A Complete Framework for Modelling Workload Volatility of VoD System - a Perspective to Probabilistic Management

par Shubhabrata Roy

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Paulo Gonçalvès.

Soutenue le 18-06-2014

à Lyon, École normale supérieure , dans le cadre de École Doctorale d'Informatique et Mathématiques (Lyon) , en partenariat avec Laboratoire de l'informatique du parallélisme (Lyon) (laboratoire) et de DANTE / LIP Laboratoire de l'Informatique du Parallélisme Lyon / Inria Grenoble Rhône-Alpes / IXXI Institut rhône-alpin des systèmes complexes (laboratoire) .

Le président du jury était Frédéric Desprez.

Le jury était composé de Paulo Gonçalvès, Frédéric Desprez, Sandrine Vaton, Thomas Begin, Marcelo Dias De Amorim, Susana Sargento.

Les rapporteurs étaient Thierry Turletti, Sandrine Vaton.

  • Titre traduit

    Un framework complet pour la modélisation de la volatilité des charges de travail d'un système de vidéo à la demande - une perspective de gestion probabiliste


  • Résumé

    Il y a de nouveaux défis dans l'administration et dans la conception des systèmes pour optimiser la gestion des ressources des applications basées en nuage Cloud Computing. Certaines applications demandent des performances rigoureuses (par exemple, par rapport aux retards et aux limites de la gigue), tandis que d'autres applications présentent des charges de travail en rafale (volatiles). Cette thèse propose un framework inspiré dans un modèle épidémique (et basé sur des Chaînes de Markov à Temps Continu), qui peut reproduire la volatilité de la charge de travail, à savoir les effets de buzz (quand il y a une augmentation soudaine de la popularité d'un contenu) d'un système de Vidéo à la Demande (VoD). Deux méthodes d'estimation (basés sur des heuristiques et des Chaînes de Markov Monte Carlo - MCMC) ont été également proposées dans ce travail, de façon à ajuster le modèle selon les comportements de la charge de travail. Les paramètres du modèle obtenus à partir des procédures d'étalonnage révèlent des propriétés intéressantes du modèle. Basé sur des simulations numériques, la précision des deux procédures a été analysée, en montrant que les deux présentent des performances raisonnables. Toutefois, la méthode MCMC dépasse la performance de l'approche heuristique. Cette thèse compare également le modèle proposé avec d'autres modèles existants, tout en examinant la qualité de l'ajustement de certaines propriétés statistiques sur des traces réelles de la charge de travail. Finalement, ce travail propose une approche probabiliste de provisionnement des ressources, basée sur le Principe de Grandes Déviations (LDP). LDP caractérise statistiquement les effets de buzz, qui causent de la volatilité extrême de la charge de travail. Cette analyse exploite les informations obtenues en utilisant le LPD du système VoD pour la définition des politiques de gestion des ressources. Ces politiques peuvent être intéressantes pour toutes les acteurs dans le nouveau contexte de l'informatique en nuage.


  • Résumé

    There are some new challenges in system administration and design to optimize the resource management for a cloud based application. Some applications demand stringent performance requirements (e.g. delay and jitter bounds), while some applications exhibit bursty (volatile) workloads. This thesis proposes an epidemic model inspired (and continuous time Markov Chain based) framework, which can reproduce workload volatility namely the "buzz effects" (when there is a sudden increase of a content popularity) of a Video on Demand (VoD) system. Two estimation procedures (heuristic and a Markov Chain Monte Carlo (MCMC) based approach) have also been proposed in this work to calibrate the model against workload traces. Obtained model parameters from the calibration procedures reveal some interesting property of the model. Based on numerical simulations, precisions of both procedures have been analyzed, which show that both of them perform reasonably. However, the MCMC procedure outperforms the heuristic approach. This thesis also compares the proposed model with other existing models examining the goodness-of-fit of some statistical properties of real workload traces. Finally this work suggests a probabilistic resource provisioning approach based on a Large Deviation Principle (LDP). LDP statistically characterizes the buzz effects that causeextreme workload volatility. This analysis exploits the information obtained using the LDP of the VoD system for defining resource management policies. These policies may be of some interest to all stakeholders in the emerging context of cloud networking.


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