Contrôle des applications fondé sur la qualité de service pour les plate-formes logicielles dématérialisées (Cloud)

Control of applications based on quality of service in Cloud software platforms

• Auteur / Autrice : Ge Li
• Direction : Patrice Moreaux, Frédéric Pourraz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et techniques de l'information et de la communication, informatique
• Date : Soutenance le 21/07/2015
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences et ingénierie des systèmes, de l'environnement et des organisations (Chambéry ; 2007-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique, systèmes, traitement de l'information et de la connaissance (Annecy)
• Jury : Président / Présidente : Frédérique Laforest
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Dillenseger, Tatiana Aubonnet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédérique Laforest, Jean-Marc Menaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Qualité de Service (télécommunications)

Informatique dans les nuages

Mots clés libres

PaaS

Qualité de service

Service Level Agreement (SLA)

SLA étude de faisabilité

Provisioning des ressources

Contrôle Runtime

Platform as a Service (PaaS)

Quality of service

Service Level Agreement (SLA)

SLA feasibility study

Resource provisioning

Runtime control

Résumé

Le « Cloud computing » est un nouveau modèle de systèmes de calcul. L’infrastructure, les applications et les données sont déplacées de machines localisées sur des systèmes dématérialisés accédés sous forme de service via Internet. Le modèle « coût à l’utilisation » permet des économies de coût en modifiant la configuration à l’exécution (élasticité). L’objectif de cette thèse est de contribuer à la gestion de la Qualité de Service (QdS) des applications s’exécutant dans le Cloud. Les services Cloud prétendent fournir une flexibilité importante dans l’attribution des ressources de calcul tenant compte des variations perçues, telles qu’une fluctuation de la charge. Les capacités de variation doivent être précisément exprimées dans un contrat (le Service Level Agreement, SLA) lorsque l’application est hébergée par un fournisseur de Plateform as a Service (PaaS). Dans cette thèse, nous proposons et nous décrivons formellement le langage de description de SLA PSLA. PSLA est fondé sur WS-Agreement qui est lui-même un langage extensible de description de SLA. Des négociations préalables à la signature du SLA sont indispensables, pendant lesquelles le fournisseur de PaaS doit évaluer la faisabilité des termes du contrat. Cette évaluation, par exemple le temps de réponse, le débit maximal de requêtes servies, etc, est fondée sur une analyse du comportement de l’application déployée dans l’infrastructure cloud. Une analyse du comportement de l’application est donc nécessaire et habituellement assurée par des tests (benchmarks). Ces tests sont relativement coûteux et une étude précise de faisabilité demande en général de nombreux tests. Dans cette thèse, nous proposons une méthode d’étude de faisabilité concernant les critères de performance, à partir d’une proposition de SLA exprimée en PSLA. Cette méthode est un compromis entre la précision d’une étude exhaustive de faisabilité et les coûts de tests. Les résultats de cette étude constituent le modèle initial de la correspondance charge entrante-allocation de ressources utilisée à l’exécution. Le contrôle à l’exécution (runtime control) d’une application gère l’allocation de ressources en fonction des besoins, s’appuyant en particulier sur les capacités de passage à l’échelle (scalability) des infrastructures de cloud. Nous proposons RCSREPRO (Runtime Control method based on Schedule, REactive and PROactive methods), une méthode de contrôle à l’exécution fondée sur la planification et des contrôles réactifs et prédictifs. Les besoins d’adaptation à l’exécution sont essentiellement dus à une variation de la charge soumise à l’application, variations difficiles à estimer avant exécution et seulement grossièrement décrites dans le SLA. Il est donc nécessaire de reporter à l’exécution les décisions d’adaptation et d’y évaluer les possibles variations de charge. Comme les actions de modification des ressources attribuées peuvent prendre plusieurs minutes, RCSREPRO réalise un contrôle prédictif fondée sur l’analyse de charge et la correspondance indicateurs de performance-ressources attribuées, initialement définie via des tests. Cette correspondance est améliorée en permanence à l’exécution. En résumé, les contributions de cette thèse sont la proposition de langage PSLA pour décrire les SLA ; une proposition de méthode pour l’étude de faisabilité d’un SLA ; une proposition de méthode (RCSREPRO) de contrôle à l’exécution de l’application pour garantir le SLA. Les travaux de cette thèse s’inscrivent dans le contexte du projet FSN OpenCloudware (www.opencloudware.org) et ont été financés en partie par celui-ci.

Cloud computing is a new computing model. Infrastructure, application and data are moved from local machines to internet and provided as services. Cloud users, such as application owners, can greatly save budgets from the elasticity feature, which refers to the “pay as you go” and on-demand characteristics, of cloud service. The goal of this thesis is to manage the Quality of Service (QoS) for applications running in cloud environments Cloud services provide application owners with great flexibility to assign “suitable” amount of resources according to the changing needs, for example caused by fluctuating request rate. “Suitable” or not needs to be clearly documented in Service Level Agreements (SLA) if this resource demanding task is hosted in a third party, such as a Platform as a Service (PaaS) provider. In this thesis, we propose and formally describe PSLA, which is a SLA description language for PaaS. PSLA is based on WS-Agreement, which is extendable and widely accepted as a SLA description language. Before signing the SLA contract, negotiations are unavoidable. During negotiations, the PaaS provider needs to evaluate if the SLA drafts are feasible or not. These evaluations are based on the analysis of the behavior of the application deployed in the cloud infrastructure, for instance throughput of served requests, response time, etc. Therefore, application dependent analysis, such as benchmark, is needed. Benchmarks are relatively costly and precise feasibility study usually imply large amount of benchmarks. In this thesis, we propose a benchmark based SLA feasibility study method to evaluate whether or not a SLA expressed in PSLA, including QoS targets, resource constraints, cost constraints and workload constraints can be achieved. This method makes tradeoff between the accuracy of a SLA feasibility study and benchmark costs. The intermediate of this benchmark based feasibility study process will be used as the workload-resource mapping model of our runtime control method. When application is running in a cloud infrastructure, the scalability feature of cloud infrastructures allows us to allocate and release resources according to changing needs. These resource provisioning activities are named runtime control. We propose the Runtime Control method based onSchedule, REactive and PROactive methods (RCSREPRO). Changing needs are mainly caused by the fluctuating workload for majority of the applications running in the cloud. The detailed workload information, for example the request arrival rates at scheduled points in time, is difficult to be known before running the application. Moreover, workload information listed in PSLA is too rough to give a fitted resource provisioning schedule before runtime. Therefore, runtime control decisions are needed to be performed in real time. Since resource provisioning actions usually require several minutes, RCSREPRO performs a proactive runtime control which means that it predicts future needs and assign resources in advance to have them ready when they are needed. Hence, prediction of the workload and workload-resource mapping are two problems involved in proactive runtime control. The workload-resource mapping model, which is initially derived from benchmarks in SLA feasibility study is continuously improved in a feedback way at runtime, increasing the accuracy of the control.To sum up, we contribute with three aspects to the QoS management of application running in the cloud: creation of PSLA, a PaaS level SLA description language; proposal of a benchmark based SLA feasibility study method; proposal of a runtime control method, RCSREPRO, to ensure the SLA when the application is running. The work described in this thesis is motivated and funded by the FSN OpenCloudware project (www.opencloudware.org).