Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era do Big Data

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1 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era do Big Data Victor Teixeira de Almeida 1,2 Vitor Alcântara Batista 1 1 PETROBRAS 2 Universidade Federal Fluminense (UFF)

2 Importante A Petrobras não é responsável por qualquer informação contida nesta apresentação. Todas as opiniões aqui emitidas são de inteira e exclusiva responsabilidade dos autores. 02/05/2016 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 2

3 Cientista de dados (data scientist) An individual responsible for modeling complex business problems, discovering business insights and identifying opportunities through the use of statistical, algorithmic, mining and visualization techniques. In addition to advanced analytic skills, this individual is also proficient at integrating and preparing large, varied datasets, architecting specialized database and computing environments, and communicating results. A data scientist may or may not have specialized industry knowledge to aid in modeling business problems and with understanding and preparing data. Soft Skills: Communication, Collaboration, Leadership, Creativity, Discipline, Passion Fonte: Gartner, Emerging Role of the Data Scientist and the Art of Data Science Published: 20 March 2012 ID:G Analyst(s): Douglas Laney Lisa Kart 02/05/2016 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 3

4 Cientista de dados (data scientist) An individual responsible for modeling complex business problems, discovering business insights and identifying opportunities through the use of statistical, algorithmic, mining and visualization techniques. In addition to advanced analytic skills, this individual is also proficient at integrating and preparing large, varied datasets, architecting specialized database and computing environments, and communicating results. A data scientist may or may not have specialized industry knowledge to aid in modeling business problems and with understanding and preparing data. Soft Skills: Communication, Collaboration, Leadership, Creativity, Discipline, Passion Fonte: Gartner, Emerging Role of the Data Scientist and the Art of Data Science Published: 20 March 2012 ID:G Analyst(s): Douglas Laney Lisa Kart 02/05/2016 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 4

5 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era do Big Data Objetivo: Este minicurso pretende apresentar as tecnologias atuais utilizadas para gerenciamento de dados Ao final deste minicurso, vocês serão capazes de entender as principais diferenças entre as tecnologias existentes e de eventualmente definir a melhor estratégia para abordar determinados problemas. 02/05/2016 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 5

6 Big Data De onde surgiram as novas tecnologias 02/05/2016 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 6

7 Tecnologias de big data Escalabilidade horizontal Processamento massivamente paralelo... Shared-nothing 02/05/2016 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 7

8 Tecnologias de Big Data O problema da contagem de triângulos SGBD relacional SGBD relacional orientado a colunas SGBD relacional em memória SGBD MPP Hadoop MapReduce Spark Pig SparkSQL GraphX Considerações finais 02/05/2016 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 8

9 Tecnologias de Big Data O problema da contagem de triângulos SGBD relacional SGBD relacional orientado a colunas SGBD relacional em memória SGBD MPP Hadoop MapReduce Spark Pig SparkSQL GraphX Considerações finais 02/05/2016 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 9

10 Contagem de triângulos Importante para determinar o coeficiente de agrupamento de um vértice (indivíduo), ou te todo o grafo (twitter) Simples representação Complexa execução Twitter(follower,followee) SELECT COUNT(*) FROM Twitter as R, Twitter as S, Twitter as T WHERE R.followee = S.follower AND S.followee = T.follower AND T.followee = R.follower AND R.follower < S.follower AND S.follower < T.follower; 13/10/2015 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 10

11 Tecnologias de Big Data O problema da contagem de triângulos SGBD relacional SGBD relacional orientado a colunas SGBD relacional em memória SGBD MPP Hadoop MapReduce Spark Pig SparkSQL GraphX Considerações finais 02/05/

12 SGBD Relacional Álgebra relacional Controle de concorrência e transações (ACID) Linguagem de consulta padrão declarativa (SQL) Seleção Projeção σ π Renomear ρ SQL Junção Agregação ϒ Índices para facilitar o acesso aos dados SELECT COUNT(*) FROM R, S, T WHERE R.x = S.x AND S.y = T.y; 02/05/2016 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 12

13 Otimização de consultas (e.g. junções) Ordem Algoritmo R S T R S T R T S Nested loops join Sort-merge join Merge join Hash join... R S R S T 02/05/2016 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 13

14 SGBDs Relacionais 02/05/2016 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 14

15 Demonstração Contando triângulos em um SGBD Relacional (PostgreSQL) 13/10/2015 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 15

16 Tecnologias de Big Data O problema da contagem de triângulos SGBD relacional SGBD relacional orientado a colunas SGBD relacional em memória SGBD MPP Hadoop MapReduce Spark Pig SparkSQL GraphX Considerações finais 02/05/2016 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 16

17 SGBD orientado a colunas orientado a linhas OLTP 1 João da Silva 5/8/ ID NOME DT_NASC TEL 1 João da Silva 5/8/ Manuel Carlos 3/12/ Júlia Almeida 12/1/ Maria José 1/9/ Alberto Jr. 23/2/ Ana Carolina 21/8/ Manuel Carlos 3/12/ Júlia Almeida 12/1/ Maria José 1/9/ OLAP orientado a colunas compressão de dados João da Silva Manuel Carlos Júlia Almeida Maria José Alberto Jr. Ana Carolina 5/8/1986 3/12/ /1/1991 1/9/ /2/ /8/ /05/2016 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 17

18 SGBD orientado a colunas coluna fname Dicionário de fname Vetor de atributos de fname Conversão Tabular -> Colunar Fonte: OpenHPI 02/05/2016 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 18

19 Compressão de dados A taxa de compressão dos dados depende da Cardinalidade/Entropia: Cardinalidade: Na representação tabular é o número de tuplas Na representação colunar é o número de valores distintos na coluna Entropia: Cardinalidade da coluna / Cardinalidade da tabela Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data

20 Seleção de tuplas Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data

21 Seleção de tuplas execução da consulta Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data

22 SGBDs orientados a colunas C-Store 02/05/2016 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 22

23 Tecnologias de Big Data O problema da contagem de triângulos SGBD relacional SGBD relacional orientado a colunas SGBD relacional em memória SGBD MPP Hadoop MapReduce Spark Pig SparkSQL GraphX Considerações finais 02/05/2016 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 23

24 SGBD em memória Gerenciador de transações Operação de E/S Gerenciador de páginas Cache de disco em memória (e.g. LRU) pg_id página (4k, 8k, 16k) ÇLAEUIRQO8WY8098Y Q9U8-9J DÍPOAUSEAUS JP98QW34U50982UR P QPPPPAJ809SGHA98SHG IJAF PSDJFAPS09JP9203J JPONIDFPASD90QW8J A98SJHAF07SHDF0A78S Log de transações Base de dados 02/05/2016 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 24

25 SGBD em memória Operação de E/S 1 João da Silva 5/8/ Manuel Carlos 3/12/ Gerenciador de transações Júlia Almeida Maria José Alberto Jr. Ana Carolina 12/1/1991 1/9/ /2/ /8/ Log de transações 02/05/2016 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 25

26 Visão geral de um banco de dados em memória e colunar Fonte: OpenHPI 13/10/2015 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 26

27 SGBDs em memória 02/05/2016 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 27

28 Tecnologias de Big Data O problema da contagem de triângulos SGBD relacional SGBD relacional orientado a colunas SGBD relacional em memória SGBD MPP Hadoop MapReduce Spark Pig SparkSQL GraphX Considerações finais 02/05/2016 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 28

29 SGBD MPP Dados distribuídos (particionamento horizontal) Processamento (algoritmos) paralelo de consultas OLAP 02/05/2016 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 29

30 SGBD MPP Algoritmo R S R S R S R S R S Hash(x) 02/05/2016 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 30

31 SGBDs MPP 02/05/2016 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 31

32 SGBDs MPP 02/05/2016 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 32

33 Demonstração Contando triângulos em um SGBD MPP (Myria) 13/10/2015 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 33

34 Tecnologias de Big Data O problema da contagem de triângulos SGBD relacional SGBD relacional orientado a colunas SGBD relacional em memória SGBD MPP Hadoop MapReduce Spark Pig SparkSQL GraphX Considerações finais 02/05/2016 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 34

35 Hadoop Software livre (Apache Software Foundation) Sistema de arquivos distribuído (HDFS) Processamento paralelo de dados (MapReduce) 02/05/2016 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 35

36 Hadoop (histórico) 02/05/2016 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 36

37 Ecossistema Hadoop 13/10/2015 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 37

38 HDFS Arquivos divididos em blocos (default 64MB) Cada bloco é replicado em algumas poucas máquinas no cluster (default 3) Cliente HDFS NameNode Replicação de dados, Balanceamento, monitoramento DataNode DataNode DataNode DataNode DataNode escreve em disco local 02/05/2016 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 38

39 MapReduce Framework de processamento paralelo Tolerância a falhas 02/05/2016 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 39

40 Exemplo WordCount (contagem de palavras) 02/05/2016 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 40

41 Exemplo (WordCount) dog cat dog dog fox dog lion cat dog dog lion fox cat 02/05/2016 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 41

42 Exemplo (SelfJoin) 13/10/2015 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 42

43 Demonstração Contagem de triângulos usando MapReduce 13/10/2015 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 43

44 Hive Desenvolvido pelo Facebook Mantido atualmente por Facebook, Netflix, dentre outros HiveQL, linguagem similar a SQL, abstraindo funções MapReduce Não cria um SGBD, simplesmente executa jobs MapReduce hive> CREATE TABLE twitter(follower INT, followee INT); hive> LOAD DATA INPATH '/input/twitter' OVERWRITE INTO TABLE twitter; hive> SELECT COUNT(*) > FROM twitter R JOIN twitter S ON R.followee = S.follower; 02/05/2016 Desmistificando Tecnologias de Big Data 44

45 Demonstração Contagem de triângulos usando Hive 13/10/2015 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 45

46 Pig Desenvolvido pela Yahoo! ~2006 Movido para o Hadoop em 2007 Linguagem (Pig Latin) de alto nível para abstrair a linguagem Java grunt> Twitter_1 = LOAD '/input/twitter' USING PigStorage(' ') AS (follower:int, followee:int); grunt> Twitter_2 = LOAD '/input/twitter' USING PigStorage(' ') AS (follower:int, followee:int); grunt> Twitter_SelfJoin = JOIN Twitter_1 by $1, Twitter_2 by $0; grunt> Twitter_SelfJoin_Grp = GROUP Twitter_SelfJoin ALL; grunt> Twitter_SelfJoin_Cnt = FOREACH Twitter_SelfJoin_Grp GENERATE COUNT(Twitter_SelfJoin); grunt> DUMP Twitter_SelfJoin_Cnt; 02/05/2016 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 46

47 Demonstração Contagem de triângulos usando Pig 13/10/2015 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 47

48 Apache Spark Spark: Hadoop em memória Ideia: alteração do mecanismo de tolerância a falhas não-falha: execução mais rápida (dados em memória, sem necessidade de salvar em disco cada resultado) falha: execução mais lenta (rollback de diversas etapas do processo, não somente uma como no Hadoop) 100x mais rápido Logistic regression in Hadoop and Spark 13/10/2015 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 48

49 Apache Spark 13/10/2015 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 49

50 Apache Spark Fonte: Cloudera Spark Training 13/10/2015 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 50

51 RDD (Resilient Distributed Dataset) É a unidade básica de dados do Spark A maior parte de um programa Spark são operações sobre um RDD RDD Resilient Se o dado for perdido, ele pode ser recuperado Distributed Armazenado na memória em um cluster Dataset Dados iniciais podem ser lidos de uma fonte (HDFS, Amazon S3, Hbase, Cassandra) ou poder ser criados programaticamente Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data

52 Funcionamento do Spark Um RDD é distribuído entre os nós do cluster Por padrão o Spark particiona os dados por bloco do HDFS, para RDDs baseados em um arquivo Fonte: Cloudera Spark Training Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data

53 Transformações em RDDs

54 Transformações em RDDs

55 Ações em RDDs Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data

56 Exemplo Word Count Fonte: Cloudera Spark Training 13/10/2015 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 56

57 Spark Streaming Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data

58 Dstreams (Discretized Streams) É uma abstração para um fluxo contínuo de RDDs A cada intervalo de tempo t, um RDD novo é criado com os dados recebidos Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data

59 Janela Deslizante

60 Spark MLLib 13/10/2015 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 60

61 Spark MLlib Implementações para Java, Scala e Python 02/05/2016 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 61

62 Mahout O projeto Apache Mahout decidiu migrar seus algoritmos para o Spark Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data

63 Spark SQL e DataFrame Cria abstrações dos RDDs num formato semelhante a um banco de dados relacional As tabelas podem ser tratadas como os DataFrames do pandas (Python) e do R 13/10/2015 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 63

64 Demonstração Contando triângulos com SparkSQL 13/10/2015 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 64

65 Spark GraphX Fornece infraestrutura para processamento distribuído de Grafos no Spark Representação otimizada 13/10/2015 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 65

66 Spark GraphX Representação de grafos em RDDs 13/10/2015 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 66

67 Spark GraphX Atualmente apenas 3 algoritmos implementados: PageRank Contagem de Triângulos Identificação de componentes conectados 13/10/2015 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 67

68 Demonstração Contando Triângulos usando GraphX Obs: a lógica é diferente. O algoritmo implementado conta o número de triângulos que cada nó participa. A soma em redundâncias. 13/10/2015 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 68

69 Apache HAWQ e Cloudera Impala SGBD MPP em cima de HDFS Sem uso de MapReduce 02/05/2016 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 69

70 Hadoop 02/05/2016 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 70

71 Tecnologias de Big Data O problema da contagem de triângulos SGBD relacional SGBD relacional orientado a colunas SGBD relacional em memória SGBD MPP Hadoop MapReduce Spark Pig SparkSQL GraphX Considerações finais 02/05/2016 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 71

72 NoSQL Fonte: https://keefcode.wordpress.com/2013/12/04/nosql-databases-how-to-choose/ 02/05/2016 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 72

73 Visualização Preparação dos dados e modelagem 95% do tempo Execução dos modelos 5% do tempo Interpretação e visualização dos resultados Outros 95% do tempo 02/05/2016 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 73

74 Futuro Database as a Service Escalabilidade automática Precificação e SLAs precisos e de antemão 02/05/2016 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 74

75 As a Service Machine Learning as a Service 02/05/2016 Tecnologias para Gerenciamento de Dados na Era o Big Data 75

76 Obrigado Contatos: Victor Teixeira de Almeida e Vitor Alcântara Batista 02/05/

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