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

The Inter-cloud meta-scheduling

Inter-cloud is a recently emerging approach that expands cloud elasticity. By facilitating an adaptable setting, it purposes at the realization of a scalable resource provisioning that enables a diversity of cloud user requirements to be handled efficiently. This study’s contribution is in the inter-cloud performance optimization of job executions using metascheduling concepts. This includes the development of the inter-cloud meta-scheduling (ICMS) framework, the ICMS optimal schemes and the SimIC toolkit. The ICMS model is an architectural strategy for managing and scheduling user services in virtualized dynamically inter-linked clouds. This is achieved by the development of a model that includes a set of algorithms, namely the Service-Request, Service-Distribution, Service-Availability and Service-Allocation algorithms. These along with resource management optimal schemes offer the novel functionalities of the ICMS where the message exchanging implements the job distributions method, the VM deployment offers the VM management features and the local resource management system details the management of the local cloud schedulers. The generated system offers great flexibility by facilitating a lightweight resource management methodology while at the same time handling the heterogeneity of different clouds through advanced service level agreement coordination. Experimental results are productive as the proposed ICMS model achieves enhancement of the performance of service distribution for a variety of criteria such as service execution times, makespan, turnaround times, utilization levels and energy consumption rates for various inter-cloud entities, e.g. users, hosts and VMs. For example, ICMS optimizes the performance of a non-meta-brokering inter-cloud by 3%, while ICMS with full optimal schemes achieves 9% optimization for the same configurations. The whole experimental platform is implemented into the inter-cloud Simulation toolkit (SimIC) developed by the author, which is a discrete event simulation framework

Technologies and Applications for Big Data Value

This open access book explores cutting-edge solutions and best practices for big data and data-driven AI applications for the data-driven economy. It provides the reader with a basis for understanding how technical issues can be overcome to offer real-world solutions to major industrial areas. The book starts with an introductory chapter that provides an overview of the book by positioning the following chapters in terms of their contributions to technology frameworks which are key elements of the Big Data Value Public-Private Partnership and the upcoming Partnership on AI, Data and Robotics. The remainder of the book is then arranged in two parts. The first part “Technologies and Methods” contains horizontal contributions of technologies and methods that enable data value chains to be applied in any sector. The second part “Processes and Applications” details experience reports and lessons from using big data and data-driven approaches in processes and applications. Its chapters are co-authored with industry experts and cover domains including health, law, finance, retail, manufacturing, mobility, and smart cities. Contributions emanate from the Big Data Value Public-Private Partnership and the Big Data Value Association, which have acted as the European data community's nucleus to bring together businesses with leading researchers to harness the value of data to benefit society, business, science, and industry. The book is of interest to two primary audiences, first, undergraduate and postgraduate students and researchers in various fields, including big data, data science, data engineering, and machine learning and AI. Second, practitioners and industry experts engaged in data-driven systems, software design and deployment projects who are interested in employing these advanced methods to address real-world problems

Proceedings of the Second International Workshop on Sustainable Ultrascale Computing Systems (NESUS 2015) Krakow, Poland

Proceedings of: Second International Workshop on Sustainable Ultrascale Computing Systems (NESUS 2015). Krakow (Poland), September 10-11, 2015

Technologies and Applications for Big Data Value

This open access book explores cutting-edge solutions and best practices for big data and data-driven AI applications for the data-driven economy. It provides the reader with a basis for understanding how technical issues can be overcome to offer real-world solutions to major industrial areas. The book starts with an introductory chapter that provides an overview of the book by positioning the following chapters in terms of their contributions to technology frameworks which are key elements of the Big Data Value Public-Private Partnership and the upcoming Partnership on AI, Data and Robotics. The remainder of the book is then arranged in two parts. The first part “Technologies and Methods” contains horizontal contributions of technologies and methods that enable data value chains to be applied in any sector. The second part “Processes and Applications” details experience reports and lessons from using big data and data-driven approaches in processes and applications. Its chapters are co-authored with industry experts and cover domains including health, law, finance, retail, manufacturing, mobility, and smart cities. Contributions emanate from the Big Data Value Public-Private Partnership and the Big Data Value Association, which have acted as the European data community's nucleus to bring together businesses with leading researchers to harness the value of data to benefit society, business, science, and industry. The book is of interest to two primary audiences, first, undergraduate and postgraduate students and researchers in various fields, including big data, data science, data engineering, and machine learning and AI. Second, practitioners and industry experts engaged in data-driven systems, software design and deployment projects who are interested in employing these advanced methods to address real-world problems

Serverless Computing Strategies on Cloud Platforms

[ES] Con el desarrollo de la Computación en la Nube, la entrega de recursos virtualizados a través de Internet ha crecido enormemente en los últimos años. Las Funciones como servicio (FaaS), uno de los modelos de servicio más nuevos dentro de la Computación en la Nube, permite el desarrollo e implementación de aplicaciones basadas en eventos que cubren servicios administrados en Nubes públicas y locales. Los proveedores públicos de Computación en la Nube adoptan el modelo FaaS dentro de su catálogo para proporcionar computación basada en eventos altamente escalable para las aplicaciones. Por un lado, los desarrolladores especializados en esta tecnología se centran en crear marcos de código abierto serverless para evitar el bloqueo con los proveedores de la Nube pública. A pesar del desarrollo logrado por la informática serverless, actualmente hay campos relacionados con el procesamiento de datos y la optimización del rendimiento en la ejecución en los que no se ha explorado todo el potencial. En esta tesis doctoral se definen tres estrategias de computación serverless que permiten evidenciar los beneficios de esta tecnología para el procesamiento de datos. Las estrategias implementadas permiten el análisis de datos con la integración de dispositivos de aceleración para la ejecución eficiente de aplicaciones científicas en plataformas cloud públicas y locales. En primer lugar, se desarrolló la plataforma CloudTrail-Tracker. CloudTrail-Tracker es una plataforma serverless de código abierto basada en eventos para el procesamiento de datos que puede escalar automáticamente hacia arriba y hacia abajo, con la capacidad de escalar a cero para minimizar los costos operativos. Seguidamente, se plantea la integración de GPUs en una plataforma serverless local impulsada por eventos para el procesamiento de datos escalables. La plataforma admite la ejecución de aplicaciones como funciones severless en respuesta a la carga de un archivo en un sistema de almacenamiento de ficheros, lo que permite la ejecución en paralelo de las aplicaciones según los recursos disponibles. Este procesamiento es administrado por un cluster Kubernetes elástico que crece y decrece automáticamente según las necesidades de procesamiento. Ciertos enfoques basados en tecnologías de virtualización de GPU como rCUDA y NVIDIA-Docker se evalúan para acelerar el tiempo de ejecución de las funciones. Finalmente, se implementa otra solución basada en el modelo serverless para ejecutar la fase de inferencia de modelos de aprendizaje automático previamente entrenados, en la plataforma de Amazon Web Services y en una plataforma privada con el framework OSCAR. El sistema crece elásticamente de acuerdo con la demanda y presenta una escalado a cero para minimizar los costes. Por otra parte, el front-end proporciona al usuario una experiencia simplificada en la obtención de la predicción de modelos de aprendizaje automático. Para demostrar las funcionalidades y ventajas de las soluciones propuestas durante esta tesis se recogen varios casos de estudio que abarcan diferentes campos del conocimiento como la analítica de aprendizaje y la Inteligencia Artificial. Esto demuestra que la gama de aplicaciones donde la computación serverless puede aportar grandes beneficios es muy amplia. Los resultados obtenidos avalan el uso del modelo serverless en la simplificación del diseño de arquitecturas para el uso intensivo de datos en aplicaciones complejas.[CA] Amb el desenvolupament de la Computació en el Núvol, el lliurament de recursos virtualitzats a través d'Internet ha crescut granment en els últims anys. Les Funcions com a Servei (FaaS), un dels models de servei més nous dins de la Computació en el Núvol, permet el desenvolupament i implementació d'aplicacions basades en esdeveniments que cobreixen serveis administrats en Núvols públics i locals. Els proveïdors de computació en el Núvol públic adopten el model FaaS dins del seu catàleg per a proporcionar a les aplicacions computació altament escalable basada en esdeveniments. D'una banda, els desenvolupadors especialitzats en aquesta tecnologia se centren en crear marcs de codi obert serverless per a evitar el bloqueig amb els proveïdors del Núvol públic. Malgrat el desenvolupament alcançat per la informàtica serverless, actualment hi ha camps relacionats amb el processament de dades i l'optimització del rendiment d'execució en els quals no s'ha explorat tot el potencial. En aquesta tesi doctoral es defineixen tres estratègies informàtiques serverless que permeten demostrar els beneficis d'aquesta tecnologia per al processament de dades. Les estratègies implementades permeten l'anàlisi de dades amb a integració de dispositius accelerats per a l'execució eficient d'aplicacion scientífiques en plataformes de Núvol públiques i locals. En primer lloc, es va desenvolupar la plataforma CloudTrail-Tracker. CloudTrail-Tracker és una plataforma de codi obert basada en esdeveniments per al processament de dades serverless que pot escalar automáticament cap amunt i cap avall, amb la capacitat d'escalar a zero per a minimitzar els costos operatius. A continuació es planteja la integració de GPUs en una plataforma serverless local impulsada per esdeveniments per al processament de dades escalables. La plataforma admet l'execució d'aplicacions com funcions severless en resposta a la càrrega d'un arxiu en un sistema d'emmagatzemaments de fitxers, la qual cosa permet l'execució en paral·lel de les aplicacions segon sels recursos disponibles. Este processament és administrat per un cluster Kubernetes elàstic que creix i decreix automàticament segons les necessitats de processament. Certs enfocaments basats en tecnologies de virtualització de GPU com rCUDA i NVIDIA-Docker s'avaluen per a accelerar el temps d'execució de les funcions. Finalment s'implementa una altra solució basada en el model serverless per a executar la fase d'inferència de models d'aprenentatge automàtic prèviament entrenats en la plataforma de Amazon Web Services i en una plataforma privada amb el framework OSCAR. El sistema creix elàsticament d'acord amb la demanda i presenta una escalada a zero per a minimitzar els costos. D'altra banda el front-end proporciona a l'usuari una experiència simplificada en l'obtenció de la predicció de models d'aprenentatge automàtic. Per a demostrar les funcionalitats i avantatges de les solucions proposades durant esta tesi s'arrepleguen diversos casos d'estudi que comprenen diferents camps del coneixement com l'analítica d'aprenentatge i la Intel·ligència Artificial. Això demostra que la gamma d'aplicacions on la computació serverless pot aportar grans beneficis és molt àmplia. Els resultats obtinguts avalen l'ús del model serverless en la simplificació del disseny d'arquitectures per a l'ús intensiu de dades en aplicacions complexes.[EN] With the development of Cloud Computing, the delivery of virtualized resources over the Internet has greatly grown in recent years. Functions as a Service (FaaS), one of the newest service models within Cloud Computing, allows the development and implementation of event-based applications that cover managed services in public and on-premises Clouds. Public Cloud Computing providers adopt the FaaS model within their catalog to provide event-driven highly-scalable computing for applications. On the one hand, developers specialized in this technology focus on creating open-source serverless frameworks to avoid the lock-in with public Cloud providers. Despite the development achieved by serverless computing, there are currently fields related to data processing and execution performance optimization where the full potential has not been explored. In this doctoral thesis three serverless computing strategies are defined that allow to demonstrate the benefits of this technology for data processing. The implemented strategies allow the analysis of data with the integration of accelerated devices for the efficient execution of scientific applications on public and on-premises Cloud platforms. Firstly, the CloudTrail-Tracker platform was developed to extract and process learning analytics in the Cloud. CloudTrail-Tracker is an event-driven open-source platform for serverless data processing that can automatically scale up and down, featuring the ability to scale to zero for minimizing the operational costs. Next, the integration of GPUs in an event-driven on-premises serverless platform for scalable data processing is discussed. The platform supports the execution of applications as serverless functions in response to the loading of a file in a file storage system, which allows the parallel execution of applications according to available resources. This processing is managed by an elastic Kubernetes cluster that automatically grows and shrinks according to the processing needs. Certain approaches based on GPU virtualization technologies such as rCUDA and NVIDIA-Docker are evaluated to speed up the execution time of the functions. Finally, another solution based on the serverless model is implemented to run the inference phase of previously trained machine learning models on theAmazon Web Services platform and in a private platform with the OSCAR framework. The system grows elastically according to demand and is scaled to zero to minimize costs. On the other hand, the front-end provides the user with a simplified experience in obtaining the prediction of machine learning models. To demonstrate the functionalities and advantages of the solutions proposed during this thesis, several case studies are collected covering different fields of knowledge such as learning analytics and Artificial Intelligence. This shows the wide range of applications where serverless computing can bring great benefits. The results obtained endorse the use of the serverless model in simplifying the design of architectures for the intensive data processing in complex applications.Naranjo Delgado, DM. (2021). Serverless Computing Strategies on Cloud Platforms [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/160916TESI

Adaptive Asynchronous Control and Consistency in Distributed Data Exploration Systems

Advances in machine learning and streaming systems provide a backbone to transform vast arrays of raw data into valuable information. Leveraging distributed execution, analysis engines can process this information effectively within an iterative data exploration workflow to solve problems at unprecedented rates. However, with increased input dimensionality, a desire to simultaneously share and isolate information, as well as overlapping and dependent tasks, this process is becoming increasingly difficult to maintain. User interaction derails exploratory progress due to manual oversight on lower level tasks such as tuning parameters, adjusting filters, and monitoring queries. We identify human-in-the-loop management of data generation and distributed analysis as an inhibiting problem precluding efficient online, iterative data exploration which causes delays in knowledge discovery and decision making. The flexible and scalable systems implementing the exploration workflow require semi-autonomous methods integrated as architectural support to reduce human involvement. We, thus, argue that an abstraction layer providing adaptive asynchronous control and consistency management over a series of individual tasks coordinated to achieve a global objective can significantly improve data exploration effectiveness and efficiency. This thesis introduces methodologies which autonomously coordinate distributed execution at a lower level in order to synchronize multiple efforts as part of a common goal. We demonstrate the impact on data exploration through serverless simulation ensemble management and multi-model machine learning by showing improved performance and reduced resource utilization enabling a more productive semi-autonomous exploration workflow. We focus on the specific genres of molecular dynamics and personalized healthcare, however, the contributions are applicable to a wide variety of domains