PIASA: A power and interference aware resource management strategy for heterogeneous workloads in cloud data centers

Cloud data centers have been progressively adopted in different scenarios, as reflected in the execution of heterogeneous applications with diverse workloads and diverse quality of service (QoS) requirements. Virtual machine (VM) technology eases resource management in physical servers and helps cloud providers achieve goals such as optimization of energy consumption. However, the performance of an application running inside a VM is not guaranteed due to the interference among co-hosted workloads sharing the same physical resources. Moreover, the different types of co-hosted applications with diverse QoS requirements as well as the dynamic behavior of the cloud makes efficient provisioning of resources even more difficult and a challenging problem in cloud data centers. In this paper, we address the problem of resource allocation within a data center that runs different types of application workloads, particularly CPU- and network-intensive applications. To address these challenges, we propose an interference- and power-aware management mechanism that combines a performance deviation estimator and a scheduling algorithm to guide the resource allocation in virtualized environments. We conduct simulations by injecting synthetic workloads whose characteristics follow the last version of the Google Cloud tracelogs. The results indicate that our performance-enforcing strategy is able to fulfill contracted SLAs of real-world environments while reducing energy costs by as much as 21%

The Data Big Bang and the Expanding Digital Universe: High-Dimensional, Complex and Massive Data Sets in an Inflationary Epoch

Recent and forthcoming advances in instrumentation, and giant new surveys, are creating astronomical data sets that are not amenable to the methods of analysis familiar to astronomers. Traditional methods are often inadequate not merely because of the size in bytes of the data sets, but also because of the complexity of modern data sets. Mathematical limitations of familiar algorithms and techniques in dealing with such data sets create a critical need for new paradigms for the representation, analysis and scientific visualization (as opposed to illustrative visualization) of heterogeneous, multiresolution data across application domains. Some of the problems presented by the new data sets have been addressed by other disciplines such as applied mathematics, statistics and machine learning and have been utilized by other sciences such as space-based geosciences. Unfortunately, valuable results pertaining to these problems are mostly to be found only in publications outside of astronomy. Here we offer brief overviews of a number of concepts, techniques and developments, some "old" and some new. These are generally unknown to most of the astronomical community, but are vital to the analysis and visualization of complex datasets and images. In order for astronomers to take advantage of the richness and complexity of the new era of data, and to be able to identify, adopt, and apply new solutions, the astronomical community needs a certain degree of awareness and understanding of the new concepts. One of the goals of this paper is to help bridge the gap between applied mathematics, artificial intelligence and computer science on the one side and astronomy on the other.Comment: 24 pages, 8 Figures, 1 Table. Accepted for publication: "Advances in Astronomy, special issue "Robotic Astronomy

Autonomous management of cost, performance, and resource uncertainty for migration of applications to infrastructure-as-a-service (IaaS) clouds

2014 Fall.Includes bibliographical references.Infrastructure-as-a-Service (IaaS) clouds abstract physical hardware to provide computing resources on demand as a software service. This abstraction leads to the simplistic view that computing resources are homogeneous and infinite scaling potential exists to easily resolve all performance challenges. Adoption of cloud computing, in practice however, presents many resource management challenges forcing practitioners to balance cost and performance tradeoffs to successfully migrate applications. These challenges can be broken down into three primary concerns that involve determining what, where, and when infrastructure should be provisioned. In this dissertation we address these challenges including: (1) performance variance from resource heterogeneity, virtualization overhead, and the plethora of vaguely defined resource types; (2) virtual machine (VM) placement, component composition, service isolation, provisioning variation, and resource contention for multitenancy; and (3) dynamic scaling and resource elasticity to alleviate performance bottlenecks. These resource management challenges are addressed through the development and evaluation of autonomous algorithms and methodologies that result in demonstrably better performance and lower monetary costs for application deployments to both public and private IaaS clouds. This dissertation makes three primary contributions to advance cloud infrastructure management for application hosting. First, it includes design of resource utilization models based on step-wise multiple linear regression and artificial neural networks that support prediction of better performing component compositions. The total number of possible compositions is governed by Bell's Number that results in a combinatorially explosive search space. Second, it includes algorithms to improve VM placements to mitigate resource heterogeneity and contention using a load-aware VM placement scheduler, and autonomous detection of under-performing VMs to spur replacement. Third, it describes a workload cost prediction methodology that harnesses regression models and heuristics to support determination of infrastructure alternatives that reduce hosting costs. Our methodology achieves infrastructure predictions with an average mean absolute error of only 0.3125 VMs for multiple workloads

Towards auto-scaling in the cloud: online resource allocation techniques

Cloud computing provides an easy access to computing resources. Customers can acquire and release resources any time. However, it is not trivial to determine when and how many resources to allocate. Many applications running in the cloud face workload changes that affect their resource demand. The first thought is to plan capacity either for the average load or for the peak load. In the first case there is less cost incurred, but performance will be affected if the peak load occurs. The second case leads to money wastage, since resources will remain underutilized most of the time. Therefore there is a need for a more sophisticated resource provisioning techniques that can automatically scale the application resources according to workload demand and performance constrains. Large cloud providers such as Amazon, Microsoft, RightScale provide auto-scaling services. However, without the proper configuration and testing such services can do more harm than good. In this work I investigate application specific online resource allocation techniques that allow to dynamically adapt to incoming workload, minimize the cost of virtual resources and meet user-specified performance objectives

Algorithms for the reconstruction, analysis, repairing and enhancement of 3D urban models from multiple data sources

Over the last few years, there has been a notorious growth in the field of digitization of 3D buildings and urban environments. The substantial improvement of both scanning hardware and reconstruction algorithms has led to the development of representations of buildings and cities that can be remotely transmitted and inspected in real-time. Among the applications that implement these technologies are several GPS navigators and virtual globes such as Google Earth or the tools provided by the Institut Cartogràfic i Geològic de Catalunya. In particular, in this thesis, we conceptualize cities as a collection of individual buildings. Hence, we focus on the individual processing of one structure at a time, rather than on the larger-scale processing of urban environments. Nowadays, there is a wide diversity of digitization technologies, and the choice of the appropriate one is key for each particular application. Roughly, these techniques can be grouped around three main families: - Time-of-flight (terrestrial and aerial LiDAR). - Photogrammetry (street-level, satellite, and aerial imagery). - Human-edited vector data (cadastre and other map sources). Each of these has its advantages in terms of covered area, data quality, economic cost, and processing effort. Plane and car-mounted LiDAR devices are optimal for sweeping huge areas, but acquiring and calibrating such devices is not a trivial task. Moreover, the capturing process is done by scan lines, which need to be registered using GPS and inertial data. As an alternative, terrestrial LiDAR devices are more accessible but cover smaller areas, and their sampling strategy usually produces massive point clouds with over-represented plain regions. A more inexpensive option is street-level imagery. A dense set of images captured with a commodity camera can be fed to state-of-the-art multi-view stereo algorithms to produce realistic-enough reconstructions. One other advantage of this approach is capturing high-quality color data, whereas the geometric information is usually lacking. In this thesis, we analyze in-depth some of the shortcomings of these data-acquisition methods and propose new ways to overcome them. Mainly, we focus on the technologies that allow high-quality digitization of individual buildings. These are terrestrial LiDAR for geometric information and street-level imagery for color information. Our main goal is the processing and completion of detailed 3D urban representations. For this, we will work with multiple data sources and combine them when possible to produce models that can be inspected in real-time. Our research has focused on the following contributions: - Effective and feature-preserving simplification of massive point clouds. - Developing normal estimation algorithms explicitly designed for LiDAR data. - Low-stretch panoramic representation for point clouds. - Semantic analysis of street-level imagery for improved multi-view stereo reconstruction. - Color improvement through heuristic techniques and the registration of LiDAR and imagery data. - Efficient and faithful visualization of massive point clouds using image-based techniques.Durant els darrers anys, hi ha hagut un creixement notori en el camp de la digitalització d'edificis en 3D i entorns urbans. La millora substancial tant del maquinari d'escaneig com dels algorismes de reconstrucció ha portat al desenvolupament de representacions d'edificis i ciutats que es poden transmetre i inspeccionar remotament en temps real. Entre les aplicacions que implementen aquestes tecnologies hi ha diversos navegadors GPS i globus virtuals com Google Earth o les eines proporcionades per l'Institut Cartogràfic i Geològic de Catalunya. En particular, en aquesta tesi, conceptualitzem les ciutats com una col·lecció d'edificis individuals. Per tant, ens centrem en el processament individual d'una estructura a la vegada, en lloc del processament a gran escala d'entorns urbans. Avui en dia, hi ha una àmplia diversitat de tecnologies de digitalització i la selecció de l'adequada és clau per a cada aplicació particular. Aproximadament, aquestes tècniques es poden agrupar en tres famílies principals: - Temps de vol (LiDAR terrestre i aeri). - Fotogrametria (imatges a escala de carrer, de satèl·lit i aèries). - Dades vectorials editades per humans (cadastre i altres fonts de mapes). Cadascun d'ells presenta els seus avantatges en termes d'àrea coberta, qualitat de les dades, cost econòmic i esforç de processament. Els dispositius LiDAR muntats en avió i en cotxe són òptims per escombrar àrees enormes, però adquirir i calibrar aquests dispositius no és una tasca trivial. A més, el procés de captura es realitza mitjançant línies d'escaneig, que cal registrar mitjançant GPS i dades inercials. Com a alternativa, els dispositius terrestres de LiDAR són més accessibles, però cobreixen àrees més petites, i la seva estratègia de mostreig sol produir núvols de punts massius amb regions planes sobrerepresentades. Una opció més barata són les imatges a escala de carrer. Es pot fer servir un conjunt dens d'imatges capturades amb una càmera de qualitat mitjana per obtenir reconstruccions prou realistes mitjançant algorismes estèreo d'última generació per produir. Un altre avantatge d'aquest mètode és la captura de dades de color d'alta qualitat. Tanmateix, la informació geomètrica resultant sol ser de baixa qualitat. En aquesta tesi, analitzem en profunditat algunes de les mancances d'aquests mètodes d'adquisició de dades i proposem noves maneres de superar-les. Principalment, ens centrem en les tecnologies que permeten una digitalització d'alta qualitat d'edificis individuals. Es tracta de LiDAR terrestre per obtenir informació geomètrica i imatges a escala de carrer per obtenir informació sobre colors. El nostre objectiu principal és el processament i la millora de representacions urbanes 3D amb molt detall. Per a això, treballarem amb diverses fonts de dades i les combinarem quan sigui possible per produir models que es puguin inspeccionar en temps real. La nostra investigació s'ha centrat en les següents contribucions: - Simplificació eficaç de núvols de punts massius, preservant detalls d'alta resolució. - Desenvolupament d'algoritmes d'estimació normal dissenyats explícitament per a dades LiDAR. - Representació panoràmica de baixa distorsió per a núvols de punts. - Anàlisi semàntica d'imatges a escala de carrer per millorar la reconstrucció estèreo de façanes. - Millora del color mitjançant tècniques heurístiques i el registre de dades LiDAR i imatge. - Visualització eficient i fidel de núvols de punts massius mitjançant tècniques basades en imatges

Efficient and elastic management of computing infrastructures

Tesis por compendio[EN] Modern data centers integrate a lot of computer and electronic devices. However, some reports state that the mean usage of a typical data center is around 50% of its peak capacity, and the mean usage of each server is between 10% and 50%. A lot of energy is destined to power on computer hardware that most of the time remains idle. Therefore, it would be possible to save energy simply by powering off those parts from the data center that are not actually used, and powering them on again as they are needed. Most data centers have computing clusters that are used for intensive computing, recently evolving towards an on-premises Cloud service model. Despite the use of low consuming components, higher energy savings can be achieved by dynamically adapting the system to the actual workload. The main approach in this case is the usage of energy saving criteria for scheduling the jobs or the virtual machines into the working nodes. The aim is to power off idle servers automatically. But it is necessary to schedule the power management of the servers in order to minimize the impact on the end users and their applications. The objective of this thesis is the elastic and efficient management of cluster infrastructures, with the aim of reducing the costs associated to idle components. This objective is addressed by automating the power management of the working nodes in a computing cluster, and also proactive stimulating the load distribution to achieve idle resources that could be powered off by means of memory overcommitment and live migration of virtual machines. Moreover, this automation is of interest for virtual clusters, as they also suffer from the same problems. While in physical clusters idle working nodes waste energy, in the case of virtual clusters that are built from virtual machines, the idle working nodes can waste money in commercial Clouds or computational resources in an on-premises Cloud.[ES] En los Centros de Procesos de Datos (CPD) existe una gran concentración de dispositivos informáticos y de equipamiento electrónico. Sin embargo, algunos estudios han mostrado que la utilización media de los CPD está en torno al 50%, y que la utilización media de los servidores se encuentra entre el 10% y el 50%. Estos datos evidencian que existe una gran cantidad de energía destinada a alimentar equipamiento ocioso, y que podríamos conseguir un ahorro energético simplemente apagando los componentes que no se estén utilizando. En muchos CPD suele haber clusters de computadores que se utilizan para computación de altas prestaciones y para la creación de Clouds privados. Si bien se ha tratado de ahorrar energía utilizando componentes de bajo consumo, también es posible conseguirlo adaptando los sistemas a la carga de trabajo en cada momento. En los últimos años han surgido trabajos que investigan la aplicación de criterios energéticos a la hora de seleccionar en qué servidor, de entre los que forman un cluster, se debe ejecutar un trabajo o alojar una máquina virtual. En muchos casos se trata de conseguir equipos ociosos que puedan ser apagados, pero habitualmente se asume que dicho apagado se hace de forma automática, y que los equipos se encienden de nuevo cuando son necesarios. Sin embargo, es necesario hacer una planificación de encendido y apagado de máquinas para minimizar el impacto en el usuario final. En esta tesis nos planteamos la gestión elástica y eficiente de infrastructuras de cálculo tipo cluster, con el objetivo de reducir los costes asociados a los componentes ociosos. Para abordar este problema nos planteamos la automatización del encendido y apagado de máquinas en los clusters, así como la aplicación de técnicas de migración en vivo y de sobreaprovisionamiento de memoria para estimular la obtención de equipos ociosos que puedan ser apagados. Además, esta automatización es de interés para los clusters virtuales, puesto que también sufren el problema de los componentes ociosos, sólo que en este caso están compuestos por, en lugar de equipos físicos que gastan energía, por máquinas virtuales que gastan dinero en un proveedor Cloud comercial o recursos en un Cloud privado.[CA] En els Centres de Processament de Dades (CPD) hi ha una gran concentració de dispositius informàtics i d'equipament electrònic. No obstant això, alguns estudis han mostrat que la utilització mitjana dels CPD està entorn del 50%, i que la utilització mitjana dels servidors es troba entre el 10% i el 50%. Estes dades evidencien que hi ha una gran quantitat d'energia destinada a alimentar equipament ociós, i que podríem aconseguir un estalvi energètic simplement apagant els components que no s'estiguen utilitzant. En molts CPD sol haver-hi clusters de computadors que s'utilitzen per a computació d'altes prestacions i per a la creació de Clouds privats. Si bé s'ha tractat d'estalviar energia utilitzant components de baix consum, també és possible aconseguir-ho adaptant els sistemes a la càrrega de treball en cada moment. En els últims anys han sorgit treballs que investiguen l'aplicació de criteris energètics a l'hora de seleccionar en quin servidor, d'entre els que formen un cluster, s'ha d'executar un treball o allotjar una màquina virtual. En molts casos es tracta d'aconseguir equips ociosos que puguen ser apagats, però habitualment s'assumix que l'apagat es fa de forma automàtica, i que els equips s'encenen novament quan són necessaris. No obstant això, és necessari fer una planificació d'encesa i apagat de màquines per a minimitzar l'impacte en l'usuari final. En esta tesi ens plantegem la gestió elàstica i eficient d'infrastructuras de càlcul tipus cluster, amb l'objectiu de reduir els costos associats als components ociosos. Per a abordar este problema ens plantegem l'automatització de l'encesa i apagat de màquines en els clusters, així com l'aplicació de tècniques de migració en viu i de sobreaprovisionament de memòria per a estimular l'obtenció d'equips ociosos que puguen ser apagats. A més, esta automatització és d'interés per als clusters virtuals, ja que també patixen el problema dels components ociosos, encara que en este cas estan compostos per, en compte d'equips físics que gasten energia, per màquines virtuals que gasten diners en un proveïdor Cloud comercial o recursos en un Cloud privat.Alfonso Laguna, CD. (2015). Efficient and elastic management of computing infrastructures [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/57187Compendi