A Budget-constrained Time and Reliability Optimization BAT Algorithm for Scheduling Workflow Applications in Clouds

AbstractEffective scheduling is one of the key concerns while executing workflows in the cloud environment. Workflow scheduling in clouds refers to the mapping of workflow tasks to the cloud resources to optimize some objective function. In this paper, we apply a recently developed meta-heuristic method called the BAT algorithm to solve the multi-objective problem of workflow scheduling in clouds that minimizes the execution time and maximizes the reliability by keeping the budget within user specified limit. Comparison of the results is made with basic, randomized, evolutionary algorithm (BREA) that uses greedy approach to allocate resources to the workflow tasks on the basis of low cost, high reliability and improved execution time machines. It is clear from the experimental results that the BAT algorithm performs better than the basic randomized evolutionary algorithm

Cloud Computing and Grid Computing 360-Degree Compared

Cloud Computing has become another buzzword after Web 2.0. However, there are dozens of different definitions for Cloud Computing and there seems to be no consensus on what a Cloud is. On the other hand, Cloud Computing is not a completely new concept; it has intricate connection to the relatively new but thirteen-year established Grid Computing paradigm, and other relevant technologies such as utility computing, cluster computing, and distributed systems in general. This paper strives to compare and contrast Cloud Computing with Grid Computing from various angles and give insights into the essential characteristics of both.Comment: IEEE Grid Computing Environments (GCE08) 200

Supporting Quality of Service in Scientific Workflows

While workflow management systems have been utilized in enterprises to support businesses for almost two decades, the use of workflows in scientific environments was fairly uncommon until recently. Nowadays, scientists use workflow systems to conduct scientific experiments, simulations, and distributed computations. However, most scientific workflow management systems have not been built using existing workflow technology; rather they have been designed and developed from scratch. Due to the lack of generality of early scientific workflow systems, many domain-specific workflow systems have been developed. Generally speaking, those domain-specific approaches lack common acceptance and tool support and offer lower robustness compared to business workflow systems. In this thesis, the use of the industry standard BPEL, a workflow language for modeling business processes, is proposed for the modeling and the execution of scientific workflows. Due to the widespread use of BPEL in enterprises, a number of stable and mature software products exist. The language is expressive (Turingcomplete) and not restricted to specific applications. BPEL is well suited for the modeling of scientific workflows, but existing implementations of the standard lack important features that are necessary for the execution of scientific workflows. This work presents components that extend an existing implementation of the BPEL standard and eliminate the identified weaknesses. The components thus provide the technical basis for use of BPEL in academia. The particular focus is on so-called non-functional (Quality of Service) requirements. These requirements include scalability, reliability (fault tolerance), data security, and cost (of executing a workflow). From a technical perspective, the workflow system must be able to interface with the middleware systems that are commonly used by the scientific workflow community to allow access to heterogeneous, distributed resources (especially Grid and Cloud resources). The major components cover exactly these requirements: Cloud Resource Provisioner Scalability of the workflow system is achieved by automatically adding additional (Cloud) resources to the workflow system’s resource pool when the workflow system is heavily loaded. Fault Tolerance Module High reliability is achieved via continuous monitoring of workflow execution and corrective interventions, such as re-execution of a failed workflow step or replacement of the faulty resource. Cost Aware Data Flow Aware Scheduler The majority of scientific workflow systems only take the performance and utilization of resources for the execution of workflow steps into account when making scheduling decisions. The presented workflow system goes beyond that. By defining preference values for the weighting of costs and the anticipated workflow execution time, workflow users may influence the resource selection process. The developed multiobjective scheduling algorithm respects the defined weighting and makes both efficient and advantageous decisions using a heuristic approach. Security Extensions Because it supports various encryption, signature and authentication mechanisms (e.g., Grid Security Infrastructure), the workflow system guarantees data security in the transfer of workflow data. Furthermore, this work identifies the need to equip workflow developers with workflow modeling tools that can be used intuitively. This dissertation presents two modeling tools that support users with different needs. The first tool, DAVO (domain-adaptable, Visual BPEL Orchestrator), operates at a low level of abstraction and allows users with knowledge of BPEL to use the full extent of the language. DAVO is a software that offers extensibility and customizability for different application domains. These features are used in the implementation of the second tool, SimpleBPEL Composer. SimpleBPEL is aimed at users with little or no background in computer science and allows for quick and intuitive development of BPEL workflows based on predefined components

Security for Service-Oriented On-Demand Grid Computing

Grid Computing ist mittlerweile zu einem etablierten Standard für das verteilte Höchstleistungsrechnen geworden. Während die erste Generation von Grid Middleware-Systemen noch mit proprietären Schnittstellen gearbeitet hat, wurde durch die Einführung von service-orientierten Standards wie WSDL und SOAP durch die Open Grid Services Architecture (OGSA) die Interoperabilität von Grids signifikant erhöht. Dies hat den Weg für mehrere nationale und internationale Grid-Projekten bereitet, in denen eine groß e Anzahl von akademischen und eine wachsende Anzahl von industriellen Anwendungen im Grid ausgeführt werden, die die bedarfsgesteuerte (on-demand) Provisionierung und Nutzung von Ressourcen erfordern. Bedarfsgesteuerte Grids zeichnen sich dadurch aus, dass sowohl die Software, als auch die Benutzer einer starken Fluktuation unterliegen. Weiterhin sind sowohl die Software, als auch die Daten, auf denen operiert wird, meist proprietär und haben einen hohen finanziellen Wert. Dies steht in starkem Kontrast zu den heutigen Grid-Anwendungen im akademischen Umfeld, die meist offen im Quellcode vorliegen bzw. frei verfügbar sind. Um den Ansprüchen einer bedarfsgesteuerten Grid-Nutzung gerecht zu werden, muss das Grid administrative Komponenten anbieten, mit denen Anwender autonom Software installieren können, selbst wenn diese Root-Rechte benötigen. Zur gleichen Zeit muss die Sicherheit des Grids erhöht werden, um Software, Daten und Meta-Daten der kommerziellen Anwender zu schützen. Dies würde es dem Grid auch erlauben als Basistechnologie für das gerade entstehende Gebiet des Cloud Computings zu dienen, wo ähnliche Anforderungen existieren. Wie es bei den meisten komplexen IT-Systemen der Fall ist, sind auch in traditionellen Grid Middlewares Schwachstellen zu finden, die durch die geforderten Erweiterungen der administrativen Möglichkeiten potentiell zu einem noch größ erem Problem werden. Die Schwachstellen in der Grid Middleware öffnen einen homogenen Angriffsvektor auf die ansonsten heterogenen und meist privaten Cluster-Umgebungen. Hinzu kommt, dass anders als bei den privaten Cluster-Umgebungen und kleinen akademischen Grid-Projekten die angestrebten groß en und offenen Grid-Landschaften die Administratoren mit gänzlich unbekannten Benutzern und Verhaltenstrukturen konfrontieren. Dies macht das Erkennen von böswilligem Verhalten um ein Vielfaches schwerer. Als Konsequenz werden Grid-Systeme ein immer attraktivere Ziele für Angreifer, da standardisierte Zugriffsmöglichkeiten Angriffe auf eine groß e Anzahl von Maschinen und Daten von potentiell hohem finanziellen Wert ermöglichen. Während die Rechenkapazität, die Bandbreite und der Speicherplatz an sich schon attraktive Ziele darstellen können, sind die im Grid enthaltene Software und die gespeicherten Daten viel kritischere Ressourcen. Modelldaten für die neuesten Crash-Test Simulationen, eine industrielle Fluid-Simulation, oder Rechnungsdaten von Kunden haben einen beträchtlichen Wert und müssen geschützt werden. Wenn ein Grid-Anbieter nicht für die Sicherheit von Software, Daten und Meta-Daten sorgen kann, wird die industrielle Verbreitung der offenen Grid-Technologie nicht stattfinden. Die Notwendigkeit von strikten Sicherheitsmechanismen muss mit der diametral entgegengesetzten Forderung nach einfacher und schneller Integration von neuer Software und neuen Kunden in Einklang gebracht werden. In dieser Arbeit werden neue Ansätze zur Verbesserung der Sicherheit und Nutzbarkeit von service-orientiertem bedarfsgesteuertem Grid Computing vorgestellt. Sie ermöglichen eine autonome und sichere Installation und Nutzung von komplexer, service-orientierter und traditioneller Software auf gemeinsam genutzen Ressourcen. Neue Sicherheitsmechanismen schützen Software, Daten und Meta-Daten der Anwender vor anderen Anwendern und vor externen Angreifern. Das System basiert auf Betriebssystemvirtualisierungstechnologien und bietet dynamische Erstellungs- und Installationsfunktionalitäten für virtuelle Images in einer sicheren Umgebung, in der automatisierte Mechanismen anwenderspezifische Firewall-Regeln setzen, um anwenderbezogene Netzwerkpartitionen zu erschaffen. Die Grid-Umgebung wird selbst in mehrere Bereiche unterteilt, damit die Kompromittierung von einzelnen Komponenten nicht so leicht zu einer Gefährdung des gesamten Systems führen kann. Die Grid-Headnode und der Image-Erzeugungsserver werden jeweils in einzelne Bereiche dieser demilitarisierten Zone positioniert. Um die sichere Anbindung von existierenden Geschäftsanwendungen zu ermöglichen, werden der BPEL-Standard (Business Process Execution Language) und eine Workflow-Ausführungseinheit um Grid-Sicherheitskonzepte erweitert. Die Erweiterung erlaubt eine nahtlose Integration von geschützten Grid Services mit existierenden Web Services. Die Workflow-Ausführungseinheit bietet die Erzeugung und die Erneuerung (im Falle von lange laufenden Anwendungen) von Proxy-Zertifikaten. Der Ansatz ermöglicht die sichere gemeinsame Ausführung von neuen, fein-granularen, service-orientierten Grid Anwendungen zusammen mit traditionellen Batch- und Job-Farming Anwendungen. Dies wird durch die Integration des vorgestellten Grid Sandboxing-Systems in existierende Cluster Scheduling Systeme erreicht. Eine innovative Server-Rotationsstrategie sorgt für weitere Sicherheit für den Grid Headnode Server, in dem transparent das virtuelle Server Image erneuert wird und damit auch unbekannte und unentdeckte Angriffe neutralisiert werden. Um die Angriffe, die nicht verhindert werden konnten, zu erkennen, wird ein neuartiges Intrusion Detection System vorgestellt, das auf Basis von Datenstrom-Datenbanksystemen funktioniert. Als letzte Neuerung dieser Arbeit wird eine Erweiterung des modellgetriebenen Softwareentwicklungsprozesses eingeführt, die eine automatisierte Generierung von sicheren Grid Services ermöglicht, um die komplexe und damit unsichere manuelle Erstellung von Grid Services zu ersetzen. Eine prototypische Implementierung der Konzepte wird auf Basis des Globus Toolkits 4, der Sun Grid Engine und der ActiveBPEL Engine vorgestellt. Die modellgetriebene Entwicklungsumgebung wurde in Eclipse für das Globus Toolkit 4 realisiert. Experimentelle Resultate und eine Evaluation der kritischen Komponenten des vorgestellten neuen Grids werden präsentiert. Die vorgestellten Sicherheitsmechanismem sollen die nächste Phase der Evolution des Grid Computing in einer sicheren Umgebung ermöglichen

Resource provisioning and scheduling algorithms for hybrid workflows in edge cloud computing

In recent years, Internet of Things (IoT) technology has been involved in a wide range of application domains to provide real-time monitoring, tracking and analysis services. The worldwide number of IoT-connected devices is projected to increase to 43 billion by 2023, and IoT technologies are expected to engaged in 25% of business sector. Latency-sensitive applications in scope of intelligent video surveillance, smart home, autonomous vehicle, augmented reality, are all emergent research directions in industry and academia. These applications are required connecting large number of sensing devices to attain the desired level of service quality for decision accuracy in a sensitive timely manner. Moreover, continuous data stream imposes processing large amounts of data, which adds a huge overhead on computing and network resources. Thus, latency-sensitive and resource-intensive applications introduce new challenges for current computing models, i.e, batch and stream. In this thesis, we refer to the integrated application model of stream and batch applications as a hybrid work ow model. The main challenge of the hybrid model is achieving the quality of service (QoS) requirements of the two computation systems. This thesis provides a systemic and detailed modeling for hybrid workflows which describes the internal structure of each application type for purposes of resource estimation, model systems tuning, and cost modeling. For optimizing the execution of hybrid workflows, this thesis proposes algorithms, techniques and frameworks to serve resource provisioning and task scheduling on various computing systems including cloud, edge cloud and cooperative edge cloud. Overall, experimental results provided in this thesis demonstrated strong evidences on the responsibility of proposing different understanding and vision on the applications of integrating stream and batch applications, and how edge computing and other emergent technologies like 5G networks and IoT will contribute on more sophisticated and intelligent solutions in many life disciplines for more safe, secure, healthy, smart and sustainable society