Modern data analytics in the cloud era

Cloud Computing ist die dominante Technologie des letzten Jahrzehnts. Die Benutzerfreundlichkeit der verwalteten Umgebung in Kombination mit einer nahezu unbegrenzten Menge an Ressourcen und einem nutzungsabhängigen Preismodell ermöglicht eine schnelle und kosteneffiziente Projektrealisierung für ein breites Nutzerspektrum. Cloud Computing verändert auch die Art und Weise wie Software entwickelt, bereitgestellt und genutzt wird. Diese Arbeit konzentriert sich auf Datenbanksysteme, die in der Cloud-Umgebung eingesetzt werden. Wir identifizieren drei Hauptinteraktionspunkte der Datenbank-Engine mit der Umgebung, die veränderte Anforderungen im Vergleich zu traditionellen On-Premise-Data-Warehouse-Lösungen aufweisen. Der erste Interaktionspunkt ist die Interaktion mit elastischen Ressourcen. Systeme in der Cloud sollten Elastizität unterstützen, um den Lastanforderungen zu entsprechen und dabei kosteneffizient zu sein. Wir stellen einen elastischen Skalierungsmechanismus für verteilte Datenbank-Engines vor, kombiniert mit einem Partitionsmanager, der einen Lastausgleich bietet und gleichzeitig die Neuzuweisung von Partitionen im Falle einer elastischen Skalierung minimiert. Darüber hinaus führen wir eine Strategie zum initialen Befüllen von Puffern ein, die es ermöglicht, skalierte Ressourcen unmittelbar nach der Skalierung auszunutzen. Cloudbasierte Systeme sind von fast überall aus zugänglich und verfügbar. Daten werden häufig von zahlreichen Endpunkten aus eingespeist, was sich von ETL-Pipelines in einer herkömmlichen Data-Warehouse-Lösung unterscheidet. Viele Benutzer verzichten auf die Definition von strikten Schemaanforderungen, um Transaktionsabbrüche aufgrund von Konflikten zu vermeiden oder um den Ladeprozess von Daten zu beschleunigen. Wir führen das Konzept der PatchIndexe ein, die die Definition von unscharfen Constraints ermöglichen. PatchIndexe verwalten Ausnahmen zu diesen Constraints, machen sie für die Optimierung und Ausführung von Anfragen nutzbar und bieten effiziente Unterstützung bei Datenaktualisierungen. Das Konzept kann auf beliebige Constraints angewendet werden und wir geben Beispiele für unscharfe Eindeutigkeits- und Sortierconstraints. Darüber hinaus zeigen wir, wie PatchIndexe genutzt werden können, um fortgeschrittene Constraints wie eine unscharfe Multi-Key-Partitionierung zu definieren, die eine robuste Anfrageperformance bei Workloads mit unterschiedlichen Partitionsanforderungen bietet. Der dritte Interaktionspunkt ist die Nutzerinteraktion. Datengetriebene Anwendungen haben sich in den letzten Jahren verändert. Neben den traditionellen SQL-Anfragen für Business Intelligence sind heute auch datenwissenschaftliche Anwendungen von großer Bedeutung. In diesen Fällen fungiert das Datenbanksystem oft nur als Datenlieferant, während der Rechenaufwand in dedizierten Data-Science- oder Machine-Learning-Umgebungen stattfindet. Wir verfolgen das Ziel, fortgeschrittene Analysen in Richtung der Datenbank-Engine zu verlagern und stellen das Grizzly-Framework als DataFrame-zu-SQL-Transpiler vor. Auf dieser Grundlage identifizieren wir benutzerdefinierte Funktionen (UDFs) und maschinelles Lernen (ML) als wichtige Aufgaben, die von einer tieferen Integration in die Datenbank-Engine profitieren würden. Daher untersuchen und bewerten wir Ansätze für die datenbankinterne Ausführung von Python-UDFs und datenbankinterne ML-Inferenz.Cloud computing has been the groundbreaking technology of the last decade. The ease-of-use of the managed environment in combination with nearly infinite amount of resources and a pay-per-use price model enables fast and cost-efficient project realization for a broad range of users. Cloud computing also changes the way software is designed, deployed and used. This thesis focuses on database systems deployed in the cloud environment. We identify three major interaction points of the database engine with the environment that show changed requirements compared to traditional on-premise data warehouse solutions. First, software is deployed on elastic resources. Consequently, systems should support elasticity in order to match workload requirements and be cost-effective. We present an elastic scaling mechanism for distributed database engines, combined with a partition manager that provides load balancing while minimizing partition reassignments in the case of elastic scaling. Furthermore we introduce a buffer pre-heating strategy that allows to mitigate a cold start after scaling and leads to an immediate performance benefit using scaling. Second, cloud based systems are accessible and available from nearly everywhere. Consequently, data is frequently ingested from numerous endpoints, which differs from bulk loads or ETL pipelines in a traditional data warehouse solution. Many users do not define database constraints in order to avoid transaction aborts due to conflicts or to speed up data ingestion. To mitigate this issue we introduce the concept of PatchIndexes, which allow the definition of approximate constraints. PatchIndexes maintain exceptions to constraints, make them usable in query optimization and execution and offer efficient update support. The concept can be applied to arbitrary constraints and we provide examples of approximate uniqueness and approximate sorting constraints. Moreover, we show how PatchIndexes can be exploited to define advanced constraints like an approximate multi-key partitioning, which offers robust query performance over workloads with different partition key requirements. Third, data-centric workloads changed over the last decade. Besides traditional SQL workloads for business intelligence, data science workloads are of significant importance nowadays. For these cases the database system might only act as data delivery, while the computational effort takes place in data science or machine learning (ML) environments. As this workflow has several drawbacks, we follow the goal of pushing advanced analytics towards the database engine and introduce the Grizzly framework as a DataFrame-to-SQL transpiler. Based on this we identify user-defined functions (UDFs) and machine learning inference as important tasks that would benefit from a deeper engine integration and investigate approaches to push these operations towards the database engine

Putting Pandas in a Box

Pandas - the Python Data Analysis Library - is a powerful and widely used framework for data analytics. In this work we present our approach to push down the computational part of Pandas scripts into the DBMS by using a transpiler. In addition to basic data processing operations, our approach also supports access to external data stored in files instead of the DBMS. Moreover, user-defined Python functions are transformed automatically to SQL UDFs executed in the DBMS. The latter allows the integration of complex computational tasks including machine learning. We show the usage of this feature to implement a so-called model join, i.e. applying pre-trained ML models to data in SQL tables

PatchIndex: exploiting approximate constraints in distributed databases

Cloud data warehouse systems lower the barrier to access data analytics. These applications often lack a database administrator and integrate data from various sources, potentially leading to data not satisfying strict constraints. Automatic schema optimization in self-managing databases is difficult in these environments without prior data cleaning steps. In this paper, we focus on constraint discovery as a subtask of schema optimization. Perfect constraints might not exist in these unclean datasets due to a small set of values violating the constraints. Therefore, we introduce the concept of a generic PatchIndex structure, which handles exceptions to given constraints and enables database systems to define these approximate constraints. We apply the concept to the environment of distributed databases, providing parallel index creation approaches and optimization techniques for parallel queries using PatchIndexes. Furthermore, we describe heuristics for automatic discovery of PatchIndex candidate columns and prove the performance benefit of using PatchIndexes in our evaluation

JCC-H: Adding Join Crossing Correlations with skew to TPC-H

We introduce JCC-H, a drop-in replacement for the data and query generator of TPC-H, that introduces Join-Crossing-Correlations (JCC) and skew into its dataset and query workload. These correlations are carefully designed such that the filter predicates on table columns in the existing TPC-H queries now suddenly can have effects on the value-, frequency- and join-fan-out-distributions, experienced by operators in the query plan. The query generator of JCC-H is able to generate parameter bindings for the 22 query templates in two different equivalence classes: query templates that receive “normal” parameters do not experience skew and behave very similar to default TPC-H queries. Query templates expanded with the “skewed” parameters, though, experience strong join-crossing-correlations and skew in filter, aggregation and join operations. In this paper we discuss the goals of JCC-H, its detailed design, as well as show initial experiments on both a single-server and MPP database system, that confirm that our design goals were largely met. In all, JCC-H provides a convenient way for any system that is already testing with TPC-H to examine how the system can handle skew and correlations, so we hope the community can use it to make progress on issues like skew mitigation and detection and exploitation of join-crossing-correlations in query optimizers and data storage