Monitoring et détection d'anomalie par apprentissage dans les infrastructures virtualisées

Monitoring and detection of learning abnormalities in virtualized infrastructures

• Auteur / Autrice : Carla Sauvanaud
• Direction : Mohamed Kaâniche, Karama Kanoun
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 13/12/2016
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Systèmes (Toulouse ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : Ernesto José Exposito Garcia
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohamed Kaâniche, Karama Kanoun, Kahina Lazri
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sara Bouchenak, Pierre Sens

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes virtuels (informatique)

Informatique dans les nuages

Apprentissage automatique

Mots clés libres

Apprentissage automatique

Cloud computing

Détection d'anomalie

Injection de faute

Monitoring

Virtualisation

Machine learning

Cloud computing

Anomaly detection

Fault injection

Monitoring

Virtualization

Résumé

Le cloud computing est un modèle de délivrance à la demande d’un ensemble de ressources informatiques distantes, partagées et configurables. Ces ressources, détenues par un fournisseur de service cloud, sont mutualisées grâce à la virtualisation de serveurs qu’elles composent et sont mises à disposition d’utilisateurs sous forme de services disponibles à la demande. Ces services peuvent être aussi variés que des applications, des plateformes de développement ou bien des infrastructures. Afin de répondre à leurs engagements de niveau de service auprès des utilisateurs, les fournisseurs de cloud se doivent de prendre en compte des exigences différentes de sûreté de fonctionnement. Assurer ces exigences pour des services différents et pour des utilisateurs aux demandes hétérogènes représente un défi pour les fournisseurs, notamment de part leur engagement de service à la demande. Ce défi est d’autant plus important que les utilisateurs demandent à ce que les services rendus soient au moins aussi sûrs de fonctionnement que ceux d’applications traditionnelles. Nos travaux traitent particulièrement de la détection d’anomalies dans les services cloud de type SaaS et PaaS. Les différents types d’anomalie qu’il est possible de détecter sont les erreurs, les symptômes préliminaires de violations de service et les violations de service. Nous nous sommes fixé quatre critères principaux pour la détection d’anomalies dans ces services : i) elle doit s’adapter aux changements de charge de travail et reconfiguration de services ; ii) elle doit se faire en ligne, iii) de manière automatique, iv) et avec un effort de configuration minimum en utilisant possiblement la même technique quel que soit le type de service. Dans nos travaux, nous avons proposé une stratégie de détection qui repose sur le traitement de compteurs de performance et sur des techniques d’apprentissage automatique. La détection utilise les données de performance système collectées en ligne à partir du système d’exploitation hôte ou bien via les hyperviseurs déployés dans le cloud. Concernant le traitement des ces données, nous avons étudié trois types de technique d’apprentissage : supervisé, non supervisé et hybride. Une nouvelle technique de détection reposant sur un algorithme de clustering est de plus proposée. Elle permet de prendre en compte l’évolution de comportement d’un système aussi dynamique qu’un service cloud. Une plateforme de type cloud a été déployée afin d’évaluer les performances de détection de notre stratégie. Un outil d’injection de faute a également été développé dans le but de cette évaluation ainsi que dans le but de collecter des jeux de données pour l’entraînement des modèles d’apprentissage. L’évaluation a été appliquée à deux cas d’étude : un système de gestion de base de données (MongoDB) et une fonction réseau virtualisée. Les résultats obtenus à partir d’analyses de sensibilité, montrent qu’il est possible d’obtenir de très bonnes performances de détection pour les trois types d’anomalies, tout en donnant les contextes adéquats pour la généralisation de ces résultats.

Nowadays, the development of virtualization technologies as well as the development of the Internet contributed to the rise of the cloud computing model. A cloud computing enables the delivery of configurable computing resources while enabling convenient, on-demand network access to these resources. Resources hosted by a provider can be applications, development platforms or infrastructures. Over the past few years, computing systems are characterized by high development speed, parallelism, and the diversity of task to be handled by applications and services. In order to satisfy their Service Level Agreements (SLA) drawn up with users, cloud providers have to handle stringent dependability demands. Ensuring these demands while delivering various services makes clouds dependability a challenging task, especially because providers need to make their services available on demand. This task is all the more challenging that users expect cloud services to be at least as dependable as traditional computing systems. In this manuscript, we address the problem of anomaly detection in cloud services. A detection strategy for clouds should rely on several principal criteria. In particular it should adapt to workload changes and reconfigurations, and at the same time require short configurations durations and adapt to several types of services. Also, it should be performed online and automatic. Finally, such a strategy needs to tackle the detection of different types of anomalies namely errors, preliminary symptoms of SLA violation and SLA violations. We propose a new detection strategy based on system monitoring data. The data is collected online either from the service, or the underlying hypervisor(s) hosting the service. The strategy makes use of machine learning algorithms to classify anomalous behaviors of the service. Three techniques are used, using respectively algorithms with supervised learning, unsupervised learning or using a technique exploiting both types of learning. A new anomaly detection technique is developed based on online clustering, and allowing to handle possible changes in a service behavior. A cloud platform was deployed so as to evaluate the detection performances of our strategy. Moreover a fault injection tool was developed for the sake of two goals : the collection of service observations with anomalies so as to train detection models, and the evaluation of the strategy in presence of anomalies. The evaluation was applied to two case studies : a database management system and a virtual network function. Sensitivity analyzes show that detection performances of our strategy are high for the three anomaly types. The context for the generalization of the results is also discussed.