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Advisor(s)
Abstract(s)
Cloud computing services are widely available over the Internet. One of the main reasons,
which motivates its large-scale adoption, is the easiness for users to hire a wide range
of services in the pay-per-use model, where you only pay for consumed services and resources.
Such services predominantly rely on server virtualization technologies such as
virtual machines (VMs). They enable sharing of computing resources between different
customers, in an isolated way, looking to ensure the correct functioning of services, security
and data privacy from each customer.
Despite cloud computing technologies are consolidated, there are many issues and technological
challenges to maintain and manage the computing infrastructure of providers
and ensure availability, stability, reliability and quality of service to customers. One of
the providers goals is the efficient distribution of VMs between available servers, targeting:
load balancing, fault tolerance, reduction of network traffic, efficient use of limited
computational resources and, mainly, reduction of energy consumption and costs.
Trying to find solutions for efficient allocation of computing resources in the cloud, this
thesis presents: (i) the issues with computer simulation tools to carry out research in the
field; (ii) the challenges of managing computing resources in the cloud; (iii) the cloud
computing simulation framework called CloudSim Plus, for creation of more accurate
and reliable simulation experiments; and (iv) the development of a proposal for placement
and migration of VMs.
CloudSim Plus applies several software engineering principles to increase assurance of
correct operation of the tool and created simulations, giving higher confidence in produced
results. This tool is used in this thesis for development and assessment of a distributed
VM placement and migration proposal. The large scale of cloud computing infrastructures,
and the inherent complexity of algorithms for optimizing the allocation of
computing resources, requires proposals with distributed architecture, looking to balance
the processing load of such algorithms to reduce the search time for sub-optimal solutions.
CloudSim Plus aims both to (i) solve reliability and accuracy issues of its precursor Cloud-
Sim and (ii) be the state-of-the-art tool for general-purpose cloud computing simulation.
The VM placement and migrating proposal is based on the Modern Portfolio Theory (MPT),
widely applied in the financial market for creation of efficient investment portfolios, where
the investor capital is allocated in different assets (such as stocks) to balance risk and return.
Since (i) the risk in cloud infrastructures can be defined as the variation in the use
or availability of computing resources for contracting customers and (ii) the return, being
the proper allocation and use of such resources by those customers, it can be drawn
a parallel between cloud computing services and the financial market. The proposal represents
a proof of concept for creating computer simulations with CloudSim Plus, using a distributed, fault-tolerant architecture with reduced computational complexity compared
to previous proposals.
Serviços de computação em nuvem estão amplamente disponíveis através da Internet e têm sido a primeira opção de muitas empresas que precisam de infraestrutura computacional. Tais serviços dependem predominantemente de tecnologias de virtualização de servidores, como máquinas virtuais (MVs). Estas permitem a partilha de recursos informáticos entre diferentes clientes, isoladamente, a visar o correto funcionamento dos serviços de cada cliente, a segurança e privacidade dos dados. Apesar de tecnologias de computação em nuvem estarem estabelecidas, existem muitas dificuldades e desafios tecnológicos para manter e gerir a infraestrutura computacional dos fornecedores de serviços e garantir disponibilidade, estabilidade, fiabilidade e qualidade de serviço aos clientes. Um dos objetivos dos fornecedores é a distribuição eficiente de MVs entre os servidores disponíveis, para alcançar: equilíbrio de carga, tolerância a faltas, redução do tráfego de rede, utilização eficiente de recursos informáticos limitados e, principalmente, redução do consumo de energia e custos. À procura de soluções para uma alocação eficiente de recursos computacionais na nuvem, esta tese apresenta: (i) os problemas da utilização de ferramentas de simulação computacional para realizar investigação na área; (ii) os desafios da gestão dos recursos informáticos na nuvem; (iii) o framework de simulação computacional de nuvem chamado CloudSim Plus, para criação de simulações computacionais mais precisas e confiáveis; e (iv) o desenvolvimento de uma proposta para a colocação e migração de MVs. O CloudSim Plus utiliza diversos princípios de engenharia de software para aumentar a garantia de correto funcionamento da ferramenta e das simulações computacionais criadas, dando maior confiança nos resultados produzidos. Esta ferramenta é utilizada nesta tese para a implementação e avaliação de uma proposta distribuída de colocação e migração de MVs. A larga escala das infraestruturas de computação em nuvem, e inerente complexidade de algoritmos para otimização da alocação de recursos computacionais, exigem propostas com uma arquitetura distribuída, que objetivam dividir a carga de processamento de tais algoritmos para reduzir o tempo de procura de soluções sub-ótimas. O CloudSim Plus visa tanto: (i) resolver os problemas de fiabilidade e precisão do seu precursor CloudSim, quanto (ii) ser o estado-da-arte em ferramenta para simulação de propósito geral em computação em nuvem. A proposta de colocação e migração de MVs baseia-se na Teoria Moderna de Portfólios, amplamente utilizada no mercado financeiro para a criação de portfólios de investimento eficientes, onde o capital do investidor é alocado em diferentes ativos (como ações) para balancear risco e retorno. Uma vez que (i) o risco em infraestruturas de nuvem pode ser definido como a variação no uso ou disponibilidade de recursos computacionais para os clientes contratantes e (ii) o retorno sendo a devida alocação e uso de tais recursos pelos clientes, pode-se fazer um paralelo entre serviços de computação em nuvem e o mercado financeiro. A proposta representa uma prova de conceito da criação de simulações computacionais com o CloudSim Plus, de uma arquitetura distribuída, tolerante a faltas e com menor complexidade computacional em relação às propostas anteriores.
Serviços de computação em nuvem estão amplamente disponíveis através da Internet e têm sido a primeira opção de muitas empresas que precisam de infraestrutura computacional. Tais serviços dependem predominantemente de tecnologias de virtualização de servidores, como máquinas virtuais (MVs). Estas permitem a partilha de recursos informáticos entre diferentes clientes, isoladamente, a visar o correto funcionamento dos serviços de cada cliente, a segurança e privacidade dos dados. Apesar de tecnologias de computação em nuvem estarem estabelecidas, existem muitas dificuldades e desafios tecnológicos para manter e gerir a infraestrutura computacional dos fornecedores de serviços e garantir disponibilidade, estabilidade, fiabilidade e qualidade de serviço aos clientes. Um dos objetivos dos fornecedores é a distribuição eficiente de MVs entre os servidores disponíveis, para alcançar: equilíbrio de carga, tolerância a faltas, redução do tráfego de rede, utilização eficiente de recursos informáticos limitados e, principalmente, redução do consumo de energia e custos. À procura de soluções para uma alocação eficiente de recursos computacionais na nuvem, esta tese apresenta: (i) os problemas da utilização de ferramentas de simulação computacional para realizar investigação na área; (ii) os desafios da gestão dos recursos informáticos na nuvem; (iii) o framework de simulação computacional de nuvem chamado CloudSim Plus, para criação de simulações computacionais mais precisas e confiáveis; e (iv) o desenvolvimento de uma proposta para a colocação e migração de MVs. O CloudSim Plus utiliza diversos princípios de engenharia de software para aumentar a garantia de correto funcionamento da ferramenta e das simulações computacionais criadas, dando maior confiança nos resultados produzidos. Esta ferramenta é utilizada nesta tese para a implementação e avaliação de uma proposta distribuída de colocação e migração de MVs. A larga escala das infraestruturas de computação em nuvem, e inerente complexidade de algoritmos para otimização da alocação de recursos computacionais, exigem propostas com uma arquitetura distribuída, que objetivam dividir a carga de processamento de tais algoritmos para reduzir o tempo de procura de soluções sub-ótimas. O CloudSim Plus visa tanto: (i) resolver os problemas de fiabilidade e precisão do seu precursor CloudSim, quanto (ii) ser o estado-da-arte em ferramenta para simulação de propósito geral em computação em nuvem. A proposta de colocação e migração de MVs baseia-se na Teoria Moderna de Portfólios, amplamente utilizada no mercado financeiro para a criação de portfólios de investimento eficientes, onde o capital do investidor é alocado em diferentes ativos (como ações) para balancear risco e retorno. Uma vez que (i) o risco em infraestruturas de nuvem pode ser definido como a variação no uso ou disponibilidade de recursos computacionais para os clientes contratantes e (ii) o retorno sendo a devida alocação e uso de tais recursos pelos clientes, pode-se fazer um paralelo entre serviços de computação em nuvem e o mercado financeiro. A proposta representa uma prova de conceito da criação de simulações computacionais com o CloudSim Plus, de uma arquitetura distribuída, tolerante a faltas e com menor complexidade computacional em relação às propostas anteriores.
Description
Keywords
Computação em Nuvem Infraestrutura de Computação Infraestrutura como Serviço Migração de Máquinas Virtuais Colocação de Máquinas Virtuais Simulação Otimização Balanceamento de Carga Teoria Moderna dos Portfólios Framework CloudSim Plus