Model-driven adaptation of Function-as-a-Service applications

Abstract

This doctoral dissertation is situated in the research field of FaaS processing, cloud topology adaptation and administration. It consists of an approach suggesting the definition of a cloud and edge processing topology using the TOSCA standard. Also, the presented approach includes a novel way of updating the processing topology based on the criteria set by the DevOps.Concerning the description of the applications, research on the most important works from the state of the art was carried out, focusing on contemporary generic application description languages. Also, the expressivity of these application description languages is briefly presented, and a comparison of the modelling extensions and approach suggested in this work was made against one of the most important and ubiquitous description languages (Terraform).Related to the adaptation of applications, research on the available adaptation methods was performed, and a new rule-based methodology suggesting the use of ‘Severity’ of the situation of a topology is described. Severity values are obtained by factoring in all of the dynamic metric values involved in a violated rule, and based on these a relevant adaptation action is suggested. The exploitation of Severity values using different algorithms (techniques) allows different ways of countering workloads.In the context of the aforementioned research four software systems were created, of which two are open-sourced. The first is related to the creation of application topology descriptions, leveraging the new TOSCA extensions. The remaining are related to analysis of Severity techniques and the creation of adaptation actions based on Severity techniques, although in two of them additional techniques which are widely used in the industry were also implemented. One of these systems is a simulator.Severity was proven to allow the definition of techniques leading to improved results, as these were determined by a chosen utility function. The experiments which were carried both in the level of simulations but also in a realistic testbed, indicate the need to make appropriate decisions on the technique which should be used based on the workload which is served. The successful use of Severity in the context of OpenFaas, a well-known and realistic FaaS platform, to perform the adaptation indicates the feasibility of the approach.

H διδακτορική διατριβή τοποθετείται στην περιοχή της προσαρμογής και διαχείρισης υπολογιστικών τοπολογιών νέφους, της ειδικής κατηγορίας εφαρμογών FaaS. Προτείνει μια μεθοδολογία με την οποία μπορεί να γίνει ο ορισμός της τοπολογίας με βάση το TOSCA standard συμπεριλαμβάνοντας και πόρους στο άκρο του δικτύου. Επίσης, η μεθοδολογία συμπεριλαμβάνει μια καινοτόμα προσέγγιση για τη δυναμική ανανέωση της επεξεργαστικής τοπολογίας βάσει κριτηρίων που θέτει ο διαχειριστής της εφαρμογής.Σχετικά με το καθορισμό της περιγραφής των εφαρμογών, έγινε βιβλιογραφική επισκόπηση των σημαντικότερων προτάσεων που έχουν προταθεί, και βασίζονται σε σύγχρονες γενικές γλώσσες περιγραφής εφαρμογών. Επίσης συνοψίστηκε η εκφραστικότητα της κάθε γλώσσας περιγραφής σε σχέση με την αναλυόμενη περιοχή και πραγματοποιήθηκε σύγκριση με μία από τις σημαντικότερες και πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες γλώσσες περιγραφής (Terraform).Ως προς το ζήτημα της αναπροσαρμογής των εφαρμογών, πραγματοποιήθηκε έρευνα των υπαρχόντων τρόπων αναπροσαρμογής, και προτάθηκε μία νέα μεθοδολογία που βασίζεται σε κανόνες και αξιολογεί τη ‘Σοβαρότητα’ μιας κατάστασης (Severity) προκειμένου να προτείνει αντίστοιχες ενέργειες αναπροσαρμογής. Οι τιμές της ‘Σοβαρότητας’ προκυπτουν λαμβάνοντας υπόψιν όλες τις δυναμικές τιμές των μετρικών που σχετίζονται με τον εκάστοτε κανόνα. Η αξιοποίηση των τιμών της σοβαρότητας με διαφορετικές τεχνικές επιτρέπει διαφορετικούς τρόπους αντιμετώπισης των υπολογιστικών φορτίων.Πλαισιώνοντας τη παραπάνω έρευνα, δημιουργήθηκαν τέσσερα αυτοτελή υπολογιστικά συστήματα εκ των οποίων τα δύο αποτελούν λογισμικό ανοικτού κώδικα. Το πρώτο από αυτά σχετίζεται με την δημιουργία περιγραφών τοπολογίας εφαρμογών, ενσωματώνοντας τις νέες επεκτάσεις για τη γλώσσα TOSCA. Τα υπόλοιπα τρία αφορούν την πραγματοποίηση αναπροσαρμογής τοπολογιών αξιοποιώντας τεχνικές που βασίζονται πρώτιστα στην έννοια της Σοβαρότητας, ενώ σε δύο από τα συστήματα υποστηρίχθηκαν και άλλοι αλγόριθμοι οι οποίοι χρησιμοποιούνται ευρέως στη παραγωγή σήμερα. Ένα από τα παραπάνω συστήματα επιτρέπει τη διεξαγωγή προσομοιώσεων.Η νέα μεθοδολογία αναπροσαρμογής δείχτηκε ότι επιτρέπει τον ορισμό τεχνικών που οδηγούν σε καλύτερα αποτελέσματα σε αρκετές περιπτώσεις φορτίων μέσα από αντικειμενική συνάρτηση. Τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν σε επίπεδο προσομοιώσεων αλλά και πραγματικής τοπολογίας αποκαλύπτουν την ανάγκη επιλογής διαφορετικών τεχνικών ανάλογα με το υπολογιστικό φορτίο. Η πειραματική εφαρμογή της μεθοδολογίας αναπροσαρμογής που έγινε αξιοποιώντας μια δημοφιλή, πραγματική πλατφόρμα (OpenFaas) καταδεικνύει το εφικτό της προσέγγισης.