Autoelastic: explorando a elasticidade de recursos de computação em nuvem para a execução de aplicações de alto desempenho iterativa

• Ano de defesa: 2016
• Autor(a) principal: Rodrigues, Vinicius Facco
• Orientador(a): Righi, Rodrigo da Rosa
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Universidade do Vale do Rio dos Sinos
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Computação Aplicada
• Departamento: Escola Politécnica
• País: Brasil
• Palavras-chave em Português: Computação em nuvem; Elasticidade de recursos; Computação de alto desempenho
• Palavras-chave em Inglês: Cloud computing; Resource elasticity; High performance computing
• Área do conhecimento CNPq: ACCNPQ::Ciências Exatas e da Terra::Ciência da Computação
• Link de acesso: http://www.repositorio.jesuita.org.br/handle/UNISINOS/5242

Elasticidade de recursos é uma das características chave da Computação em Nuvem. Através dessa funcionalidade, recursos computacionais podem ser adicionados ou removidos ao ambiente a qualquer momento, permitindo aplicações escalarem dinamicamente, evitando provisionamento excessivo ou restrito de recursos. Considerando a área de computação de alto desempenho, conhecida também como HPC (High Performance Computing), iniciativas baseadas em sacola-de-tarefas utilizam um balanceador de carga e instâncias de máquinas virtuais (VM) fracamente acopladas. Neste cenário, os processos desempenham papéis independentes, facilitando a adição e remoção de VM’s pois o balanceador de carga se encarrega de distribuir tarefas entre os processos das VM’s ativas. Entretanto, aplicações HPC iterativas se caracterizam por serem fortemente acopladas e terem dificuldade de obter vantagem da elasticidade pois, em tais aplicações, geralmente os processos são fixos durante todo o tempo de execução. Devido a isso, a simples adição de novos recursos não garante que os mesmos serão utilizados pelos processos da aplicação. Além disso, a remoção de processos pode comprometer a inteira execução da aplicação, pois cada processo desempenha um papel fundamental em seu ciclo de execução. Aplicações iterativas voltadas para HPC são comumente implementadas utilizando MPI (Message Passing Interface) e neste contexto, fazer o uso da elasticidade torna-se um desafio pois é necessária a reescrita do código fonte para o tratamento da reorganização de recursos. Tal estratégia muitas vezes requer um conhecimento prévio do comportamento da aplicação, sendo necessárias interrupções do fluxo de execução nos momentos de reorganização de recursos. Além disso, utilizando MPI 2.0, em que há a possibilidade da alteração da quantidade de processos em tempo de execução, existem problemas relacionados em como tirar proveito da elasticidade pois o desenvolvedor deve por si mesmo gerenciar a reorganização da topologia de comunicação. Ainda, consolidações repentinas de máquinas virtuais que executam processos da aplicação podem comprometer a sua execução. Focando nessas questões, propõe-se nessa dissertação um modelo de elasticidade baseado na camada PaaS (Platform as a Service) da nuvem, chamado AutoElastic. AutoElastic age como um middleware permitindo que aplicações HPC iterativas obtenham vantagem do provisionamento de recursos dinâmico de uma infraestrutura de nuvem sem a necessidade de modificações no código fonte. AutoElastic oferece a elasticidade de forma automática, não sendo necessária a configuração de regras por parte do usuário. O mecanismo de elasticidade conta com a utilização de threholds fixos além de oferecer uma nova abordagem em que eles se auto ajustam durante a execução da aplicação. Ainda, AutoElastic oferece também um novo conceit o nomeado como elasticidade assíncrona, o qual oferece um arcabouço para permitir que a execução de aplicações não seja bloqueada enquanto recursos são adicionados ou removidos do ambiente. A viabilidade de AutoElastic é demonstrada através de um protótipo que executa uma aplicação de integração numérica CPU-Bound sobre a plataforma de nuvem OpenNebula. Resultados com tal aplicação demonstraram ganhos de desempenho de 28,4% a 59% quando comparadas diferentes execuções elásticas e não elásticas. Além disso, testes com diferentes parametrizações de thresholds e diferentes cargas de trabalho demonstraram que no uso de thresholds fixos, o valor do threshold superior possui maior impacto que o inferior no desempenho e consumo de recursos por parte da aplicação.