techniques were largely proposed individually, and in this work, we seek to use them jointly. To accomplish this task, these techniques need to be thoroughly evaluated individually, and their relation better understood. Building on extensive testing, we develop methods to systematically optimize the computation chain together with the underlying bitmatrix. This led to a simple design approach of optimizing the bitmatrix by minimizing a weighted computation cost function, and also a straightforward coding procedure: follow a computation schedule produced from the optimized bitmatrix to apply XOR-level vectorization. This procedure provides better performances than most existing techniques (e.g., those used in ISA-L and Jerasure libraries), and sometimes can even compete against well-known but less general codes such as EVENODD, RDP, and STAR codes. One particularly important observation is that vectorizing the XOR operations is a better choice than directly vectorizing finite field operations, not only because of the flexibility in choosing finite field size and the better encoding throughput, but also its minimal migration efforts onto newer CPUs. A delayed parity generation technique for maximum distance separable (MDS) storage codes is proposed as well, for two possible applications: the first is to improve the write-speed during data intake where only a subset of the parities are initially produced and stored into the system, and the rest can be produced from the stored data during a later time of lower system load; the second is to provide better adaptivity, where a lower number of parities can be chosen initially in a storage system, and more parities can be produced when the existing ones are not sufficient to guarantee the needed reliability or performance. In both applications, it is important to reduce the data access as much as possible during the delayed parity generation procedure. For this purpose, we first identify the fundamental limit for delayed parity generation through a connection to the well-known multicast network coding problem, then provide an explicit and low-complexity code transformation that is applicable on any MDS codes to obtain optimal codes. The problem we consider is closely related to the regenerating code problem, however the proposed codes are much simpler and have a much smaller subpacketization factor than regenerating codes, and thus our result in fact shows that blindly adopting regenerating codes in these two settings is unnecessary and wasteful. Moreover, two aspects of this approach is addressed. The first is to optimize the underlying coding matrix, and the second is to understand its behavior in a system setting. For the former, we generalize the existing approach by allowing more flexibility in the code design, and then optimize the underlying coding matrix in the familiar bitmatrix-based coding framework. For the latter, we construct a prototype system, and conduct tests on a local storage network and on two virtual machine-based setups. In both cases, the results confirm the benefit of delayed parity generation when the system bottleneck is in the communication bandwidth instead of the computation

Communication-Efficient Probabilistic Algorithms: Selection, Sampling, and Checking

Diese Dissertation behandelt drei grundlegende Klassen von Problemen in Big-Data-Systemen, für die wir kommunikationseffiziente probabilistische Algorithmen entwickeln. Im ersten Teil betrachten wir verschiedene Selektionsprobleme, im zweiten Teil das Ziehen gewichteter Stichproben (Weighted Sampling) und im dritten Teil die probabilistische Korrektheitsprüfung von Basisoperationen in Big-Data-Frameworks (Checking). Diese Arbeit ist durch einen wachsenden Bedarf an Kommunikationseffizienz motiviert, der daher rührt, dass der auf das Netzwerk und seine Nutzung zurückzuführende Anteil sowohl der Anschaffungskosten als auch des Energieverbrauchs von Supercomputern und der Laufzeit verteilter Anwendungen immer weiter wächst. Überraschend wenige kommunikationseffiziente Algorithmen sind für grundlegende Big-Data-Probleme bekannt. In dieser Arbeit schließen wir einige dieser Lücken. Zunächst betrachten wir verschiedene Selektionsprobleme, beginnend mit der verteilten Version des klassischen Selektionsproblems, d. h. dem Auffinden des Elements von Rang $k$ in einer großen verteilten Eingabe. Wir zeigen, wie dieses Problem kommunikationseffizient gelöst werden kann, ohne anzunehmen, dass die Elemente der Eingabe zufällig verteilt seien. Hierzu ersetzen wir die Methode zur Pivotwahl in einem schon lange bekannten Algorithmus und zeigen, dass dies hinreichend ist. Anschließend zeigen wir, dass die Selektion aus lokal sortierten Folgen – multisequence selection – wesentlich schneller lösbar ist, wenn der genaue Rang des Ausgabeelements in einem gewissen Bereich variieren darf. Dies benutzen wir anschließend, um eine verteilte Prioritätswarteschlange mit Bulk-Operationen zu konstruieren. Später werden wir diese verwenden, um gewichtete Stichproben aus Datenströmen zu ziehen (Reservoir Sampling). Schließlich betrachten wir das Problem, die global häufigsten Objekte sowie die, deren zugehörige Werte die größten Summen ergeben, mit einem stichprobenbasierten Ansatz zu identifizieren. Im Kapitel über gewichtete Stichproben werden zunächst neue Konstruktionsalgorithmen für eine klassische Datenstruktur für dieses Problem, sogenannte Alias-Tabellen, vorgestellt. Zu Beginn stellen wir den ersten Linearzeit-Konstruktionsalgorithmus für diese Datenstruktur vor, der mit konstant viel Zusatzspeicher auskommt. Anschließend parallelisieren wir diesen Algorithmus für Shared Memory und erhalten so den ersten parallelen Konstruktionsalgorithmus für Aliastabellen. Hiernach zeigen wir, wie das Problem für verteilte Systeme mit einem zweistufigen Algorithmus angegangen werden kann. Anschließend stellen wir einen ausgabesensitiven Algorithmus für gewichtete Stichproben mit Zurücklegen vor. Ausgabesensitiv bedeutet, dass die Laufzeit des Algorithmus sich auf die Anzahl der eindeutigen Elemente in der Ausgabe bezieht und nicht auf die Größe der Stichprobe. Dieser Algorithmus kann sowohl sequentiell als auch auf Shared-Memory-Maschinen und verteilten Systemen eingesetzt werden und ist der erste derartige Algorithmus in allen drei Kategorien. Wir passen ihn anschließend an das Ziehen gewichteter Stichproben ohne Zurücklegen an, indem wir ihn mit einem Schätzer für die Anzahl der eindeutigen Elemente in einer Stichprobe mit Zurücklegen kombinieren. Poisson-Sampling, eine Verallgemeinerung des Bernoulli-Sampling auf gewichtete Elemente, kann auf ganzzahlige Sortierung zurückgeführt werden, und wir zeigen, wie ein bestehender Ansatz parallelisiert werden kann. Für das Sampling aus Datenströmen passen wir einen sequentiellen Algorithmus an und zeigen, wie er in einem Mini-Batch-Modell unter Verwendung unserer im Selektionskapitel eingeführten Bulk-Prioritätswarteschlange parallelisiert werden kann. Das Kapitel endet mit einer ausführlichen Evaluierung unserer Aliastabellen-Konstruktionsalgorithmen, unseres ausgabesensitiven Algorithmus für gewichtete Stichproben mit Zurücklegen und unseres Algorithmus für gewichtetes Reservoir-Sampling. Um die Korrektheit verteilter Algorithmen probabilistisch zu verifizieren, schlagen wir Checker für grundlegende Operationen von Big-Data-Frameworks vor. Wir zeigen, dass die Überprüfung zahlreicher Operationen auf zwei „Kern“-Checker reduziert werden kann, nämlich die Prüfung von Aggregationen und ob eine Folge eine Permutation einer anderen Folge ist. Während mehrere Ansätze für letzteres Problem seit geraumer Zeit bekannt sind und sich auch einfach parallelisieren lassen, ist unser Summenaggregations-Checker eine neuartige Anwendung der gleichen Datenstruktur, die auch zählenden Bloom-Filtern und dem Count-Min-Sketch zugrunde liegt. Wir haben beide Checker in Thrill, einem Big-Data-Framework, implementiert. Experimente mit absichtlich herbeigeführten Fehlern bestätigen die von unserer theoretischen Analyse vorhergesagte Erkennungsgenauigkeit. Dies gilt selbst dann, wenn wir häufig verwendete schnelle Hash-Funktionen mit in der Theorie suboptimalen Eigenschaften verwenden. Skalierungsexperimente auf einem Supercomputer zeigen, dass unsere Checker nur sehr geringen Laufzeit-Overhead haben, welcher im Bereich von $2\,\%$ liegt und dabei die Korrektheit des Ergebnisses nahezu garantiert wird