A user-centered and autonomic multi-cloud architecture for high performance computing applications

Abstract

A computação em nuvem tem sido considerada como uma opção para executar aplicações de alto desempenho. Entretanto, enquanto as plataformas de alto desempenho tradicionais como grid e supercomputadores oferecem um ambiente estável quanto à falha, desempenho e número de recursos, a computação em nuvem oferece recursos sob demanda, geralmente com desempenho imprevisível à baixo custo financeiro. Além disso, em ambiente de nuvem, as falhas fazem parte da sua normal operação. No entanto, as nuvens podem ser combinadas, criando uma federação, para superar os limites de uma nuvem muitas vezes com um baixo custo para os usuários. A federação de nuvens pode ajudar tanto os provedores quanto os usuários das nuvens a atingirem diferentes objetivos tais como: reduzir o tempo de execução de uma aplicação, reduzir o custo financeiro, aumentar a disponibilidade do ambiente, reduzir o consumo de energia, entre outros. Por isso, a federação de nuvens pode ser uma solução elegante para evitar o sub-provisionamento de recursos ajudando os provedores a reduzirem os custos operacionais e a reduzir o número de recursos ativos, que outrora ficariam ociosos consumindo energia, por exemplo. No entanto, a federação de nuvens aumenta as opções de recursos disponíveis para os usuários, requerendo, em muito dos casos, conhecimento em administração de sistemas ou em computação em nuvem, bem como um tempo considerável para aprender sobre as opções disponíveis. Neste contexto, surgem algumas questões, tais como: (a) qual dentre os recursos disponíveis é apropriado para uma determinada aplicação? (b) como os usuários podem executar suas aplicações na nuvem e obter um desempenho e um custo financeiro aceitável, sem ter que modificá-las para atender as restrições do ambiente de nuvem? (c) como os usuários não especialistas em nuvem podem maximizar o uso da nuvem, sem ficar dependente de um provedor? (d) como os provedores podem utilizar a federação para reduzir o consumo de energia dos datacenters e ao mesmo tempo atender os acordos de níveis de serviços? A partir destas questões, este trabalho apresenta uma solução para consolidação de aplicações em nuvem federalizadas considerando os acordos de serviços. Nossa solução utiliza um sistema multi-agente para negociar a migração das máquinas virtuais entres as nuvens. Simulações mostram que nossa abordagem pode reduzir em até 46% o consumo de energia e atender os requisitos de qualidade. Nós também desenvolvemos e avaliamos uma solução para executar uma aplicação de bioinformática em nuvens federalizadas, a custo zero. Nesse caso, utilizando a federação, conseguimos diminuir o tempo de execução da aplicação em 22,55%, considerando o seu tempo de execução na melhor nuvem. Além disso, este trabalho apresenta uma arquitetura chamada Excalibur, que possibilita escalar a execução de aplicações comuns em nuvem. Excalibur conseguiu escalar automaticamente a execução de um conjunto de aplicações de bioinformática em até 11 máquinas virtuais, reduzindo o tempo de execução em 63% e o custo financeiro em 84% quando comparado com uma configuração definida pelos usuários. Por fim, este trabalho apresenta um método baseado em linha de produto de software para lidar com as variabilidades dos serviços oferecidos por nuvens de infraestrutura (IaaS), e um sistema que utiliza deste processo para configurar o ambiente e para lidar com falhas de forma automática. O nosso método utiliza modelo de feature estendido com atributos para descrever os recursos e para selecioná-los com base nos objetivos dos usuários. Experimentos realizados com dois provedores diferentes mostraram que utilizando o nosso processo, os usuários podem executar as suas aplicações em um ambiente de nuvem federalizada, sem conhecer as variabilidades e limitações das nuvens.