Partout: A Distributed Engine for Efficient RDF Processing

The increasing interest in Semantic Web technologies has led not only to a rapid growth of semantic data on the Web but also to an increasing number of backend applications with already more than a trillion triples in some cases. Confronted with such huge amounts of data and the future growth, existing state-of-the-art systems for storing RDF and processing SPARQL queries are no longer sufficient. In this paper, we introduce Partout, a distributed engine for efficient RDF processing in a cluster of machines. We propose an effective approach for fragmenting RDF data sets based on a query log, allocating the fragments to nodes in a cluster, and finding the optimal configuration. Partout can efficiently handle updates and its query optimizer produces efficient query execution plans for ad-hoc SPARQL queries. Our experiments show the superiority of our approach to state-of-the-art approaches for partitioning and distributed SPARQL query processing

Processing Rank-Aware Queries in Schema-Based P2P Systems

Effiziente Anfragebearbeitung in Datenintegrationssystemen sowie in P2P-Systemen ist bereits seit einigen Jahren ein Aspekt aktueller Forschung. Konventionelle Datenintegrationssysteme bestehen aus mehreren Datenquellen mit ggf. unterschiedlichen Schemata, sind hierarchisch aufgebaut und besitzen eine zentrale Komponente: den Mediator, der ein globales Schema verwaltet. Anfragen an das System werden auf diesem globalen Schema formuliert und vom Mediator bearbeitet, indem relevante Daten von den Datenquellen transparent für den Benutzer angefragt werden. Aufbauend auf diesen Systemen entstanden schließlich Peer-Daten-Management-Systeme (PDMSs) bzw. schemabasierte P2P-Systeme. An einem PDMS teilnehmende Knoten (Peers) können einerseits als Mediatoren agieren andererseits jedoch ebenso als Datenquellen. Darüber hinaus sind diese Peers autonom und können das Netzwerk jederzeit verlassen bzw. betreten. Die potentiell riesige Datenmenge, die in einem derartigen Netzwerk verfügbar ist, führt zudem in der Regel zu sehr großen Anfrageergebnissen, die nur schwer zu bewältigen sind. Daher ist das Bestimmen einer vollständigen Ergebnismenge in vielen Fällen äußerst aufwändig oder sogar unmöglich. In diesen Fällen bietet sich die Anwendung von Top-N- und Skyline-Operatoren, ggf. in Verbindung mit Approximationstechniken, an, da diese Operatoren lediglich diejenigen Datensätze als Ergebnis ausgeben, die aufgrund nutzerdefinierter Ranking-Funktionen am relevantesten für den Benutzer sind. Da durch die Anwendung dieser Operatoren zumeist nur ein kleiner Teil des Ergebnisses tatsächlich dem Benutzer ausgegeben wird, muss nicht zwangsläufig die vollständige Ergebnismenge berechnet werden sondern nur der Teil, der tatsächlich relevant für das Endergebnis ist. Die Frage ist nun, wie man derartige Anfragen durch die Ausnutzung dieser Erkenntnis effizient in PDMSs bearbeiten kann. Die Beantwortung dieser Frage ist das Hauptanliegen dieser Dissertation. Zur Lösung dieser Problemstellung stellen wir effiziente Anfragebearbeitungsstrategien in PDMSs vor, die die charakteristischen Eigenschaften ranking-basierter Operatoren sowie Approximationstechniken ausnutzen. Peers werden dabei sowohl auf Schema- als auch auf Datenebene hinsichtlich der Relevanz ihrer Daten geprüft und dementsprechend in die Anfragebearbeitung einbezogen oder ausgeschlossen. Durch die Heterogenität der Peers werden Techniken zum Umschreiben einer Anfrage von einem Schema in ein anderes nötig. Da existierende Techniken zum Umschreiben von Anfragen zumeist nur konjunktive Anfragen betrachten, stellen wir eine Erweiterung dieser Techniken vor, die Anfragen mit ranking-basierten Anfrageoperatoren berücksichtigt. Da PDMSs dynamische Systeme sind und teilnehmende Peers jederzeit ihre Daten ändern können, betrachten wir in dieser Dissertation nicht nur wie Routing-Indexe verwendet werden, um die Relevanz eines Peers auf Datenebene zu bestimmen, sondern auch wie sie gepflegt werden können. Schließlich stellen wir SmurfPDMS (SiMUlating enviRonment For Peer Data Management Systems) vor, ein System, welches im Rahmen dieser Dissertation entwickelt wurde und alle vorgestellten Techniken implementiert.In recent years, there has been considerable research with respect to query processing in data integration and P2P systems. Conventional data integration systems consist of multiple sources with possibly different schemas, adhere to a hierarchical structure, and have a central component (mediator) that manages a global schema. Queries are formulated against this global schema and the mediator processes them by retrieving relevant data from the sources transparently to the user. Arising from these systems, eventually Peer Data Management Systems (PDMSs), or schema-based P2P systems respectively, have attracted attention. Peers participating in a PDMS can act both as a mediator and as a data source, are autonomous, and might leave or join the network at will. Due to these reasons peers often hold incomplete or erroneous data sets and mappings. The possibly huge amount of data available in such a network often results in large query result sets that are hard to manage. Due to these reasons, retrieving the complete result set is in most cases difficult or even impossible. Applying rank-aware query operators such as top-N and skyline, possibly in conjunction with approximation techniques, is a remedy to these problems as these operators select only those result records that are most relevant to the user. Being aware that in most cases only a small fraction of the complete result set is actually output to the user, retrieving the complete set before evaluating such operators is obviously inefficient. Therefore, the questions we want to answer in this dissertation are how to compute such queries in PDMSs and how to do that efficiently. We propose strategies for efficient query processing in PDMSs that exploit the characteristics of rank-aware queries and optionally apply approximation techniques. A peer's relevance is determined on two levels: on schema-level and on data-level. According to its relevance a peer is either considered for query processing or not. Because of heterogeneity queries need to be rewritten, enabling cooperation between peers that use different schemas. As existing query rewriting techniques mostly consider conjunctive queries only, we present an extension that allows for rewriting queries involving rank-aware query operators. As PDMSs are dynamic systems and peers might update their local data, this dissertation addresses not only the problem of considering such structures within a query processing strategy but also the problem of keeping them up-to-date. Finally, we provide a system-level evaluation by presenting SmurfPDMS (SiMUlating enviRonment For Peer Data Management Systems) -- a system created in the context of this dissertation implementing all presented techniques

Optimizing SPARQL queries using shape statistics

With the growing popularity of storing data in native RDF, we witness more and more diverse use cases with complex SPARQL queries. As a consequence, query optimization - and in particular cardinality estimation and join ordering - becomes even more crucial. Classical methods exploit global statistics covering the entire RDF graph as a whole, which naturally fails to correctly capture correlations that are very common in RDF datasets, which then leads to erroneous cardinality estimations and suboptimal query execution plans. The alternative of trying to capture correlations in a fine-granular manner, on the other hand, results in very costly preprocessing steps to create these statistics. Hence, in this paper we propose shapes statistics, which extend the recent SHACL standard with statistic information to capture the correlation between classes and properties. Our extensive experiments on synthetic and real data show that shapes statistics can be generated and managed with only little overhead without disadvantages in query runtime while leading to noticeable improvements in cardinality estimation

Querying Linked Data: An Experimental Evaluation of State-of-the-Art Interfaces

The adoption of Semantic Web technologies, and in particular the Open Data initiative, has contributed to the steady growth of the number of datasets and triples accessible on the Web. Most commonly, queries over RDF data are evaluated over SPARQL endpoints. Recently, however, alternatives such as TPF have been proposed with the goal of shifting query processing load from the server running the SPARQL endpoint towards the client that issued the query. Although these interfaces have been evaluated against standard benchmarks and testbeds that showed their benefits over previous work in general, a fine-granular evaluation of what types of queries exploit the strengths of the different available interfaces has never been done. In this paper, we present the results of our in-depth evaluation of existing RDF interfaces. In addition, we also examine the influence of the backend on the performance of these interfaces. Using representative and diverse query loads based on the query log of a public SPARQL endpoint, we stress test the different interfaces and backends and identify their strengths and weaknesses.Comment: 18 pages, 14 figure