Modeling and control of server systems : application to performance and dependability

par Luc Malrait

Thèse de doctorat en Automatique et productique

Sous la direction de Nicolas Marchand.

Le président du jury était Didier Georges.

Le jury était composé de Nicolas Marchand, Xiaoyun Zhu, Sara Bouchenak.

Les rapporteurs étaient Fabio Gomez-Estern Aguilar, Gilles Grimaud.

  • Titre traduit

    Modélisation et contrôle de la performance et de la disponibilité des systèmes de serveurs


  • Résumé

    Les serveurs informatiques permettent de mettre en œuvre un large éventail de services en ligne et d'applications telles que les services Web, les services de messagerie ou les services de base de données. Cependant, leur configuration ad hoc soulève des problématiques cruciales liées à la performance, la disponibilité et le coût économique des applications. Dans cette thèse, nous étudions l'impact de la configuration des serveurs sur le compromis central entre performance et disponibilité du service. Dans une première partie, nous modélisons le comportement de serveurs uniques à l'aide d'approximations fluides et développons des lois de commandes novatrices pour le contrôle d'admission sur les systèmes de serveurs centralisés. Nous proposons plusieurs lois de commande pour différentes combinaisons d'objectifs de qualité de service et de niveau de service. Parmi elles, AM-C garantit un objectif de performance du service en maximisant sa disponibilité; PM-C garantit un objectif de disponibilité du service en maximisant sa performance. Nous évaluons expérimentalement le modèle ainsi que les stratégies de contrôle sur TPC-C, un benchmark industriel reconnu qui reproduit un service d'e-commerce, implémenté sur le serveur de base de données PostgreSQL. Nos expériences montrent que les techniques proposées améliorent jusqu'à 30% les performances du service tout en garantissant les contraintes de disponibilité. Dans une deuxième partie, nous étendons ce travail aux systèmes de serveurs distribués, qui sont largement utilisés par les applications Internet évoluant sur des systèmes multi-niveaux hébergés par des clusters de serveurs. Nous présentons un modèle de serveur distribué comme un modèle continu non linéaire en faisant une analogie avec les systèmes transferts de fluide. Nous formalisons alors un problème d'optimisation pour le contrôle de ces systèmes. Nous fournissons un contrôle d'admission qui permet d'obtenir la disponibilité de service la plus élevée tout en garantissant un objectif de performance. Une évaluation numérique du modèle proposé et du contrôle distribué associé est présentée et montre que la configuration optimale de ces systèmes n'est pas intuitive.


  • Résumé

    Server technology provides a means to support a wide range of on-line services and applications, such as web services, e-mail services, database services. However, their ad hoc configuration poses significant challenges to the performance, availability and economical costs of applications. In this thesis, we examine the impact of server configuration on the central trade-off between service performance and service availability. First, we model the behavior of single servers using fluid approximations. Second, we develop novel ad- mission control laws of central server systems. We provide several control laws for different combinations of quality-of-service and service level objectives. Among them, AM-C , the availability-maximizing admission control law, achieves the highest service availability while meeting given performance objective; PM-C is a performance-maximizing ad- mission control law that meets a desired availability target with the highest performance. We evaluate our fluid model and control techniques on the TPC-C industry-standard benchmark that implements a warehouse running on the PostgreSQL database server. Our experiments show that the proposed techniques successfully improve performance by up to 30 % while guaranteeing availability constraints. Furthermore, we extend this work to distributed server systems, that are widely used by Internet applications in the farm of server clusters and multi-tier systems. We present a distributed server model as a non-linear continuous-time model using analogies with fluid transfer. We then state an optimization problem for the control of distributed server systems. We provide an admission control that allows to get the highest service availability while a target performance level is guaranteed. Numerical evaluations of the proposed distributed model and control are presented, and show that the optimal configuration of such systems is not intuitive.


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