Elastic, Interoperable and Container-based Cloud Infrastructures for High Performance Computing

Tesis por compendio[ES] Las aplicaciones científicas implican generalmente una carga computacional variable y no predecible a la que las instituciones deben hacer frente variando dinámicamente la asignación de recursos en función de las distintas necesidades computacionales. Las aplicaciones científicas pueden necesitar grandes requisitos. Por ejemplo, una gran cantidad de recursos computacionales para el procesado de numerosos trabajos independientes (High Throughput Computing o HTC) o recursos de alto rendimiento para la resolución de un problema individual (High Performance Computing o HPC). Los recursos computacionales necesarios en este tipo de aplicaciones suelen acarrear un coste muy alto que puede exceder la disponibilidad de los recursos de la institución o estos pueden no adaptarse correctamente a las necesidades de las aplicaciones científicas, especialmente en el caso de infraestructuras preparadas para la ejecución de aplicaciones de HPC. De hecho, es posible que las diferentes partes de una aplicación necesiten distintos tipos de recursos computacionales. Actualmente las plataformas de servicios en la nube se han convertido en una solución eficiente para satisfacer la demanda de las aplicaciones HTC, ya que proporcionan un abanico de recursos computacionales accesibles bajo demanda. Por esta razón, se ha producido un incremento en la cantidad de clouds híbridos, los cuales son una combinación de infraestructuras alojadas en servicios en la nube y en las propias instituciones (on-premise). Dado que las aplicaciones pueden ser procesadas en distintas infraestructuras, actualmente la portabilidad de las aplicaciones se ha convertido en un aspecto clave. Probablemente, las tecnologías de contenedores son la tecnología más popular para la entrega de aplicaciones gracias a que permiten reproducibilidad, trazabilidad, versionado, aislamiento y portabilidad. El objetivo de la tesis es proporcionar una arquitectura y una serie de servicios para proveer infraestructuras elásticas híbridas de procesamiento que puedan dar respuesta a las diferentes cargas de trabajo. Para ello, se ha considerado la utilización de elasticidad vertical y horizontal desarrollando una prueba de concepto para proporcionar elasticidad vertical y se ha diseñado una arquitectura cloud elástica de procesamiento de Análisis de Datos. Después, se ha trabajo en una arquitectura cloud de recursos heterogéneos de procesamiento de imágenes médicas que proporciona distintas colas de procesamiento para trabajos con diferentes requisitos. Esta arquitectura ha estado enmarcada en una colaboración con la empresa QUIBIM. En la última parte de la tesis, se ha evolucionado esta arquitectura para diseñar e implementar un cloud elástico, multi-site y multi-tenant para el procesamiento de imágenes médicas en el marco del proyecto europeo PRIMAGE. Esta arquitectura utiliza un almacenamiento distribuido integrando servicios externos para la autenticación y la autorización basados en OpenID Connect (OIDC). Para ello, se ha desarrollado la herramienta kube-authorizer que, de manera automatizada y a partir de la información obtenida en el proceso de autenticación, proporciona el control de acceso a los recursos de la infraestructura de procesamiento mediante la creación de las políticas y roles. Finalmente, se ha desarrollado otra herramienta, hpc-connector, que permite la integración de infraestructuras de procesamiento HPC en infraestructuras cloud sin necesitar realizar cambios en la infraestructura HPC ni en la arquitectura cloud. Cabe destacar que, durante la realización de esta tesis, se han utilizado distintas tecnologías de gestión de trabajos y de contenedores de código abierto, se han desarrollado herramientas y componentes de código abierto y se han implementado recetas para la configuración automatizada de las distintas arquitecturas diseñadas desde la perspectiva DevOps.[CA] Les aplicacions científiques impliquen generalment una càrrega computacional variable i no predictible a què les institucions han de fer front variant dinàmicament l'assignació de recursos en funció de les diferents necessitats computacionals. Les aplicacions científiques poden necessitar grans requisits. Per exemple, una gran quantitat de recursos computacionals per al processament de nombrosos treballs independents (High Throughput Computing o HTC) o recursos d'alt rendiment per a la resolució d'un problema individual (High Performance Computing o HPC). Els recursos computacionals necessaris en aquest tipus d'aplicacions solen comportar un cost molt elevat que pot excedir la disponibilitat dels recursos de la institució o aquests poden no adaptar-se correctament a les necessitats de les aplicacions científiques, especialment en el cas d'infraestructures preparades per a l'avaluació d'aplicacions d'HPC. De fet, és possible que les diferents parts d'una aplicació necessiten diferents tipus de recursos computacionals. Actualment les plataformes de servicis al núvol han esdevingut una solució eficient per satisfer la demanda de les aplicacions HTC, ja que proporcionen un ventall de recursos computacionals accessibles a demanda. Per aquest motiu, s'ha produït un increment de la quantitat de clouds híbrids, els quals són una combinació d'infraestructures allotjades a servicis en el núvol i a les mateixes institucions (on-premise). Donat que les aplicacions poden ser processades en diferents infraestructures, actualment la portabilitat de les aplicacions s'ha convertit en un aspecte clau. Probablement, les tecnologies de contenidors són la tecnologia més popular per a l'entrega d'aplicacions gràcies al fet que permeten reproductibilitat, traçabilitat, versionat, aïllament i portabilitat. L'objectiu de la tesi és proporcionar una arquitectura i una sèrie de servicis per proveir infraestructures elàstiques híbrides de processament que puguen donar resposta a les diferents càrregues de treball. Per a això, s'ha considerat la utilització d'elasticitat vertical i horitzontal desenvolupant una prova de concepte per proporcionar elasticitat vertical i s'ha dissenyat una arquitectura cloud elàstica de processament d'Anàlisi de Dades. Després, s'ha treballat en una arquitectura cloud de recursos heterogenis de processament d'imatges mèdiques que proporciona distintes cues de processament per a treballs amb diferents requisits. Aquesta arquitectura ha estat emmarcada en una col·laboració amb l'empresa QUIBIM. En l'última part de la tesi, s'ha evolucionat aquesta arquitectura per dissenyar i implementar un cloud elàstic, multi-site i multi-tenant per al processament d'imatges mèdiques en el marc del projecte europeu PRIMAGE. Aquesta arquitectura utilitza un emmagatzemament integrant servicis externs per a l'autenticació i autorització basats en OpenID Connect (OIDC). Per a això, s'ha desenvolupat la ferramenta kube-authorizer que, de manera automatitzada i a partir de la informació obtinguda en el procés d'autenticació, proporciona el control d'accés als recursos de la infraestructura de processament mitjançant la creació de les polítiques i rols. Finalment, s'ha desenvolupat una altra ferramenta, hpc-connector, que permet la integració d'infraestructures de processament HPC en infraestructures cloud sense necessitat de realitzar canvis en la infraestructura HPC ni en l'arquitectura cloud. Es pot destacar que, durant la realització d'aquesta tesi, s'han utilitzat diferents tecnologies de gestió de treballs i de contenidors de codi obert, s'han desenvolupat ferramentes i components de codi obert, i s'han implementat receptes per a la configuració automatitzada de les distintes arquitectures dissenyades des de la perspectiva DevOps.[EN] Scientific applications generally imply a variable and an unpredictable computational workload that institutions must address by dynamically adjusting the allocation of resources to their different computational needs. Scientific applications could require a high capacity, e.g. the concurrent usage of computational resources for processing several independent jobs (High Throughput Computing or HTC) or a high capability by means of using high-performance resources for solving complex problems (High Performance Computing or HPC). The computational resources required in this type of applications usually have a very high cost that may exceed the availability of the institution's resources or they are may not be successfully adapted to the scientific applications, especially in the case of infrastructures prepared for the execution of HPC applications. Indeed, it is possible that the different parts that compose an application require different type of computational resources. Nowadays, cloud service platforms have become an efficient solution to meet the need of HTC applications as they provide a wide range of computing resources accessible on demand. For this reason, the number of hybrid computational infrastructures has increased during the last years. The hybrid computation infrastructures are the combination of infrastructures hosted in cloud platforms and the computation resources hosted in the institutions, which are named on-premise infrastructures. As scientific applications can be processed on different infrastructures, the application delivery has become a key issue. Nowadays, containers are probably the most popular technology for application delivery as they ease reproducibility, traceability, versioning, isolation, and portability. The main objective of this thesis is to provide an architecture and a set of services to build up hybrid processing infrastructures that fit the need of different workloads. Hence, the thesis considered aspects such as elasticity and federation. The use of vertical and horizontal elasticity by developing a proof of concept to provide vertical elasticity on top of an elastic cloud architecture for data analytics. Afterwards, an elastic cloud architecture comprising heterogeneous computational resources has been implemented for medical imaging processing using multiple processing queues for jobs with different requirements. The development of this architecture has been framed in a collaboration with a company called QUIBIM. In the last part of the thesis, the previous work has been evolved to design and implement an elastic, multi-site and multi-tenant cloud architecture for medical image processing has been designed in the framework of a European project PRIMAGE. This architecture uses a storage integrating external services for the authentication and authorization based on OpenID Connect (OIDC). The tool kube-authorizer has been developed to provide access control to the resources of the processing infrastructure in an automatic way from the information obtained in the authentication process, by creating policies and roles. Finally, another tool, hpc-connector, has been developed to enable the integration of HPC processing infrastructures into cloud infrastructures without requiring modifications in both infrastructures, cloud and HPC. It should be noted that, during the realization of this thesis, different contributions to open source container and job management technologies have been performed by developing open source tools and components and configuration recipes for the automated configuration of the different architectures designed from the DevOps perspective. The results obtained support the feasibility of the vertical elasticity combined with the horizontal elasticity to implement QoS policies based on a deadline, as well as the feasibility of the federated authentication model to combine public and on-premise clouds.López Huguet, S. (2021). Elastic, Interoperable and Container-based Cloud Infrastructures for High Performance Computing [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/172327TESISCompendi

A Self-managed Mesos Cluster for Data Analytics with QoS Guarantees

[EN] This article describes the development of an automated configuration of a software platform for Data Analytics that supports horizontal and vertical elasticity to guarantee meeting a specific deadline. It specifies all the components, software dependencies and configurations required to build up the cluster, and analyses the deployment times of different instances, as well as the horizontal and vertical elasticity. The approach followed builds up self-managed hybrid clusters that can deal with different workloads and network requirements. The article describes the structure of the recipes, points out to public repositories where the code is available and discusses the limitations of the approach as well as the results of several experiments.The work presented in this article has been partially funded by a research grant from the regional government of the Comunitat Valenciana (Spain), co-funded by the European Union ERDF funds (European Regional Development Fund) of the Comunitat Valenciana 2014-2020, with reference IDIFEDER/2018/032 (High-Performance Algorithms for the Modelling, Simulation and early Detection of diseases in Personalized Medicine). The authors would also like to thank the Spanish "Ministerio de Economia, Industria y Competitividad" for the project "BigCLOE" with reference number TIN2016-79951-R.López-Huguet, S.; Pérez-González, AM.; Calatrava Arroyo, A.; Alfonso Laguna, CD.; Caballer Fernández, M.; Moltó, G.; Blanquer Espert, I. (2019). A Self-managed Mesos Cluster for Data Analytics with QoS Guarantees. Future Generation Computer Systems. 96:449-461. https://doi.org/10.1016/j.future.2019.02.047S4494619

Vertical Elasticity on Marathon and Chronos Mesos frameworks

[EN] Marathon and Chronos are two popular Mesos frameworks that are widely used for deploying fault-tolerant services and periodic batch jobs. Marathon and Chronos provide by design mechanisms for horizontal elasticity, scaling up and down the number of job and service instances. Horizontal elasticity is appropriate when the problems that are solved are inherently parallel. However, when the problem cannot benefit from an increase of the amount of resources, vertical elasticity must be considered. This work implements on top of Marathon and Chronos Mesos frameworks, a mechanism to vary the resources associated to an executor dynamically, according to its progress and considering specific Quality of Service (QoS). The mechanism developed provides a wrapper executable and a service that takes the decision of increasing or decreasing the resources allocated to different Chronos iterations or a long-living Marathon application. The mechanism makes use of checkpointing techniques to preserve the execution of Marathon applications and leverages OpenStack Monasca for the monitoring. \footnote{The work in this article has been funded by projects BIGCLOE and EUBra-BIGSEA, BIGLOE is funded by the Spanish ``Ministerio de Econom\'ia, Industria y Competitividad" with reference number TIN2016-79951-R and EUBra-BIGSEA is funded jointly by the European Commission under the Cooperation Programme, Horizon 2020 grant agreement No 690116 and the Brazilian Ministério de Ciência, Tecnologia e Inovação (MCTI).The work in this article has been funded by projects BIGCLOE and EUBra BIGSEA, BIGLOE is funded by the Spanish "Ministerio de Economia, Industria y Competitividad" with reference number TIN2016-79951-R and EUBra-BIGSEA is funded jointly by the European Commission under the Cooperation Programme, Horizon 2020 grant agreement No 690116 and the Brazilian Ministerio de Ciencia, Tecnologia e Inovacao (MCTI).López-Huguet, S.; Natanael, I.; Brito, A.; Blanquer Espert, I. (2019). Vertical Elasticity on Marathon and Chronos Mesos frameworks. Journal of Parallel and Distributed Computing. 133:179-192. https://doi.org/10.1016/j.jpdc.2019.01.002S17919213

Container-based Virtual Elastic Clusters

[EN] eScience demands large-scale computing clusters to support the efficient execution of resource-intensive scientific applications. Virtual Machines (VMs) have introduced the ability to provide customizable execution environments, at the expense of performance loss for applications. However, in recent years, containers have emerged as a light-weight virtualization technology compared to VMs. Indeed, the usage of containers for virtual clusters allows better performance for the applications and fast deployment of additional working nodes, for enhanced elasticity. This paper focuses on the deployment, configuration and management of Virtual Elastic computer Clusters (VEC) dedicated to process scientific workloads. The nodes of the scientific cluster are hosted in containers running on bare-metal machines. The opensource tool Elastic Cluster for Docker (EC4Docker) is introduced, integrated with Docker Swarm to create auto-scaled virtual computer clusters of containers across distributed deployments. We also discuss the benefits and limitations of this solution and analyse the performance of the developed tools under a real scenario by means of a scientific use case that demonstrates the feasibility of the proposed approach.This work has been developed under the support of the program "Ayudas para la contratacion de personal investigador en formacion de catheter predoctoral, programa VALi+d", grant number ACIF/2013/003, from the Conselleria d'Educacio of the Generalitat Valenciana. The authors wish to thank the financial support received form The Spanish Ministry of Economy and Competitiveness to develop the project "CLUVIEM", with reference TIN2013-44390-R.Alfonso Laguna, CD.; Calatrava Arroyo, A.; Moltó, G. (2017). Container-based Virtual Elastic Clusters. Journal of Systems and Software. 127:1-11. https://doi.org/10.1016/j.jss.2017.01.007S11112

Programming models to support data science workflows

Data Science workflows have become a must to progress in many scientific areas such as life, health, and earth sciences. In contrast to traditional HPC workflows, they are more heterogeneous; combining binary executions, MPI simulations, multi-threaded applications, custom analysis (possibly written in Java, Python, C/C++ or R), and real-time processing. Furthermore, in the past, field experts were capable of programming and running small simulations. However, nowadays, simulations requiring hundreds or thousands of cores are widely used and, to this point, efficiently programming them becomes a challenge even for computer sciences. Thus, programming languages and models make a considerable effort to ease the programmability while maintaining acceptable performance. This thesis contributes to the adaptation of High-Performance frameworks to support the needs and challenges of Data Science workflows by extending COMPSs, a mature, general-purpose, task-based, distributed programming model. First, we enhance our prototype to orchestrate different frameworks inside a single programming model so that non-expert users can build complex workflows where some steps require highly optimised state of the art frameworks. This extension includes the @binary, @OmpSs, @MPI, @COMPSs, and @MultiNode annotations for both Java and Python workflows. Second, we integrate container technologies to enable developers to easily port, distribute, and scale their applications to distributed computing platforms. This combination provides a straightforward methodology to parallelise applications from sequential codes along with efficient image management and application deployment that ease the packaging and distribution of applications. We distinguish between static, HPC, and dynamic container management and provide representative use cases for each scenario using Docker, Singularity, and Mesos. Third, we design, implement and integrate AutoParallel, a Python module to automatically find an appropriate task-based parallelisation of affine loop nests and execute them in parallel in a distributed computing infrastructure. It is based on sequential programming and requires one single annotation (the @parallel Python decorator) so that anyone with intermediate-level programming skills can scale up an application to hundreds of cores. Finally, we propose a way to extend task-based management systems to support continuous input and output data to enable the combination of task-based workflows and dataflows (Hybrid Workflows) using one single programming model. Hence, developers can build complex Data Science workflows with different approaches depending on the requirements without the effort of combining several frameworks at the same time. Also, to illustrate the capabilities of Hybrid Workflows, we have built a Distributed Stream Library that can be easily integrated with existing task-based frameworks to provide support for dataflows. The library provides a homogeneous, generic, and simple representation of object and file streams in both Java and Python; enabling complex workflows to handle any data type without dealing directly with the streaming back-end.Els fluxos de treball de Data Science s’han convertit en una necessitat per progressar en moltes àrees científiques com les ciències de la vida, la salut i la terra. A diferència dels fluxos de treball tradicionals per a la CAP, els fluxos de Data Science són més heterogenis; combinant l’execució de binaris, simulacions MPI, aplicacions multiprocés, anàlisi personalitzats (possiblement escrits en Java, Python, C / C ++ o R) i computacions en temps real. Mentre que en el passat els experts de cada camp eren capaços de programar i executar petites simulacions, avui dia, aquestes simulacions representen un repte fins i tot per als experts ja que requereixen centenars o milers de nuclis. Per aquesta raó, els llenguatges i models de programació actuals s’esforcen considerablement en incrementar la programabilitat mantenint un rendiment acceptable. Aquesta tesi contribueix a l’adaptació de models de programació per a la CAP per afrontar les necessitats i reptes dels fluxos de Data Science estenent COMPSs, un model de programació distribuïda madur, de propòsit general, i basat en tasques. En primer lloc, millorem el nostre prototip per orquestrar diferent programari per a que els usuaris no experts puguin crear fluxos complexos usant un únic model on alguns passos requereixin tecnologies altament optimitzades. Aquesta extensió inclou les anotacions de @binary, @OmpSs, @MPI, @COMPSs, i @MultiNode per a fluxos en Java i Python. En segon lloc, integrem tecnologies de contenidors per permetre als desenvolupadors portar, distribuir i escalar fàcilment les seves aplicacions en plataformes distribuïdes. A més d’una metodologia senzilla per a paral·lelitzar aplicacions a partir de codis seqüencials, aquesta combinació proporciona una gestió d’imatges i una implementació d’aplicacions eficients que faciliten l’empaquetat i la distribució d’aplicacions. Distingim entre la gestió de contenidors estàtica, CAP i dinàmica i proporcionem casos d’ús representatius per a cada escenari amb Docker, Singularity i Mesos. En tercer lloc, dissenyem, implementem i integrem AutoParallel, un mòdul de Python per determinar automàticament la paral·lelització basada en tasques de nius de bucles afins i executar-los en paral·lel en una infraestructura distribuïda. AutoParallel està basat en programació seqüencial, requereix una sola anotació (el decorador @parallel) i permet a un usuari intermig escalar una aplicació a centenars de nuclis. Finalment, proposem una forma d’estendre els sistemes basats en tasques per admetre dades d’entrada i sortida continus; permetent així la combinació de fluxos de treball i dades (Fluxos Híbrids) en un únic model. Conseqüentment, els desenvolupadors poden crear fluxos complexos seguint diferents patrons sense l’esforç de combinar diversos models al mateix temps. A més, per a il·lustrar les capacitats dels Fluxos Híbrids, hem creat una biblioteca (DistroStreamLib) que s’integra fàcilment amb els models basats en tasques per suportar fluxos de dades. La biblioteca proporciona una representació homogènia, genèrica i simple de seqüències contínues d’objectes i arxius en Java i Python; permetent gestionar qualsevol tipus de dades sense tractar directament amb el back-end de streaming.Los flujos de trabajo de Data Science se han convertido en una necesidad para progresar en muchas áreas científicas como las ciencias de la vida, la salud y la tierra. A diferencia de los flujos de trabajo tradicionales para la CAP, los flujos de Data Science son más heterogéneos; combinando la ejecución de binarios, simulaciones MPI, aplicaciones multiproceso, análisis personalizados (posiblemente escritos en Java, Python, C/C++ o R) y computaciones en tiempo real. Mientras que en el pasado los expertos de cada campo eran capaces de programar y ejecutar pequeñas simulaciones, hoy en día, estas simulaciones representan un desafío incluso para los expertos ya que requieren cientos o miles de núcleos. Por esta razón, los lenguajes y modelos de programación actuales se esfuerzan considerablemente en incrementar la programabilidad manteniendo un rendimiento aceptable. Esta tesis contribuye a la adaptación de modelos de programación para la CAP para afrontar las necesidades y desafíos de los flujos de Data Science extendiendo COMPSs, un modelo de programación distribuida maduro, de propósito general, y basado en tareas. En primer lugar, mejoramos nuestro prototipo para orquestar diferentes software para que los usuarios no expertos puedan crear flujos complejos usando un único modelo donde algunos pasos requieran tecnologías altamente optimizadas. Esta extensión incluye las anotaciones de @binary, @OmpSs, @MPI, @COMPSs, y @MultiNode para flujos en Java y Python. En segundo lugar, integramos tecnologías de contenedores para permitir a los desarrolladores portar, distribuir y escalar fácilmente sus aplicaciones en plataformas distribuidas. Además de una metodología sencilla para paralelizar aplicaciones a partir de códigos secuenciales, esta combinación proporciona una gestión de imágenes y una implementación de aplicaciones eficientes que facilitan el empaquetado y la distribución de aplicaciones. Distinguimos entre gestión de contenedores estática, CAP y dinámica y proporcionamos casos de uso representativos para cada escenario con Docker, Singularity y Mesos. En tercer lugar, diseñamos, implementamos e integramos AutoParallel, un módulo de Python para determinar automáticamente la paralelización basada en tareas de nidos de bucles afines y ejecutarlos en paralelo en una infraestructura distribuida. AutoParallel está basado en programación secuencial, requiere una sola anotación (el decorador @parallel) y permite a un usuario intermedio escalar una aplicación a cientos de núcleos. Finalmente, proponemos una forma de extender los sistemas basados en tareas para admitir datos de entrada y salida continuos; permitiendo así la combinación de flujos de trabajo y datos (Flujos Híbridos) en un único modelo. Consecuentemente, los desarrolladores pueden crear flujos complejos siguiendo diferentes patrones sin el esfuerzo de combinar varios modelos al mismo tiempo. Además, para ilustrar las capacidades de los Flujos Híbridos, hemos creado una biblioteca (DistroStreamLib) que se integra fácilmente a los modelos basados en tareas para soportar flujos de datos. La biblioteca proporciona una representación homogénea, genérica y simple de secuencias continuas de objetos y archivos en Java y Python; permitiendo manejar cualquier tipo de datos sin tratar directamente con el back-end de streaming.Postprint (published version

Programming models to support data science workflows

Data Science workflows have become a must to progress in many scientific areas such as life, health, and earth sciences. In contrast to traditional HPC workflows, they are more heterogeneous; combining binary executions, MPI simulations, multi-threaded applications, custom analysis (possibly written in Java, Python, C/C++ or R), and real-time processing. Furthermore, in the past, field experts were capable of programming and running small simulations. However, nowadays, simulations requiring hundreds or thousands of cores are widely used and, to this point, efficiently programming them becomes a challenge even for computer sciences. Thus, programming languages and models make a considerable effort to ease the programmability while maintaining acceptable performance. This thesis contributes to the adaptation of High-Performance frameworks to support the needs and challenges of Data Science workflows by extending COMPSs, a mature, general-purpose, task-based, distributed programming model. First, we enhance our prototype to orchestrate different frameworks inside a single programming model so that non-expert users can build complex workflows where some steps require highly optimised state of the art frameworks. This extension includes the @binary, @OmpSs, @MPI, @COMPSs, and @MultiNode annotations for both Java and Python workflows. Second, we integrate container technologies to enable developers to easily port, distribute, and scale their applications to distributed computing platforms. This combination provides a straightforward methodology to parallelise applications from sequential codes along with efficient image management and application deployment that ease the packaging and distribution of applications. We distinguish between static, HPC, and dynamic container management and provide representative use cases for each scenario using Docker, Singularity, and Mesos. Third, we design, implement and integrate AutoParallel, a Python module to automatically find an appropriate task-based parallelisation of affine loop nests and execute them in parallel in a distributed computing infrastructure. It is based on sequential programming and requires one single annotation (the @parallel Python decorator) so that anyone with intermediate-level programming skills can scale up an application to hundreds of cores. Finally, we propose a way to extend task-based management systems to support continuous input and output data to enable the combination of task-based workflows and dataflows (Hybrid Workflows) using one single programming model. Hence, developers can build complex Data Science workflows with different approaches depending on the requirements without the effort of combining several frameworks at the same time. Also, to illustrate the capabilities of Hybrid Workflows, we have built a Distributed Stream Library that can be easily integrated with existing task-based frameworks to provide support for dataflows. The library provides a homogeneous, generic, and simple representation of object and file streams in both Java and Python; enabling complex workflows to handle any data type without dealing directly with the streaming back-end.Els fluxos de treball de Data Science s’han convertit en una necessitat per progressar en moltes àrees científiques com les ciències de la vida, la salut i la terra. A diferència dels fluxos de treball tradicionals per a la CAP, els fluxos de Data Science són més heterogenis; combinant l’execució de binaris, simulacions MPI, aplicacions multiprocés, anàlisi personalitzats (possiblement escrits en Java, Python, C / C ++ o R) i computacions en temps real. Mentre que en el passat els experts de cada camp eren capaços de programar i executar petites simulacions, avui dia, aquestes simulacions representen un repte fins i tot per als experts ja que requereixen centenars o milers de nuclis. Per aquesta raó, els llenguatges i models de programació actuals s’esforcen considerablement en incrementar la programabilitat mantenint un rendiment acceptable. Aquesta tesi contribueix a l’adaptació de models de programació per a la CAP per afrontar les necessitats i reptes dels fluxos de Data Science estenent COMPSs, un model de programació distribuïda madur, de propòsit general, i basat en tasques. En primer lloc, millorem el nostre prototip per orquestrar diferent programari per a que els usuaris no experts puguin crear fluxos complexos usant un únic model on alguns passos requereixin tecnologies altament optimitzades. Aquesta extensió inclou les anotacions de @binary, @OmpSs, @MPI, @COMPSs, i @MultiNode per a fluxos en Java i Python. En segon lloc, integrem tecnologies de contenidors per permetre als desenvolupadors portar, distribuir i escalar fàcilment les seves aplicacions en plataformes distribuïdes. A més d’una metodologia senzilla per a paral·lelitzar aplicacions a partir de codis seqüencials, aquesta combinació proporciona una gestió d’imatges i una implementació d’aplicacions eficients que faciliten l’empaquetat i la distribució d’aplicacions. Distingim entre la gestió de contenidors estàtica, CAP i dinàmica i proporcionem casos d’ús representatius per a cada escenari amb Docker, Singularity i Mesos. En tercer lloc, dissenyem, implementem i integrem AutoParallel, un mòdul de Python per determinar automàticament la paral·lelització basada en tasques de nius de bucles afins i executar-los en paral·lel en una infraestructura distribuïda. AutoParallel està basat en programació seqüencial, requereix una sola anotació (el decorador @parallel) i permet a un usuari intermig escalar una aplicació a centenars de nuclis. Finalment, proposem una forma d’estendre els sistemes basats en tasques per admetre dades d’entrada i sortida continus; permetent així la combinació de fluxos de treball i dades (Fluxos Híbrids) en un únic model. Conseqüentment, els desenvolupadors poden crear fluxos complexos seguint diferents patrons sense l’esforç de combinar diversos models al mateix temps. A més, per a il·lustrar les capacitats dels Fluxos Híbrids, hem creat una biblioteca (DistroStreamLib) que s’integra fàcilment amb els models basats en tasques per suportar fluxos de dades. La biblioteca proporciona una representació homogènia, genèrica i simple de seqüències contínues d’objectes i arxius en Java i Python; permetent gestionar qualsevol tipus de dades sense tractar directament amb el back-end de streaming.Los flujos de trabajo de Data Science se han convertido en una necesidad para progresar en muchas áreas científicas como las ciencias de la vida, la salud y la tierra. A diferencia de los flujos de trabajo tradicionales para la CAP, los flujos de Data Science son más heterogéneos; combinando la ejecución de binarios, simulaciones MPI, aplicaciones multiproceso, análisis personalizados (posiblemente escritos en Java, Python, C/C++ o R) y computaciones en tiempo real. Mientras que en el pasado los expertos de cada campo eran capaces de programar y ejecutar pequeñas simulaciones, hoy en día, estas simulaciones representan un desafío incluso para los expertos ya que requieren cientos o miles de núcleos. Por esta razón, los lenguajes y modelos de programación actuales se esfuerzan considerablemente en incrementar la programabilidad manteniendo un rendimiento aceptable. Esta tesis contribuye a la adaptación de modelos de programación para la CAP para afrontar las necesidades y desafíos de los flujos de Data Science extendiendo COMPSs, un modelo de programación distribuida maduro, de propósito general, y basado en tareas. En primer lugar, mejoramos nuestro prototipo para orquestar diferentes software para que los usuarios no expertos puedan crear flujos complejos usando un único modelo donde algunos pasos requieran tecnologías altamente optimizadas. Esta extensión incluye las anotaciones de @binary, @OmpSs, @MPI, @COMPSs, y @MultiNode para flujos en Java y Python. En segundo lugar, integramos tecnologías de contenedores para permitir a los desarrolladores portar, distribuir y escalar fácilmente sus aplicaciones en plataformas distribuidas. Además de una metodología sencilla para paralelizar aplicaciones a partir de códigos secuenciales, esta combinación proporciona una gestión de imágenes y una implementación de aplicaciones eficientes que facilitan el empaquetado y la distribución de aplicaciones. Distinguimos entre gestión de contenedores estática, CAP y dinámica y proporcionamos casos de uso representativos para cada escenario con Docker, Singularity y Mesos. En tercer lugar, diseñamos, implementamos e integramos AutoParallel, un módulo de Python para determinar automáticamente la paralelización basada en tareas de nidos de bucles afines y ejecutarlos en paralelo en una infraestructura distribuida. AutoParallel está basado en programación secuencial, requiere una sola anotación (el decorador @parallel) y permite a un usuario intermedio escalar una aplicación a cientos de núcleos. Finalmente, proponemos una forma de extender los sistemas basados en tareas para admitir datos de entrada y salida continuos; permitiendo así la combinación de flujos de trabajo y datos (Flujos Híbridos) en un único modelo. Consecuentemente, los desarrolladores pueden crear flujos complejos siguiendo diferentes patrones sin el esfuerzo de combinar varios modelos al mismo tiempo. Además, para ilustrar las capacidades de los Flujos Híbridos, hemos creado una biblioteca (DistroStreamLib) que se integra fácilmente a los modelos basados en tareas para soportar flujos de datos. La biblioteca proporciona una representación homogénea, genérica y simple de secuencias continuas de objetos y archivos en Java y Python; permitiendo manejar cualquier tipo de datos sin tratar directamente con el back-end de streaming

Model-driven development of data intensive applications over cloud resources

The proliferation of sensors over the last years has generated large amounts of raw data, forming data streams that need to be processed. In many cases, cloud resources are used for such processing, exploiting their flexibility, but these sensor streaming applications often need to support operational and control actions that have real-time and low-latency requirements that go beyond the cost effective and flexible solutions supported by existing cloud frameworks, such as Apache Kafka, Apache Spark Streaming, or Map-Reduce Streams. In this paper, we describe a model-driven and stepwise refinement methodological approach for streaming applications executed over clouds. The central role is assigned to a set of Petri Net models for specifying functional and non-functional requirements. They support model reuse, and a way to combine formal analysis, simulation, and approximate computation of minimal and maximal boundaries of non-functional requirements when the problem is either mathematically or computationally intractable. We show how our proposal can assist developers in their design and implementation decisions from a performance perspective. Our methodology allows to conduct performance analysis: The methodology is intended for all the engineering process stages, and we can (i) analyse how it can be mapped onto cloud resources, and (ii) obtain key performance indicators, including throughput or economic cost, so that developers are assisted in their development tasks and in their decision taking. In order to illustrate our approach, we make use of the pipelined wavefront array

Proyecto Docente e Investigador, Trabajo Original de Investigación y Presentación de la Defensa, preparado por Germán Moltó para concursar a la plaza de Catedrático de Universidad, concurso 082/22, plaza 6708, área de Ciencia de la Computación e Inteligencia Artificial

Este documento contiene el proyecto docente e investigador del candidato Germán Moltó Martínez presentado como requisito para el concurso de acceso a plazas de Cuerpos Docentes Universitarios. Concretamente, el documento se centra en el concurso para la plaza 6708 de Catedrático de Universidad en el área de Ciencia de la Computación en el Departamento de Sistemas Informáticos y Computación de la Universitat Politécnica de València. La plaza está adscrita a la Escola Técnica Superior d'Enginyeria Informàtica y tiene como perfil las asignaturas "Infraestructuras de Cloud Público" y "Estructuras de Datos y Algoritmos".También se incluye el Historial Académico, Docente e Investigador, así como la presentación usada durante la defensa.Germán Moltó Martínez (2022). Proyecto Docente e Investigador, Trabajo Original de Investigación y Presentación de la Defensa, preparado por Germán Moltó para concursar a la plaza de Catedrático de Universidad, concurso 082/22, plaza 6708, área de Ciencia de la Computación e Inteligencia Artificial. http://hdl.handle.net/10251/18903