Esta tese se concentra no escalonamento de operações de entrada e saída (E/S) como uma solução para melhorar o desempenho de sistemas de arquivos paralelos, aleviando os efeitos da interferência. É usual que sistemas de computação de alto desempenho (HPC) ofereçam uma infraestrutura compartilhada de armazenamento para as aplicações. Nessa situação, em que múltiplas aplicações acessam o sistema de arquivos compartilhado de forma concorrente, os acessos das aplicações causarão interferência uns nos outros, comprometendo a eficácia de técnicas para otimização de E/S. Uma avaliação extensiva de desempenho foi conduzida, abordando cinco algoritmos de escalonamento trabalhando nos servidores de dados de um sistema de arquivos paralelo. Foram executados experimentos em diferentes plataformas e sob diferentes padrões de acesso. Os resultados indicam que os resultados obtidos pelos escalonadores são afetados pelo padrão de acesso das aplicações, já que é importante que o ganho de desempenho provido por um algoritmo de escalonamento ultrapasse o seu sobrecusto. Ao mesmo tempo, os resultados do escalonamento são afetados pelas características do subsistema local de E/S - especialmente pelos dispositivos de armazenamento. Dispositivos diferentes apresentam variados níveis de sensibilidade à sequencialidade dos acessos e ao seu tamanho, afetando o quanto técnicas de escalonamento de E/S são capazes de aumentar o desempenho. Por esses motivos, o principal objetivo desta tese é prover escalonamento de E/S com dupla adaptabilidade: às aplicações e aos dispositivos. Informações sobre o padrão de acesso das aplicações são obtidas através de arquivos de rastro, vindos de execuções anteriores. Aprendizado de máquina foi aplicado para construir um classificador capaz de identificar os aspectos espacialidade e tamanho de requisição dos padrões de acesso através de fluxos de requisições anteriores. Além disso, foi proposta uma técnica para obter eficientemente a razão entre acessos sequenciais e aleatórios para dispositivos de armazenamento, executando testes para apenas um subconjunto dos parâmetros e estimando os demais através de regressões lineares. Essas informações sobre características de aplicações e dispositivos de armazenamento são usadas para decidir a melhor escolha em algoritmo de escalonamento através de uma árvore de decisão. A abordagem proposta aumenta o desempenho em até 75% sobre uma abordagem que usa o mesmo algoritmo para todas as situações, sem adaptabilidade. Além disso, essa técnica melhora o desempenho para até 64% mais situações, e causa perdas de desempenho em até 89% menos situações. Os resultados obtidos evidenciam que ambos aspectos - aplicações e dispositivos de armazenamento - são essenciais para boas decisões de escalonamento. Adicionalmente, apesar do fato de não haver algoritmo de escalonamento capaz de prover ganhos de desempenho para todas as situações, esse trabalho mostra que através da dupla adaptabilidade é possível aplicar técnicas de escalonamento de E/S para melhorar o desempenho, evitando situações em que essas técnicas prejudicariam o desempenho. / This thesis focuses on I/O scheduling as a tool to improve I/O performance on parallel file systems by alleviating interference effects. It is usual for High Performance Computing (HPC) systems to provide a shared storage infrastructure for applications. In this situation, when multiple applications are concurrently accessing the shared parallel file system, their accesses will affect each other, compromising I/O optimization techniques’ efficacy. We have conducted an extensive performance evaluation of five scheduling algorithms at a parallel file system’s data servers. Experiments were executed on different platforms and under different access patterns. Results indicate that schedulers’ results are affected by applications’ access patterns, since it is important for the performance improvement obtained through a scheduling algorithm to surpass its overhead. At the same time, schedulers’ results are affected by the underlying I/O system characteristics - especially by storage devices. Different devices present different levels of sensitivity to accesses’ sequentiality and size, impacting on how much performance is improved through I/O scheduling. For these reasons, this thesis main objective is to provide I/O scheduling with double adaptivity: to applications and devices. We obtain information about applications’ access patterns through trace files, obtained from previous executions. We have applied machine learning to build a classifier capable of identifying access patterns’ spatiality and requests size aspects from streams of previous requests. Furthermore, we proposed an approach to efficiently obtain the sequential to random throughput ratio metric for storage devices by running benchmarks for a subset of the parameters and estimating the remaining through linear regressions. We use this information on applications’ and storage devices’ characteristics to decide the best fit in scheduling algorithm though a decision tree. Our approach improves performance by up to 75% over an approach that uses the same scheduling algorithm to all situations, without adaptability. Moreover, our approach improves performance for up to 64% more situations, and decreases performance for up to 89% less situations. Our results evidence that both aspects - applications and storage devices - are essential for making good scheduling choices. Moreover, despite the fact that there is no scheduling algorithm able to provide performance gains for all situations, we show that through double adaptivity it is possible to apply I/O scheduling techniques to improve performance, avoiding situations where it would lead to performance impairment.

abstract: Android has been the dominant platform in which most of the mobile development is being done. By the end of the second quarter of 2014, 84.7 percent of the entire world mobile phones market share had been captured by Android. The Android library internally uses the modified Linux kernel as the part of its stack. The I/O scheduler, is a part of the Linux kernel, responsible for scheduling data requests to the internal and the external memory devices that are attached to the mobile systems. The usage of solid state drives in the Android tablet has also seen a rise owing to its speed of operation and mechanical stability. The I/O schedulers that exist in the present Linux kernel are not better suited for handling solid state drives in particular to exploit the inherent parallelism offered by the solid state drives. The Android provides information to the Linux kernel about the processes running in the foreground and background. Based on this information the kernel decides the process scheduling and the memory management, but no such information exists for the I/O scheduling. Research shows that the resource management could be done better if the operating system is aware of the characteristics of the requester. Thus, there is a need for a better I/O scheduler that could schedule I/O operations based on the application and also exploit the parallelism in the solid state drives. The scheduler proposed through this research does that. It contains two algorithms working in unison one focusing on the solid state drives and the other on the application awareness. The Android application context aware scheduler has the features of increasing the responsiveness of the time sensitive applications and also increases the throughput by parallel scheduling of request in the solid state drive. The suggested scheduler is tested using standard benchmarks and real-time scenarios, the results convey that our scheduler outperforms the existing default completely fair queuing scheduler of the Android. / Dissertation/Thesis / Masters Thesis Computer Science 2014

Esta tese se concentra no escalonamento de operações de entrada e saída (E/S) como uma solução para melhorar o desempenho de sistemas de arquivos paralelos, aleviando os efeitos da interferência. É usual que sistemas de computação de alto desempenho (HPC) ofereçam uma infraestrutura compartilhada de armazenamento para as aplicações. Nessa situação, em que múltiplas aplicações acessam o sistema de arquivos compartilhado de forma concorrente, os acessos das aplicações causarão interferência uns nos outros, comprometendo a eficácia de técnicas para otimização de E/S. Uma avaliação extensiva de desempenho foi conduzida, abordando cinco algoritmos de escalonamento trabalhando nos servidores de dados de um sistema de arquivos paralelo. Foram executados experimentos em diferentes plataformas e sob diferentes padrões de acesso. Os resultados indicam que os resultados obtidos pelos escalonadores são afetados pelo padrão de acesso das aplicações, já que é importante que o ganho de desempenho provido por um algoritmo de escalonamento ultrapasse o seu sobrecusto. Ao mesmo tempo, os resultados do escalonamento são afetados pelas características do subsistema local de E/S - especialmente pelos dispositivos de armazenamento. Dispositivos diferentes apresentam variados níveis de sensibilidade à sequencialidade dos acessos e ao seu tamanho, afetando o quanto técnicas de escalonamento de E/S são capazes de aumentar o desempenho. Por esses motivos, o principal objetivo desta tese é prover escalonamento de E/S com dupla adaptabilidade: às aplicações e aos dispositivos. Informações sobre o padrão de acesso das aplicações são obtidas através de arquivos de rastro, vindos de execuções anteriores. Aprendizado de máquina foi aplicado para construir um classificador capaz de identificar os aspectos espacialidade e tamanho de requisição dos padrões de acesso através de fluxos de requisições anteriores. Além disso, foi proposta uma técnica para obter eficientemente a razão entre acessos sequenciais e aleatórios para dispositivos de armazenamento, executando testes para apenas um subconjunto dos parâmetros e estimando os demais através de regressões lineares. Essas informações sobre características de aplicações e dispositivos de armazenamento são usadas para decidir a melhor escolha em algoritmo de escalonamento através de uma árvore de decisão. A abordagem proposta aumenta o desempenho em até 75% sobre uma abordagem que usa o mesmo algoritmo para todas as situações, sem adaptabilidade. Além disso, essa técnica melhora o desempenho para até 64% mais situações, e causa perdas de desempenho em até 89% menos situações. Os resultados obtidos evidenciam que ambos aspectos - aplicações e dispositivos de armazenamento - são essenciais para boas decisões de escalonamento. Adicionalmente, apesar do fato de não haver algoritmo de escalonamento capaz de prover ganhos de desempenho para todas as situações, esse trabalho mostra que através da dupla adaptabilidade é possível aplicar técnicas de escalonamento de E/S para melhorar o desempenho, evitando situações em que essas técnicas prejudicariam o desempenho. / This thesis focuses on I/O scheduling as a tool to improve I/O performance on parallel file systems by alleviating interference effects. It is usual for High Performance Computing (HPC) systems to provide a shared storage infrastructure for applications. In this situation, when multiple applications are concurrently accessing the shared parallel file system, their accesses will affect each other, compromising I/O optimization techniques’ efficacy. We have conducted an extensive performance evaluation of five scheduling algorithms at a parallel file system’s data servers. Experiments were executed on different platforms and under different access patterns. Results indicate that schedulers’ results are affected by applications’ access patterns, since it is important for the performance improvement obtained through a scheduling algorithm to surpass its overhead. At the same time, schedulers’ results are affected by the underlying I/O system characteristics - especially by storage devices. Different devices present different levels of sensitivity to accesses’ sequentiality and size, impacting on how much performance is improved through I/O scheduling. For these reasons, this thesis main objective is to provide I/O scheduling with double adaptivity: to applications and devices. We obtain information about applications’ access patterns through trace files, obtained from previous executions. We have applied machine learning to build a classifier capable of identifying access patterns’ spatiality and requests size aspects from streams of previous requests. Furthermore, we proposed an approach to efficiently obtain the sequential to random throughput ratio metric for storage devices by running benchmarks for a subset of the parameters and estimating the remaining through linear regressions. We use this information on applications’ and storage devices’ characteristics to decide the best fit in scheduling algorithm though a decision tree. Our approach improves performance by up to 75% over an approach that uses the same scheduling algorithm to all situations, without adaptability. Moreover, our approach improves performance for up to 64% more situations, and decreases performance for up to 89% less situations. Our results evidence that both aspects - applications and storage devices - are essential for making good scheduling choices. Moreover, despite the fact that there is no scheduling algorithm able to provide performance gains for all situations, we show that through double adaptivity it is possible to apply I/O scheduling techniques to improve performance, avoiding situations where it would lead to performance impairment.

Esta tese se concentra no escalonamento de operações de entrada e saída (E/S) como uma solução para melhorar o desempenho de sistemas de arquivos paralelos, aleviando os efeitos da interferência. É usual que sistemas de computação de alto desempenho (HPC) ofereçam uma infraestrutura compartilhada de armazenamento para as aplicações. Nessa situação, em que múltiplas aplicações acessam o sistema de arquivos compartilhado de forma concorrente, os acessos das aplicações causarão interferência uns nos outros, comprometendo a eficácia de técnicas para otimização de E/S. Uma avaliação extensiva de desempenho foi conduzida, abordando cinco algoritmos de escalonamento trabalhando nos servidores de dados de um sistema de arquivos paralelo. Foram executados experimentos em diferentes plataformas e sob diferentes padrões de acesso. Os resultados indicam que os resultados obtidos pelos escalonadores são afetados pelo padrão de acesso das aplicações, já que é importante que o ganho de desempenho provido por um algoritmo de escalonamento ultrapasse o seu sobrecusto. Ao mesmo tempo, os resultados do escalonamento são afetados pelas características do subsistema local de E/S - especialmente pelos dispositivos de armazenamento. Dispositivos diferentes apresentam variados níveis de sensibilidade à sequencialidade dos acessos e ao seu tamanho, afetando o quanto técnicas de escalonamento de E/S são capazes de aumentar o desempenho. Por esses motivos, o principal objetivo desta tese é prover escalonamento de E/S com dupla adaptabilidade: às aplicações e aos dispositivos. Informações sobre o padrão de acesso das aplicações são obtidas através de arquivos de rastro, vindos de execuções anteriores. Aprendizado de máquina foi aplicado para construir um classificador capaz de identificar os aspectos espacialidade e tamanho de requisição dos padrões de acesso através de fluxos de requisições anteriores. Além disso, foi proposta uma técnica para obter eficientemente a razão entre acessos sequenciais e aleatórios para dispositivos de armazenamento, executando testes para apenas um subconjunto dos parâmetros e estimando os demais através de regressões lineares. Essas informações sobre características de aplicações e dispositivos de armazenamento são usadas para decidir a melhor escolha em algoritmo de escalonamento através de uma árvore de decisão. A abordagem proposta aumenta o desempenho em até 75% sobre uma abordagem que usa o mesmo algoritmo para todas as situações, sem adaptabilidade. Além disso, essa técnica melhora o desempenho para até 64% mais situações, e causa perdas de desempenho em até 89% menos situações. Os resultados obtidos evidenciam que ambos aspectos - aplicações e dispositivos de armazenamento - são essenciais para boas decisões de escalonamento. Adicionalmente, apesar do fato de não haver algoritmo de escalonamento capaz de prover ganhos de desempenho para todas as situações, esse trabalho mostra que através da dupla adaptabilidade é possível aplicar técnicas de escalonamento de E/S para melhorar o desempenho, evitando situações em que essas técnicas prejudicariam o desempenho. / This thesis focuses on I/O scheduling as a tool to improve I/O performance on parallel file systems by alleviating interference effects. It is usual for High Performance Computing (HPC) systems to provide a shared storage infrastructure for applications. In this situation, when multiple applications are concurrently accessing the shared parallel file system, their accesses will affect each other, compromising I/O optimization techniques’ efficacy. We have conducted an extensive performance evaluation of five scheduling algorithms at a parallel file system’s data servers. Experiments were executed on different platforms and under different access patterns. Results indicate that schedulers’ results are affected by applications’ access patterns, since it is important for the performance improvement obtained through a scheduling algorithm to surpass its overhead. At the same time, schedulers’ results are affected by the underlying I/O system characteristics - especially by storage devices. Different devices present different levels of sensitivity to accesses’ sequentiality and size, impacting on how much performance is improved through I/O scheduling. For these reasons, this thesis main objective is to provide I/O scheduling with double adaptivity: to applications and devices. We obtain information about applications’ access patterns through trace files, obtained from previous executions. We have applied machine learning to build a classifier capable of identifying access patterns’ spatiality and requests size aspects from streams of previous requests. Furthermore, we proposed an approach to efficiently obtain the sequential to random throughput ratio metric for storage devices by running benchmarks for a subset of the parameters and estimating the remaining through linear regressions. We use this information on applications’ and storage devices’ characteristics to decide the best fit in scheduling algorithm though a decision tree. Our approach improves performance by up to 75% over an approach that uses the same scheduling algorithm to all situations, without adaptability. Moreover, our approach improves performance for up to 64% more situations, and decreases performance for up to 89% less situations. Our results evidence that both aspects - applications and storage devices - are essential for making good scheduling choices. Moreover, despite the fact that there is no scheduling algorithm able to provide performance gains for all situations, we show that through double adaptivity it is possible to apply I/O scheduling techniques to improve performance, avoiding situations where it would lead to performance impairment.

Em ambientes de Computação de Alto Desempenho, as aplicações científicas dependem dos Sistemas de Arquivos Paralelos (SAP) para obter desempenho de Entrada/Saída (E/S), especialmente ao lidar com grandes quantidades de dados. No entanto, E/S ainda é um gargalo para um número crescente de aplicações, devido à diferença histórica entre a velocidade de processamento e de acesso aos dados. Para aliviar a concorrência causada por milhares de nós que acessam um número significativamente menor de servidores SAP, normalmente nós intermediários de E/S são adicionados entre os nós de processamento e o sistema de arquivos. Cada nó intermediário encaminha solicitações de vários clientes para o sistema, uma configuração que dá a este componente a oportunidade de executar otimizações como o escalonamento de requisições de E/S. O objetivo desta dissertação é avaliar diferentes algoritmos de escalonamento, na camada de encaminhamento de E/S, cuja finalidade é melhorar o padrão de acesso das aplicações, agregando e reordenando requisições para evitar padrões que são conhecidos por prejudicar o desempenho. Demonstramos que os escalonadores FIFO (First In, First Out), HBRR (Handle-Based Round-Robin), TO (Time Order), SJF (Shortest Job First) e MLF (Multilevel Feedback) são apenas parcialmente eficazes porque o padrão de acesso não é o principal fator que afeta o desempenho na camada de encaminhamento de E/S, especialmente para requisições de leitura Um novo algoritmo de escalonamento chamado TWINS é proposto para coordenar o acesso de nós intermediários de E/S aos servidores de dados do sistema de arquivos paralelo. Nossa abordagem reduz a concorrência nos servidores de dados, um fator previamente demonstrado como reponsável por afetar negativamente o desempenho. O algoritmo proposto é capaz de melhorar o tempo de leitura de arquivos compartilhados em até 28% se comparado a outros algoritmos de escalonamento e em até 50% se comparado a não fazer o encaminhamento de requisições de E/S. / In High Performance Computing (HPC) environments, scientific applications rely on Parallel File Systems (PFS) to obtain Input/Output (I/O) performance especially when handling large amounts of data. However, I/O is still a bottleneck for an increasing number of applications, due to the historical gap between processing and data access speed. To alleviate the concurrency caused by thousands of nodes accessing a significantly smaller number of PFS servers, intermediate I/O nodes are typically employed between processing nodes and the file system. Each intermediate node forwards requests from multiple clients to the parallel file system, a setup which gives this component the opportunity to perform optimizations like I/O scheduling. The objective of this dissertation is to evaluate different scheduling algorithms, at the I/O forwarding layer, that work to improve concurrent access patterns by aggregating and reordering requests to avoid patterns known to harm performance. We demonstrate that the FIFO (First In, First Out), HBRR (Handle- Based Round-Robin), TO (Time Order), SJF (Shortest Job First) and MLF (Multilevel Feedback) schedulers are only partially effective because the access pattern is not the main factor that affects performance in the I/O forwarding layer, especially for read requests. A new scheduling algorithm, TWINS, is proposed to coordinate the access of intermediate I/O nodes to the parallel file system data servers. Our approach decreases concurrency at the data servers, a factor previously proven to negatively affect performance. The proposed algorithm is able to improve read performance from shared files by up to 28% over other scheduling algorithms and by up to 50% over not forwarding I/O requests.

Ordonnancement d’E/S Transversal pour les Systèmes de Fichiers Parallèles : desApplications aux DispositifsCette thèse porte sur l’utilisation de l’ordonnancement d’Entrées/Sorties (E/S) pour atténuer leseffets d’interférence et améliorer la performance d’E/S des systèmes de fichiers parallèles. Ilest commun pour les plates-formes de calcul haute performance (HPC) de fournir une infrastructurede stockage partagée pour les applications qui y sont hébergées. Dans cette situation,où plusieurs applications accèdent simultanément au système de fichiers parallèle partagé, leursaccès vont souffrir de l’interférence, ce qui compromet l’efficacité des stratégies d’optimisationd’E/S.Nous avons évalué la performance de cinq algorithmes d’ordonnancement dans les serveurs dedonnées d’un système de fichiers parallèle. Ces tests ont été exécutés sur différentes platesformeset sous différents modèles d’accès. Les résultats indiquent que la performance des ordonnanceursest affectée par les modèles d’accès des applications, car il est important pouraméliorer la performance obtenue grâce à un algorithme d’ordonnancement de surpasser sessurcoûts. En même temps, les résultats des ordonnanceurs sont affectés par les caractéristiquesdu système d’E/S sous-jacent - en particulier par des dispositifs de stockage. Différents dispositifsprésentent des niveaux de sensibilité à la séquentialité et la taille des accès distincts, ce quipeut influencer sur le niveau d’amélioration de obtenue grâce à l’ordonnancement d’E/S.Pour ces raisons, l’objectif principal de cette thèse est de proposer un modèle d’ordonnancementd’E/S avec une double adaptabilité : aux applications et aux dispositifs. Nous avons extraitdes informations sur les modèles d’accès des applications en utilisant des fichiers de trace,obtenus à partir de leurs exécutions précédentes. Ensuite, nous avons utilisé de l’apprentissageautomatique pour construire un classificateur capable d’identifier la spatialité et la taille desaccès à partir du flux de demandes antérieures. En outre, nous avons proposé une approche pourobtenir efficacement le ratio de débit séquentiel et aléatoire pour les dispositifs de stockage enexécutant des benchmarks pour un sous-ensemble des paramètres et en estimant les restantsavec des régressions linéaires.Nous avons utilisé les informations sur les caractéristiques des applications et des dispositifsde stockage pour décider automatiquement l’algorithme d’ordonnancement le plus appropriéen utilisant des arbres de décision. Notre approche améliore les performances jusqu’à 75% parrapport à une approche qui utilise le même algorithme d’ordonnancement dans toutes les situations,sans capacité d’adaptation. De plus, notre approche améliore la performance dans 64%de scénarios en plus, et diminue les performances dans 89% moins de situations. Nos résultatsmontrent que les deux aspects - des applications et des dispositifs - sont essentiels pour faire desbons choix d’ordonnancement. En outre, malgré le fait qu’il n’y a pas d’algorithme d’ordonnancementqui fournit des gains de performance pour toutes les situations, nous montrons queavec la double adaptabilité il est possible d’appliquer des techniques d’ordonnancement d’E/Spour améliorer la performance, tout en évitant les situations où cela conduirait à une diminutionde performance. / This thesis focuses on I/O scheduling as a tool to improve I/O performance on parallel file systemsby alleviating interference effects. It is usual for High Performance Computing (HPC)systems to provide a shared storage infrastructure for applications. In this situation, when multipleapplications are concurrently accessing the shared parallel file system, their accesses willaffect each other, compromising I/O optimization techniques’ efficacy.We have conducted an extensive performance evaluation of five scheduling algorithms at aparallel file system’s data servers. Experiments were executed on different platforms and underdifferent access patterns. Results indicate that schedulers’ results are affected by applications’access patterns, since it is important for the performance improvement obtained througha scheduling algorithm to surpass its overhead. At the same time, schedulers’ results are affectedby the underlying I/O system characteristics - especially by storage devices. Differentdevices present different levels of sensitivity to accesses’ sequentiality and size, impacting onhow much performance is improved through I/O scheduling.For these reasons, this thesis main objective is to provide I/O scheduling with double adaptivity:to applications and devices. We obtain information about applications’ access patternsthrough trace files, obtained from previous executions. We have applied machine learning tobuild a classifier capable of identifying access patterns’ spatiality and requests size aspects fromstreams of previous requests. Furthermore, we proposed an approach to efficiently obtain thesequential to random throughput ratio metric for storage devices by running benchmarks for asubset of the parameters and estimating the remaining through linear regressions.We use this information on applications’ and storage devices’ characteristics to decide the bestfit in scheduling algorithm though a decision tree. Our approach improves performance byup to 75% over an approach that uses the same scheduling algorithm to all situations, withoutadaptability. Moreover, our approach improves performance for up to 64% more situations, anddecreases performance for up to 89% less situations. Our results evidence that both aspects- applications and storage devices - are essential for making good scheduling choices. Moreover,despite the fact that there is no scheduling algorithm able to provide performance gainsfor all situations, we show that through double adaptivity it is possible to apply I/O schedulingtechniques to improve performance, avoiding situations where it would lead to performanceimpairment. / Esta tese se concentra no escalonamento de operações de entrada e saída (E/S) como uma soluçãopara melhorar o desempenho de sistemas de arquivos paralelos, aleviando os efeitos dainterferência. É usual que sistemas de computação de alto desempenho (HPC) ofereçam umainfraestrutura compartilhada de armazenamento para as aplicações. Nessa situação, em quemúltiplas aplicações acessam o sistema de arquivos compartilhado de forma concorrente, osacessos das aplicações causarão interferência uns nos outros, comprometendo a eficácia de técnicaspara otimização de E/S.Uma avaliação extensiva de desempenho foi conduzida, abordando cinco algoritmos de escalonamentotrabalhando nos servidores de dados de um sistema de arquivos paralelo. Foramexecutados experimentos em diferentes plataformas e sob diferentes padrões de acesso. Osresultados indicam que os resultados obtidos pelos escalonadores são afetados pelo padrão deacesso das aplicações, já que é importante que o ganho de desempenho provido por um algoritmode escalonamento ultrapasse o seu sobrecusto. Ao mesmo tempo, os resultados doescalonamento são afetados pelas características do subsistema local de E/S - especialmentepelos dispositivos de armazenamento. Dispositivos diferentes apresentam variados níveis desensibilidade à sequencialidade dos acessos e ao seu tamanho, afetando o quanto técnicas deescalonamento de E/S são capazes de aumentar o desempenho.Por esses motivos, o principal objetivo desta tese é prover escalonamento de E/S com duplaadaptabilidade: às aplicações e aos dispositivos. Informações sobre o padrão de acesso dasaplicações são obtidas através de arquivos de rastro, vindos de execuções anteriores. Aprendizadode máquina foi aplicado para construir um classificador capaz de identificar os aspectosespacialidade e tamanho de requisição dos padrões de acesso através de fluxos de requisiçõesanteriores. Além disso, foi proposta uma técnica para obter eficientemente a razão entre acessossequenciais e aleatórios para dispositivos de armazenamento, executando testes para apenas umsubconjunto dos parâmetros e estimando os demais através de regressões lineares.Essas informações sobre características de aplicações e dispositivos de armazenamento são usadaspara decidir a melhor escolha em algoritmo de escalonamento através de uma árvore dedecisão. A abordagem proposta aumenta o desempenho em até 75% sobre uma abordagem queusa o mesmo algoritmo para todas as situações, sem adaptabilidade. Além disso, essa técnicamelhora o desempenho para até 64% mais situações, e causa perdas de desempenho em até 89%menos situações. Os resultados obtidos evidenciam que ambos aspectos - aplicações e dispositivosde armazenamento - são essenciais para boas decisões de escalonamento. Adicionalmente,apesar do fato de não haver algoritmo de escalonamento capaz de prover ganhos de desempenhopara todas as situações, esse trabalho mostra que através da dupla adaptabilidade é possívelaplicar técnicas de escalonamento de E/S para melhorar o desempenho, evitando situações emque essas técnicas prejudicariam o desempenho.

Ordonnancement d’E/S Transversal pour les Systèmes de Fichiers Parallèles : desApplications aux DispositifsCette thèse porte sur l’utilisation de l’ordonnancement d’Entrées/Sorties (E/S) pour atténuer leseffets d’interférence et améliorer la performance d’E/S des systèmes de fichiers parallèles. Ilest commun pour les plates-formes de calcul haute performance (HPC) de fournir une infrastructurede stockage partagée pour les applications qui y sont hébergées. Dans cette situation,où plusieurs applications accèdent simultanément au système de fichiers parallèle partagé, leursaccès vont souffrir de l’interférence, ce qui compromet l’efficacité des stratégies d’optimisationd’E/S.Nous avons évalué la performance de cinq algorithmes d’ordonnancement dans les serveurs dedonnées d’un système de fichiers parallèle. Ces tests ont été exécutés sur différentes platesformeset sous différents modèles d’accès. Les résultats indiquent que la performance des ordonnanceursest affectée par les modèles d’accès des applications, car il est important pouraméliorer la performance obtenue grâce à un algorithme d’ordonnancement de surpasser sessurcoûts. En même temps, les résultats des ordonnanceurs sont affectés par les caractéristiquesdu système d’E/S sous-jacent - en particulier par des dispositifs de stockage. Différents dispositifsprésentent des niveaux de sensibilité à la séquentialité et la taille des accès distincts, ce quipeut influencer sur le niveau d’amélioration de obtenue grâce à l’ordonnancement d’E/S.Pour ces raisons, l’objectif principal de cette thèse est de proposer un modèle d’ordonnancementd’E/S avec une double adaptabilité : aux applications et aux dispositifs. Nous avons extraitdes informations sur les modèles d’accès des applications en utilisant des fichiers de trace,obtenus à partir de leurs exécutions précédentes. Ensuite, nous avons utilisé de l’apprentissageautomatique pour construire un classificateur capable d’identifier la spatialité et la taille desaccès à partir du flux de demandes antérieures. En outre, nous avons proposé une approche pourobtenir efficacement le ratio de débit séquentiel et aléatoire pour les dispositifs de stockage enexécutant des benchmarks pour un sous-ensemble des paramètres et en estimant les restantsavec des régressions linéaires.Nous avons utilisé les informations sur les caractéristiques des applications et des dispositifsde stockage pour décider automatiquement l’algorithme d’ordonnancement le plus appropriéen utilisant des arbres de décision. Notre approche améliore les performances jusqu’à 75% parrapport à une approche qui utilise le même algorithme d’ordonnancement dans toutes les situations,sans capacité d’adaptation. De plus, notre approche améliore la performance dans 64%de scénarios en plus, et diminue les performances dans 89% moins de situations. Nos résultatsmontrent que les deux aspects - des applications et des dispositifs - sont essentiels pour faire desbons choix d’ordonnancement. En outre, malgré le fait qu’il n’y a pas d’algorithme d’ordonnancementqui fournit des gains de performance pour toutes les situations, nous montrons queavec la double adaptabilité il est possible d’appliquer des techniques d’ordonnancement d’E/Spour améliorer la performance, tout en évitant les situations où cela conduirait à une diminutionde performance. / This thesis focuses on I/O scheduling as a tool to improve I/O performance on parallel file systemsby alleviating interference effects. It is usual for High Performance Computing (HPC)systems to provide a shared storage infrastructure for applications. In this situation, when multipleapplications are concurrently accessing the shared parallel file system, their accesses willaffect each other, compromising I/O optimization techniques’ efficacy.We have conducted an extensive performance evaluation of five scheduling algorithms at aparallel file system’s data servers. Experiments were executed on different platforms and underdifferent access patterns. Results indicate that schedulers’ results are affected by applications’access patterns, since it is important for the performance improvement obtained througha scheduling algorithm to surpass its overhead. At the same time, schedulers’ results are affectedby the underlying I/O system characteristics - especially by storage devices. Differentdevices present different levels of sensitivity to accesses’ sequentiality and size, impacting onhow much performance is improved through I/O scheduling.For these reasons, this thesis main objective is to provide I/O scheduling with double adaptivity:to applications and devices. We obtain information about applications’ access patternsthrough trace files, obtained from previous executions. We have applied machine learning tobuild a classifier capable of identifying access patterns’ spatiality and requests size aspects fromstreams of previous requests. Furthermore, we proposed an approach to efficiently obtain thesequential to random throughput ratio metric for storage devices by running benchmarks for asubset of the parameters and estimating the remaining through linear regressions.We use this information on applications’ and storage devices’ characteristics to decide the bestfit in scheduling algorithm though a decision tree. Our approach improves performance byup to 75% over an approach that uses the same scheduling algorithm to all situations, withoutadaptability. Moreover, our approach improves performance for up to 64% more situations, anddecreases performance for up to 89% less situations. Our results evidence that both aspects- applications and storage devices - are essential for making good scheduling choices. Moreover,despite the fact that there is no scheduling algorithm able to provide performance gainsfor all situations, we show that through double adaptivity it is possible to apply I/O schedulingtechniques to improve performance, avoiding situations where it would lead to performanceimpairment. / Esta tese se concentra no escalonamento de operações de entrada e saída (E/S) como uma soluçãopara melhorar o desempenho de sistemas de arquivos paralelos, aleviando os efeitos dainterferência. É usual que sistemas de computação de alto desempenho (HPC) ofereçam umainfraestrutura compartilhada de armazenamento para as aplicações. Nessa situação, em quemúltiplas aplicações acessam o sistema de arquivos compartilhado de forma concorrente, osacessos das aplicações causarão interferência uns nos outros, comprometendo a eficácia de técnicaspara otimização de E/S.Uma avaliação extensiva de desempenho foi conduzida, abordando cinco algoritmos de escalonamentotrabalhando nos servidores de dados de um sistema de arquivos paralelo. Foramexecutados experimentos em diferentes plataformas e sob diferentes padrões de acesso. Osresultados indicam que os resultados obtidos pelos escalonadores são afetados pelo padrão deacesso das aplicações, já que é importante que o ganho de desempenho provido por um algoritmode escalonamento ultrapasse o seu sobrecusto. Ao mesmo tempo, os resultados doescalonamento são afetados pelas características do subsistema local de E/S - especialmentepelos dispositivos de armazenamento. Dispositivos diferentes apresentam variados níveis desensibilidade à sequencialidade dos acessos e ao seu tamanho, afetando o quanto técnicas deescalonamento de E/S são capazes de aumentar o desempenho.Por esses motivos, o principal objetivo desta tese é prover escalonamento de E/S com duplaadaptabilidade: às aplicações e aos dispositivos. Informações sobre o padrão de acesso dasaplicações são obtidas através de arquivos de rastro, vindos de execuções anteriores. Aprendizadode máquina foi aplicado para construir um classificador capaz de identificar os aspectosespacialidade e tamanho de requisição dos padrões de acesso através de fluxos de requisiçõesanteriores. Além disso, foi proposta uma técnica para obter eficientemente a razão entre acessossequenciais e aleatórios para dispositivos de armazenamento, executando testes para apenas umsubconjunto dos parâmetros e estimando os demais através de regressões lineares.Essas informações sobre características de aplicações e dispositivos de armazenamento são usadaspara decidir a melhor escolha em algoritmo de escalonamento através de uma árvore dedecisão. A abordagem proposta aumenta o desempenho em até 75% sobre uma abordagem queusa o mesmo algoritmo para todas as situações, sem adaptabilidade. Além disso, essa técnicamelhora o desempenho para até 64% mais situações, e causa perdas de desempenho em até 89%menos situações. Os resultados obtidos evidenciam que ambos aspectos - aplicações e dispositivosde armazenamento - são essenciais para boas decisões de escalonamento. Adicionalmente,apesar do fato de não haver algoritmo de escalonamento capaz de prover ganhos de desempenhopara todas as situações, esse trabalho mostra que através da dupla adaptabilidade é possívelaplicar técnicas de escalonamento de E/S para melhorar o desempenho, evitando situações emque essas técnicas prejudicariam o desempenho.

Em ambientes de Computação de Alto Desempenho, as aplicações científicas dependem dos Sistemas de Arquivos Paralelos (SAP) para obter desempenho de Entrada/Saída (E/S), especialmente ao lidar com grandes quantidades de dados. No entanto, E/S ainda é um gargalo para um número crescente de aplicações, devido à diferença histórica entre a velocidade de processamento e de acesso aos dados. Para aliviar a concorrência causada por milhares de nós que acessam um número significativamente menor de servidores SAP, normalmente nós intermediários de E/S são adicionados entre os nós de processamento e o sistema de arquivos. Cada nó intermediário encaminha solicitações de vários clientes para o sistema, uma configuração que dá a este componente a oportunidade de executar otimizações como o escalonamento de requisições de E/S. O objetivo desta dissertação é avaliar diferentes algoritmos de escalonamento, na camada de encaminhamento de E/S, cuja finalidade é melhorar o padrão de acesso das aplicações, agregando e reordenando requisições para evitar padrões que são conhecidos por prejudicar o desempenho. Demonstramos que os escalonadores FIFO (First In, First Out), HBRR (Handle-Based Round-Robin), TO (Time Order), SJF (Shortest Job First) e MLF (Multilevel Feedback) são apenas parcialmente eficazes porque o padrão de acesso não é o principal fator que afeta o desempenho na camada de encaminhamento de E/S, especialmente para requisições de leitura Um novo algoritmo de escalonamento chamado TWINS é proposto para coordenar o acesso de nós intermediários de E/S aos servidores de dados do sistema de arquivos paralelo. Nossa abordagem reduz a concorrência nos servidores de dados, um fator previamente demonstrado como reponsável por afetar negativamente o desempenho. O algoritmo proposto é capaz de melhorar o tempo de leitura de arquivos compartilhados em até 28% se comparado a outros algoritmos de escalonamento e em até 50% se comparado a não fazer o encaminhamento de requisições de E/S. / In High Performance Computing (HPC) environments, scientific applications rely on Parallel File Systems (PFS) to obtain Input/Output (I/O) performance especially when handling large amounts of data. However, I/O is still a bottleneck for an increasing number of applications, due to the historical gap between processing and data access speed. To alleviate the concurrency caused by thousands of nodes accessing a significantly smaller number of PFS servers, intermediate I/O nodes are typically employed between processing nodes and the file system. Each intermediate node forwards requests from multiple clients to the parallel file system, a setup which gives this component the opportunity to perform optimizations like I/O scheduling. The objective of this dissertation is to evaluate different scheduling algorithms, at the I/O forwarding layer, that work to improve concurrent access patterns by aggregating and reordering requests to avoid patterns known to harm performance. We demonstrate that the FIFO (First In, First Out), HBRR (Handle- Based Round-Robin), TO (Time Order), SJF (Shortest Job First) and MLF (Multilevel Feedback) schedulers are only partially effective because the access pattern is not the main factor that affects performance in the I/O forwarding layer, especially for read requests. A new scheduling algorithm, TWINS, is proposed to coordinate the access of intermediate I/O nodes to the parallel file system data servers. Our approach decreases concurrency at the data servers, a factor previously proven to negatively affect performance. The proposed algorithm is able to improve read performance from shared files by up to 28% over other scheduling algorithms and by up to 50% over not forwarding I/O requests.

Em ambientes de Computação de Alto Desempenho, as aplicações científicas dependem dos Sistemas de Arquivos Paralelos (SAP) para obter desempenho de Entrada/Saída (E/S), especialmente ao lidar com grandes quantidades de dados. No entanto, E/S ainda é um gargalo para um número crescente de aplicações, devido à diferença histórica entre a velocidade de processamento e de acesso aos dados. Para aliviar a concorrência causada por milhares de nós que acessam um número significativamente menor de servidores SAP, normalmente nós intermediários de E/S são adicionados entre os nós de processamento e o sistema de arquivos. Cada nó intermediário encaminha solicitações de vários clientes para o sistema, uma configuração que dá a este componente a oportunidade de executar otimizações como o escalonamento de requisições de E/S. O objetivo desta dissertação é avaliar diferentes algoritmos de escalonamento, na camada de encaminhamento de E/S, cuja finalidade é melhorar o padrão de acesso das aplicações, agregando e reordenando requisições para evitar padrões que são conhecidos por prejudicar o desempenho. Demonstramos que os escalonadores FIFO (First In, First Out), HBRR (Handle-Based Round-Robin), TO (Time Order), SJF (Shortest Job First) e MLF (Multilevel Feedback) são apenas parcialmente eficazes porque o padrão de acesso não é o principal fator que afeta o desempenho na camada de encaminhamento de E/S, especialmente para requisições de leitura Um novo algoritmo de escalonamento chamado TWINS é proposto para coordenar o acesso de nós intermediários de E/S aos servidores de dados do sistema de arquivos paralelo. Nossa abordagem reduz a concorrência nos servidores de dados, um fator previamente demonstrado como reponsável por afetar negativamente o desempenho. O algoritmo proposto é capaz de melhorar o tempo de leitura de arquivos compartilhados em até 28% se comparado a outros algoritmos de escalonamento e em até 50% se comparado a não fazer o encaminhamento de requisições de E/S. / In High Performance Computing (HPC) environments, scientific applications rely on Parallel File Systems (PFS) to obtain Input/Output (I/O) performance especially when handling large amounts of data. However, I/O is still a bottleneck for an increasing number of applications, due to the historical gap between processing and data access speed. To alleviate the concurrency caused by thousands of nodes accessing a significantly smaller number of PFS servers, intermediate I/O nodes are typically employed between processing nodes and the file system. Each intermediate node forwards requests from multiple clients to the parallel file system, a setup which gives this component the opportunity to perform optimizations like I/O scheduling. The objective of this dissertation is to evaluate different scheduling algorithms, at the I/O forwarding layer, that work to improve concurrent access patterns by aggregating and reordering requests to avoid patterns known to harm performance. We demonstrate that the FIFO (First In, First Out), HBRR (Handle- Based Round-Robin), TO (Time Order), SJF (Shortest Job First) and MLF (Multilevel Feedback) schedulers are only partially effective because the access pattern is not the main factor that affects performance in the I/O forwarding layer, especially for read requests. A new scheduling algorithm, TWINS, is proposed to coordinate the access of intermediate I/O nodes to the parallel file system data servers. Our approach decreases concurrency at the data servers, a factor previously proven to negatively affect performance. The proposed algorithm is able to improve read performance from shared files by up to 28% over other scheduling algorithms and by up to 50% over not forwarding I/O requests.

Virtualization is one of the important enabling technologies for Cloud Computing which facilitates sharing of resources among the virtual machines. However, it incurs performance overheads due to contention of physical devices such as disk and network bandwidth. Various I/O applications having different latency requirements may be executing concurrently on different virtual machines provisioned on a single server in Cloud data-centers. It is pertinent that the performance SLAs of such applications are satisfied through intelligent scheduling and allocation of disk resources. The underlying disk scheduler at the server is unable to distinguish between the application requests being oblivious to the characteristics of these applications. Therefore, all the applica- tions are provided best effort services by default. This may lead to performance degradation for the latency sensitive applications. In this work, we propose a novel disk scheduling framework PriDyn (Dynamic Priority) which provides differentiated services to various I/O applications co-located on a single host based on their latency attributes and desired performance. The framework employs a scheduling algorithm which dynamically computes latency estimates for all concurrent I/O applications for a given system state. Based on these, an appropriate pri- ority assignment for the applications is determined which is taken into consideration by the underlying disk scheduler at the host while scheduling the I/O applications on the physical disk. The proposed scheduling framework is able to successfully satisfy QoS requirements for the concurrent I/O applications within system constraints. This has been verified through ex- tensive experimental analysis. In order to realize the benefits of differentiated services provided by the PriDyn scheduler, proper combination of I/O applications must be ensured for the servers through intelligent meta-scheduling techniques at the Cloud data-center level. For achieving this, in the second part of this work, we extended the PriDyn framework to design a proactive admission control and scheduling framework PCOS (P rescient C loud I/O S cheduler). It aims to maximize to Utilization of disk resources without adversely affecting the performance of the applications scheduled on the systems. By anticipating the performance of the systems running multiple I/O applications, PCOS prevents the scheduling of undesirable workloads on them in order to maintain the necessary balance between resource consolidation and application performance guarantees. The PCOS framework includes the PriDyn scheduler as an important component and utilizes the dynamic disk resource allocation capabilities of PriDyn for meeting its goals. Experimental validations performed on real world I/O traces demonstrate that the proposed framework achieves appreciable enhancements in I/O performance through selection of optimal I/O workload combinations, indicating that this approach is a promising step towards enabling QoS guarantees for Cloud data-centers.