統合LakeHouseエコシステムにおけるサービスとしてのクエリ最適化（QOaaS）：1つのQOですべてを支配できるのか？

Основные понятия

データレイクハウスエコシステムの進化に伴い、クエリ最適化（QO）をサービス（QOaaS）として統合することで、エンジニアリング効率の向上、ワークロードレベルの最適化の集中化、マルチエンジン連携などの利点が得られる可能性がある。

Аннотация

統合LakeHouseエコシステムにおけるサービスとしてのクエリ最適化（QOaaS）

本論文は、Microsoft Fabricのような統合LakeHouseエコシステムにおける、サービスとしてのクエリ最適化（QOaaS）の可能性について論じています。

従来のデータ管理システムは、サイロ化されたエンジンやサービスが個別に最適化されており、顧客の要求や規制への対応、エンジニアリング効率の向上という課題がありました。これらの課題を解決するために、オープンフォーマット、共有コンポーネントライブラリ、Microsoft Fabricのような統合データレイクエクスペリエンスの採用が進んでいます。

QOaaSは、QOを個別のサービスとして分離し、RPCを介して複数のエンジンと連携させることで、従来のライブラリ共有型アプローチ（CalciteやOrcaなど）を進化させたものです。
QOaaSの利点

エンジンのクエリ処理からQOを分離することで、独立したデプロイや実験が可能になる
インデックス/ビューの選択やML対応のQO機能強化など、ワークロードレベルの最適化を一元的に処理できる
エンジン間でコストを償却することで開発を加速できる
長期的には、各クエリサブプランが最適なエンジンで実行されるマルチエンジン連携が可能になる
QOaaSの課題

クエリセマンティクスとそのニュアンスをすべて捉えることができる、明確なクエリプラン形式を定義する必要がある
さまざまなエンジンに対して最適なプランを提供できる、柔軟なカーディナリティー推定、コストモデル、プラン検索メカニズムを提供する必要がある
異なるエンジン間、およびQOに必要なすべてのメタデータを伝達するためのリモートサービスとの間のインタラクションによるパフォーマンスへの影響に対処する必要がある

Ключевые выводы из

Towards Query Optimizer as a Service (QOaaS) in a Unified LakeHouse Ecosystem: Can One QO Rule Them All?

by Rana... в arxiv.org 11-22-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.13704.pdf

Дополнительные вопросы

QOaaSは、グラフデータベースやドキュメントデータベースなど、他の種類のデータベースシステムにも適用できるでしょうか？

QOaaSの概念は、グラフデータベースやドキュメントデータベースなど、他の種類のデータベースシステムにも適用できる可能性があります。ただし、いくつかの課題と検討事項があります。

クエリモデルの差異: リレーショナルデータベースで用いられる関係代数とは異なり、グラフデータベースはグラフ理論に基づいたクエリモデル（例：SPARQL、Cypher）、ドキュメントデータベースはJSONやXMLなどの半構造化データに対するクエリモデル（例：MongoDB Query Language）を使用します。QOaaSを適用するには、これらの異なるクエリモデルに対応する共通の表現方法や変換メカニズムが必要となります。Substraitのような標準規格が、将来的にはグラフやドキュメントデータベースにも拡張される可能性はありますが、現時点ではリレーショナル代数に焦点を当てています。
コストモデルの複雑化: グラフデータベースやドキュメントデータベースでは、データモデルやクエリの性質上、リレーショナルデータベースとは異なるコスト要因を考慮する必要があります。例えば、グラフデータベースでは、ノード間の関係性やグラフの構造がクエリのパフォーマンスに大きく影響します。QOaaSのコストモデルを拡張し、これらのデータベースシステム特有のコスト要因を適切に考慮する必要があります。
最適化ルールの一般化: リレーショナルデータベース向けに開発されたQOaaSの最適化ルールは、必ずしも他の種類のデータベースシステムに直接適用できるとは限りません。例えば、結合順序の最適化はリレーショナルデータベースでは重要ですが、グラフデータベースではそれほど重要ではないかもしれません。QOaaSを他のデータベースシステムに適用するには、それぞれのシステムに適した最適化ルールを開発する必要があります。
上記のような課題はあるものの、QOaaSの基盤となる考え方は、異なる種類のデータベースシステムにも適用できる可能性があります。特に、複数の種類のデータベースシステムを統合的に管理するLakehouseのような環境においては、QOaaSの適用は魅力的です。

QOaaSの導入によるセキュリティやプライバシーへの影響は？

QOaaSの導入は、セキュリティとプライバシーに関して新たな課題と検討事項をもたらします。

集中化による攻撃リスクの増加: QOaaSは、複数のエンジンからのクエリを一元的に処理するため、攻撃者にとって魅力的な標的となる可能性があります。QOaaSに脆弱性があると、接続されているすべてのエンジンに影響が及ぶ可能性があり、攻撃のリスクと影響が拡大します。
データアクセス制御の複雑化: QOaaSは、異なるエンジンやデータソースにアクセスする必要があるため、きめ細かいデータアクセス制御がより複雑になります。各エンジンのセキュリティポリシーとQOaaSのセキュリティポリシーを適切に統合し、データへの不正アクセスを防ぐ必要があります。
クエリデータの保護: QOaaSは、クエリの実行計画や統計情報などの機密性の高いデータを処理します。これらのデータが悪意のある第三者に漏洩すると、攻撃に悪用される可能性があります。QOaaSは、転送中および保管中のクエリデータを適切に暗号化し、セキュリティを確保する必要があります。
QOaaSを安全に運用するには、上記のようなセキュリティとプライバシーに関する課題に適切に対処する必要があります。

分散環境におけるQOaaSのスケーラビリティをどのように確保するのか？

分散環境においてQOaaSのスケーラビリティを確保するには、以下のようないくつかの方法が考えられます。

QOaaSの水平スケーリング: 複数のQOaaSインスタンスを立ち上げ、負荷を分散することでスケーラビリティを向上させることができます。ロードバランサーを用いて、クエリを適切なQOaaSインスタンスに振り分けることができます。
ステートレスな設計: QOaaSをステートレスな設計にすることで、スケールアウトを容易にすることができます。QOaaSの各インスタンスは、独立して動作し、必要に応じてスケールアップまたはスケールダウンすることができます。
非同期処理とキューイング: クエリをキューに格納し、非同期的に処理することで、QOaaSが処理できるクエリ数を増やすことができます。これにより、ピーク時の負荷を平準化し、安定したパフォーマンスを維持することができます。
メタデータのキャッシュ: 頻繁にアクセスされるメタデータをキャッシュすることで、QOaaSとメタデータストア間の通信量を削減し、パフォーマンスを向上させることができます。分散キャッシュシステムを用いることで、キャッシュされたメタデータへの高速なアクセスを実現できます。
これらの方法を組み合わせることで、QOaaSを分散環境においてもスケーラブルに運用することができます。