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

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

Communication-Efficient (Weighted) Reservoir Sampling from Fully Distributed Data Streams

We consider communication-efficient weighted and unweighted (uniform) random sampling from distributed data streams presented as a sequence of mini-batches of items. This is a natural model for distributed streaming computation, and our goal is to showcase its usefulness. We present and analyze fully distributed, communication-efficient algorithms for both versions of the problem. An experimental evaluation of weighted reservoir sampling on up to 256 nodes (5120 processors) shows good speedups, while theoretical analysis promises further scaling to much larger machines.Comment: A previous version of this paper was titled "Communication-Efficient (Weighted) Reservoir Sampling

Communication-Efficient Weighted Reservoir Sampling from Fully Distributed Data Streams

We consider weighted random sampling from distributed data streams presented as a sequence of mini-batches of items. This is a natural model for distributed streaming computation, and our goal is to showcase its usefulness. We present and analyze a fully distributed, communication-efficient algorithm for weighted reservoir sampling in this model. An experimental evaluation on up to 256 nodes (5120 processors) shows good speedups, while theoretical analysis promises further scaling to much larger machines

Parallel Weighted Random Sampling

Data structures for efficient sampling from a set of weighted items are an important building block of many applications. However, few parallel solutions are known. We close many of these gaps both for shared-memory and distributed-memory machines. We give efficient, fast, and practicable algorithms for sampling single items, k items with/without replacement, permutations, subsets, and reservoirs. We also give improved sequential algorithms for alias table construction and for sampling with replacement. Experiments on shared-memory parallel machines with up to 158 threads show near linear speedups both for construction and queries

Fast Succinct Retrieval and Approximate Membership Using Ribbon

A retrieval data structure for a static function f: S → {0,1}^r supports queries that return f(x) for any x ∈ S. Retrieval data structures can be used to implement a static approximate membership query data structure (AMQ), i.e., a Bloom filter alternative, with false positive rate 2^{-r}. The information-theoretic lower bound for both tasks is r|S| bits. While succinct theoretical constructions using (1+o(1))r|S| bits were known, these could not achieve very small overheads in practice because they have an unfavorable space-time tradeoff hidden in the asymptotic costs or because small overheads would only be reached for physically impossible input sizes. With bumped ribbon retrieval (BuRR), we present the first practical succinct retrieval data structure. In an extensive experimental evaluation BuRR achieves space overheads well below 1% while being faster than most previously used retrieval data structures (typically with space overheads at least an order of magnitude larger) and faster than classical Bloom filters (with space overhead ≥ 44%). This efficiency, including favorable constants, stems from a combination of simplicity, word parallelism, and high locality. We additionally describe homogeneous ribbon filter AMQs, which are even simpler and faster at the price of slightly larger space overhead

Efficient Parallel Random Sampling : Vectorized, Cache-Efficient, and Online

We consider the problem of sampling $n$ numbers from the range $\{1,\ldots,N\}$ without replacement on modern architectures. The main result is a simple divide-and-conquer scheme that makes sequential algorithms more cache efficient and leads to a parallel algorithm running in expected time $\mathcal{O}(n/p+\log p)$ on $p$ processors, i.e., scales to massively parallel machines even for moderate values of $n$. The amount of communication between the processors is very small (at most $\mathcal{O}(\log p)$) and independent of the sample size. We also discuss modifications needed for load balancing, online sampling, sampling with replacement, Bernoulli sampling, and vectorization on SIMD units or GPUs

Communication Efficient Algorithms for Top-k Selection Problems

We present scalable parallel algorithms with sublinear per-processor communication volume and low latency for several fundamental problems related to finding the most relevant elements in a set, for various notions of relevance: We begin with the classical selection problem with unsorted input. We present generalizations with sorted inputs, dynamic content (bulk-parallel priority queues), and multiple criteria. Then we move on to finding frequent objects and top-k sum aggregation

Weighted Random Sampling on GPUs

An alias table is a data structure that allows for efficiently drawing weighted random samples in constant time and can be constructed in linear time. The PSA algorithm by H\"ubschle-Schneider and Sanders is able to construct alias tables in parallel on the CPU. In this report, we transfer the PSA algorithm to the GPU. Our construction algorithm achieves a speedup of 17 on a consumer GPU in comparison to the PSA method on a 16-core high-end desktop CPU. For sampling, we achieve an up to 24 times higher throughput. Both operations also require several times less energy than on the CPU. Adaptations helping to achieve this include changing memory access patterns to do coalesced access. Where this is not possible, we first copy data to the faster shared memory using coalesced access. We also enhance a generalization of binary search enabling to search for a range of items in parallel. Besides naive sampling, we also give improved batched sampling algorithms