InterCloud: Utility-Oriented Federation of Cloud Computing Environments for Scaling of Application Services

Cloud computing providers have setup several data centers at different geographical locations over the Internet in order to optimally serve needs of their customers around the world. However, existing systems do not support mechanisms and policies for dynamically coordinating load distribution among different Cloud-based data centers in order to determine optimal location for hosting application services to achieve reasonable QoS levels. Further, the Cloud computing providers are unable to predict geographic distribution of users consuming their services, hence the load coordination must happen automatically, and distribution of services must change in response to changes in the load. To counter this problem, we advocate creation of federated Cloud computing environment (InterCloud) that facilitates just-in-time, opportunistic, and scalable provisioning of application services, consistently achieving QoS targets under variable workload, resource and network conditions. The overall goal is to create a computing environment that supports dynamic expansion or contraction of capabilities (VMs, services, storage, and database) for handling sudden variations in service demands. This paper presents vision, challenges, and architectural elements of InterCloud for utility-oriented federation of Cloud computing environments. The proposed InterCloud environment supports scaling of applications across multiple vendor clouds. We have validated our approach by conducting a set of rigorous performance evaluation study using the CloudSim toolkit. The results demonstrate that federated Cloud computing model has immense potential as it offers significant performance gains as regards to response time and cost saving under dynamic workload scenarios.Comment: 20 pages, 4 figures, 3 tables, conference pape

Contention-Aware Scheduling for SMT Multicore Processors

The recent multicore era and the incoming manycore/manythread era generate a lot of challenges for computer scientists going from productive parallel programming, over network congestion avoidance and intelligent power management, to circuit design issues. The ultimate goal is to squeeze out as much performance as possible while limiting power and energy consumption and guaranteeing a reliable execution. The increasing number of hardware contexts of current and future systems makes the scheduler an important component to achieve this goal, as there is often a combinatorial amount of different ways to schedule the distinct threads or applications, each with a different performance due to the inter-application interference. Picking an optimal schedule can result in substantial performance gains. This thesis deals with inter-application interference, covering the problems this fact causes on performance and fairness on actual machines. The study starts with single-threaded multicore processors (Intel Xeon X3320), follows with simultaneous multithreading (SMT) multicores supporting up to two threads per core (Intel Xeon E5645), and goes to the most highly threaded per-core processor that has ever been built (IBM POWER8). The dissertation analyzes the main contention points of each experimental platform and proposes scheduling algorithms that tackle the interference arising at each contention point to improve the system throughput and fairness. First we analyze contention through the memory hierarchy of current multicore processors. The performed studies reveal high performance degradation due to contention on main memory and any shared cache the processors implement. To mitigate such contention, we propose different bandwidth-aware scheduling algorithms with the key idea of balancing the memory accesses through the workload execution time and the cache requests among the different caches at each cache level. The high interference that different applications suffer when running simultaneously on the same SMT core, however, does not only affect performance, but can also compromise system fairness. In this dissertation, we also analyze fairness in current SMT multicores. To improve system fairness, we design progress-aware scheduling algorithms that estimate, at runtime, how the processes progress, which allows to improve system fairness by prioritizing the processes with lower accumulated progress. Finally, this dissertation tackles inter-application contention in the IBM POWER8 system with a symbiotic scheduler that addresses overall SMT interference. The symbiotic scheduler uses an SMT interference model, based on CPI stacks, that estimates the slowdown of any combination of applications if they are scheduled on the same SMT core. The number of possible schedules, however, grows too fast with the number of applications and makes unfeasible to explore all possible combinations. To overcome this issue, the symbiotic scheduler models the scheduling problem as a graph problem, which allows finding the optimal schedule in reasonable time. In summary, this thesis addresses contention in the shared resources of the memory hierarchy and SMT cores of multicore processors. We identify the main contention points of three systems with different architectures and propose scheduling algorithms to tackle contention at these points. The evaluation on the real systems shows the benefits of the proposed algorithms. The symbiotic scheduler improves system throughput by 6.7\% over Linux. Regarding fairness, the proposed progress-aware scheduler reduces Linux unfairness to a third. Besides, since the proposed algorithm are completely software-based, they could be incorporated as scheduling policies in Linux and used in small-scale servers to achieve the mentioned benefits.La actual era multinúcleo y la futura era manycore/manythread generan grandes retos en el área de la computación incluyendo, entre otros, la programación paralela productiva o la gestión eficiente de la energía. El último objetivo es alcanzar las mayores prestaciones limitando el consumo energético y garantizando una ejecución confiable. El incremento del número de contextos hardware de los sistemas hace que el planificador se convierta en un componente importante para lograr este objetivo debido a que existen múltiples formas diferentes de planificar las aplicaciones, cada una con distintas prestaciones debido a las interferencias que se producen entre las aplicaciones. Seleccionar la planificación óptima puede proporcionar importantes mejoras de prestaciones. Esta tesis se ocupa de las interferencias entre aplicaciones, cubriendo los problemas que causan en las prestaciones y equidad de los sistemas actuales. El estudio empieza con procesadores multinúcleo monohilo (Intel Xeon X3320), sigue con multinúcleos con soporte para la ejecución simultanea (SMT) de dos hilos (Intel Xeon E5645), y llega al procesador que actualmente soporta un mayor número de hilos por núcleo (IBM POWER8). La disertación analiza los principales puntos de contención en cada plataforma y propone algoritmos de planificación que mitigan las interferencias que se generan en cada uno de ellos para mejorar la productividad y equidad de los sistemas. En primer lugar, analizamos la contención a lo largo de la jerarquía de memoria. Los estudios realizados revelan la alta degradación de prestaciones provocada por la contención en memoria principal y en cualquier cache compartida. Para mitigar esta contención, proponemos diversos algoritmos de planificación cuya idea principal es distribuir los accesos a memoria a lo largo del tiempo de ejecución de la carga y las peticiones a las caches entre las diferentes caches compartidas en cada nivel. Las altas interferencias que sufren las aplicaciones que se ejecutan simultáneamente en un núcleo SMT, sin embargo, no solo afectan a las prestaciones, sino que también pueden comprometer la equidad del sistema. En esta tesis, también abordamos la equidad en los actuales multinúcleos SMT. Para mejorarla, diseñamos algoritmos de planificación que estiman el progreso de las aplicaciones en tiempo de ejecución, lo que permite priorizar los procesos con menor progreso acumulado para reducir la inequidad. Finalmente, la tesis se centra en la contención entre aplicaciones en el sistema IBM POWER8 con un planificador simbiótico que aborda la contención en todo el núcleo SMT. El planificador simbiótico utiliza un modelo de interferencia basado en pilas de CPI que predice las prestaciones para la ejecución de cualquier combinación de aplicaciones en un núcleo SMT. El número de posibles planificaciones, no obstante, crece muy rápido y hace inviable explorar todas las posibles combinaciones. Por ello, el problema de planificación se modela como un problema de teoría de grafos, lo que permite obtener la planificación óptima en un tiempo razonable. En resumen, esta tesis aborda la contención en los recursos compartidos en la jerarquía de memoria y el núcleo SMT de los procesadores multinúcleo. Identificamos los principales puntos de contención de tres sistemas con diferentes arquitecturas y proponemos algoritmos de planificación para mitigar esta contención. La evaluación en sistemas reales muestra las mejoras proporcionados por los algoritmos propuestos. Así, el planificador simbiótico mejora la productividad, en promedio, un 6.7% con respecto a Linux. En cuanto a la equidad, el planificador que considera el progreso consigue reducir la inequidad de Linux a una tercera parte. Además, dado que los algoritmos propuestos son completamente software, podrían incorporarse como políticas de planificación en Linux y usarse en servidores a pequeña escala para obtener los benefiL'actual era multinucli i la futura era manycore/manythread generen grans reptes en l'àrea de la computació incloent, entre d'altres, la programació paral·lela productiva o la gestió eficient de l'energia. L'últim objectiu és assolir les majors prestacions limitant el consum energètic i garantint una execució confiable. L'increment del número de contextos hardware dels sistemes fa que el planificador es convertisca en un component important per assolir aquest objectiu donat que existeixen múltiples formes distintes de planificar les aplicacions, cadascuna amb unes prestacions diferents degut a les interferències que es produeixen entre les aplicacions. Seleccionar la planificació òptima pot donar lloc a millores importants de les prestacions. Aquesta tesi s'ocupa de les interferències entre aplicacions, cobrint els problemes que provoquen en les prestacions i l'equitat dels sistemes actuals. L'estudi comença amb processadors multinucli monofil (Intel Xeon X3320), segueix amb multinuclis amb suport per a l'execució simultània (SMT) de dos fils (Intel Xeon E5645), i arriba al processador que actualment suporta un major nombre de fils per nucli (IBM POWER8). Aquesta dissertació analitza els principals punts de contenció en cada plataforma i proposa algoritmes de planificació que aborden les interferències que es generen en cadascun d'ells per a millorar la productivitat i l'equitat dels sistemes. En primer lloc, estudiem la contenció al llarg de la jerarquia de memòria en els processadors multinucli. Els estudis realitzats revelen l'alta degradació de prestacions provocada per la contenció en memòria principal i en qualsevol cache compartida. Per a mitigar la contenció, proposem diversos algoritmes de planificació amb la idea principal de distribuir els accessos a memòria al llarg del temps d'execució de la càrrega i les peticions a les caches entre les diferents caches compartides en cada nivell. Les altes interferències que sofreixen las aplicacions que s'executen simultàniament en un nucli SMT, no obstant, no sols afecten a las prestacions, sinó que també poden comprometre l'equitat del sistema. En aquesta tesi, també abordem l'equitat en els actuals multinuclis SMT. Per a millorar-la, dissenyem algoritmes de planificació que estimen el progrés de les aplicacions en temps d'execució, el que permet prioritzar els processos amb menor progrés acumulat para a reduir la inequitat. Finalment, la tesi es centra en la contenció entre aplicacions en el sistema IBM POWER8 amb un planificador simbiòtic que aborda la contenció en tot el nucli SMT. El planificador simbiòtic utilitza un model d'interferència basat en piles de CPI que prediu les prestacions per a l'execució de qualsevol combinació d'aplicacions en un nucli SMT. El nombre de possibles planificacions, no obstant, creix molt ràpid i fa inviable explorar totes les possibles combinacions. Per resoldre aquest contratemps, el problema de planificació es modela com un problema de teoria de grafs, la qual cosa permet obtenir la planificació òptima en un temps raonable. En resum, aquesta tesi aborda la contenció en els recursos compartits en la jerarquia de memòria i el nucli SMT dels processadors multinucli. Identifiquem els principals punts de contenció de tres sistemes amb diferents arquitectures i proposem algoritmes de planificació per a mitigar aquesta contenció. L'avaluació en sistemes reals mostra les millores proporcionades pels algoritmes proposats. Així, el planificador simbiòtic millora la productivitat una mitjana del 6.7% respecte a Linux. Pel que fa a l'equitat, el planificador que considera el progrés aconsegueix reduir la inequitat de Linux a una tercera part. A més, donat que els algoritmes proposats son completament software, podrien incorporar-se com a polítiques de planificació en Linux i emprar-se en servidors a petita escala per obtenir els avantatges mencionats.Feliu Pérez, J. (2017). Contention-Aware Scheduling for SMT Multicore Processors [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/79081TESISPremios Extraordinarios de tesis doctorale

Leveraging disaggregated accelerators and non-volatile memories to improve the efficiency of modern datacenters

(English) Traditional data centers consist of computing nodes that possess all the resources physically attached. When there was the need to deal with more significant demands, the solution has been to either add more nodes (scaling out) or increase the capacity of existing ones (scaling-up). Workload requirements are traditionally fulfilled by selecting compute platforms from pools that better satisfy their average or maximum resource requirements depending on the price that the user is willing to pay. The amount of processor, memory, storage, and network bandwidth of a selected platform needs to meet or exceed the platform requirements of the workload. Beyond those explicitly required by the workload, additional resources are considered stranded resources (if not used) or bonus resources (if used). Meanwhile, workloads in all market segments have evolved significantly during the last decades. Today, workloads have a larger variety of requirements in terms of characteristics related to the computing platforms. Those workload new requirements include new technologies such as GPU, FPGA, NVMe, etc. These new technologies are more expensive and thus become more limited. It is no longer feasible to increase the number of resources according to potential peak demands, as this significantly raises the total cost of ownership. Software-Defined-Infrastructures (SDI), a new concept for the data center architecture, is being developed to address those issues. The main SDI proposition is to disaggregate all the resources over the fabric to enable the required flexibility. On SDI, instead of pools of computational nodes, the pools consist of individual units of resources (CPU, memory, FPGA, NVMe, GPU, etc.). When an application needs to be executed, SDI identifies the computational requirements and assembles all the resources required, creating a composite node. Resource disaggregation brings new challenges and opportunities that this thesis will explore. This thesis demonstrates that resource disaggregation brings opportunities to increase the efficiency of modern data centers. This thesis demonstrates that resource disaggregation may increase workloads' performance when sharing a single resource. Thus, needing fewer resources to achieve similar results. On the other hand, this thesis demonstrates how through disaggregation, aggregation of resources can be made, increasing a workload's performance. However, to take maximum advantage of those characteristics and flexibility, orchestrators must be aware of them. This thesis demonstrates how workload-aware techniques applied at the resource management level allow for improved quality of service leveraging resource disaggregation. Enabling resource disaggregation, this thesis demonstrates a reduction of up to 49% missed deadlines compared to a traditional schema. This reduction can rise up to 100% when enabling workload awareness. Moreover, this thesis demonstrates that GPU partitioning and disaggregation further enhances the data center flexibility. This increased flexibility can achieve the same results with half the resources. That is, with a single physical GPU partitioned and disaggregated, the same results can be achieved with 2 GPU disaggregated but not partitioned. Finally, this thesis demonstrates that resource fragmentation becomes key when having a limited set of heterogeneous resources, namely NVMe and GPU. For the case of an heterogeneous set of resources, and specifically when some of those resources are highly demanded but limited in quantity. That is, the situation where the demand for a resource is unexpectedly high, this thesis proposes a technique to minimize fragmentation that reduces deadlines missed compared to a disaggregation-aware policy of up to 86%.(Català) Els datacenters tradicionals consisteixen en un seguit de nodes computacionals que contenen al seu interior tots els recursos necessaris. Quan hi ha una necessitat de gestionar demandes superiors la solució era o afegir més nodes (scale-out) o incrementar la capacitat dels existents (scale-up). Els requisits de les aplicacions tradicionalment són satisfets seleccionant recursos de racks que satisfan millor el seu SLA basats o en la mitjana dels requisits o en el màxim possible, en funció del preu que l'usuari estigui disposat a pagar. La quantitat de processadors, memòria, disc, i banda d'ampla d'un rack necessita satisfer o excedir els requisits de l'aplicació. Els recursos addicionals als requerits per les aplicacions són considerats inactius (si no es fan servir) o addicionals (si es fan servir). Per altra banda, les aplicacions en tots els segments de mercat han evolucionat significativament en les últimes dècades. Avui en dia, les aplicacions tenen una gran varietat de requisits en termes de característiques que ha de tenir la infraestructura. Aquests nous requisits inclouen tecnologies com GPU, FPGA, NVMe, etc. Aquestes tecnologies són més cares i, per tant, més limitades. Ja no és factible incrementar el nombre de recursos segons el potencial pic de demanda, ja que això incrementa significativament el cost total de la infraestructura. Software-Defined Infrastructures és un nou concepte per a l'arquitectura de datacenters que s'està desenvolupant per pal·liar aquests problemes. La proposició principal de SDI és desagregar tots els recursos sobre la xarxa per garantir una major flexibilitat. Sota SDI, en comptes de racks de nodes computacionals, els racks consisteix en unitats individuals de recursos (CPU, memòria, FPGA, NVMe, GPU, etc). Quan una aplicació necessita executar, SDI identifica els requisits computacionals i munta una plataforma amb tots els recursos necessaris, creant un node composat. La desagregació de recursos porta nous reptes i oportunitats que s'exploren en aquesta tesi. Aquesta tesi demostra que la desagregació de recursos ens dona l'oportunitat d'incrementar l'eficiència dels datacenters moderns. Aquesta tesi demostra la desagregació pot incrementar el rendiment de les aplicacions. Però per treure el màxim partit a aquestes característiques i d'aquesta flexibilitat, els orquestradors n'han de ser conscient. Aquesta tesi demostra que aplicant tècniques conscients de l'aplicació aplicades a la gestió de recursos permeten millorar la qualitat del servei a través de la desagregació de recursos. Habilitar la desagregació de recursos porta a una reducció de fins al 49% els deadlines perduts comparat a una política tradicional. Aquesta reducció pot incrementar-se fins al 100% quan s'habilita la consciència de l'aplicació. A més a més, aquesta tesi demostra que el particionat de GPU combinat amb la desagregació millora encara més la flexibilitat. Aquesta millora permet aconseguir els mateixos resultats amb la meitat de recursos. És a dir, amb una sola GPU física particionada i desagregada, els mateixos resultats són obtinguts que utilitzant-ne dues desagregades però no particionades. Finalment, aquesta tesi demostra que la gestió de la fragmentació de recursos és una peça clau quan la quantitat de recursos és limitada en un conjunt heterogeni de recursos. Pel cas d'un conjunt heterogeni de recursos, i especialment quan aquests recursos tenen molta demanda però són limitats en quantitat. És a dir, quan la demanda pels recursos és inesperadament alta, aquesta tesi proposa una tècnica minimitzant la fragmentació que redueix els deadlines perduts comparats a una política de desagregació de fins al 86%.Arquitectura de computador