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Ecole Centrale Paris (13/12/2010), Frédéric Magoules (Dir.)
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Modélisation et exécution des applications d'analyse de données multi-dimentionnelles sur architectures distribuées.
Jie Pan1

Des quantités de données colossalles sont générées quotidiennement. Traiter de grands volumes de données devient alors un véritable challenge pour les logiciels d'analyse des données multidimensionnelles. De plus, le temps de réponse exigé par les utilisateurs de ces logiciels devient de plus en plus court, voire intéractif. Pour répondre à cette demande, une approche basée sur le calcul parallèle est une solution. Les approches traditionnelles reposent sur des architectures performantes, mais coûteuses, comme les super-calculateurs. D'autres architectures à faible coût sont également disponibles, mais les méthodes développées sur ces architectures sont souvent bien moins efficaces. Dans cette thèse, nous utilisons un modèle de programmation parallèle issu du Cloud Computing, dénommé MapReduce, pour paralléliser le traitement des requêtes d'analyse de données multidimensionnelles afin de bénéficier de mécanismes de bonne scalabilité et de tolérance aux pannes. Dans ce travail, nous repensons les techniques existantes pour optimiser le traitement de requête d'analyse de données multidimensionnelles, y compris les étapes de pré-calcul, d'indexation, et de partitionnement de données. Nous avons aussi résumé le parallélisme de traitement de requêtes. Ensuite, nous avons étudié le modèle MapReduce en détail. Nous commençons par présenter le principe de MapReduce et celles du modèle étendu, MapCombineReduce. En particulier, nous analysons le coût de communication pour la procédure de MapReduce. Après avoir présenté le stockage de données qui fonctionne avec MapReduce, nous présentons les caractéristiques des applications de gestion de données appropriées pour le Cloud Computing et l'utilisation de MapReduce pour les applications d'analyse de données dans les travaux existants. Ensuite, nous nous concentrons sur la parallélisation des Multiple Group-by query, une requête typique utilisée dans l'exploration de données multidimensionnelles. Nous présentons la mise en oeuvre de l'implémentation initiale basée sur MapReduce et une optimisation basée sur MapCombineReduce. Selon les résultats expérimentaux, notre version optimisée montre un meilleur speed-up et une meilleure scalabilité que la version initiale. Nous donnons également une estimation formelle du temps d'exécution pour les deux implémentations. Afin d'optimiser davantage le traitement du Multiple Group-by query, une phase de restructuration de données est proposée pour optimiser les jobs individuels. Nous re-definissons l'organisation du stockage des données, et nous appliquons les techniques suivantes, le partitionnement des données, l'indexation inversée et la compression des données, au cours de la phase de restructuration des données. Nous redéfinissons les calculs effectués dans MapReduce et dans l'ordonnancement des tâches en utilisant cette nouvelle structure de données. En nous basant sur la mesure du temps d'exécution, nous pouvons donner une estimation formelle et ainsi déterminer les facteurs qui impactent les performances, telles que la sélectivité de requête, le nombre de mappers lancés sur un noeud, la distribution des données " hitting ", la taille des résultats intermédiaires, les algorithmes de sérialisation adoptée, l'état du réseau, le fait d'utiliser ou non le combiner, ainsi que les méthodes adoptées pour le partitionnement de données. Nous donnons un modèle d'estimation des temps d'exécution et en particulier l'estimation des valeurs des paramètres différents pour les exécutions utilisant le partitionnement horizontal. Afin de soutenir la valeur-unique-wise-ordonnancement, qui est plus flexible, nous concevons une nouvelle structure de données compressées, qui fonctionne avec un partitionnement vertical. Cette approche permet l'agrégation sur une certaine valeur dans un processus continu.
1:  MAS - Mathématiques Appliquées aux Systèmes - EA 4037
MapReduce – Analyse de données multidimentionnelles – Optimisation de performance

Modelling and executing multidimensional data analysis applications over distributed architectures.
Along with the development of hardware and software, more and more data is generated at a rate much faster than ever. Processing large volume of data is becoming a challenge for data analysis software. Additionally, short response time requirement is demanded by interactive operational data analysis tools. For addressing these issues, people look for solutions based on parallel computing. Traditional approaches rely on expensive high-performing hardware, like supercomputers. Another approach using commodity hardware has been less investigated. In this thesis, we are aiming to utilize commodity hardware to resolve these issues. We propose to utilize a parallel programming model issued from Cloud Computing, MapReduce, to parallelize multidimensional analytical query processing for benefit its good scalability and fault-tolerance mechanisms. In this work, we first revisit the existing techniques for optimizing multidimensional data analysis query, including pre-computing, indexing, data partitioning, and query processing parallelism. Then, we study the MapReduce model in detail. The basic idea of MapReduce and the extended MapCombineReduce model are presented. Especially, we analyse the communication cost of a MapReduce procedure. After presenting the data storage works with MapReduce, we discuss the features of data management applications suitable for Cloud Computing, and the utilization of MapReduce for data analysis applications in existing work. Next, we focus on the MapReduce-based parallelization for Multiple Group-by query, a typical query used in multidimensional data exploration. We present the MapReduce-based initial implementation and a MapCombineReduce-based optimization. According to the experimental results, our optimized version shows a better speed-up and a better scalability than the other version. We also give formal execution time estimation for both the initial implementation and the optimized one. In order to further optimize the processing of Multiple Group-by query processing, a data restructure phase is proposed to optimize individual job execution. We redesign the organization of data storage. We apply, data partitioning, inverted index and data compressing techniques, during data restructure phase. We redefine the MapReduce job's calculations, and job scheduling relying on the new data structure. Based on a measurement of execution time we give a formal estimation. We find performance impacting factors, including query selectivity, concurrently running mapper number on one node, hitting data distribution, intermediate output size, adopted serialization algorithms, network status, whether using combiner or not as well as the data partitioning methods. We give an estimation model for the query processing's execution time, and specifically estimated the values of various parameters for data horizontal partitioning-based query processing. In order to support more flexible distinct-value-wise job-scheduling, we design a new compressed data structure, which works with vertical partition. It allows the aggregations over one certain distinct value to be performed within one continuous process.
MapReduce – Multidimensional data analysis – Performance optimization

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