Smart management of renewable energy in clouds : from infrastructure to application

par MD.Sabbir Hasan

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Jean-Louis Pazat.

Soutenue le 03-05-2017

à Rennes, INSA , dans le cadre de École doctorale Mathématiques, télécommunications, informatique, signal, systèmes, électronique (Rennes) , en partenariat avec Université Bretagne Loire (Comue) , Institut de Recherche en Informatique et Systèmes Aléatoires / IRISA (laboratoire) , Design and Implementation of Autonomous Distributed Systems (laboratoire) et de Aspect and Composition Languages (laboratoire) .

Le président du jury était Christine Morin.

Le jury était composé de Jean-Louis Pazat, Christine Morin, Jean-Marc Pierson, Pascal Bouvry, Eric Rutten, Romain Rouvoy, Thomas Ledoux.

Les rapporteurs étaient Jean-Marc Pierson, Pascal Bouvry.

  • Titre traduit

    Gestion intelligente des énergies renouvelables dans les nuages : de l'infrastructure à l'application


  • Résumé

    Avec l'avènement des technologies de Cloud computing et son adoption, les entreprises et les institutions académiques transfèrent de plus en plus leurs calculs et leurs données vers le Cloud. Alors que ce progrès et ce modèle simple d'accès ont eu un impact considérable sur notre communauté scientifique et industrielle en termes de réduction de la complexité et augmentation des revenus, les centres de données consomment énormément d'énergie, ce qui se traduit par des émissions plus élevées de C02. En réponse, de nombreux travaux de recherche se sont focalisés sur les enjeux du développement durable pour le Cloud à travers la réduction de la consommation d'énergie en concevant des stratégies d'efficacité énergétiques. Cependant, l'efficacité énergétique dans l'infrastructure du C!oud ne suffira pas à stimuler la réduction de • l'empreinte carbone. Il est donc impératif d'envisager une utilisation intelligente de l'énergie verte à la fois au niveau de l'infrastructure et de l'application pour réduire davantage l'empreinte carbone. Depuis peu, certains fournisseurs de Cloud computing alimentent leurs centres de données avec de l'énergie renouvelable. Les sources d'énergie renouvelable sont très intermittentes, ce qui crée plusieurs défis pour les gérer efficacement. Pour surmonter ces défis, nous étudions les options pour intégrer les différentes sources d'énergie renouvelable de manière réaliste et proposer un Cloud energy broker qui peut ajuster la disponibilité et la combinaison de prix pour acheter de l'énergie verte dynamiquement sur le marché de l'énergie et rendre les centres de données partiellement verts. Puis, nous introduisons le concept de la virtualisation de l'énergie verte, qui peut être vu comme une alternative au stockage d'énergie utilisé dans les centres de données pour éliminer le problème d'intermittence dans une certaine mesure. Avec l'adoption du concept de virtualisation, nous maximisons l'utilisation de l'énergie verte contrairement au stockage d'énergie qui induit des pertes d'énergie, tout en introduisant des Green SLA basé sur l'énergie verte pour le fournisseur de services et les utilisateurs finaux. En utilisant des traces réalistes et une simulation et une analyse approfondie, nous montrons que la proposition peut fournir un système efficace, robuste et rentable de gestion de l'énergie pour le centre de données. Si une gestion efficace de l'énergie en présence d'énergie verte intermittente est nécessaire, la façon dont les applications Cloud modernes peuvent tirer profit de la présence ou l'absence d'énergie verte n'a pas été suffisamment étudiée. Contrairement aux applications Batch, les applications Interactive Cloud doivent toujours être accessibles et ne peuvent pas être programmées à l'avance pour correspondre au profil d'énergie verte. Par conséquent, cette thèse propose une solution d'autoscaling adaptée à l'énergie pour exploiter les caractéristiques internes des applications et créer une conscience d'énergie verte dans l'application, tout en respectant les propriétés traditionnelles de QoS. Pour cela, nous concevons un contrôleur d'application green qui profite de la disponibilité de l'énergie verte pour effectuer une adaptation opportuniste dans une application gérée par un contrôleur orienté performance. L'expérience est réalisée avec une application réelle sur Grid5000 et les résultats montrent une réduction significative de la consommation d'énergie par rapport à l'approche orientée performance, tout en respectant les attributs traditionnels de QoS.


  • Résumé

    With the advent of cloud enabling technologies and adoption of cloud computing, enterprise and academic institutions are moving their IT workload to the cloud. Although this prolific advancement and easy to access model have greatly impacted our scientific and industrial community in terms of reducing complexity and increasing revenue, data centers are consuming enormous amount of energy, which translates into higher carbon emission. In response, varieties of research work have focused on environmental sustainability for Cloud Computing paradigm through energy consumption reduction by devising energy efficient strategies. However, energy efficiency in cloud infrastructure alone is not going to be enough to boost carbon footprint reduction. Therefore, it is imperative to envision of smartly using green energy at infrastructure and application level for further reduction of carbon footprint. In recent years, some cloud providers are powering their data centers with renewable energy. The characteristics of renewable energy sources are highly intermittent which creates several challenges to manage them efficiently. To overcome the problem, we investigate the options and challenges to integrate different renewable energy sources in a realistic way and propose a Cloud energy broker, which can adjust the availability and price combination to buy Green energy dynamically from the energy market in advance to make a data center partially green. Later, we introduce the concept of Virtualization of Green Energy, which can be seen as an alternative to energy storage used in data center to eliminate the intermittency problem to some extent. With the adoption of virtualization concept, we maximize the usage of green energy contrary to energy storage which induces energy losses, while introduce Green Service Level Agreement based on green energy for service provider and end users. By •using realistic traces and extensive simulation and analysis, we show that, the proposal can provide an efficient, robust and cost-effective energy management scheme for data center. While an efficient energy management in the presence of intermittent green energy is necessary, how modern Cloud applications can take advantage of the presence/absence of green energy has not been studied with requisite effort. Unlike Batch applications, Interactive Cloud applications have to be always accessible and car not be scheduled in advance to match with green energy profile. Therefore, this thesis proposes an energy adaptive autoscaling solution to exploit applications internal to create green energy awareness in the application, while respecting traditional QoS properties. To elaborate, we design green energy aware application controller that takes advantage of green energy availability to perform opportunistic adaptation in an application along with performance aware application controller. Experiment is performed with real life application at Grid5000 and results show significant reduction of energy consumption while respecting traditional QoS attributes compared to performance aware approach.


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