Data-Science-Crashkurs

1Big Data und Data Science

Zuerst wollen wir uns etwas mit Begriffen beschäftigen, um zu verstehen, worum es beim Thema Data Science geht. Aufbauend auf dem Begriff Big Data wird aufgezeigt, was eigentlich alles zu Data Science gehört und welche Fähigkeiten Data Scientists benötigen.

1.1Einführung in Big Data

Den Begriff Big Data gibt es jetzt bereits seit einigen Jahren und der ursprüngliche mit diesem Thema verbundene Hype ist längst Vergangenheit. Stattdessen gibt es neue Buzzwords, wie das Internet der Dinge (engl. Internet of Things), die künstliche Intelligenz (engl. Artificial Intelligence), und hierbei insbesondere auch die tiefen neuronalen Netze (engl. Deep Neural Network, Deep Learning). Nichtsdestotrotz ist Big Data mit diesen neuen Themen eng verbunden und häufig eine Voraussetzung oder zumindest eine verwandte Technologie.

Trotz der anhaltenden Relevanz des Themas ist dennoch häufig kein gutes Verständnis für den Unterschied zwischen vielen Daten und Big Data vorhanden. Ein gutes Verständnis der Besonderheiten und Eigenschaften von Big Data und von den damit verbundenen Implikationen und Problemen ist jedoch zwingend notwendig, wenn man auf Big Data aufbauende Technologien in Projekten einsetzen will. Der Grund für Missverständnisse rund um den Begriff Big Data ist einfach: Wir denken intuitiv an »große Datenmengen«. Eine derart vereinfachte Begriffs-definition ignoriert jedoch wesentliche Aspekte von Big Data. Backups sind ein gutes Beispiel für große Datenmengen, die nicht Big Data sind. In modernen Rechenzentren werden Backups auf Hintergrundspeichern mit einer hohen Bitstabilität, aber auch einer hohen Latenz gespeichert. Dort lagern häufig riesige Datenmengen in der Hoffnung, dass sie nie gebraucht werden, bevor sie gelöscht oder überschrieben werden. Es gibt noch einen weiteren Grund, warum es unpraktisch ist, Big Data nur über das Datenvolumen zu definieren: Wir müssten die Definition ständig anpassen, da die Speicherkapazitäten, die Rechenkraft und der Arbeitsspeicher stetig wachsen.

Eine bessere und allgemein akzeptierte Definition für Big Data basiert auf den drei Vs1.

Definition von Big Data:

Als Big Data bezeichnet man Daten, die ein hohes Volumen, eine hohe Geschwindigkeit (engl. velocity) und eine hohe Vielfalt (engl. variety) haben, sodass man kosteneffiziente und innovative Informationsverarbeitungsmethoden benötigt, um Wissen zu generieren, Entscheidungen zu treffen oder Prozesse zu automatisieren.

Zum besseren Verständnis zerlegen wir nun diese Definition in ihre Einzelteile und betrachten diese genauer. Hierbei wird klar werden, warum Big Data mehr ist als nur Datenvolumen.

1.1.1Volumen

Auch wenn das Datenvolumen nicht der einzig wichtige Faktor ist, ist es dennoch entscheidend. Nicht umsonst heißt es Big Data. Dass keine bestimmte Datengröße das Kriterium sein kann, wird schon klar, wenn man sich überlegt, dass Google die Forschungsarbeit, in der MapReduce vorgestellt wurde, bereits 2006 publiziert hat [Dean & Ghemawat 2008]. Zu diesem Zeitpunkt war ein Terabyte noch ein sehr großes Datenvolumen. Im Jahr 2021 ist dies lediglich die Festplattengröße des Laptops, auf dem dieses Buch geschrieben wurde. Ein weiteres Beispiel ist das Wachstum des Datenvolumens, das im Internet jährlich übertragen wird (Abb. 1-1).

Abb. 1-1Wachstum des Datenvolumens im Internetverkehr

Eine vereinfachte Richtlinie für das Datenvolumen lautet, dass es mehr Daten sein müssen, als in den Arbeitsspeicher moderner Server passen. Besser ist es jedoch, wenn man sich einfach die Frage stellt, ob es möglich ist, die Daten (oft) zu kopieren, insbesondere auch über Netzwerkverbindungen. Ist dies nicht mehr der Fall, handelt es sich vermutlich um genug Daten, um von Big Data zu sprechen. In extremen Fällen sind die Daten sogar so groß, dass man sie gar nicht über das Netzwerk kopieren kann. Stattdessen nutzt man das Sneaker Net2: Die Daten werden direkt auf Festplatten verschickt. In Bezug auf den Datendurchsatz ist ein mit Festplatten beladenes Transportflugzeug unschlagbar. Die Latenz lässt jedoch zu wünschen übrig. Ein Beispiel für eine Anwendung, die ohne das Sneaker Net nicht geklappt hätte, ist die Erstellung des ersten Bilds von einem schwarzen Loch [Whitwam 2019].

1.1.2Velocity/Geschwindigkeit

Die Velocity ist die Geschwindigkeit, mit der neue Daten generiert, verarbeitet und/oder ausgewertet werden müssen. Es gibt viele Beispiele für Daten, die eine hohe Geschwindigkeit haben, zum Beispiel die durch Sensoren wie LIDAR und Kameras erfassten Daten von autonomen Fahrzeugen. Derartige Daten können in kürzester Zeit ein sehr hohes Volumen erreichen. Die Firma Waymo hat zum Beispiel einen zwei Terabyte großen Datensatz, der während elf Fahrstunden gesammelt wurde, veröffentlicht3. Daten, die mehr oder weniger kontinuierlich in hoher Geschwindigkeit generiert werden, nennt man auch Streamingdaten.

Eine besondere Schwierigkeit beim Umgang mit Streamingdaten besteht darin, dass diese oft in nahezu Echtzeit verarbeitet werden müssen. Beim autonomen Fahren ist dies sofort klar, schon alleine wegen der Sicherheit. Doch das gilt auch für viele andere Anwendungen, zum Beispiel für das Sortieren des Nachrichten-streams in sozialen Netzwerken. Hier kommt zwar niemand zu schaden, die Nutzer würden einen Dienst aber schnell verlassen, wenn die Ladezeiten zu lang sind. Entsprechend müssen beim Umgang mit Streamingdaten in der Regel zwei Anforderungen gleichzeitig erfüllt werden: Daten müssen sehr schnell empfangen werden und dürfen dann auch nicht lange in einem Zwischenspeicher landen bzw. sich dort befinden, sondern müssen sofort verarbeitet und ausgewertet werden. Hierdurch ergibt sich eine Art inverse Korrelation zwischen der Geschwindigkeit und dem Datenvolumen: Je höher die Geschwindigkeit, desto weniger Daten reichen aus, um Daten zu Big Data werden zu lassen. Oder an einem Beispiel: Ein Gigabyte pro Tag zu verarbeiten ist einfacher als ein Gigabyte pro Sekunde.

1.1.3Variety/Vielfalt

Die Vielfalt der Daten ist der dritte große Aspekt von Big Data. Mittlerweile ist die Analyse von Bildern, Videos und Texten zu einer normalen Anwendung geworden. Dies war jedoch noch nicht der Fall, als der Begriff Big Data geprägt wurde. Im Zeitraum um die Jahrtausendwende lagen die Daten, die analysiert werden sollten, üblicherweise strukturiert vor, zum Beispiel in relationalen Datenbanken. Die Daten waren entweder numerisch oder in feste Kategorien eingeteilt. Das änderte sich im Laufe der 2000er-Jahre, dadurch dass das Internet allgegenwärtig wurde und wir immer mehr Computertechnik in unseren Alltag übernommen haben, zum Beispiel in Form von Smartphones. Hier entstanden Daten eher auf unstrukturierte Weise, zum Beispiel durch Webseiten, die ad hoc von Nutzern erstellt wurden. Es ist daher kein Zufall, dass Google den Begriff Big Data und die damit verbundenen Technologien mitgeprägt hat: Die Indizierung des stetig wachsenden und komplexer werdenden Internets zwang dazu, die vorhandenen Techniken rapide weiterzuentwickeln. Hierbei mussten nicht nur immer größere Datenmengen verarbeitet werden, sondern vor allem eine Vielfalt von Datenformaten, insbesondere Text- und Bilddaten, später auch Videodaten.

Insgesamt gibt es viel mehr unstrukturierte Daten als strukturierte Daten. Dies wird üblicherweise als Pyramide dargestellt (Abb. 1-2), in der zwischen unstrukturierten, quasistrukturierten, semistrukturierten und strukturierten Daten unterschieden wird.

Abb. 1-2Datenpyramide

An der Spitze der Pyramide sind die strukturierten Daten, zum Beispiel Tabellen in relationalen Datenbanken, Comma-Separated-Value-(CSV-)Dateien und Ähnliches. Strukturierte Daten kann man im Normalfall direkt in ein Analysetool laden, ohne dass Vorverarbeitungsschritte notwendig sind. Die Vorverarbeitung beschränkt sich daher bei strukturierten Daten höchstens auf Aufgaben wie das Säubern der Daten, um beispielsweise ungültige Datenpunkte oder Ausreißer zu filtern.

Als Nächstes kommen die semistrukturierten Daten, zum Beispiel XML und JSON. Der Hauptunterschied zwischen strukturierten und semistrukturierten Daten ist die Flexibilität der Datenformate. Bei strukturierten Daten ist beispielsweise in der Regel der Typ einer Spalte fest definiert. Dies ist bei semistrukturierten Daten anders: Hier trifft man oftmals auf verschachtelte Strukturen, die man für die Analyse erst aufbrechen muss. Außerdem gibt es häufig optionale Felder, wodurch...