L’émergence de l’informatique dans les nuages met en avant de nombreux défis qui pourraient limiter l’adoption du paradigme Cloud. Tandis que la taille des données traitées par les applications Cloud augmente exponentiellement, un défi majeur porte sur la conception de solutions efficaces pour la gestion de données. Cette thèse a pour but de concevoir des mécanismes d’auto-adaptation pour des systèmes de gestion de données, afin qu’ils puissent répondre aux exigences des services de stockage Cloud en termes de passage à l’échelle, disponibilité et sécurité des données. De plus, nous nous proposons de concevoir un service de données qui soit à la fois compatible avec les interfaces Cloud standard dans et capable d’offrir un stockage de données à haut débit. Pour relever ces défis, nous avons proposé des mécanismes génériques pour l’auto-connaissance, l’auto-protection et l’auto-configuration des systèmes de gestion de données. Ensuite, nous les avons validés en les intégrant dans le logiciel BlobSeer, un système de stockage qui optimise les accès hautement concurrents aux données. Finalement, nous avons conçu et implémenté un système de fichiers s’appuyant sur BlobSeer, afin d’optimiser ce dernier pour servir efficacement comme support de stockage pour les services Cloud. Puis, nous l’avons intégré dans un environnement Cloud réel, la plate-forme Nimbus. Les avantages et les désavantages de l’utilisation du stockage dans le Cloud pour des applications réelles sont soulignés lors des évaluations effectuées sur Grid’5000. Elles incluent des applications à accès intensif aux données, comme MapReduce, et des applications fortement couplées, comme les simulations atmosphériques. / The emergence of Cloud computing brings forward many challenges that may limit the adoption rate of the Cloud paradigm. As data volumes processed by Cloud applications increase exponentially, designing efficient and secure solutions for data management emerges as a crucial requirement. The goal of this thesis is to enhance a distributed data-management system with self-management capabilities, so that it can meet the requirements of the Cloud storage services in terms of scalability, data availability, reliability and security. Furthermore, we aim at building a Cloud data service both compatible with state-of-the-art Cloud interfaces and able to deliver high-throughput data storage. To meet these goals, we proposed generic self-awareness, self-protection and self-configuration components targeted at distributed data-management systems. We validated them on top of BlobSeer, a large-scale data-management system designed to optimize highly-concurrent data accesses. Next, we devised and implemented a BlobSeer-based file system optimized to efficiently serve as a storage backend for Cloud services. We then integrated it within a real-world Cloud environment, the Nimbus platform. The benefits and drawbacks of using Cloud storage for real-life applications have been emphasized in evaluations that involved data-intensive MapReduce applications and tightly-coupled, high-performance computing applications.

Les applications data-intensive sont largement utilisées au sein de domaines diverses dans le but d'extraire et de traiter des informations, de concevoir des systèmes complexes, d'effectuer des simulations de modèles réels, etc. Ces applications posent des défis complexes tant en termes de stockage que de calcul. Dans le contexte des applications data-intensive, nous nous concentrons sur le paradigme MapReduce et ses mises en oeuvre. Introduite par Google, l'abstraction MapReduce a révolutionné la communauté intensif de données et s'est rapidement étendue à diverses domaines de recherche et de production. Une implémentation domaine publique de l'abstraction mise en avant par Google, a été fournie par Yahoo à travers du project Hadoop. Le framework Hadoop est considéré l'implémentation de référence de MapReduce et est actuellement largement utilisé à des fins diverses et sur plusieurs infrastructures. Nous proposons un système de fichiers distribué, optimisé pour des accès hautement concurrents, qui puisse servir comme couche de stockage pour des applications MapReduce. Nous avons conçu le BlobSeer File System (BSFS), basé sur BlobSeer, un service de stockage distribué, hautement efficace, facilitant le partage de données à grande échelle. Nous étudions également plusieurs aspects liés à la gestion des données intermédiaires dans des environnements MapReduce. Nous explorons les contraintes des données intermédiaires MapReduce à deux niveaux: dans le même job MapReduce et pendant l'exécution des pipelines d'applications MapReduce. Enfin, nous proposons des extensions de Hadoop, un environnement MapReduce populaire et open-source, comme par example le support de l'opération append. Ce travail inclut également l'évaluation et les résultats obtenus sur des infrastructures à grande échelle: grilles informatiques et clouds. / Data-intensive applications are nowadays, widely used in various domains to extract and process information, to design complex systems, to perform simulations of real models, etc. These applications exhibit challenging requirements in terms of both storage and computation. Specialized abstractions like Google’s MapReduce were developed to efficiently manage the workloads of data-intensive applications. The MapReduce abstraction has revolutionized the data-intensive community and has rapidly spread to various research and production areas. An open-source implementation of Google's abstraction was provided by Yahoo! through the Hadoop project. This framework is considered the reference MapReduce implementation and is currently heavily used for various purposes and on several infrastructures. To achieve high-performance MapReduce processing, we propose a concurrency-optimized file system for MapReduce Frameworks. As a starting point, we rely on BlobSeer, a framework that was designed as a solution to the challenge of efficiently storing data generated by data-intensive applications running at large scales. We have built the BlobSeer File System (BSFS), with the goal of providing high throughput under heavy concurrency to MapReduce applications. We also study several aspects related to intermediate data management in MapReduce frameworks. We investigate the requirements of MapReduce intermediate data at two levels: inside the same job, and during the execution of pipeline applications. Finally, we show how BSFS can enable extensions to the de facto MapReduce implementation, Hadoop, such as the support for the append operation. This work also comprises the evaluation and the obtained results in the context of grid and cloud environments.

Le cloud computing a été considéré comme une option pour exécuter des applications de calcul haute performance. Bien que les plateformes traditionnelles de calcul haute performance telles que les grilles et les supercalculateurs offrent un environnement stable du point de vue des défaillances, des performances, et de la taille des ressources, le cloud computing offre des ressources à la demande, généralement avec des performances imprévisibles mais à des coûts financiers abordables. Pour surmonter les limites d’un cloud individuel, plusieurs clouds peuvent être combinés pour former une fédération de clouds, souvent avec des coûts supplémentaires légers pour les utilisateurs. Une fédération de clouds peut aider autant les fournisseurs que les utilisateurs à atteindre leurs objectifs tels la réduction du temps d’exécution, la minimisation des coûts, l’augmentation de la disponibilité, la réduction de la consommation d’énergie, pour ne citer que ceux-Là. Ainsi, la fédération de clouds peut être une solution élégante pour éviter le sur-Approvisionnement, réduisant ainsi les coûts d’exploitation en situation de charge moyenne, et en supprimant des ressources qui, autrement, resteraient inutilisées et gaspilleraient ainsi de énergie. Cependant, la fédération de clouds élargit la gamme des ressources disponibles. En conséquence, pour les utilisateurs, des compétences en cloud computing ou en administration système sont nécessaires, ainsi qu’un temps d’apprentissage considérable pour maîtrises les options disponibles. Dans ce contexte, certaines questions se posent: (a) Quelle ressource du cloud est appropriée pour une application donnée? (b) Comment les utilisateurs peuvent-Ils exécuter leurs applications HPC avec un rendement acceptable et des coûts financiers abordables, sans avoir à reconfigurer les applications pour répondre aux normes et contraintes du cloud ? (c) Comment les non-Spécialistes du cloud peuvent-Ils maximiser l’usage des caractéristiques du cloud, sans être liés au fournisseur du cloud ? et (d) Comment les fournisseurs de cloud peuvent-Ils exploiter la fédération pour réduire la consommation électrique, tout en étant en mesure de fournir un service garantissant les normes de qualité préétablies ? À partir de ces questions, la présente thèse propose une solution de consolidation d’applications pour la fédération de clouds qui garantit le respect des normes de qualité de service. On utilise un système multi-Agents pour négocier la migration des machines virtuelles entre les clouds. En nous basant sur la fédération de clouds, nous avons développé et évalué une approche pour exécuter une énorme application de bioinformatique à coût zéro. En outre, nous avons pu réduire le temps d’exécution de 22,55% par rapport à la meilleure exécution dans un cloud individuel. Cette thèse présente aussi une architecture de cloud baptisée « Excalibur » qui permet l’adaptation automatique des applications standards pour le cloud. Dans l’exécution d’une chaîne de traitements de la génomique, Excalibur a pu parfaitement mettre à l’échelle les applications sur jusqu’à 11 machines virtuelles, ce qui a réduit le temps d’exécution de 63% et le coût de 84% par rapport à la configuration de l’utilisateur. Enfin, cette thèse présente un processus d’ingénierie des lignes de produits (PLE) pour gérer la variabilité de l’infrastructure à la demande du cloud, et une architecture multi-Cloud autonome qui utilise ce processus pour configurer et faire face aux défaillances de manière indépendante. Le processus PLE utilise le modèle étendu de fonction avec des attributs pour décrire les ressources et les sélectionner en fonction des objectifs de l’utilisateur. Les expériences réalisées avec deux fournisseurs de cloud différents montrent qu’en utilisant le modèle proposé, les utilisateurs peuvent exécuter leurs applications dans un environnement de clouds fédérés, sans avoir besoin de connaître les variabilités et contraintes du cloud. / Cloud computing has been seen as an option to execute high performance computing (HPC) applications. While traditional HPC platforms such as grid and supercomputers offer a stable environment in terms of failures, performance, and number of resources, cloud computing offers on-Demand resources generally with unpredictable performance at low financial cost. Furthermore, in cloud environment, failures are part of its normal operation. To overcome the limits of a single cloud, clouds can be combined, forming a cloud federation often with minimal additional costs for the users. A cloud federation can help both cloud providers and cloud users to achieve their goals such as to reduce the execution time, to achieve minimum cost, to increase availability, to reduce power consumption, among others. Hence, cloud federation can be an elegant solution to avoid over provisioning, thus reducing the operational costs in an average load situation, and removing resources that would otherwise remain idle and wasting power consumption, for instance. However, cloud federation increases the range of resources available for the users. As a result, cloud or system administration skills may be demanded from the users, as well as a considerable time to learn about the available options. In this context, some questions arise such as: (a) which cloud resource is appropriate for a given application? (b) how can the users execute their HPC applications with acceptable performance and financial costs, without needing to re-Engineer the applications to fit clouds' constraints? (c) how can non-Cloud specialists maximize the features of the clouds, without being tied to a cloud provider? and (d) how can the cloud providers use the federation to reduce power consumption of the clouds, while still being able to give service-Level agreement (SLA) guarantees to the users? Motivated by these questions, this thesis presents a SLA-Aware application consolidation solution for cloud federation. Using a multi-Agent system (MAS) to negotiate virtual machine (VM) migrations between the clouds, simulation results show that our approach could reduce up to 46% of the power consumption, while trying to meet performance requirements. Using the federation, we developed and evaluated an approach to execute a huge bioinformatics application at zero-Cost. Moreover, we could decrease the execution time in 22.55% over the best single cloud execution. In addition, this thesis presents a cloud architecture called Excalibur to auto-Scale cloud-Unaware application. Executing a genomics workflow, Excalibur could seamlessly scale the applications up to 11 virtual machines, reducing the execution time by 63% and the cost by 84% when compared to a user's configuration. Finally, this thesis presents a product line engineering (PLE) process to handle the variabilities of infrastructure-As-A-Service (IaaS) clouds, and an autonomic multi-Cloud architecture that uses this process to configure and to deal with failures autonomously. The PLE process uses extended feature model (EFM) with attributes to describe the resources and to select them based on users' objectives. Experiments realized with two different cloud providers show that using the proposed model, the users could execute their application in a cloud federation environment, without needing to know the variabilities and constraints of the clouds.