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

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

Requirements-aware systems:a research agenda for RE for self-adaptive systems

Requirements are sensitive to the context in which the system-to-be must operate. Where such context is well-understood and is static or evolves slowly, existing RE techniques can be made to work well. Increasingly, however, development projects are being challenged to build systems to operate in contexts that are volatile over short periods in ways that are imperfectly understood. Such systems need to be able to adapt to new environmental contexts dynamically, but the contextual uncertainty that demands this self-adaptive ability makes it hard to formulate, validate and manage their requirements. Different contexts may demand different requirements trade-offs. Unanticipated contexts may even lead to entirely new requirements. To help counter this uncertainty, we argue that requirements for self-adaptive systems should be run-time entities that can be reasoned over in order to understand the extent to which they are being satisfied and to support adaptation decisions that can take advantage of the systems' self-adaptive machinery. We take our inspiration from the fact that explicit, abstract representations of software architectures used to be considered design-time-only entities but computational reflection showed that architectural concerns could be represented at run-time too, helping systems to dynamically reconfigure themselves according to changing context. We propose to use analogous mechanisms to achieve requirements reflection. In this paper we discuss the ideas that support requirements reflection as a means to articulate some of the outstanding research challenges

Self-adaptivity of applications on network on chip multiprocessors: the case of fault-tolerant Kahn process networks

Technology scaling accompanied with higher operating frequencies and the ability to integrate more functionality in the same chip has been the driving force behind delivering higher performance computing systems at lower costs. Embedded computing systems, which have been riding the same wave of success, have evolved into complex architectures encompassing a high number of cores interconnected by an on-chip network (usually identified as Multiprocessor System-on-Chip). However these trends are hindered by issues that arise as technology scaling continues towards deep submicron scales. Firstly, growing complexity of these systems and the variability introduced by process technologies make it ever harder to perform a thorough optimization of the system at design time. Secondly, designers are faced with a reliability wall that emerges as age-related degradation reduces the lifetime of transistors, and as the probability of defects escaping post-manufacturing testing is increased. In this thesis, we take on these challenges within the context of streaming applications running in network-on-chip based parallel (not necessarily homogeneous) systems-on-chip that adopt the no-remote memory access model. In particular, this thesis tackles two main problems: (1) fault-aware online task remapping, (2) application-level self-adaptation for quality management. For the former, by viewing fault tolerance as a self-adaptation aspect, we adopt a cross-layer approach that aims at graceful performance degradation by addressing permanent faults in processing elements mostly at system-level, in particular by exploiting redundancy available in multi-core platforms. We propose an optimal solution based on an integer linear programming formulation (suitable for design time adoption) as well as heuristic-based solutions to be used at run-time. We assess the impact of our approach on the lifetime reliability. We propose two recovery schemes based on a checkpoint-and-rollback and a rollforward technique. For the latter, we propose two variants of a monitor-controller- adapter loop that adapts application-level parameters to meet performance goals. We demonstrate not only that fault tolerance and self-adaptivity can be achieved in embedded platforms, but also that it can be done without incurring large overheads. In addressing these problems, we present techniques which have been realized (depending on their characteristics) in the form of a design tool, a run-time library or a hardware core to be added to the basic architecture

MISSION-ORIENTED HETEROGENEOUS ROBOT COOPERATION BASED ON SMART RESOURCES EXECUTION

Home environments are changing as more technological devices are used to improve daily life. The growing demand for high technology in our homes means that robot integration will soon arrive. Home devices are evolving in a connected paradigm in which data flows to perform efficient home task management. Heterogeneous home robots connected in a network can establish a workflow that complements their capabilities and so increases performance within a mission execution. This work addresses the definition and requirements of a robot-group mission in the home context. The proposed solution relies on a network of smart resources, which are defined as cyber-physical systems that provide high-level service execution. Firstly, control middleware architecture is introduced as the execution base for the Smart resources. Next, the Smart resource topology and its integration within a robotic platform are addressed. Services supplied by Smart resources manage their execution through a robot behavior architecture. Robot behavior execution is hierarchically organized through a mission definition that can be established as an individual or collective approach. Environment model and interaction tasks characterize the operation capabilities of each robot within a mission. Mission goal achievement in a heterogeneous group is enhanced through the complement of the interaction capabilities of each robot. To offer a clearer explanation, a full use case is presented in which two robots cooperate to execute a mission and the previously detailed steps are evaluated. Finally, some of the obtained results are discussed as conclusions and future works is introduced.Los entornos domésticos se encuentran sometidos a un proceso de cambio gracias al empleo de dispositivos tecnológicos que mejoran la calidad de vida de las personas. La creciente demanda de alta tecnología en los hogares señala una próxima incorporación de la robótica de servicio. Los dispositivos domésticos están evolucionando hacia un paradigma de conexión en el cual la información fluye para ofrecer una gestión más eficiente. En este entorno, robots heterogéneos conectados a la red pueden establecer un flujo de trabajo que ofreciendo nuevas soluciones y incrementando la eficiencia en la ejecución de tareas. Este trabajo aborda la definición y los requisitos necesarios para la ejecución de misiones en grupos de robots heterogéneos en entornos domésticos. La solución propuesta se apoya en una red de Smart resources, que son definidos como sistemas ciber-físicos que proporcionan servicios de alto nivel. En primer lugar, se presenta la arquitectura del middleware de control en la cual se basa la ejecución de los Smart resources. A continuación se detalla la topología de los Smart resources, así como su integración en plataformas robóticas. Los servicios proporcionados por los Smart resources gestionan su ejecución mediante una arquitectura de comportamientos para robots. La ejecución de estos comportamientos se organiza de forma jerárquica mediante la definición de una misión con un objetivo establecido de forma individual o colectiva a un grupo de robots. Dentro de una misión, las tareas de modelado e interacción con el entorno define las capacidades de operación de los robots dentro de una misión. Mediante la integración de un grupo heterogéneo de robots sus diversas capacidades son complementadas para el logro un objetivo común. A fin de caracterizar esta propuesta, los mecanismos presentados en este documento se evaluarán en detalle a lo largo de una serie experimentos en los cuales un grupo de robots heterogéneos ejecutan una misión colaborativa para alcanzar un objetivo común. Finalmente, los resultados serán discutidos a modo de conclusiones dando lugar el establecimiento de un trabajo futuro.Els entorns domèstics es troben sotmesos a un procés de canvi gràcies a l'ocupació de dispositius tecnològics que milloren la qualitat de vida de les persones. La creixent demanda d'alta tecnologia a les llars assenyala una propera incorporació de la robòtica de servei. Els dispositius domèstics estan evolucionant cap a un paradigma de connexió en el qual la informació flueix per oferir una gestió més eficient. En aquest entorn, robots heterogenis connectats a la xarxa poden establir un flux de treball que ofereix noves solucions i incrementant l'eficiència en l'execució de tasques. Aquest treball aborda la definició i els requisits necessaris per a l'execució de missions en grups de robots heterogenis en entorns domèstics. La solució proposada es recolza en una xarxa de Smart resources, que són definits com a sistemes ciber-físics que proporcionen serveis d'alt nivell. En primer lloc, es presenta l'arquitectura del middleware de control en la qual es basa l'execució dels Smart resources. A continuació es detalla la tipologia dels Smart resources, així com la seva integració en plataformes robòtiques. Els serveis proporcionats pels Smart resources gestionen la seva execució mitjançant una arquitectura de comportaments per a robots. L'execució d'aquests comportaments s'organitza de forma jeràrquica mitjançant la definició d'una missió amb un objectiu establert de forma individual o col·lectiva a un grup de robots. Dins d'una missió, les tasques de modelatge i interacció amb l'entorn defineix les capacitats d'operació dels robots dins d'una missió. Mitjançant la integració d'un grup heterogeni de robots seves diverses capacitats són complementades per a l'assoliment un objectiu comú. Per tal de caracteritzar aquesta proposta, els mecanismes presentats en aquest document s'avaluaran en detall mitjançant d'una sèrie experiments en els quals un grup de robots heterogenis executen una missió col·laborativa per aconseguir un objectiu comú. Finalment, els resultats seran discutits a manera de conclusions donant lloc a l'establiment d'un treball futur.Munera Sánchez, E. (2017). MISSION-ORIENTED HETEROGENEOUS ROBOT COOPERATION BASED ON SMART RESOURCES EXECUTION [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/88404TESI

Modern software cybernetics: new trends

Software cybernetics research is to apply a variety of techniques from cybernetics research to software engineering research. For more than fifteen years since 2001, there has been a dramatic increase in work relating to software cybernetics. From cybernetics viewpoint, the work is mainly on the first-order level, namely, the software under observation and control. Beyond the first-order cybernetics, the software, developers/users, and running environments influence each other and thus create feedback to form more complicated systems. We classify software cybernetics as Software Cybernetics I based on the first-order cybernetics, and as Software Cybernetics II based on the higher order cybernetics. This paper provides a review of the literature on software cybernetics, particularly focusing on the transition from Software Cybernetics I to Software Cybernetics II. The results of the survey indicate that some new research areas such as Internet of Things, big data, cloud computing, cyber-physical systems, and even creative computing are related to Software Cybernetics II. The paper identifies the relationships between the techniques of Software Cybernetics II applied and the new research areas to which they have been applied, formulates research problems and challenges of software cybernetics with the application of principles of Phase II of software cybernetics; identifies and highlights new research trends of software cybernetic for further research