Availability modeling and evaluation of web-based services - A pragmatic approach

Cette thèse porte sur le développement d’une approche de modélisation pragmatique permettant aux concepteurs d’applications et systèmes mis en oeuvre sur le web d’évaluer la disponibilité du service fourni aux utilisateurs. Plusieurs sources d’indisponibilité du service sont prises en compte, en particulier i) les défaillances matérielles ou logicielles affectant les serveurs et ii) des dégradations de performance (surcharge des serveurs, temps de réponse trop long, etc.). Une approche hiérarchique multi-niveau basée sur une modélisation de type performabilité est proposée, combinant des chaînes de Markov et des modèles de files d’attente. Les principaux concepts et la faisabilité de cette approche sont illustrés à travers l’exemple d’une agence de voyage. Plusieurs modèles analytiques et études de sensibilité sont présentés en considérant différentes hypothèses concernant l’architecture, les stratégies de recouvrement, les fautes, les profils d’utilisateurs, et les caractéristiques du trafic. ABSTRACT : This thesis presents a pragmatic modeling approach allowing designers of web-based applications and systems to evaluate the service availability provided to the users. Multiple sources of service unavailability are taken into account, in particular i) hardware and software failures affecting the servers, and ii) performance degradation (overload of servers, very long response time, etc.). An hierarchical multi-level approach is proposed based on performability modeling, combining Markov chains and queueing models. The main concepts and the feasibility of this approach are illustrated using a web-based travel agency. Various analytical models and sensitivity studies are presented considering different assumptions with respect to the architectures, recovery strategies, faults, users profile and traffic characteristics

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

A Specific Network Link and Path Likelihood Prediction Tool

Communications have always been a crucial part of any military operation. As the pace of warfare and the technological complexity of weaponry have increased, so has the need for rapid information to assess battlefield conditions. Message passing across a network of communication nodes allowed commanders to communicate with their forces. It is clear that an accurate prediction of communication usage through a network will provide commanders with useful intelligence of friendly and unfriendly activities. Providing a specific network link and path likelihood prediction tool gives strategic military commanders additional intelligence information and enables them to manage their limited resources more efficiently. In this study, Dijkstra\u27s algorithm has been modified to allow the Queueing Network Analyzer\u27s (QNA) analysis output to act as a node\u27s goodness metric. QNA\u27s calculation of the expected Total Sojourn Time for the completion of queueing and service in a node provides accurate measurement of expected congestion. The modified Dijkstra\u27s algorithm in the Generalized Network Analyzer (GNA) is verified and empirically validated to properly deliver traffic. It appropriately generates the fastest traffic path from a start node to a destination node. This implementation includes notification if input parameters exceed the network\u27s processing capability. GNA\u27s Congestion Control displays notification and informs the user certain network input parameters must be lowered (PTR or BSTR) or where certain nodes must be improved to maintain node stability. With this unstable node identification, users can determine which node needs attention and improvements. Once this instability is removed, a good QoS is achieved and analysis proceeds

Telecommunications Networks

This book guides readers through the basics of rapidly emerging networks to more advanced concepts and future expectations of Telecommunications Networks. It identifies and examines the most pressing research issues in Telecommunications and it contains chapters written by leading researchers, academics and industry professionals. Telecommunications Networks - Current Status and Future Trends covers surveys of recent publications that investigate key areas of interest such as: IMS, eTOM, 3G/4G, optimization problems, modeling, simulation, quality of service, etc. This book, that is suitable for both PhD and master students, is organized into six sections: New Generation Networks, Quality of Services, Sensor Networks, Telecommunications, Traffic Engineering and Routing

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

Stochastic Processes with Applications

Stochastic processes have wide relevance in mathematics both for theoretical aspects and for their numerous real-world applications in various domains. They represent a very active research field which is attracting the growing interest of scientists from a range of disciplines.This Special Issue aims to present a collection of current contributions concerning various topics related to stochastic processes and their applications. In particular, the focus here is on applications of stochastic processes as models of dynamic phenomena in research areas certain to be of interest, such as economics, statistical physics, queuing theory, biology, theoretical neurobiology, and reliability theory. Various contributions dealing with theoretical issues on stochastic processes are also included

Architecture-Level Software Performance Models for Online Performance Prediction

Proactive performance and resource management of modern IT infrastructures requires the ability to predict at run-time, how the performance of running services would be affected if the workload or the system changes. In this thesis, modeling and prediction facilities that enable online performance prediction during system operation are presented. Analyses about the impact of reconfigurations and workload trends can be conducted on the model level, without executing expensive performance tests