QoS awareness and adaptation in service composition

The dynamic nature of a Web service execution environment generates frequent variations in the Quality of Service offered to the consumers, therefore, obtaining the expected results while running a composite service is not guaranteed. When combining this highly changing environment with the increasing emphasis on Quality of Service, management of composite services turns into a time consuming and complicated task. Different approaches and tools have been proposed to mitigate the impacts of unexpected events during the execution of composite services. Among them, self-adaptive proposals have stood out, since they aim to maintain functional and quality levels, by dynamically adapting composite services to the environment conditions, reducing human intervention. The research presented in this Thesis is centred on self-adaptive properties in service composition, mainly focused on self-optimization. Three models have been proposed to target self-optimization, considering various QoS parameters, the benefit of performing adaptation, and looking at adaptation from two perspectives: reactive and proactive. They target situations where the QoS of the composition is decreasing. Also, they consider situations where a number of the accumulated QoS values, in certain point of the process, are better than expected, providing the possibility of improving other QoS parameters. These approaches have been implemented in service composition frameworks and evaluated through the execution of test cases. Evaluation was performed by comparing the QoS values gathered from multiple executions of composite services, using the proposed optimization models and a non-adaptive approach. The benefit of adaptation was found a useful value during the decision making process, in order to determine if adaptation was needed or not. Results show that using optimization mechanisms when executing composite services provide significant improvements in the global QoS values of the compositions. Nevertheless, in some cases there is a trade-off, where one of the measured parameters shows an increment, in order to improve the others

A survey on engineering approaches for self-adaptive systems (extended version)

The complexity of information systems is increasing in recent years, leading to increased effort for maintenance and configuration. Self-adaptive systems (SASs) address this issue. Due to new computing trends, such as pervasive computing, miniaturization of IT leads to mobile devices with the emerging need for context adaptation. Therefore, it is beneficial that devices are able to adapt context. Hence, we propose to extend the definition of SASs and include context adaptation. This paper presents a taxonomy of self-adaptation and a survey on engineering SASs. Based on the taxonomy and the survey, we motivate a new perspective on SAS including context adaptation

Intelligent systems in manufacturing: current developments and future prospects

Global competition and rapidly changing customer requirements are demanding increasing changes in manufacturing environments. Enterprises are required to constantly redesign their products and continuously reconfigure their manufacturing systems. Traditional approaches to manufacturing systems do not fully satisfy this new situation. Many authors have proposed that artificial intelligence will bring the flexibility and efficiency needed by manufacturing systems. This paper is a review of artificial intelligence techniques used in manufacturing systems. The paper first defines the components of a simplified intelligent manufacturing systems (IMS), the different Artificial Intelligence (AI) techniques to be considered and then shows how these AI techniques are used for the components of IMS

Formulating and managing viable SLAs in cloud computing from a small to medium service provider's viewpoint: A state-of-the-art review

© 2017 Elsevier Ltd In today's competitive world, service providers need to be customer-focused and proactive in their marketing strategies to create consumer awareness of their services. Cloud computing provides an open and ubiquitous computing feature in which a large random number of consumers can interact with providers and request services. In such an environment, there is a need for intelligent and efficient methods that increase confidence in the successful achievement of business requirements. One such method is the Service Level Agreement (SLA), which is comprised of service objectives, business terms, service relations, obligations and the possible action to be taken in the case of SLA violation. Most of the emphasis in the literature has, until now, been on the formation of meaningful SLAs by service consumers, through which their requirements will be met. However, in an increasingly competitive market based on the cloud environment, service providers too need a framework that will form a viable SLA, predict possible SLA violations before they occur, and generate early warning alarms that flag a potential lack of resources. This is because when a provider and a consumer commit to an SLA, the service provider is bound to reserve the agreed amount of resources for the entire period of that agreement – whether the consumer uses them or not. It is therefore very important for cloud providers to accurately predict the likely resource usage for a particular consumer and to formulate an appropriate SLA before finalizing an agreement. This problem is more important for a small to medium cloud service provider which has limited resources that must be utilized in the best possible way to generate maximum revenue. A viable SLA in cloud computing is one that intelligently helps the service provider to determine the amount of resources to offer to a requesting consumer, and there are number of studies on SLA management in the literature. The aim of this paper is two-fold. First, it presents a comprehensive overview of existing state-of-the-art SLA management approaches in cloud computing, and their features and shortcomings in creating viable SLAs from the service provider's viewpoint. From a thorough analysis, we observe that the lack of a viable SLA management framework renders a service provider unable to make wise decisions in forming an SLA, which could lead to service violations and violation penalties. To fill this gap, our second contribution is the proposal of the Optimized Personalized Viable SLA (OPV-SLA) framework which assists a service provider to form a viable SLA and start managing SLA violation before an SLA is formed and executed. The framework also assists a service provider to make an optimal decision in service formation and allocate the appropriate amount of marginal resources. We demonstrate the applicability of our framework in forming viable SLAs through experiments. From the evaluative results, we observe that our framework helps a service provider to form viable SLAs and later to manage them to effectively minimize possible service violation and penalties

Context-awareness for mobile sensing: a survey and future directions

The evolution of smartphones together with increasing computational power have empowered developers to create innovative context-aware applications for recognizing user related social and cognitive activities in any situation and at any location. The existence and awareness of the context provides the capability of being conscious of physical environments or situations around mobile device users. This allows network services to respond proactively and intelligently based on such awareness. The key idea behind context-aware applications is to encourage users to collect, analyze and share local sensory knowledge in the purpose for a large scale community use by creating a smart network. The desired network is capable of making autonomous logical decisions to actuate environmental objects, and also assist individuals. However, many open challenges remain, which are mostly arisen due to the middleware services provided in mobile devices have limited resources in terms of power, memory and bandwidth. Thus, it becomes critically important to study how the drawbacks can be elaborated and resolved, and at the same time better understand the opportunities for the research community to contribute to the context-awareness. To this end, this paper surveys the literature over the period of 1991-2014 from the emerging concepts to applications of context-awareness in mobile platforms by providing up-to-date research and future research directions. Moreover, it points out the challenges faced in this regard and enlighten them by proposing possible solutions

QoS-Based Optimization of Runtime Management of Sensing Cloud Applications

Die vorliegende Arbeit präsentiert Ansätze und Techniken zur qualitätsbewussten Verbesserung des Laufzeitmanagements von IoT-Anwendungen. IoT-Anwendungen nehmen über die Sensorik von Smart Devices ihre Umgebung wahr, um diese zu analysieren oder mit ihr zu interagieren. Smart Devices sind in der Rechen- und Speicherleistung begrenzt, weshalb viele IoT-Anwendungen über eine IoT Plattform mit elastischen und skalierbaren Cloud Services verbunden sind. Die Last auf dem Cloud Service entsteht durch die verbundenen Smart Devices, die kontinuierlich Nachrichten transferieren. Die Ressourcenkonfiguration des Cloud Services beeinflusst dessen Kapazität. Ein Service Operator, der eine IoT-Anwendung betreibt, ist mit der Herausforderung konfrontiert, die Smart Devices und den Cloud Service so zu konfigurieren, dass eine hohe Datenqualität bei niedrigen Betriebskosten erreicht wird. Um hierbei den Service Operator zur Design Time zu unterstützen, modellieren wir Kostenfunktionen für Datenqualitäten, die durch das Wechselspiel der Smart Device- und Cloud Service-Konfiguration beeinflusst werden. Mit Hilfe dieser Kostenfunktionen kann ein Service Operator nach einer kostenminimalen Konfiguration für bestimmte Szenarien suchen. Existierende Ansätze zur Optimierung von Anwendungen zur Design Time fokussieren sich auf traditionelle Software-Architekturen und bieten daher nicht die notwendigen Konzepte zur Kostenmodellierung von IoT-Anwendungen an. Des Weiteren unterstützen wir den Service Operator durch Lastkontrollverfahren, die auf Kapazitätsengpässe des Cloud Services durch eine kontrollierte Reduktion der Nachrichtenrate reagieren. Während sich das auf die Genauigkeit der Messungen nachteilig auswirken kann, stabilisieren sich zeitliche Verzögerungen und die IoT-Anwendung bleibt auch in starken Überlastszenarien verfügbar. Existierende Laufzeittechniken fokussieren sich auf die automatische Ressourcenprovisionierung von Cloud Services durch Auto-Scaler. Diese ermöglichen zwar, auf Kapazitätsengpässe und Lastschwankungen zu reagieren, doch die erreichte Quality-of-Service (QoS) kann dadurch mit hohen Betriebskosten verbunden sein. Daher ermöglichen wir durch die Lastkontrollverfahren eine weitere Technik, mit der einerseits dynamisch auf Kapazitätsengpässe reagiert werden und andererseits die zur Verfügung stehende Kapazität eines Cloud Services effizient genutzt werden kann. Außerdem präsentieren wir Kopplungstechniken, die Auto-Scaling und Lastkontrollverfahren kombinieren. Bestehende Ansätze zur Rekonfiguration von Smart Devices konzentrieren sich auf Qualitäten wie Genauigkeit oder Energie-Effizienz und sind daher ungeeignet, um auf Kapazitätsengpässe zu reagieren. Zusammenfassend liefert die Dissertation die folgenden Beiträge: 1. Untersuchung von Performance Metriken für Skalierentscheidungen: Wir haben Infrastuktur- und Anwendungsebenen-Metriken daraufhin evaluiert, wie geeignet sie für Skalierentscheidungen von Microservices sind, die variierende Charakteristiken aufweisen. Auf Basis der Ergebnisse kann ein Service Operator eine fundierte Entscheidung darüber treffen, welche Performance Metrik zur Skalierung eines bestimmten Microservices am geeignesten ist. 2. Design von QoS Kostenfunktionen für IoT-Anwendungen: Wir haben ein QoS Kostenmodell aufgestellt, dass das Wirken von Smart Device- und Cloud Service-Konfiguration auf die Qualitäten einer IoT-Anwendung erfasst. Auf Grundlage dieser Kostenmodelle kann die Konfiguration von IoT-Anwendungen zur Design Time optimiert werden. Des Weiteren können mit den Kostenfunktionen Laufzeitverfahren hinsichtlich ihrem Beitrag zur QoS für verschiedene Szenarien evaluiert werden. 3. Entwicklung von Lastkontrollverfahren für IoT-Anwendungen: Die präsentierten Verfahren bieten einen komplementären Mechanismus zu Auto-Scaling an, um bei Kapazitätsengpässen die QoS aufrechtzuerhalten. Hierbei wird die Gesamtlast auf dem Cloud Service durch Anpassungen der Nachrichtenrate der Smart Devices reduziert. Ein Service Operator hat hiermit die Möglichkeit, Kapazitätsengpässen über eine Degradierung der Datenqualität zu begegnen. 4. Kopplung von Lastkontrollverfahren mit Ressourcen-Provisionierung: Wir präsentieren regelbasierte Kopplungsmechanismen, die reaktiv Lastkontrollverfahren oder Auto-Scaler aktivieren und diese damit koppeln. Das ermöglicht, auf Kapazitätsengpässe über eine Kombination von Datenqualitätsreduzierungen und Ressourcekostenerhöhungen zu reagieren. 5. Design eines Frameworks zur Entwicklung selbst-adaptiver Systeme: Das selbst-adaptive Framework bietet ein Anwendungsmodell für IoT-Anwendungen und Konzepte für die Rekonfiguration von Microservices und Smart Devices an. Es kann in verschiedenen Cloud-Umgebungen aufgesetzt werden und beschleunigt die prototypische Entwicklung von Laufzeitverfahren. Wir validierten die Ansätze anhand zweier Case Study Systeme unterschiedlicher Komplexität. Das erste Case Study System besteht aus einem Cloud Service, welcher über eine IoT Plattform Nachrichten von virtuellen Smart Devices verarbeitet. Mit diesem System haben wir für unterschiedliche Anwendungsszenarien die Charakteristiken der vorgestellten Lastkontrollverfahren analysiert, um diese gegen Auto-Scaling und einer Kopplung der Ansätze zu vergleichen. Hierbei stellte sich heraus, dass die Lastkontrollverfahren ähnlich effizient wie Auto-Scaler Überlastszenarien addressieren können und sich die QoS in einem vergleichbaren Bereich bewegt. Im Schnitt erreichten die Lastkontrollverfahren in den untersuchten Szenarien etwa 50 % geringere QoS Gesamtkosten. Es zeigte sich auch, dass sowohl Auto-Scaling als auch die Lastkontrollverfahren in bestimmten Anwendungsszenarien deutliche Nachteile haben, so z. B. wenn die Datengenauigkeit oder Ressourcenkosten im Vordergrund stehen. Es hat sich gezeigt, dass eine Kopplung hierbei immer vorteilhaft ist, um die QoS beizubehalten. Im zweiten Case Study System haben wir eine intelligente Heizungslösung der Robert Bosch GmbH implementiert, um die Ansätze an einem komplexeren System zu validieren. Auch hier zeigte sich, dass eine Kombination von Lastkontrolle und Auto-Scaling am vorteilhaftesten ist und zu einer hohen Datenqualität bei geringen Ressourcenkosten beiträgt. Die Ergebnisse zeigen, dass die vorgestellten Lastkontrollverfahren geeignet sind, die QoS von IoT Anwendungen zu verbessern. Es bietet einem Service Operator damit ein weiteres Werkzeug für das Laufzeitmanagement von IoT Anwendungen, dass einen zum Auto-Scaling komplementären Mechanismus verwendet. Das hier vorgestellte Framework zur Entwicklung selbst-adaptiver IoT Systeme haben wir zur empirischen Beantwortung der Forschungsfragen instanziiert und damit dessen Eignung demonstriert. Wir zeigen außerdem eine exemplarische Verwendung der vorgestellten Kostenfunktionen für verschiedene Anwendungsszenarien und binden diese im Zuge der Validierung in einem Optimierungs-Framework ein