Sebastian Kruse

• Data profiling is the act of extracting structural metadata from datasets. Structural metadata, such as data dependencies and statistics, can support data management operations, such as data integration and data cleaning. Data management often is the most time-consuming activity in any data-related project. Its support is extremely valuable in our data-driven world, so that more time can be spent on the actual utilization of the data, e. g., building analytical models. In most scenarios, however, structural metadata is not given and must be extracted first. Therefore, efficient data profiling methods are highly desirable. Data profiling is a computationally expensive problem; in fact, most dependency discovery problems entail search spaces that grow exponentially in the number of attributes. To this end, this thesis introduces novel discovery algorithms for various types of data dependencies – namely inclusion dependencies, conditional inclusion dependencies, partial functional dependencies, and partial unique column combinations –Data profiling is the act of extracting structural metadata from datasets. Structural metadata, such as data dependencies and statistics, can support data management operations, such as data integration and data cleaning. Data management often is the most time-consuming activity in any data-related project. Its support is extremely valuable in our data-driven world, so that more time can be spent on the actual utilization of the data, e. g., building analytical models. In most scenarios, however, structural metadata is not given and must be extracted first. Therefore, efficient data profiling methods are highly desirable. Data profiling is a computationally expensive problem; in fact, most dependency discovery problems entail search spaces that grow exponentially in the number of attributes. To this end, this thesis introduces novel discovery algorithms for various types of data dependencies – namely inclusion dependencies, conditional inclusion dependencies, partial functional dependencies, and partial unique column combinations – that considerably improve over state-of-the-art algorithms in terms of efficiency and that scale to datasets that cannot be processed by existing algorithms. The key to those improvements are not only algorithmic innovations, such as novel pruning rules or traversal strategies, but also algorithm designs tailored for distributed execution. While distributed data profiling has been mostly neglected by previous works, it is a logical consequence on the face of recent hardware trends and the computational hardness of dependency discovery. To demonstrate the utility of data profiling for data management, this thesis furthermore presents Metacrate, a database for structural metadata. Its salient features are its flexible data model, the capability to integrate various kinds of structural metadata, and its rich metadata analytics library. We show how to perform a data anamnesis of unknown, complex datasets based on this technology. In particular, we describe in detail how to reconstruct the schemata and assess their quality as part of the data anamnesis. The data profiling algorithms and Metacrate have been carefully implemented, integrated with the Metanome data profiling tool, and are available as free software. In that way, we intend to allow for easy repeatability of our research results and also provide them for actual usage in real-world data-related projects.…
• Data Profiling bezeichnet das Extrahieren struktureller Metadaten aus Datensätzen. Stukturelle Metadaten, z.B. Datenabhängigkeiten und Statistiken, können bei der Datenverwaltung unterstützen. Tatsächlich beansprucht das Verwalten von Daten, z.B. Datenreinigung und -integration, in vielen datenbezogenen Projekten einen Großteil der Zeit. Die Unterstützung solcher verwaltenden Aktivitäten ist in unserer datengetriebenen Welt insbesondere deswegen sehr wertvoll, weil so mehr Zeit auf die eigentlich wertschöpfende Arbeit mit den Daten verwendet werden kann, z.B. auf das Erstellen analytischer Modelle. Allerdings sind strukturelle Metadaten in den meisten Fällen nicht oder nur unvollständig vorhanden und müssen zunächst extahiert werden. Somit sind effiziente Data-Profiling-Methoden erstrebenswert. Probleme des Data Profiling sind in der Regel sehr berechnungsintensiv: Viele Datenabhängigkeitstypen spannen einen exponentiell in der Anzahl der Attribute wachsenden Suchraum auf. Aus diesem Grund beschreibt die vorliegende Arbeit neueData Profiling bezeichnet das Extrahieren struktureller Metadaten aus Datensätzen. Stukturelle Metadaten, z.B. Datenabhängigkeiten und Statistiken, können bei der Datenverwaltung unterstützen. Tatsächlich beansprucht das Verwalten von Daten, z.B. Datenreinigung und -integration, in vielen datenbezogenen Projekten einen Großteil der Zeit. Die Unterstützung solcher verwaltenden Aktivitäten ist in unserer datengetriebenen Welt insbesondere deswegen sehr wertvoll, weil so mehr Zeit auf die eigentlich wertschöpfende Arbeit mit den Daten verwendet werden kann, z.B. auf das Erstellen analytischer Modelle. Allerdings sind strukturelle Metadaten in den meisten Fällen nicht oder nur unvollständig vorhanden und müssen zunächst extahiert werden. Somit sind effiziente Data-Profiling-Methoden erstrebenswert. Probleme des Data Profiling sind in der Regel sehr berechnungsintensiv: Viele Datenabhängigkeitstypen spannen einen exponentiell in der Anzahl der Attribute wachsenden Suchraum auf. Aus diesem Grund beschreibt die vorliegende Arbeit neue Algorithmen zum Auffinden verschiedener Arten von Datenabhängigkeiten – nämlich Inklusionsabhängigkeiten, bedingter Inklusionsabhängigkeiten, partieller funktionaler Abhängigkeiten sowie partieller eindeutiger Spaltenkombinationen – die bekannte Algorithmen in Effizienz und Skalierbarkeit deutlich übertreffen und somit Datensätze verarbeiten können, an denen bisherige Algorithmen gescheitert sind. Um die Nützlichkeit struktureller Metadaten für die Datenverwaltung zu demonstrieren, stellt diese Arbeit des Weiteren das System Metacrate vor, eine Datenbank für strukturelle Metadaten. Deren besondere Merkmale sind ein flexibles Datenmodell; die Fähigkeit, verschiedene Arten struktureller Metadaten zu integrieren; und eine umfangreiche Bibliothek an Metadatenanalysen. Mithilfe dieser Technologien führen wir eine Datenanamnese unbekannter, komplexer Datensätze durch. Insbesondere beschreiben wir dabei ausführlicher, wie Schemata rekonstruiert und deren Qualität abgeschätzt werden können. Wir haben oben erwähnte Data-Profiling-Algorithmen sowie Metacrate sorgfältig implementiert, mit dem Data-Profiling-Programm Metanome integriert und stellen beide als freie Software zur Verfügung. Dadurch wollen wir nicht nur die Nachvollziehbarkeit unserer Forschungsergebnisse möglichst einfach gestalten, sondern auch deren Einsatz in der Praxis ermöglichen.…