The Network Effects of Prefetching

Prefetching has been shown to be an effective technique for reducing user perceived latency in distributed systems. In this paper we show that even when prefetching adds no extra traffic to the network, it can have serious negative performance effects. Straightforward approaches to prefetching increase the burstiness of individual sources, leading to increased average queue sizes in network switches. However, we also show that applications can avoid the undesirable queueing effects of prefetching. In fact, we show that applications employing prefetching can significantly improve network performance, to a level much better than that obtained without any prefetching at all. This is because prefetching offers increased opportunities for traffic shaping that are not available in the absence of prefetching. Using a simple transport rate control mechanism, a prefetching application can modify its behavior from a distinctly ON/OFF entity to one whose data transfer rate changes less abruptly, while still delivering all data in advance of the user's actual requests

V-Cache: Towards Flexible Resource Provisioning for Multi-tier Applications in IaaS Clouds

Abstract—Although the resource elasticity offered by Infrastructure-as-a-Service (IaaS) clouds opens up opportunities for elastic application performance, it also poses challenges to application management. Cluster applications, such as multi-tier websites, further complicates the management requiring not only accurate capacity planning but also proper partitioning of the resources into a number of virtual machines. Instead of burdening cloud users with complex management, we move the task of determining the optimal resource configuration for cluster applications to cloud providers. We find that a structural reorganization of multi-tier websites, by adding a caching tier which runs on resources debited from the original resource budget, significantly boosts application performance and reduces resource usage. We propose V-Cache, a machine learning based approach to flexible provisioning of resources for multi-tier applications in clouds. V-Cache transparently places a caching proxy in front of the application. It uses a genetic algorithm to identify the incoming requests that benefit most from caching and dynamically resizes the cache space to accommodate these requests. We develop a reinforcement learning algorithm to optimally allocate the remaining capacity to other tiers. We have implemented V-Cache on a VMware-based cloud testbed. Exper-iment results with the RUBiS and WikiBench benchmarks show that V-Cache outperforms a representative capacity management scheme and a cloud-cache based resource provisioning approach by at least 15 % in performance, and achieves at least 11 % and 21 % savings on CPU and memory resources, respectively. I

Dependence-driven techniques in system design

Burstiness in workloads is often found in multi-tier architectures, storage systems, and communication networks. This feature is extremely important in system design because it can significantly degrade system performance and availability. This dissertation focuses on how to use knowledge of burstiness to develop new techniques and tools for performance prediction, scheduling, and resource allocation under bursty workload conditions.;For multi-tier enterprise systems, burstiness in the service times is catastrophic for performance. Via detailed experimentation, we identify the cause of performance degradation on the persistent bottleneck switch among various servers. This results in an unstable behavior that cannot be captured by existing capacity planning models. In this dissertation, beyond identifying the cause and effects of bottleneck switch in multi-tier systems, we also propose modifications to the classic TPC-W benchmark to emulate bursty arrivals in multi-tier systems.;This dissertation also demonstrates how burstiness can be used to improve system performance. Two dependence-driven scheduling policies, SWAP and ALoC, are developed. These general scheduling policies counteract burstiness in workloads and maintain high availability by delaying selected requests that contribute to burstiness. Extensive experiments show that both SWAP and ALoC achieve good estimates of service times based on the knowledge of burstiness in the service process. as a result, SWAP successfully approximates the shortest job first (SJF) scheduling without requiring a priori information of job service times. ALoC adaptively controls system load by infinitely delaying only a small fraction of the incoming requests.;The knowledge of burstiness can also be used to forecast the length of idle intervals in storage systems. In practice, background activities are scheduled during system idle times. The scheduling of background jobs is crucial in terms of the performance degradation of foreground jobs and the utilization of idle times. In this dissertation, new background scheduling schemes are designed to determine when and for how long idle times can be used for serving background jobs, without violating predefined performance targets of foreground jobs. Extensive trace-driven simulation results illustrate that the proposed schemes are effective and robust in a wide range of system conditions. Furthermore, if there is burstiness within idle times, then maintenance features like disk scrubbing and intra-disk data redundancy can be successfully scheduled as background activities during idle times

Notes on Cloud computing principles

This letter provides a review of fundamental distributed systems and economic Cloud computing principles. These principles are frequently deployed in their respective fields, but their inter-dependencies are often neglected. Given that Cloud Computing first and foremost is a new business model, a new model to sell computational resources, the understanding of these concepts is facilitated by treating them in unison. Here, we review some of the most important concepts and how they relate to each other

Extra Functional Properties Evaluation of Self-managed Software Systems with Formal Methods

Multitud de aplicaciones software actuales están abocadas a operar en contextos dinámicos. Estos pueden manifestarse en términos de cambios en el entorno de ejecución de la aplicación, cambios en los requisitos de la aplicación, cambios en la carga de trabajo recibida por la aplicación, o cambios en cualquiera de los elementos que la aplicación software pueda percibir y verse afectada. Además, estos contextos dinámicos no están restringidos a un dominio particular de aplicaciones sino que se pueden encontrar en múltiples dominios, tales como: sistemas empotrados, arquitecturas orientadas a servicios, clusters para computación de altas prestaciones, dispositivos móviles o software para el funcionamiento de la red. La existencia de estas características disuade a los ingenieros de desarrollar software que no sea capaz de cambiar de modo alguno su ejecución para acomodarla al contexto en el que se está ejecutando el software en cada momento. Por lo tanto, con el objetivo de que el software pueda satisfacer sus requisitos en todo momento, este debe incluir mecanismos para poder cambiar su configuración de ejecución. Además, debido a que los cambios de contexto son frecuentes y afectan a múltiples dispositivos de la aplicación, la intervención humana que cambie manualmente la configuración del software no es una solución factible. Para enfrentarse a estos desafíos, la comunidad de Ingeniería del Software ha propuesto nuevos paradigmas que posibilitan el desarrollo de software que se enfrenta a contextos cambiantes de un modo automático; por ejemplo las propuestas Autonomic Computing y Self-* Software. En tales propuestas es el propio software quien gestiona sus mecanismos para cambiar la configuración de ejecución, sin requerir por lo tanto intervención humana alguna. Un aspecto esencial del software auto-adaptativo (Self-adaptive Software es uno de los términos más generales para referirse a Self-* Software) es el de planear sus cambios o adaptaciones. Los planes de adaptación determinan tanto el modo en el que se adaptará el software como los momentos oportunos para ejecutar tales adaptaciones. Hay un gran conjunto de situaciones para las cuales la propiedad de auto- adaptación es una solución. Una de esas situaciones es la de mantener al sistema satisfaciendo sus requisitos extra funcionales, tales como la calidad de servicio (Quality of Service, QoS) y su consumo de energía. Esta tesis ha investigado esa situación mediante el uso de métodos formales. Una de las contribuciones de esta tesis es la propuesta para asentar en una arquitectura software los sistemas que son auto-adaptativos respecto a su QoS y su consumo de energía. Con este objetivo, esta parte de la investigación la guía una arquitectura de tres capas de referencia para sistemas auto-adaptativos. La bondad del uso de una arquitectura de referencia es que muestra fácilmente los nuevos desafíos en el diseño de este tipo de sistemas. Naturalmente, la planificación de la adaptación es una de las actividades consideradas en la arquitectura. Otra de las contribuciones de la tesis es la propuesta de métodos para la creación de planes de adaptación. Los métodos formales juegan un rol esencial en esta actividad, ya que posibilitan el estudio de las propiedades extra funcionales de los sistemas en diferentes configuraciones. El método formal utilizado para estos análisis es el de las redes de Petri markovianas. Una vez que se ha creado el plan de adaptación, hemos investigado la utilización de los métodos formales para la evaluación de QoS y consumo de energía de los sistemas auto-adaptativos. Por lo tanto, se ha contribuido a la comunidad de análisis de QoS con el análisis de un nuevo y particularmente complejo tipo de sistemas software. Para llevar a cabo este análisis se requiere el modelado de los cambios din·micos del contexto de ejecución, para lo que se han utilizado una variedad de métodos formales, como los Markov modulated Poisson processes para estimar los parámetros de las variaciones en la carga de trabajo recibida por la aplicación, o los hidden Markov models para predecir el estado del entorno de ejecución. Estos modelos han sido usados junto a las redes de Petri para evaluar sistemas auto-adaptativos y obtener resultados sobre su QoS y consumo de energía. El trabajo de investigación anterior sacó a la luz el hecho de que la adaptabilidad de un sistema no es una propiedad tan fácilmente cuantificable como las propiedades de QoS -por ejemplo, el tiempo de respuesta- o el consumo de energÌa. En consecuencia, se ha investigado en esa dirección y, como resultado, otra de las contribuciones de esta tesis es la propuesta de un conjunto de métricas para la cuantificación de la propiedad de adaptabilidad de sistemas basados en servicios. Para conseguir las anteriores contribuciones se realiza un uso intensivo de modelos y transformaciones de modelos; tarea para la que se han seguido las mejores prácticas en el campo de investigación de la Ingeniería orientada a modelos (Model-driven Engineering, MDE). El trabajo de investigación de esta tesis en el campo MDE ha contribuido con: el aumento de la potencia de modelado de un lenguaje de modelado de software propuesto anteriormente y métodos de transformación desde dos lenguajes de modelado de software a redes de Petri estocasticas

Towards Autonomic Service Provisioning Systems

This paper discusses our experience in building SPIRE, an autonomic system for service provision. The architecture consists of a set of hosted Web Services subject to QoS constraints, and a certain number of servers used to run session-based traffic. Customers pay for having their jobs run, but require in turn certain quality guarantees: there are different SLAs specifying charges for running jobs and penalties for failing to meet promised performance metrics. The system is driven by an utility function, aiming at optimizing the average earned revenue per unit time. Demand and performance statistics are collected, while traffic parameters are estimated in order to make dynamic decisions concerning server allocation and admission control. Different utility functions are introduced and a number of experiments aiming at testing their performance are discussed. Results show that revenues can be dramatically improved by imposing suitable conditions for accepting incoming traffic; the proposed system performs well under different traffic settings, and it successfully adapts to changes in the operating environment.Comment: 11 pages, 9 Figures, http://www.wipo.int/pctdb/en/wo.jsp?WO=201002636