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Dissertation
AutorWolfram Wingerath
GutachterNorbert Ritter, Daniela Nicklas, Erhard Rahm
TitelScalable Push-Based Real-Time Queries on Top of Pull-Based Databases
Abgabe am15.10.2018
Zusammenfassung

Heutzutage informieren viele Webapplikationen Benutzer über Status-Updates und andere Ereignisse in Echtzeit. Aber auch wenn die Interaktion zwischen Nutzern immer häufiger in den Vordergrund rückt, so sind selbst moderne Datenverwaltungssysteme nur bedingt zur Erkennung und Propagierung von Zustandsänderungen in der Lage. Während traditionelle Datenbanken für komplexe Anfragen über historische Daten konzipiert wurden, sind sie inhärent Pull-basiert und bieten daher nur eingeschränkte Unterstützung für proaktive Datenzugriffsmuster. Systeme für Datenstromverwaltung und -verarbeitung sind dagegen Push-orientiert und ermöglichen so reaktives Verhalten. Sie speichern Daten jedoch nur für begrenzte Zeit und können folglich keine historischen Anfragen beantworten. Die Trennung zwischen diesen beiden Systemklassen bedingt sowohl hohe Komplexität als auch hohe Wartungskosten bei Anwendungen, die gleichzeitig Persistenz und Echtzeitbenachrichtigungen bei Zustandsänderungen benötigen. Wie kann Push-basierter Zugriff für Anfragen über historische Daten simpel und effizient ermöglicht werden?

In dieser Arbeit untersuchen wir das Spektrum zwischen Pull-orientierten Datenbanksystemen und Push-orientierten Systemen zur Datenstromverwaltung. Insbesondere konzentrieren wir uns auf die neuartige Systemklasse der Echtzeitdatenbanken (real-time databases). Systeme dieser Klasse schließen die Kluft zwischen beiden Paradigmen, indem sie die für Datenbanksysteme übliche Collection-basierte Semantik für traditionelle Pull-basierte Anfragen sowie für Push-basierte Echtzeitanfragen (real-time queries) unterstützen. Durch eine detaillierte Analyse aktueller Systeme decken wir Mängel in konkreten Implementationen sowie konzeptionelle Limitationen in den jeweiligen Architekturen auf. Zur Lösung dieser Probleme schlagen wir das Systemdesign InvaliDB vor, welches Push-basierte Echtzeitanfragen als Opt-in-Feature für existierende Pull-basierte Datenbanksysteme bereitstellt. InvaliDB verfügt über mehrere wesentliche Vorteile gegenüber bestehenden Echtzeitdatenbankarchitekturen. Erstens vermeidet es Flaschenhälse, die die Skalierbarkeit anderer Systeme einschränken, durch ein neuartiges Konzept zur zweidimensionalen Lastverteilung. Zweitens unterstützt unser Design mächtigere Echtzeitanfragen als bestehende Systeme, darunter sortierte Filteranfragen mit Limit- und Offsetklauseln, Aggregationen und Joins. Drittens abstrahiert InvaliDB durch eine austauschbare Komponente zur Anfrageverarbeitung (pluggable query engine) von konkreten Datenbanktechnologien und kann daher auch bestehende (Pull-basierte) Anwendungsstacks um Push-basierte Datenzugriffsmechanismen erweitern. In einer experimentellen Evaluation demonstrieren wir, dass der für eine InvaliDB-Instanz tragbare Durchsatz bei der Anfrageverarbeitung (sustainable query matching throughput) linear mit der Anzahl der für die Anfrageverarbeitung eingesetzten Server skaliert, wobei die Ende-zu-Ende-Latenz über alle InvaliDB-Konfigurationen hinweg konstant niedrig bleibt. Eine detaillierte Fallstudie über unseren InvaliDB-Prototypen im Produktionsbetrieb zeigt darüber hinaus, dass unser Ansatz mit überschaubarem Aufwand implementierbar ist, simple Anfrageschnittstellen ermöglicht und in datenintensiven Industrieanwendungen praktisch einsetzbar ist.

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IFB Hamburg
Dr. Felix Gessert, Prof. Dr. -Ing Norbert Ritter, Florian Bücklers, Malte Lauenroth, Hannes Kuhlmann, Wolfram Wingerath
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Scalable Push-Based Real-Time Queries on Top of Pull-Based Databases