Efficient techniques for large-scale Web data management

par Jesus Camacho Rodriguez

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Dario Colazzo et de Ioana Gabriela Manolescu Goujot.

Soutenue le 25-09-2014

à Paris 11 , dans le cadre de Ecole doctorale Informatique de Paris-Sud , en partenariat avec OAK (Saclay) (laboratoire) et de Laboratoire de recherche en informatique (Orsay, Essonne) (laboratoire) .

Le président du jury était Marc Baboulin.

Le jury était composé de Dario Colazzo, Ioana Gabriela Manolescu Goujot, Marc Baboulin, Donald Kossmann, Philippe Rigaux, Reza Akbarinia.

Les rapporteurs étaient Donald Kossmann, Volker Markl.

  • Titre traduit

    Techniques efficaces de gestion de données Web à grande échelle


  • Résumé

    Le développement récent des offres commerciales autour du cloud computing a fortement influé sur la recherche et le développement des plateformes de distribution numérique. Les fournisseurs du cloud offrent une infrastructure de distribution extensible qui peut être utilisée pour le stockage et le traitement des données.En parallèle avec le développement des plates-formes de cloud computing, les modèles de programmation qui parallélisent de manière transparente l'exécution des tâches gourmandes en données sur des machines standards ont suscité un intérêt considérable, à commencer par le modèle MapReduce très connu aujourd'hui puis par d'autres frameworks plus récents et complets. Puisque ces modèles sont de plus en plus utilisés pour exprimer les tâches de traitement de données analytiques, la nécessité se fait ressentir dans l'utilisation des langages de haut niveau qui facilitent la charge de l'écriture des requêtes complexes pour ces systèmes.Cette thèse porte sur des modèles et techniques d'optimisation pour le traitement efficace de grandes masses de données du Web sur des infrastructures à grande échelle. Plus particulièrement, nous étudions la performance et le coût d'exploitation des services de cloud computing pour construire des entrepôts de données Web ainsi que la parallélisation et l'optimisation des langages de requêtes conçus sur mesure selon les données déclaratives du Web.Tout d'abord, nous présentons AMADA, une architecture d'entreposage de données Web à grande échelle dans les plateformes commerciales de cloud computing. AMADA opère comme logiciel en tant que service, permettant aux utilisateurs de télécharger, stocker et interroger de grands volumes de données Web. Sachant que les utilisateurs du cloud prennent en charge les coûts monétaires directement liés à leur consommation de ressources, notre objectif n'est pas seulement la minimisation du temps d'exécution des requêtes, mais aussi la minimisation des coûts financiers associés aux traitements de données. Plus précisément, nous étudions l'applicabilité de plusieurs stratégies d'indexation de contenus et nous montrons qu'elles permettent non seulement de réduire le temps d'exécution des requêtes mais aussi, et surtout, de diminuer les coûts monétaires liés à l'exploitation de l'entrepôt basé sur le cloud.Ensuite, nous étudions la parallélisation efficace de l'exécution de requêtes complexes sur des documents XML mis en œuvre au sein de notre système PAXQuery. Nous fournissons de nouveaux algorithmes montrant comment traduire ces requêtes dans des plans exprimés par le modèle de programmation PACT (PArallelization ConTracts). Ces plans sont ensuite optimisés et exécutés en parallèle par le système Stratosphere. Nous démontrons l'efficacité et l'extensibilité de notre approche à travers des expérimentations sur des centaines de Go de données XML.Enfin, nous présentons une nouvelle approche pour l'identification et la réutilisation des sous-expressions communes qui surviennent dans les scripts Pig Latin. Notre algorithme, nommé PigReuse, agit sur les représentations algébriques des scripts Pig Latin, identifie les possibilités de fusion des sous-expressions, sélectionne les meilleurs à exécuter en fonction du coût et fusionne d'autres expressions équivalentes pour partager leurs résultats. Nous apportons plusieurs extensions à l'algorithme afin d’améliorer sa performance. Nos résultats expérimentaux démontrent l'efficacité et la rapidité de nos algorithmes basés sur la réutilisation et des stratégies d'optimisation.


  • Résumé

    The recent development of commercial cloud computing environments has strongly impacted research and development in distributed software platforms. Cloud providers offer a distributed, shared-nothing infrastructure, that may be used for data storage and processing.In parallel with the development of cloud platforms, programming models that seamlessly parallelize the execution of data-intensive tasks over large clusters of commodity machines have received significant attention, starting with the MapReduce model very well known by now, and continuing through other novel and more expressive frameworks. As these models are increasingly used to express analytical-style data processing tasks, the need for higher-level languages that ease the burden of writing complex queries for these systems arises.This thesis investigates the efficient management of Web data on large-scale infrastructures. In particular, we study the performance and cost of exploiting cloud services to build Web data warehouses, and the parallelization and optimization of query languages that are tailored towards querying Web data declaratively.First, we present AMADA, an architecture for warehousing large-scale Web data in commercial cloud platforms. AMADA operates in a Software as a Service (SaaS) approach, allowing users to upload, store, and query large volumes of Web data. Since cloud users support monetary costs directly connected to their consumption of resources, our focus is not only on query performance from an execution time perspective, but also on the monetary costs associated to this processing. In particular, we study the applicability of several content indexing strategies, and show that they lead not only to reducing query evaluation time, but also, importantly, to reducing the monetary costs associated with the exploitation of the cloud-based warehouse.Second, we consider the efficient parallelization of the execution of complex queries over XML documents, implemented within our system PAXQuery. We provide novel algorithms showing how to translate such queries into plans expressed in the PArallelization ConTracts (PACT) programming model. These plans are then optimized and executed in parallel by the Stratosphere system. We demonstrate the efficiency and scalability of our approach through experiments on hundreds of GB of XML data.Finally, we present a novel approach for identifying and reusing common subexpressions occurring in Pig Latin scripts. In particular, we lay the foundation of our reuse-based algorithms by formalizing the semantics of the Pig Latin query language with extended nested relational algebra for bags. Our algorithm, named PigReuse, operates on the algebraic representations of Pig Latin scripts, identifies subexpression merging opportunities, selects the best ones to execute based on a cost function, and merges other equivalent expressions to share its result. We bring several extensions to the algorithm to improve its performance. Our experiment results demonstrate the efficiency and effectiveness of our reuse-based algorithms and optimization strategies.


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