Storage format selection and optimization for materialized intermediate results in data-intensive flows
Authors:   , Munir Rana Faisal 
Published: July 2023

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.

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 schätzen