Jan Koßmann

• The amount of data stored in databases and the complexity of database workloads are ever- increasing. Database management systems (DBMSs) offer many configuration options, such as index creation or unique constraints, which must be adapted to the specific instance to efficiently process large volumes of data. Currently, such database optimization is complicated, manual work performed by highly skilled database administrators (DBAs). In cloud scenarios, manual database optimization even becomes infeasible: it exceeds the abilities of the best DBAs due to the enormous number of deployed DBMS instances (some providers maintain millions of instances), missing domain knowledge resulting from data privacy requirements, and the complexity of the configuration tasks. Therefore, we investigate how to automate the configuration of DBMSs efficiently with the help of unsupervised database optimization. While there are numerous configuration options, in this thesis, we focus on automatic index selection and the use of data dependencies, such asThe amount of data stored in databases and the complexity of database workloads are ever- increasing. Database management systems (DBMSs) offer many configuration options, such as index creation or unique constraints, which must be adapted to the specific instance to efficiently process large volumes of data. Currently, such database optimization is complicated, manual work performed by highly skilled database administrators (DBAs). In cloud scenarios, manual database optimization even becomes infeasible: it exceeds the abilities of the best DBAs due to the enormous number of deployed DBMS instances (some providers maintain millions of instances), missing domain knowledge resulting from data privacy requirements, and the complexity of the configuration tasks. Therefore, we investigate how to automate the configuration of DBMSs efficiently with the help of unsupervised database optimization. While there are numerous configuration options, in this thesis, we focus on automatic index selection and the use of data dependencies, such as functional dependencies, for query optimization. Both aspects have an extensive performance impact and complement each other by approaching unsupervised database optimization from different perspectives. Our contributions are as follows: (1) we survey automated state-of-the-art index selection algorithms regarding various criteria, e.g., their support for index interaction. We contribute an extensible platform for evaluating the performance of such algorithms with industry-standard datasets and workloads. The platform is well-received by the community and has led to follow-up research. With our platform, we derive the strengths and weaknesses of the investigated algorithms. We conclude that existing solutions often have scalability issues and cannot quickly determine (near-)optimal solutions for large problem instances. (2) To overcome these limitations, we present two new algorithms. Extend determines (near-)optimal solutions with an iterative heuristic. It identifies the best index configurations for the evaluated benchmarks. Its selection runtimes are up to 10 times lower compared with other near-optimal approaches. SWIRL is based on reinforcement learning and delivers solutions instantly. These solutions perform within 3 % of the optimal ones. Extend and SWIRL are available as open-source implementations. (3) Our index selection efforts are complemented by a mechanism that analyzes workloads to determine data dependencies for query optimization in an unsupervised fashion. We describe and classify 58 query optimization techniques based on functional, order, and inclusion dependencies as well as on unique column combinations. The unsupervised mechanism and three optimization techniques are implemented in our open-source research DBMS Hyrise. Our approach reduces the Join Order Benchmark’s runtime by 26 % and accelerates some TPC-DS queries by up to 58 times. Additionally, we have developed a cockpit for unsupervised database optimization that allows interactive experiments to build confidence in such automated techniques. In summary, our contributions improve the performance of DBMSs, support DBAs in their work, and enable them to contribute their time to other, less arduous tasks.…
• Sowohl die Menge der in Datenbanken gespeicherten Daten als auch die Komplexität der Datenbank-Workloads steigen stetig an. Datenbankmanagementsysteme bieten viele Konfigurationsmöglichkeiten, zum Beispiel das Anlegen von Indizes oder die Definition von Unique Constraints. Diese Konfigurations-möglichkeiten müssen für die spezifische Datenbankinstanz angepasst werden, um effizient große Datenmengen verarbeiten zu können. Heutzutage wird die komplizierte Datenbankoptimierung manuell von hochqualifizierten Datenbankadministratoren vollzogen. In Cloud-Szenarien ist die manuelle Daten-bankoptimierung undenkbar: Die enorme Anzahl der verwalteten Systeme (einige Anbieter verwalten Millionen von Instanzen), das fehlende Domänenwissen durch Datenschutzanforderungen und die Kom-plexität der Konfigurationsaufgaben übersteigen die Fähigkeiten der besten Datenbankadministratoren. Aus diesen Gründen betrachten wir, wie die Konfiguration von Datenbanksystemen mit der Hilfe von Unsupervised Database Optimization effizient automatisiert werdenSowohl die Menge der in Datenbanken gespeicherten Daten als auch die Komplexität der Datenbank-Workloads steigen stetig an. Datenbankmanagementsysteme bieten viele Konfigurationsmöglichkeiten, zum Beispiel das Anlegen von Indizes oder die Definition von Unique Constraints. Diese Konfigurations-möglichkeiten müssen für die spezifische Datenbankinstanz angepasst werden, um effizient große Datenmengen verarbeiten zu können. Heutzutage wird die komplizierte Datenbankoptimierung manuell von hochqualifizierten Datenbankadministratoren vollzogen. In Cloud-Szenarien ist die manuelle Daten-bankoptimierung undenkbar: Die enorme Anzahl der verwalteten Systeme (einige Anbieter verwalten Millionen von Instanzen), das fehlende Domänenwissen durch Datenschutzanforderungen und die Kom-plexität der Konfigurationsaufgaben übersteigen die Fähigkeiten der besten Datenbankadministratoren. Aus diesen Gründen betrachten wir, wie die Konfiguration von Datenbanksystemen mit der Hilfe von Unsupervised Database Optimization effizient automatisiert werden kann. Während viele Konfigura-tionsmöglichkeiten existieren, konzentrieren wir uns auf die automatische Indexauswahl und die Nutzung von Datenabhängigkeiten, zum Beispiel Functional Dependencies, für die Anfrageoptimierung. Beide Aspekte haben großen Einfluss auf die Performanz und ergänzen sich gegenseitig, indem sie Unsupervised Database Optimization aus verschiedenen Perspektiven betrachten. Wir leisten folgende Beiträge: (1) Wir untersuchen dem Stand der Technik entsprechende automatisierte Indexauswahlalgorithmen hinsichtlich verschiedener Kriterien, zum Beispiel bezüglich ihrer Berücksichtigung von Indexinteraktionen. Wir stellen eine erweiterbare Plattform zur Leistungsevaluierung solcher Algorithmen mit Industriestandarddatensätzen und -Workloads zur Verfügung. Diese Plattform wird von der Forschungsgemeinschaft aktiv verwendet und hat bereits zu weiteren Forschungsarbeiten geführt. Mit unserer Plattform leiten wir die Stärken und Schwächen der untersuchten Algorithmen ab. Wir kommen zu dem Schluss, dass bestehende Lösung häufig Skalierungsschwierigkeiten haben und nicht in der Lage sind, schnell (nahezu) optimale Lösungen für große Problemfälle zu ermitteln. (2) Um diese Einschränkungen zu bewältigen, stellen wir zwei neue Algorithmen vor. Extend ermittelt (nahezu) optimale Lösungen mit einer iterativen Heuristik. Das Verfahren identifiziert die besten Indexkonfigurationen für die evaluierten Benchmarks und seine Laufzeit ist bis zu 10-mal geringer als die Laufzeit anderer nahezu optimaler Ansätze. SWIRL basiert auf Reinforcement Learning und ermittelt Lösungen ohne Wartezeit. Diese Lösungen weichen maximal 3 % von den optimalen Lösungen ab. Extend und SWIRL sind verfügbar als Open-Source-Implementierungen. (3) Ein Mechanismus, der mittels automatischer Workload-Analyse Datenabhängigkeiten für die Anfrageoptimierung bestimmt, ergänzt die vorigen Beiträge. Wir beschreiben und klassifizieren 58 Techniken, die auf Functional, Order und Inclusion Dependencies sowie Unique Column Combinations basieren. Der Analysemechanismus und drei Optimierungstechniken sind in unserem Open-Source-Forschungsdatenbanksystem Hyrise implementiert. Der Ansatz reduziert die Laufzeit des Join Order Benchmark um 26 % und erreicht eine bis zu 58-fache Beschleunigung einiger TPC-DS-Anfragen. Darüber hinaus haben wir ein Cockpit für Unsupervised Database Optimization entwickelt. Dieses Cockpit ermöglicht interaktive Experimente, um Vertrauen in automatisierte Techniken zur Datenbankoptimie-rung zu schaffen. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass unsere Beiträge die Performanz von Datenbanksystemen verbessern, Datenbankadministratoren in ihrer Arbeit unterstützen und ihnen ermöglichen, ihre Zeit anderen, weniger mühsamen, Aufgaben zu widmen.…