Blazes: Coordination Analysis for Distributed Programs

Distributed consistency is perhaps the most discussed topic in distributed systems today. Coordination protocols can ensure consistency, but in practice they cause undesirable performance unless used judiciously. Scalable distributed architectures avoid coordination whenever possible, but under-coordinated systems can exhibit behavioral anomalies under fault, which are often extremely difficult to debug. This raises significant challenges for distributed system architects and developers. In this paper we present Blazes, a cross-platform program analysis framework that (a) identifies program locations that require coordination to ensure consistent executions, and (b) automatically synthesizes application-specific coordination code that can significantly outperform general-purpose techniques. We present two case studies, one using annotated programs in the Twitter Storm system, and another using the Bloom declarative language.Comment: Updated to include additional materials from the original technical report: derivation rules, output stream label

Stateful Entities: Object-oriented Cloud Applications as Distributed Dataflows

Programming stateful cloud applications remains a very painful experience. Instead of focusing on the business logic, programmers spend most of their time dealing with distributed systems considerations, with the most important being consistency, load balancing, failure management, recovery, and scalability. At the same time, we witness an unprecedented adoption of modern dataflow systems such as Apache Flink, Google Dataflow, and Timely Dataflow. These systems are now performant and fault-tolerant, and they offer excellent state management primitives. With this line of work, we aim at investigating the opportunities and limits of compiling general-purpose programs into stateful dataflows. Given a set of easy-to-follow code conventions, programmers can author stateful entities, a programming abstraction embedded in Python. We present a compiler pipeline named StateFlow, to analyze the abstract syntax tree of a Python application and rewrite it into an intermediate representation based on stateful dataflow graphs. StateFlow compiles that intermediate representation to a target execution system: Apache Flink and Beam, AWS Lambda, Flink's Statefun, and Cloudburst. Through an experimental evaluation, we demonstrate that the code generated by StateFlow incurs minimal overhead. While developing and deploying our prototype, we came to observe important limitations of current dataflow systems in executing cloud applications at scale

Extensions of Task-based Runtime for High Performance Dense Linear Algebra Applications

On the road to exascale computing, the gap between hardware peak performance and application performance is increasing as system scale, chip density and inherent complexity of modern supercomputers are expanding. Even if we put aside the difficulty to express algorithmic parallelism and to efficiently execute applications at large scale, other open questions remain. The ever-growing scale of modern supercomputers induces a fast decline of the Mean Time To Failure. A generic, low-overhead, resilient extension becomes a desired aptitude for any programming paradigm. This dissertation addresses these two critical issues, designing an efficient unified linear algebra development environment using a task-based runtime, and extending a task-based runtime with fault tolerant capabilities to build a generic framework providing both soft and hard error resilience to task-based programming paradigm. To bridge the gap between hardware peak performance and application perfor- mance, a unified programming model is designed to take advantage of a lightweight task-based runtime to manage the resource-specific workload, and to control the data ow and parallel execution of tasks. Under this unified development, linear algebra tasks are abstracted across different underlying heterogeneous resources, including multicore CPUs, GPUs and Intel Xeon Phi coprocessors. Performance portability is guaranteed and this programming model is adapted to a wide range of accelerators, supporting both shared and distributed-memory environments. To solve the resilient challenges on large scale systems, fault tolerant mechanisms are designed for a task-based runtime to protect applications against both soft and hard errors. For soft errors, three additions to a task-based runtime are explored. The first recovers the application by re-executing minimum number of tasks, the second logs intermediary data between tasks to minimize the necessary re-execution, while the last one takes advantage of algorithmic properties to recover the data without re- execution. For hard errors, we propose two generic approaches, which augment the data logging mechanism for soft errors. The first utilizes non-volatile storage device to save logged data, while the second saves local logged data on a remote node to protect against node failure. Experimental results have confirmed that our soft and hard error fault tolerant mechanisms exhibit the expected correctness and efficiency

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

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

A Survey on the Evolution of Stream Processing Systems

Stream processing has been an active research field for more than 20 years, but it is now witnessing its prime time due to recent successful efforts by the research community and numerous worldwide open-source communities. This survey provides a comprehensive overview of fundamental aspects of stream processing systems and their evolution in the functional areas of out-of-order data management, state management, fault tolerance, high availability, load management, elasticity, and reconfiguration. We review noteworthy past research findings, outline the similarities and differences between early ('00-'10) and modern ('11-'18) streaming systems, and discuss recent trends and open problems.Comment: 34 pages, 15 figures, 5 table

Model-driven Scheduling for Distributed Stream Processing Systems

Distributed Stream Processing frameworks are being commonly used with the evolution of Internet of Things(IoT). These frameworks are designed to adapt to the dynamic input message rate by scaling in/out.Apache Storm, originally developed by Twitter is a widely used stream processing engine while others includes Flink, Spark streaming. For running the streaming applications successfully there is need to know the optimal resource requirement, as over-estimation of resources adds extra cost.So we need some strategy to come up with the optimal resource requirement for a given streaming application. In this article, we propose a model-driven approach for scheduling streaming applications that effectively utilizes a priori knowledge of the applications to provide predictable scheduling behavior. Specifically, we use application performance models to offer reliable estimates of the resource allocation required. Further, this intuition also drives resource mapping, and helps narrow the estimated and actual dataflow performance and resource utilization. Together, this model-driven scheduling approach gives a predictable application performance and resource utilization behavior for executing a given DSPS application at a target input stream rate on distributed resources.Comment: 54 page

Streaming Data Processing Frameworks

O σκοπός αυτής της πτυχιακής εργασίας είναι να αναλύσει με λεπτομέρεια τα πιο σημαντικά Πλαίσια Επεξεργασίας Συνεχούς Ροής Δεδομένων: Apache Spark, Apache Storm, Apache Flink, Apache Samza και Apache Kafka. Κάθε ένα από αυτά τα εργαλεία, είναι σχεδιασμένο με έναν ξεχωριστό τρόπο, ωστόσο κάθε ένα από αυτά χρησιμοποιείται για τον ίδιο σκοπό: επεξεργασία συνεχής ροής δεδομένων, επεξεργασία και χειρισμός τους. Στην πτυχιακή αυτή, αναφέρουμε τα χαρακτηριστικά και τις έννοιές και αναλύουμε λεπτομερώς τον τρόπο με τον οποίο λειτουργούν. Επιπλέον, παρέχουμε μια έκθεση σύγκρισης που περιλαμβάνει τις μεγάλες διαφορές και ομοιότητες μεταξύ τους. Αφού αποκτήσετε μια μεγαλύτερη ιδέα για το πώς διαφέρουν ως πλαίσια, παρέχουμε το παράδειγμα Word Count, το οποίο είναι παρόμοιο με το παράδειγμα Hello World, αλλά αφορά τον προγραμματισμό συνεχούς ροής δεδομένων. Τέλος, καταλήγουμε στο συμπέρασμα για το πώς τα πλαίσια επεξεργασίας συνεχούς ροής δεδομένων της Apache συμβάλλουν στον κόσμο και απαντούν στις ακόλουθες ερωτήσεις: • Πώς και γιατί οι επιχειρήσεις χρησιμοποιούν τα εργαλεία; • Ποιες είναι οι περιπτώσεις χρήσης; • Υπάρχει πιθανή ενοποίηση μεταξύ τους;The scope of this thesis is to review in detail some of the most significant Apache Streaming Processing Frameworks: Apache Spark, Apache Storm, Apache Flink, Apache Samza and Apache Kafka. Each one of these tools is designed in a specific way, but every one of them is used for the same purpose: streaming data processing, manipulation and handling. In this thesis, we go over their features and concepts and analyze in detail the way they work. Moreover, we provide a comparison report which includes the major differences and similarities between them. After obtaining a high level idea of how they differ as frameworks, we provide the Word Count example, which is similar to the Hello World example, but for streaming data programming. In the end, we conclude on how the Apache Streaming Processing Frameworks contribute to the world and answer the following questions: • How and why enterprises use the tools? • Which are the Use Cases? • Is there a possible integration between them