Hardware-conscious query processing for the many-core era

Die optimale Nutzung von moderner Hardware zur Beschleunigung von Datenbank-Anfragen ist keine triviale Aufgabe. Viele DBMS als auch DSMS der letzten Jahrzehnte basieren auf Sachverhalten, die heute kaum noch Gültigkeit besitzen. Ein Beispiel hierfür sind heutige Server-Systeme, deren Hauptspeichergröße im Bereich mehrerer Terabytes liegen kann und somit den Weg für Hauptspeicherdatenbanken geebnet haben. Einer der größeren letzten Hardware Trends geht hin zu Prozessoren mit einer hohen Anzahl von Kernen, den sogenannten Manycore CPUs. Diese erlauben hohe Parallelitätsgrade für Programme durch Multithreading sowie Vektorisierung (SIMD), was die Anforderungen an die Speicher-Bandbreite allerdings deutlich erhöht. Der sogenannte High-Bandwidth Memory (HBM) versucht diese Lücke zu schließen, kann aber ebenso wie Many-core CPUs jeglichen Performance-Vorteil negieren, wenn dieser leichtfertig eingesetzt wird. Diese Arbeit stellt die Many-core CPU-Architektur zusammen mit HBM vor, um Datenbank sowie Datenstrom-Anfragen zu beschleunigen. Es wird gezeigt, dass ein hardwarenahes Kostenmodell zusammen mit einem Kalibrierungsansatz die Performance verschiedener Anfrageoperatoren verlässlich vorhersagen kann. Dies ermöglicht sowohl eine adaptive Partitionierungs und Merge-Strategie für die Parallelisierung von Datenstrom-Anfragen als auch eine ideale Konfiguration von Join-Operationen auf einem DBMS. Nichtsdestotrotz ist nicht jede Operation und Anwendung für die Nutzung einer Many-core CPU und HBM geeignet. Datenstrom-Anfragen sind oft auch an niedrige Latenz und schnelle Antwortzeiten gebunden, welche von höherer Speicher-Bandbreite kaum profitieren können. Hinzu kommen üblicherweise niedrigere Taktraten durch die hohe Kernzahl der CPUs, sowie Nachteile für geteilte Datenstrukturen, wie das Herstellen von Cache-Kohärenz und das Synchronisieren von parallelen Thread-Zugriffen. Basierend auf den Ergebnissen dieser Arbeit lässt sich ableiten, welche parallelen Datenstrukturen sich für die Verwendung von HBM besonders eignen. Des Weiteren werden verschiedene Techniken zur Parallelisierung und Synchronisierung von Datenstrukturen vorgestellt, deren Effizienz anhand eines Mehrwege-Datenstrom-Joins demonstriert wird.Exploiting the opportunities given by modern hardware for accelerating query processing speed is no trivial task. Many DBMS and also DSMS from past decades are based on fundamentals that have changed over time, e.g., servers of today with terabytes of main memory capacity allow complete avoidance of spilling data to disk, which has prepared the ground some time ago for main memory databases. One of the recent trends in hardware are many-core processors with hundreds of logical cores on a single CPU, providing an intense degree of parallelism through multithreading as well as vectorized instructions (SIMD). Their demand for memory bandwidth has led to the further development of high-bandwidth memory (HBM) to overcome the memory wall. However, many-core CPUs as well as HBM have many pitfalls that can nullify any performance gain with ease. In this work, we explore the many-core architecture along with HBM for database and data stream query processing. We demonstrate that a hardware-conscious cost model with a calibration approach allows reliable performance prediction of various query operations. Based on that information, we can, therefore, come to an adaptive partitioning and merging strategy for stream query parallelization as well as finding an ideal configuration of parameters for one of the most common tasks in the history of DBMS, join processing. However, not all operations and applications can exploit a many-core processor or HBM, though. Stream queries optimized for low latency and quick individual responses usually do not benefit well from more bandwidth and suffer from penalties like low clock frequencies of many-core CPUs as well. Shared data structures between cores also lead to problems with cache coherence as well as high contention. Based on our insights, we give a rule of thumb which data structures are suitable to parallelize with focus on HBM usage. In addition, different parallelization schemas and synchronization techniques are evaluated, based on the example of a multiway stream join operation

State Management for Efficient Event Pattern Detection

Event Stream Processing (ESP) Systeme überwachen kontinuierliche Datenströme, um benutzerdefinierte Queries auszuwerten. Die Herausforderung besteht darin, dass die Queryverarbeitung zustandsbehaftet ist und die Anzahl von Teilübereinstimmungen mit der Größe der verarbeiteten Events exponentiell anwächst. Die Dynamik von Streams und die Notwendigkeit, entfernte Daten zu integrieren, erschweren die Zustandsverwaltung. Erstens liefern heterogene Eventquellen Streams mit unvorhersehbaren Eingaberaten und Queryselektivitäten. Während Spitzenzeiten ist eine erschöpfende Verarbeitung unmöglich, und die Systeme müssen auf eine Best-Effort-Verarbeitung zurückgreifen. Zweitens erfordern Queries möglicherweise externe Daten, um ein bestimmtes Event für eine Query auszuwählen. Solche Abhängigkeiten sind problematisch: Das Abrufen der Daten unterbricht die Stream-Verarbeitung. Ohne eine Eventauswahl auf Grundlage externer Daten wird das Wachstum von Teilübereinstimmungen verstärkt. In dieser Dissertation stelle ich Strategien für optimiertes Zustandsmanagement von ESP Systemen vor. Zuerst ermögliche ich eine Best-Effort-Verarbeitung mittels Load Shedding. Dabei werden sowohl Eingabeeevents als auch Teilübereinstimmungen systematisch verworfen, um eine Latenzschwelle mit minimalem Qualitätsverlust zu garantieren. Zweitens integriere ich externe Daten, indem ich das Abrufen dieser von der Verwendung in der Queryverarbeitung entkoppele. Mit einem effizienten Caching-Mechanismus vermeide ich Unterbrechungen durch Übertragungslatenzen. Dazu werden externe Daten basierend auf ihrer erwarteten Verwendung vorab abgerufen und mittels Lazy Evaluation bei der Eventauswahl berücksichtigt. Dabei wird ein Kostenmodell verwendet, um zu bestimmen, wann welche externen Daten abgerufen und wie lange sie im Cache aufbewahrt werden sollen. Ich habe die Effektivität und Effizienz der vorgeschlagenen Strategien anhand von synthetischen und realen Daten ausgewertet und unter Beweis gestellt.Event stream processing systems continuously evaluate queries over event streams to detect user-specified patterns with low latency. However, the challenge is that query processing is stateful and it maintains partial matches that grow exponentially in the size of processed events. State management is complicated by the dynamicity of streams and the need to integrate remote data. First, heterogeneous event sources yield dynamic streams with unpredictable input rates, data distributions, and query selectivities. During peak times, exhaustive processing is unreasonable, and systems shall resort to best-effort processing. Second, queries may require remote data to select a specific event for a pattern. Such dependencies are problematic: Fetching the remote data interrupts the stream processing. Yet, without event selection based on remote data, the growth of partial matches is amplified. In this dissertation, I present strategies for optimised state management in event pattern detection. First, I enable best-effort processing with load shedding that discards both input events and partial matches. I carefully select the shedding elements to satisfy a latency bound while striving for a minimal loss in result quality. Second, to efficiently integrate remote data, I decouple the fetching of remote data from its use in query evaluation by a caching mechanism. To this end, I hide the transmission latency by prefetching remote data based on anticipated use and by lazy evaluation that postpones the event selection based on remote data to avoid interruptions. A cost model is used to determine when to fetch which remote data items and how long to keep them in the cache. I evaluated the above techniques with queries over synthetic and real-world data. I show that the load shedding technique significantly improves the recall of pattern detection over baseline approaches, while the technique for remote data integration significantly reduces the pattern detection latency

Accelerating Event Stream Processing in On- and Offline Systems

Due to a growing number of data producers and their ever-increasing data volume, the ability to ingest, analyze, and store potentially never-ending streams of data is a mission-critical task in today's data processing landscape. A widespread form of data streams are event streams, which consist of continuously arriving notifications about some real-world phenomena. For example, a temperature sensor naturally generates an event stream by periodically measuring the temperature and reporting it with measurement time in case of a substantial change to the previous measurement. In this thesis, we consider two kinds of event stream processing: online and offline. Online refers to processing events solely in main memory as soon as they arrive, while offline means processing event data previously persisted to non-volatile storage. Both modes are supported by widely used scale-out general-purpose stream processing engines (SPEs) like Apache Flink or Spark Streaming. However, such engines suffer from two significant deficiencies that severely limit their processing performance. First, for offline processing, they load the entire stream from non-volatile secondary storage and replay all data items into the associated online engine in order of their original arrival. While this naturally ensures unified query semantics for on- and offline processing, the costs for reading the entire stream from non-volatile storage quickly dominate the overall processing costs. Second, modern SPEs focus on scaling out computations across the nodes of a cluster, but use only a fraction of the available resources of individual nodes. This thesis tackles those problems with three different approaches. First, we present novel techniques for the offline processing of two important query types (windowed aggregation and sequential pattern matching). Our methods utilize well-understood indexing techniques to reduce the total amount of data to read from non-volatile storage. We show that this improves the overall query runtime significantly. In particular, this thesis develops the first index-based algorithms for pattern queries expressed with the Match_Recognize clause, a new and powerful language feature of SQL that has received little attention so far. Second, we show how to maximize resource utilization of single nodes by exploiting the capabilities of modern hardware. Therefore, we develop a prototypical shared-memory CPU-GPU-enabled event processing system. The system provides implementations of all major event processing operators (filtering, windowed aggregation, windowed join, and sequential pattern matching). Our experiments reveal that regarding resource utilization and processing throughput, such a hardware-enabled system is superior to hardware-agnostic general-purpose engines. Finally, we present TPStream, a new operator for pattern matching over temporal intervals. TPStream achieves low processing latency and, in contrast to sequential pattern matching, is easily parallelizable even for unpartitioned input streams. This results in maximized resource utilization, especially for modern CPUs with multiple cores

Transactional and analytical data management on persistent memory

Die zunehmende Anzahl von Smart-Geräten und Sensoren, aber auch die sozialen Medien lassen das Datenvolumen und damit die geforderte Verarbeitungsgeschwindigkeit stetig wachsen. Gleichzeitig müssen viele Anwendungen Daten persistent speichern oder sogar strenge Transaktionsgarantien einhalten. Die neuartige Speichertechnologie Persistent Memory (PMem) mit ihren einzigartigen Eigenschaften scheint ein natürlicher Anwärter zu sein, um diesen Anforderungen effizient nachzukommen. Sie ist im Vergleich zu DRAM skalierbarer, günstiger und dauerhaft. Im Gegensatz zu Disks ist sie deutlich schneller und direkt adressierbar. Daher wird in dieser Dissertation der gezielte Einsatz von PMem untersucht, um den Anforderungen moderner Anwendung gerecht zu werden. Nach der Darlegung der grundlegenden Arbeitsweise von und mit PMem, konzentrieren wir uns primär auf drei Aspekte der Datenverwaltung. Zunächst zerlegen wir mehrere persistente Daten- und Indexstrukturen in ihre zugrundeliegenden Entwurfsprimitive, um Abwägungen für verschiedene Zugriffsmuster aufzuzeigen. So können wir ihre besten Anwendungsfälle und Schwachstellen, aber auch allgemeine Erkenntnisse über das Entwerfen von PMem-basierten Datenstrukturen ermitteln. Zweitens schlagen wir zwei Speicherlayouts vor, die auf analytische Arbeitslasten abzielen und eine effiziente Abfrageausführung auf beliebigen Attributen ermöglichen. Während der erste Ansatz eine verknüpfte Liste von mehrdimensionalen gruppierten Blöcken verwendet, handelt es sich beim zweiten Ansatz um einen mehrdimensionalen Index, der Knoten im DRAM zwischenspeichert. Drittens zeigen wir unter Verwendung der bisherigen Datenstrukturen und Erkenntnisse, wie Datenstrom- und Ereignisverarbeitungssysteme mit transaktionaler Zustandsverwaltung verbessert werden können. Dabei schlagen wir ein neuartiges Transactional Stream Processing (TSP) Modell mit geeigneten Konsistenz- und Nebenläufigkeitsprotokollen vor, die an PMem angepasst sind. Zusammen sollen die diskutierten Aspekte eine Grundlage für die Entwicklung noch ausgereifterer PMem-fähiger Systeme bilden. Gleichzeitig zeigen sie, wie Datenverwaltungsaufgaben PMem ausnutzen können, indem sie neue Anwendungsgebiete erschließen, die Leistung, Skalierbarkeit und Wiederherstellungsgarantien verbessern, die Codekomplexität vereinfachen sowie die ökonomischen und ökologischen Kosten reduzieren.The increasing number of smart devices and sensors, but also social media are causing the volume of data and thus the demanded processing speed to grow steadily. At the same time, many applications need to store data persistently or even comply with strict transactional guarantees. The novel storage technology Persistent Memory (PMem), with its unique properties, seems to be a natural candidate to meet these requirements efficiently. Compared to DRAM, it is more scalable, less expensive, and durable. In contrast to disks, it is significantly faster and directly addressable. Therefore, this dissertation investigates the deliberate employment of PMem to fit the needs of modern applications. After presenting the fundamental work of and with PMem, we focus primarily on three aspects of data management. First, we disassemble several persistent data and index structures into their underlying design primitives to reveal the trade-offs for various access patterns. It allows us to identify their best use cases and vulnerabilities but also to gain general insights into the design of PMem-based data structures. Second, we propose two storage layouts that target analytical workloads and enable an efficient query execution on arbitrary attributes. While the first approach employs a linked list of multi-dimensional clustered blocks that potentially span several storage layers, the second approach is a multi-dimensional index that caches nodes in DRAM. Third, we show how to improve stream and event processing systems involving transactional state management using the preceding data structures and insights. In this context, we propose a novel Transactional Stream Processing (TSP) model with appropriate consistency and concurrency protocols adapted to PMem. Together, the discussed aspects are intended to provide a foundation for developing even more sophisticated PMemenabled systems. At the same time, they show how data management tasks can take advantage of PMem by opening up new application domains, improving performance, scalability, and recovery guarantees, simplifying code complexity, plus reducing economic and environmental costs

Location- and keyword-based querying of geo-textual data: a survey

With the broad adoption of mobile devices, notably smartphones, keyword-based search for content has seen increasing use by mobile users, who are often interested in content related to their geographical location. We have also witnessed a proliferation of geo-textual content that encompasses both textual and geographical information. Examples include geo-tagged microblog posts, yellow pages, and web pages related to entities with physical locations. Over the past decade, substantial research has been conducted on integrating location into keyword-based querying of geo-textual content in settings where the underlying data is assumed to be either relatively static or is assumed to stream into a system that maintains a set of continuous queries. This paper offers a survey of both the research problems studied and the solutions proposed in these two settings. As such, it aims to offer the reader a first understanding of key concepts and techniques, and it serves as an “index” for researchers who are interested in exploring the concepts and techniques underlying proposed solutions to the querying of geo-textual data.Agency for Science, Technology and Research (A*STAR)Ministry of Education (MOE)Nanyang Technological UniversityThis research was supported in part by MOE Tier-2 Grant MOE2019-T2-2-181, MOE Tier-1 Grant RG114/19, an NTU ACE Grant, and the Singtel Cognitive and Artificial Intelligence Lab for Enterprises (SCALE@NTU), which is a collaboration between Singapore Telecommunications Limited (Singtel) and Nanyang Technological University (NTU) that is funded by the Singapore Government through the Industry Alignment Fund Industry Collaboration Projects Grant, and by the Innovation Fund Denmark centre, DIREC

Efficient bulk-loading methods for temporal and multidimensional index structures

Nahezu alle naturwissenschaftlichen Bereiche profitieren von neuesten Analyse- und Verarbeitungsmethoden für große Datenmengen. Diese Verfahren setzten eine effiziente Verarbeitung von geo- und zeitbezogenen Daten voraus, da die Zeit und die Position wichtige Attribute vieler Daten sind. Die effiziente Anfrageverarbeitung wird insbesondere durch den Einsatz von Indexstrukturen ermöglicht. Im Fokus dieser Arbeit liegen zwei Indexstrukturen: Multiversion B-Baum (MVBT) und R-Baum. Die erste Struktur wird für die Verwaltung von zeitbehafteten Daten, die zweite für die Indexierung von mehrdimensionalen Rechteckdaten eingesetzt. Ständig- und schnellwachsendes Datenvolumen stellt eine große Herausforderung an die Informatik dar. Der Aufbau und das Aktualisieren von Indexen mit herkömmlichen Methoden (Datensatz für Datensatz) ist nicht mehr effizient. Um zeitnahe und kosteneffiziente Datenverarbeitung zu ermöglichen, werden Verfahren zum schnellen Laden von Indexstrukturen dringend benötigt. Im ersten Teil der Arbeit widmen wir uns der Frage, ob es ein Verfahren für das Laden von MVBT existiert, das die gleiche I/O-Komplexität wie das externe Sortieren besitz. Bis jetzt blieb diese Frage unbeantwortet. In dieser Arbeit haben wir eine neue Kostruktionsmethode entwickelt und haben gezeigt, dass diese gleiche Zeitkomplexität wie das externe Sortieren besitzt. Dabei haben wir zwei algorithmische Techniken eingesetzt: Gewichts-Balancierung und Puffer-Bäume. Unsere Experimenten zeigen, dass das Resultat nicht nur theoretischer Bedeutung ist. Im zweiten Teil der Arbeit beschäftigen wir uns mit der Frage, ob und wie statistische Informationen über Geo-Anfragen ausgenutzt werden können, um die Anfrageperformanz von R-Bäumen zu verbessern. Unsere neue Methode verwendet Informationen wie Seitenverhältnis und Seitenlängen eines repräsentativen Anfragerechtecks, um einen guten R-Baum bezüglich eines häufig eingesetzten Kostenmodells aufzubauen. Falls diese Informationen nicht verfügbar sind, optimieren wir R-Bäume bezüglich der Summe der Volumina von minimal umgebenden Rechtecken der Blattknoten. Da das Problem des Aufbaus von optimalen R-Bäumen bezüglich dieses Kostenmaßes NP-hart ist, führen wir zunächst das Problem auf ein eindimensionales Partitionierungsproblem zurück, indem wir die Daten bezüglich optimierte raumfüllende Kurven sortieren. Dann lösen wir dieses Problem durch Einsatz vom dynamischen Programmieren. Die I/O-Komplexität des Verfahrens ist gleich der von externem Sortieren, da die I/O-Laufzeit der Methode durch die Laufzeit des Sortierens dominiert wird. Im letzten Teil der Arbeit haben wir die entwickelten Partitionierungsvefahren für den Aufbau von Geo-Histogrammen eingesetzt, da diese ähnlich zu R-Bäumen eine disjunkte Partitionierung des Raums erzeugen. Ergebnisse von intensiven Experimenten zeigen, dass sich unter Verwendung von neuen Partitionierungstechniken sowohl R-Bäume mit besserer Anfrageperformanz als auch Geo-Histogrammen mit besserer Schätzqualität im Vergleich zu Konkurrenzverfahren generieren lassen

Weiterentwicklung analytischer Datenbanksysteme

This thesis contributes to the state of the art in analytical database systems. First, we identify and explore extensions to better support analytics on event streams. Second, we propose a novel polygon index to enable efficient geospatial data processing in main memory. Third, we contribute a new deep learning approach to cardinality estimation, which is the core problem in cost-based query optimization.Diese Arbeit trägt zum aktuellen Forschungsstand von analytischen Datenbanksystemen bei. Wir identifizieren und explorieren Erweiterungen um Analysen auf Eventströmen besser zu unterstützen. Wir stellen eine neue Indexstruktur für Polygone vor, die eine effiziente Verarbeitung von Geodaten im Hauptspeicher ermöglicht. Zudem präsentieren wir einen neuen Ansatz für Kardinalitätsschätzungen mittels maschinellen Lernens

Mining complex data in highly streaming environments

Data is growing at a rapid rate because of advanced hardware and software technologies and platforms such as e-health systems, sensor networks, and social media. One of the challenging problems is storing, processing and transferring this big data in an efficient and effective way. One solution to tackle these challenges is to construct synopsis by means of data summarization techniques. Motivated by the fact that without summarization, processing, analyzing and communicating this vast amount of data is inefficient, this thesis introduces new summarization frameworks with the main goals of reducing communication costs and accelerating data mining processes in different application scenarios. Specifically, we study the following big data summarizaion techniques:(i) dimensionality reduction;(ii)clustering,and(iii)histogram, considering their importance and wide use in various areas and domains. In our work, we propose three different frameworks using these summarization techniques to cover three different aspects of big data:"Volume","Velocity"and"Variety" in centralized and decentralized platforms. We use dimensionality reduction techniques for summarizing large 2D-arrays, clustering and histograms for processing multiple data streams. With respect to the importance and rapid growth of emerging e-health applications such as tele-radiology and tele-medicine that require fast, low cost, and often lossless access to massive amounts of medical images and data over band limited channels,our first framework attempts to summarize streams of large volume medical images (e.g. X-rays) for the purpose of compression. Significant amounts of correlation and redundancy exist across different medical images. These can be extracted and used as a data summary to achieve better compression, and consequently less storage and less communication overheads on the network. We propose a novel memory-assisted compression framework as a learning-based universal coding, which can be used to complement any existing algorithm to further eliminate redundancies/similarities across images. This approach is motivated by the fact that, often in medical applications, massive amounts of correlated images from the same family are available as training data for learning the dependencies and deriving appropriate reference or synopses models. The models can then be used for compression of any new image from the same family. In particular, dimensionality reduction techniques such as Principal Component Analysis (PCA) and Non-negative Matrix Factorization (NMF) are applied on a set of images from training data to form the required reference models. The proposed memory-assisted compression allows each image to be processed independently of other images, and hence allows individual image access and transmission. In the second part of our work,we investigate the problem of summarizing distributed multidimensional data streams using clustering. We devise a distributed clustering framework, DistClusTree, that extends the centralized ClusTree approach. The main difficulty in distributed clustering is balancing communication costs and clustering quality. We tackle this in DistClusTree through combining spatial index summaries and online tracking for efficient local and global incremental clustering. We demonstrate through extensive experiments the efficacy of the framework in terms of communication costs and approximate clustering quality. In the last part, we use a multidimensional index structure to merge distributed summaries in the form of a centralized histogram as another widely used summarization technique with the application in approximate range query answering. In this thesis, we propose the index-based Distributed Mergeable Summaries (iDMS) framework based on kd-trees that addresses these challenges with data generative models of Gaussian mixture models (GMMs) and a Generative Adversarial Network (GAN). iDMS maintains a global approximate kd-tree at a central site via GMMs or GANs upon new arrivals of streaming data at local sites. Experimental results validate the effectiveness and efficiency of iDMS against baseline distributed settings in terms of approximation error and communication costs

Digital Image Access & Retrieval

The 33th Annual Clinic on Library Applications of Data Processing, held at the University of Illinois at Urbana-Champaign in March of 1996, addressed the theme of "Digital Image Access & Retrieval." The papers from this conference cover a wide range of topics concerning digital imaging technology for visual resource collections. Papers covered three general areas: (1) systems, planning, and implementation; (2) automatic and semi-automatic indexing; and (3) preservation with the bulk of the conference focusing on indexing and retrieval.published or submitted for publicatio