This thesis discusses software containers (Docker containers in particular) as a variant of server virtualization. Instead of virtualizing hardware, software containers rest on top of a single operating system instance and are much more efficient than hypervisors in system resource terms. Docker containers make it easy to package and ship applications, and guarantee that applications will always run the same, regardless of the environment they are running in. There is a whole range of use cases of containers, this work examines their usage in the field of software testing. The thesis proposes three main use case categories for running software systems in Docker containers. It introduces aspects for applications running in containers, which should give a better overview about an application setting within containers infrastructure. Subsequently, possible issues with testing software systems running inside Docker containers are discussed and the testing methods which address the presented issues are proposed. One proposed testing method was also used in the implementation of the framework for testing software running in Docker containers which was developed within this work.

With the current developments in modern web browsers, WebAssembly has been a rising trend over the last four years. Aimed at replacing bits of JavaScript functionality, it attempts to bring extra features to achieve portability and sandboxing through virtualisation. After the release of the WebAssembly System Interface, more and more projects have been working on using it outside web pages and browsers, in scenarios such as embedded, serverless, or distributed computing. This is thus not only relevant to the web and its clients, but also to applications in distributed systems. Considering the novelty of the topic, there is currently very little related scientific literature. With constant changes in development, proposals and goals, there is a large gap in relevant research. We aim to help bridge this gap by focusing on Rust and Arc-Lang, a domain-specific language for data analytics, in order to provide an overview of how far the technology has progressed, in addition to what runtimes there are and how they work. We investigate what kind of use case WebAssembly could have in the context of distributed systems, as well as how it can benefit data processing pipelines. Even though the technology is still immature at first glance, it is worth checking whether its proposals have been implemented, and how its performance compared to that of native Rust can affect data processing in a pipeline. We show this by benchmarking a filter program as part of a distributed container environment, while looking at different WebAssembly compilers such as Cranelift and LLVM. Then, we compare the resulting statistics to native Rust and present a synopsis of the state of WebAssembly in a distributed context. / I takt med den nuvarande utvecklingen av moderna webbläsare har WebAssembly stigit i trend under de senaste fyra åren. WebAssembly har som syfte att ersätta och utöka JavaScript med funktionalitet som är portabel och isolerad från omvärlden genom virtualisering. Efter lanseringen av WebAssembly System Interface har fler och fler projekt börjat applicera WebAssembly utanför webbsidor och webbläsare, i scenarier som inbäddade, serverlösa eller distribuerade beräkningar. Detta har gjort WebAssembly till ett språk som inte bara är relevant för webben och dess användare, utan även för applikationer i distribuerade system. Med tanke på ämnets framkant finns det för närvarande väldigt lite relaterad vetenskaplig litteratur. Ständiga förändringar i utveckling, förslag och mål har resulterat i stort gap i relevant forskning. Vi strävar efter att hjälpa till att överbrygga denna klyfta genom att studera WebAssembly i perspektivet av Rust och Arc-Lang, ett domänspecifikt språk för dataanalys, för att ge en översikt över hur långt tekniken har kommit, och samt utreda vilka exekveringssystem som finns och hur de fungerar. Vi undersöker vilken typ av användning WebAssembly kan ha i samband med distribuerade system, samt hur det kan gynna databehandlingspipelines. Även om tekniken fortfarande är ny vid första anblicken, är det värt att kontrollera om dess förslag har implementerats och hur dess prestanda gentemot Rust kan påverka databehandling i en pipeline. Vi visar detta genom att benchmarka ett filtreringsprogram som en del av en distribuerad containermiljö, samtidigt som vi tittar på olika WebAssembly-kompilatorer som exempelvis Cranelift och LLVM. Vi jämför resultaten med Rust och presenterar en sammanfattning av WebAssemblys tillstånd i sammanhanget av distribuerade system.

Canvas is a LMS used by many colleges, universities, and K-12 schools. The primary purpose of Canvas is for the instructors to organize courses, create assignments, and enter students’ grades. Canvas LMS is a web application. The response time performance of the Canvas is essential for its users. Both instructors and students claim that they experience slow response times from this system. Given the vast numbers of users, the effect of delayed responses is multiplied by a very large number; hence, improving the performance of such a system has a large economic and social impact. Moreover, many other applications utilize a set of services that communicate to realize the overall web service; hence, the results could also positively impact other services. This thesis focuses on the Canvas when running in a Docker container environment and proposes solutions to tune the system to optimize the performance of Canvas. This thesis uses experiments on the following aspects of the Canvas: Canvas RESTful API, Canvas GUI, the underlying system of the Docker containers, Canvas webserver, VM configurations, etc. This thesis provides tuning and optimization suggestions that could benefit Canvas developers and Canvas administrators. / Canvas är en Lärplattform (eng. Learning Management System(LMS)) används av många högskolor, universitet och K-12-skolor. Canvas huvudsakliga syfte är att instruktörerna ska organisera kurser, skapa uppdrag och ange elevernas betyg. Canvas LMS är en webbapplikation. Svarstider prestanda för Canvas är avgörande för användarna. Både instruktörer och studenter hävdar att de upplever långsamma svarstider från detta system. Med tanke på det stora antalet användare multipliceras effekten av fördröjda svar med ett mycket stort antal; följaktligen har förbättring av prestanda för ett sådant system en stor ekonomisk och social inverkan. Dessutom använder många andra applikationer en uppsättning tjänster som kommunicerar för att förverkliga den övergripande webbtjänsten; därför kan resultaten också påverka andra tjänster positivt. Denna avhandling fokuserar på Canvas när den körs i en Docker-behållare miljö och föreslår lösningar för att justera systemet för att optimera prestandan för Canvas. Denna avhandling använder experiment på följande aspekter av Canvas: Canvas RESTful applikationsprogrammeringsgränssnitt (API), Canvas grafiskt användargränssnitt (GUI), det underliggande systemet för Docker-behållare, Canvas-webbserver, virtuella maskin (VM)-konfigurationer, osv. Denna avhandling ger prestanda justering och optimering förslagsom kan gynna Canvas-utvecklare och Canvas-administratörer.

Learning Management Systems (LMSs) are widely used in higher education to improve the learning, teaching, and administrative tasks for both students and instructors. Such systems enrich the educational experience by integrating a wide range of services, such as on-demand course material and training, thus empowering students to achieve their learning outcomes at their own pace. Courses in various sub-fields of Computer Science that seek to provide rich electronic learning (e-learning) experience depend on exercise material being offered in the forms of quizzes, programming exercises, laboratories, simulations, etc. Providing hands on experience in courses such as Internetworking could be facilitated by providing laboratory exercises based on virtual machine environments where the student studies the performance of different internet protocols under different conditions (such as different throughput bounds, error rates, and patterns of changes in these conditions). Unfortunately, the integration of such exercises and their tailored virtual environments is not yet very popular in LMSs. This thesis project investigates the generation of on-demand virtual exercise environments using cloud infrastructures and integration with an LMS to provide a rich e-learning in an Internetworking course. The software deliverable of this project enables instructors to dynamically instantiate virtual laboratories without incurring the overhead of running and maintaining their own physical infrastructure. This sets the foundations for a virtual classroom that can scale in response to higher system utilization during specific periods of the academic calendar. / Lärplattformar (eng. Learning Management Systems (LMS)) används i stor utsträckning för högre utbildning för att förbättra lärande, undervisning och administrativa uppgifter för både studenter och instruktörer. Sådana system berikar den pedagogiska erfarenheten genom att integrera ett brett utbud av tjänster, såsom on-demand kursmaterial och träning, vilket ger studenterna möjlighet att uppnå sina lärandemål i egen takt. Kurser inom olika delområden av datavetenskap som syftar till att ge en bred erfarenhet av elektroniskt lärande (e-learning) har träningsmaterial i form av frågesporter, programmeringsövningar, laboratorier, simuleringar etc. Praktiskt erfarenhet i kurser som Internetworking kan underlättas genom att tillhandahålla laboratorieövningar baserade på virtuella maskinmiljöer där studenten studerar prestanda för olika internetprotokoll under olika förhållanden (t.ex. olika gränsvärden, felfrekvenser och förändringsmönster under dessa förhållanden). Tyvärr är integrationen av sådana övningar och deras skräddarsydda virtuella miljöer ännu inte populär i LMSs. Detta examensarbete undersöker generering av virtuella träningsmiljöer på begäran med hjälp av molninfrastruktur och integration med en LMS för att ge ett rikt e-lärande i en Internetworking-kurs. Programvaran som levereras av detta projekt gör det möjligt för instruktörer att dynamiskt instansera virtuella laboratorier utan att behöva hantera sin egen fysiska infrastruktur. Detta sätter grunden för ett virtuellt klassrum som kan skala med högre systemutnyttjande under specifika perioder av den akademiska kalendern.

This thesis investigates the possibility of communication with a PCI eXtensions for Instrumentation (PXI) system from inside of a container or a virtual machine (VM). While the usage of virtual environments with PCI have been established, it was unknown whether it is possible to have an application running inside of a virtual environment and have it communicate with a PXI system outside this environment. Should it be possible to have communication with a PXI system from inside of a virtual environment, this would make it possible to have a virtual environment prepared with all the necessary software for the PXI and this virtual environment could be transferred and installed into other computers without the need to change any of the software.The investigation was done by creating several different test environments to better understand how both the PXI drivers and the virtual environment work and to see how they interact with each other.While it turned out not to be possible to realize such a virtual environment using the equipment described in this thesis, it was learned that it was theoretically possible to make use of VM for communication with a PXI system, although doing this in practice is dependant on the specific PXI modules involved. / Denna avhandling undersöker möjligheten för kommunikation med ett PCI eXtensions for Instrumentation (PXI) system från inuti en container eller en virtuell maskin (VM). Medan användandet av virtuella miljöer med Peripheral Component Interconnect (PCI) är etablerat, det är i nuläget inte känt om det är möjligt att ha en applikation körandes inuti en virtuell miljö och ha den kommunicera med ett PXI system utanför denna miljö. Om det vore möjligt att ha kommunikation från inuti den virtuella miljö, skulle det vara möjligt att ha en virtuell miljö förbered med all nödvändig mjukvara för PXI som kan flyttas och installeras i nya fysiska platser utan att behöva göra ändringar i mjukvaran. Denna undersökningen gjordes genom att skapa flera olika test miljöer för att att ska en bättre förståelse för hur både PXI drivare och den virtuella miljön fungerar och hur de interagerar med varandra. Trots att det visade sig inte var möjligt med den utrustning som beskrivs i denna avhandling, det vissade sig dock vara teoretiskt möjligt att använda VM för kommunikation med PXI system, men det är då starkt beroende på vad för PXI moduler involverade.

At KTH, students who want to start their degree project must complete a paper form called “UT-EXAR: Ansökan om examensarbete/application for degree project”. The form is used to determine students’ eligibility to start a degree project, as well as potential examiners for the project. After the form is filled in and signed by multiple parties, a student can initiate his or her degree project. However, due to the excessively time-consuming process of completing the form, an alternative solution was proposed: a survey in the Canvas Learning Management System (LMS) that replace s the UT-EXAR form. Although the survey reduces the time required by students to provide information and find examiners, it is by no means the most efficient solution. The survey suffers from multiple flaws, such as asking students to answer unnecessary questions, and for certain questions, presenting students with more alternatives than necessary. The survey also fails to automatically organize the data collected from the students’ answers; hence administrators must manually enter the data into a spreadsheet or other record. This thesis proposes an optimized solution to the problem by introducing a dynamic survey. Moreover, this dynamic survey uses the Canvas Representational State Transfer (REST) API to access students’ program-specific data. Additionally, this survey can use data provided by students when answering the survey questions to dynamically construct questions for each individual student as well as using information from other KTH systems to dynamically construct customized alternatives for each individual student. This solution effectively prevents the survey from presenting students with questions and choices that are irrelevant to their individual case. Furthermore, the proposed solution directly inserts the data collected from the students into a Canvas Gradebook. In order to implement and test the proposed solution, a version of the Canvas LMS was created by virtualizing each Canvas-based microservice inside of a Docker container and allowing the containers to communicate over a network. Furthermore, the survey itself used the Learning Tools Interoperability (LTI) standard. When testing the solution, it was seen that the survey has not only successfully managed to filter the questions and alternative answers based on the user’s data, but also showed great potential to be more efficient than a survey with statically-presented data. The survey effectively automates the insertion of the data into the gradebook. / På KTH, studenter som skall påbörja sitt examensarbete måste fylla i en blankett som kallas “UT-EXAR: Ansökan om examensarbete/application for degree project”. Blanketten används för att bestämma studenters behörighet för att göra examensarbete, samt potentiella examinator för projektet. Efter att blanketten är fylld och undertecknad av flera parter kan en student påbörja sitt examensarbete. Emellertid, på grund av den alltför tidskrävande processen med att fylla blanketten, var en alternativ lösning föreslås: en särskild undersökning i Canvas Lärplattform (eng. Learning Management System(LMS)) som fungerar som ersättare för UT-EXAR-formulär. Trots att undersökningen har lyckats minska den tid som krävs av studetenter för att ge information och hitta examinator, det är inte den mest effektiva lösningen. Undersökningen lider av flera brister, såsom att få studenterna att svara på fler frågor än vad som behövs, och för vissa frågor, presenterar studenter med fler svarsalternativ än nödvändigt. Undersökningen inte heller automatiskt med att organisera data som samlats in från studenters svar. Som ett resultat skulle en administratör behöva organisera data manuellt i ett kalkylblad. Detta examensarbete föreslår en mer optimerad lösning på problemet: omskrivning av undersökningens funktionaliteter för att använda Representational State Transfer(REST) API för att komma åt studenters programspecifika data i back-end, såväl att använda speciella haschar för att hålla referenser till uppgifter som lämnas av studenterna när de svarar på frågorna i undersökningen, så att undersökningen inte bara kan använda dessa data för att dynamiskt konstruera frågor för varje enskild student, men också dynamiskt konstruera svarsalternativ för varje enskild student. Denna lösning förhindrar effektivt undersökningen från att presentera studenter med frågor och valbara svarsalternativ som är helt irrelevanta för var och en av deras individuella fall. Med den föreslagna lösningen kommer undersökningen dessutom att kunna organisera de data som samlats in från Studenterna till ett speciellt Canvas-baserat kalkyllblad, kallas som Betygsbok. För att genomföra och testa den förslagna lösningen skapades en testbar version av Canvas LMS genom att virtualisera varje Canvas-baserad mikroservice inuti en dockercontainer och tillåter containers att kommunicera över ett nätverk. Dessutom var undersökningen själv konfigurerad för att använda Lärverktyg Interoperability (LTI) standard. Vid testning av lösningen, det visade sig att undersökningen på ett sätt effektivt har lyckats använda vissa uppgifter från en testanvändare att bara endast svara på de relevanta frågorna, men också presentera användaren med en mer kondenserad lista svarsalternativ över baserat på data.<p>

In the rapidly evolving landscape of the Internet of Things (IoT), ensuring consistency and reliability becomes a top priority for a seamless user experience. In many instances, reliability is assessed through Quality of Service (QoS) metrics, sidelining traditional reliability metrics that thrive on time-dependent failure rates. The lack of a comprehensive framework that fully integrates all layers of an IoT system adds to the complexity. This gap makes it difficult to pinpoint specific areas that need improvement and to conduct a thorough assessment of the system’s reliability. This project addresses this intricate challenge, which holds significant relevance for industry professionals but remains unresolved. The project introduced an IoT architecture spanning the Power, Device, Edge, Application, and Cloud Layers. Within each layer, potential failure points were identified, and the reliability was analysed deploying time-based failure rates with an exponential distribution. Reliability Block Diagrams (RBDs) were employed to map the intricate inter-dependencies, though the framework’s adaptive nature allows for other system reliability methodologies. One of the primary outcomes of this research is the development of a new framework tailored for evaluating the reliability of various IoT system components. This framework yields insights into both system reliability and availability over time, serving as a pivotal tool for stakeholders such as device manufacturers, system integrators, network providers, and research institutions. The results show how the framework emerges as a pivotal starting point for IoT system reliability evaluation. Before this thesis, the feasibility of such a framework was uncertain, with concerns about its potential bias – being either too pessimistic or optimistic. Yet, the tangible results from this work affirm its capability to provide a balanced and reasonable reliability estimation, given the intricacies of IoT devices. This paves the way for subsequent research, enabling a deeper dive into targeted enhancements and fostering a nuanced understanding of IoT reliability. / I det snabbt föränderliga IoT-landskapet (Internet of Things) är det av högsta prioritet att säkerställa konsekvens och tillförlitlighet för en sömlös användarupplevelse. I många fall bedöms tillförlitligheten med hjälp av QoSmått (Quality of Service), vilket innebär att traditionella tillförlitlighetsmått som bygger på tidsberoende felfrekvenser åsidosätts. Avsaknaden av ett heltäckande ramverk som integrerar alla lager i ett IoT-system bidrar till komplexiteten. Denna brist gör det svårt att identifiera specifika områden som behöver förbättras och att göra en grundlig bedömning av systemets tillförlitlighet. Detta projekt tar itu med denna komplicerade utmaning, som har stor relevans för branschfolk men som fortfarande inte har lösts. Projektet introducerade en IoT-arkitektur som spänner över kraft-, enhets-, Edge-, applikationsoch molnlagren. Inom varje lager identifierades potentiella felpunkter och tillförlitligheten analyserades med hjälp av tidsbaserade felfrekvenser med en exponentiell fördelning. Tillförlitlighetsblockdiagram (RBD) användes för att kartlägga de komplicerade ömsesidiga beroendena, även om ramverkets adaptiva natur möjliggör andra metoder för systemtillförlitlighet. Ett av de främsta resultaten av denna forskning är utvecklingen av ett nytt ramverk som är skräddarsytt för att utvärdera tillförlitligheten hos olika IoT-systemkomponenter. Detta ramverk ger insikter om både systemets tillförlitlighet och tillgänglighet över tid, och fungerar som ett viktigt verktyg för intressenter som tillverkare av enheter, systemintegratörer, nätverksleverantörer och forskningsinstitutioner. Resultaten visar hur ramverket framstår som en viktig utgångspunkt för utvärdering av IoT-systemens tillförlitlighet. Före den här avhandlingen var det osäkert om ett sådant ramverk var genomförbart, med farhågor om dess potentiella partiskhet - att vara antingen för pessimistisk eller optimistisk. De konkreta resultaten från detta arbete bekräftar dock ramverkets förmåga att ge en balanserad och rimlig uppskattning av tillförlitligheten, med tanke på IoT-enheternas komplexitet. Detta banar väg för efterföljande forskning, vilket möjliggör en djupare analys av riktade förbättringar och främjar en nyanserad förståelse av IoT-tillförlitlighet.