Importance of data distribution on hive-based systems for query performance: An experimental study

SQL-on-Hadoop systems have been gaining popularity in recent years. One popular example of SQL-on-Hadoop systems is Apache Hive; the pioneer of SQL-on-Hadoop systems. Hive is located on the top of big data stack as an application layer. Besides the application layer, the Hadoop Ecosystem is composed of 3 different main layers: storage, the resource manager and processing engine. The demand from industry has led to the development of new efficient components for each layer. As the ecosystem evolves over time, Hive employed different execution engines too. Understanding the strengths of components is very important in order to exploit the full performance of the Hadoop Ecosystem. Therefore, recent works in the literature study the importance of each layer separately. To the best of our knowledge, the present work is the first work that focuses on the performance of the combination of both the storage layer and the execution engine. In this work, we compare the Hive\u27s query performance by using three different execution engines: MR, Tez and Spark on the skewed/well-balanced data distribution through the full TPC-H benchmark. Our results show the importance of data distribution on the storage layer for overall job performance of SQL-on-Hadoop systems and empirically showed even distribution improves performance up to 48% compared to skewed distribution. Moreover, the present study provides insightful findings by identifying particular SQL query cases that the certain processing engine deals exceptionally well

PREDICTION BASED WORKLOAD PERFORMANCE EVALUATION FOR DISASTER MANAGEMENT SPATIAL DATABASE

This paper discusses a prediction based workload performance evaluation implementation during Disaster Management, especially at the response phase, to handle large spatial data in the event of an eruption of the Merapi volcano in Indonesia. Complexity associated with a large spatial database are not the same with the conventional database. This implies that in coming complex work loads are difficult to be handled by human from which needs longer processing time and may lead to failure and undernourishment. Based on incoming workload, this study is intended to predict the associated workload into OLTP and DSS workload performance types. From the SQL statements, it is clear that the DBMS can obtain and record the process, measure the analysed performances and the workload classifier in the form of DBMS snapshots. The Case-Based Reasoning (CBR) optimised with Hash Search Technique has been adopted in this study to evaluate and predict the workload performance of PostgreSQL. It has been proven that the proposed CBR using Hash Search technique has resulted in acceptable prediction of the accuracy measurement than other machine learning algorithm like Neural Network and Support Vector Machine. Besides, the results of the evaluation using confusion matrix has resulted in very good accuracy as well as improvement in execution time. Additionally, the results of the study indicated that the prediction model for workload performance evaluation using CBR which is optimised by Hash Search technique for determining workload data on shortest path analysis via the employment of Dijkstra algorithm. It could be useful for the prediction of the incoming workload based on the status of the predetermined DBMS parameters. In this way, information is delivered to DBMS hence ensuring incoming workload information that is very crucial to determine the smooth works of PostgreSQL

Understanding Spark System Performance for Image Processing in a Heterogeneous Commodity Cluster

In recent years, Apache Spark has seen a widespread adoption in industries and institutions due to its cache mechanism for faster Big Data analytics. However, the speed advantage Spark provides, especially in a heterogeneous cluster environment, is not obtainable out-of-the-box; it requires the right combination of configuration parameters from the myriads of parameters provided by Spark developers. Recognizing this challenge, this thesis undertakes a study to provide insight on Spark performance particularly, regarding the impact of choice parameter settings. These are parameters that are critical to fast job completion and effective utilization of resources. To this end, the study focuses on two specific example applications namely, flowerCounter and imageClustering, for processing still image datasets of Canola plants collected during the Summer of 2016 from selected plot fields using timelapse cameras in a heterogeneous Spark-clustered environments. These applications were of initial interest to the Plant Phenotyping and Imaging Research Centre (P2IRC) at the University of Saskatchewan. The P2IRC is responsible for developing systems that will aid fast analysis of large-scale seed breeding to ensure global food security. The flowerCounter application estimates the count of flowers from the images while the imageClustering application clusters images based on physical plant attributes. Two clusters are used for the experiments: a 12-node and 3-node cluster (including a master node), with Hadoop Distributed File System (HDFS) as the storage medium for the image datasets. Experiments with the two case study applications demonstrate that increasing the number of tasks does not always speed-up job processing due to increased communication overheads. Findings from other experiments show that numerous tasks with one core per executor and small allocated memory limits parallelism within an executor and result in inefficient use of cluster resources. Executors with large CPU and memory, on the other hand, do not speed-up analytics due to processing delays and threads concurrency. Further experimental results indicate that application processing time depends on input data storage in conjunction with locality levels and executor run time is largely dominated by the disk I/O time especially, the read time cost. With respect to horizontal node scaling, Spark scales with increasing homogeneous computing nodes but the speed-up degrades with heterogeneous nodes. Finally, this study shows that the effectiveness of speculative tasks execution in mitigating the impact of slow nodes varies for the applications

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

Learning workload behaviour models from monitored time-series for resource estimation towards data center optimization

In recent years there has been an extraordinary growth of the demand of Cloud Computing resources executed in Data Centers. Modern Data Centers are complex systems that need management. As distributed computing systems grow, and workloads benefit from such computing environments, the management of such systems increases in complexity. The complexity of resource usage and power consumption on cloud-based applications makes the understanding of application behavior through expert examination difficult. The difficulty increases when applications are seen as "black boxes", where only external monitoring can be retrieved. Furthermore, given the different amount of scenarios and applications, automation is required. To deal with such complexity, Machine Learning methods become crucial to facilitate tasks that can be automatically learned from data. Firstly, this thesis proposes an unsupervised learning technique to learn high level representations from workload traces. Such technique provides a fast methodology to characterize workloads as sequences of abstract phases. The learned phase representation is validated on a variety of datasets and used in an auto-scaling task where we show that it can be applied in a production environment, achieving better performance than other state-of-the-art techniques. Secondly, this thesis proposes a neural architecture, based on Sequence-to-Sequence models, that provides the expected resource usage of applications sharing hardware resources. The proposed technique provides resource managers the ability to predict resource usage over time as well as the completion time of the running applications. The technique provides lower error predicting usage when compared with other popular Machine Learning methods. Thirdly, this thesis proposes a technique for auto-tuning Big Data workloads from the available tunable parameters. The proposed technique gathers information from the logs of an application generating a feature descriptor that captures relevant information from the application to be tuned. Using this information we demonstrate that performance models can generalize up to a 34% better when compared with other state-of-the-art solutions. Moreover, the search time to find a suitable solution can be drastically reduced, with up to a 12x speedup and almost equal quality results as modern solutions. These results prove that modern learning algorithms, with the right feature information, provide powerful techniques to manage resource allocation for applications running in cloud environments. This thesis demonstrates that learning algorithms allow relevant optimizations in Data Center environments, where applications are externally monitored and careful resource management is paramount to efficiently use computing resources. We propose to demonstrate this thesis in three areas that orbit around resource management in server environmentsEls Centres de Dades (Data Centers) moderns són sistemes complexos que necessiten ser gestionats. A mesura que creixen els sistemes de computació distribuïda i les aplicacions es beneficien d’aquestes infraestructures, també n’augmenta la seva complexitat. La complexitat que implica gestionar recursos de còmput i d’energia en sistemes de computació al núvol fa difícil entendre el comportament de les aplicacions que s'executen de manera manual. Aquesta dificultat s’incrementa quan les aplicacions s'observen com a "caixes negres", on només es poden monitoritzar algunes mètriques de les caixes de manera externa. A més, degut a la gran varietat d’escenaris i aplicacions, és necessari automatitzar la gestió d'aquests recursos. Per afrontar-ne el repte, l'aprenentatge automàtic juga un paper cabdal que facilita aquestes tasques, que poden ser apreses automàticament en base a dades prèvies del sistema que es monitoritza. Aquesta tesi demostra que els algorismes d'aprenentatge poden aportar optimitzacions molt rellevants en la gestió de Centres de Dades, on les aplicacions són monitoritzades externament i la gestió dels recursos és de vital importància per a fer un ús eficient de la capacitat de còmput d'aquests sistemes. En primer lloc, aquesta tesi proposa emprar aprenentatge no supervisat per tal d’aprendre representacions d'alt nivell a partir de traces d'aplicacions. Aquesta tècnica ens proporciona una metodologia ràpida per a caracteritzar aplicacions vistes com a seqüències de fases abstractes. La representació apresa de fases és validada en diferents “datasets” i s'aplica a la gestió de tasques d'”auto-scaling”, on es conclou que pot ser aplicable en un medi de producció, aconseguint un millor rendiment que altres mètodes de vanguardia. En segon lloc, aquesta tesi proposa l'ús de xarxes neuronals, basades en arquitectures “Sequence-to-Sequence”, que proporcionen una estimació dels recursos usats per aplicacions que comparteixen recursos de hardware. La tècnica proposada facilita als gestors de recursos l’habilitat de predir l'ús de recursos a través del temps, així com també una estimació del temps de còmput de les aplicacions. Tanmateix, redueix l’error en l’estimació de recursos en comparació amb d’altres tècniques populars d'aprenentatge automàtic. Per acabar, aquesta tesi introdueix una tècnica per a fer “auto-tuning” dels “hyper-paràmetres” d'aplicacions de Big Data. Consisteix així en obtenir informació dels “logs” de les aplicacions, generant un vector de característiques que captura informació rellevant de les aplicacions que s'han de “tunejar”. Emprant doncs aquesta informació es valida que els ”Regresors” entrenats en la predicció del rendiment de les aplicacions són capaços de generalitzar fins a un 34% millor que d’altres “Regresors” de vanguàrdia. A més, el temps de cerca per a trobar una bona solució es pot reduir dràsticament, aconseguint un increment de millora de fins a 12 vegades més dels resultats de qualitat en contraposició a alternatives modernes. Aquests resultats posen de manifest que els algorismes moderns d'aprenentatge automàtic esdevenen tècniques molt potents per tal de gestionar l'assignació de recursos en aplicacions que s'executen al núvol.Arquitectura de computador

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