One consequence of the recent coronavirus pandemic is increased demand and use of online services around the globe. At the same time, performance requirements for modern technologies are becoming more stringent as users become accustomed to higher standards. These increased performance and availability requirements, coupled with the unpredictable usage growth, are driving an increasing proportion of applications to run on public cloud platforms as they promise better scalability and reliability.
With data centers already responsible for about one percent of the world's power consumption, optimizing resource usage is of paramount importance. Simultaneously, meeting the increasing and changing resource and performance requirements is only possible by optimizing resource management without introducing additional overhead. This requires the research and development of new modeling approaches to understand the behavior of running applications with minimal information.
However, the emergence of modern software paradigms makes it increasingly difficult to derive such models and renders previous performance modeling techniques infeasible. Modern cloud applications are often deployed as a collection of fine-grained and interconnected components called microservices. Microservice architectures offer massive benefits but also have broad implications for the performance characteristics of the respective systems. In addition, the microservices paradigm is typically paired with a DevOps culture, resulting in frequent application and deployment changes. Such applications are often referred to as cloud-native applications. In summary, the increasing use of ever-changing cloud-hosted microservice applications introduces a number of unique challenges for modeling the performance of modern applications. These include the amount, type, and structure of monitoring data, frequent behavioral changes, or infrastructure variabilities. This violates common assumptions of the state of the art and opens a research gap for our work.
In this thesis, we present five techniques for automated learning of performance models for cloud-native software systems. We achieve this by combining machine learning with traditional performance modeling techniques. Unlike previous work, our focus is on cloud-hosted and continuously evolving microservice architectures, so-called cloud-native applications. Therefore, our contributions aim to solve the above challenges to deliver automated performance models with minimal computational overhead and no manual intervention. Depending on the cloud computing model, privacy agreements, or monitoring capabilities of each platform, we identify different scenarios where performance modeling, prediction, and optimization techniques can provide great benefits. Specifically, the contributions of this thesis are as follows:
Monitorless: Application-agnostic prediction of performance degradations.
To manage application performance with only platform-level monitoring, we propose Monitorless, the first truly application-independent approach to detecting performance degradation. We use machine learning to bridge the gap between platform-level monitoring and application-specific measurements, eliminating the need for application-level monitoring. Monitorless creates a single and holistic resource saturation model that can be used for heterogeneous and untrained applications. Results show that Monitorless infers resource-based performance degradation with 97% accuracy. Moreover, it can achieve similar performance to typical autoscaling solutions, despite using less monitoring information.
SuanMing: Predicting performance degradation using tracing.
We introduce SuanMing to mitigate performance issues before they impact the user experience. This contribution is applied in scenarios where tracing tools enable application-level monitoring. SuanMing predicts explainable causes of expected performance degradations and prevents performance degradations before they occur. Evaluation results show that SuanMing can predict and pinpoint future performance degradations with an accuracy of over 90%.
SARDE: Continuous and autonomous estimation of resource demands.
We present SARDE to learn application models for highly variable application deployments. This contribution focuses on the continuous estimation of application resource demands, a key parameter of performance models. SARDE represents an autonomous ensemble estimation technique. It dynamically and continuously optimizes, selects, and executes an ensemble of approaches to estimate resource demands in response to changes in the application or its environment. Through continuous online adaptation, SARDE efficiently achieves an average resource demand estimation error of 15.96% in our evaluation.
DepIC: Learning parametric dependencies from monitoring data.
DepIC utilizes feature selection techniques in combination with an ensemble regression approach to automatically identify and characterize parametric dependencies. Although parametric dependencies can massively improve the accuracy of performance models, DepIC is the first approach to automatically learn such parametric dependencies from passive monitoring data streams. Our evaluation shows that DepIC achieves 91.7% precision in identifying dependencies and reduces the characterization prediction error by 30% compared to the best individual approach.
Baloo: Modeling the configuration space of databases.
To study the impact of different configurations within distributed DBMSs, we introduce Baloo. Our last contribution models the configuration space of databases considering measurement variabilities in the cloud. More specifically, Baloo dynamically estimates the required benchmarking measurements and automatically builds a configuration space model of a given DBMS. Our evaluation of Baloo on a dataset consisting of 900 configuration points shows that the framework achieves a prediction error of less than 11% while saving up to 80% of the measurement effort.
Although the contributions themselves are orthogonally aligned, taken together they provide a holistic approach to performance management of modern cloud-native microservice applications.
Our contributions are a significant step forward as they specifically target novel and cloud-native software development and operation paradigms, surpassing the capabilities and limitations of previous approaches.
In addition, the research presented in this paper also has a significant impact on the industry, as the contributions were developed in collaboration with research teams from Nokia Bell Labs, Huawei, and Google.
Overall, our solutions open up new possibilities for managing and optimizing cloud applications and improve cost and energy efficiency. / Eine der Folgen der weltweiten Coronavirus-Pandemie ist die erhöhte Nachfrage und Nutzung von Onlinediensten in der gesamten Welt. Gleichzeitig werden die Performanceanforderungen an moderne Technologien immer strenger, da die Benutzer an höhere Standards gewöhnt sind. Diese gestiegenen Performance- und Verfügbarkeitsanforderungen, gepaart mit dem unvorhersehbaren Nutzerwachstum, führen dazu, dass ein zunehmender Anteil der Anwendungen auf Public-Cloud-Plattformen läuft, da diese eine bessere Skalierbarkeit und Zuverlässigkeit versprechen.
Da Rechenzentren bereits heute für etwa ein Prozent des weltweiten Stromverbrauchs verantwortlich sind, ist es von größter Bedeutung, den Ressourceneinsatz zu optimieren. Die gleichzeitige Erfüllung der steigenden und variierenden Ressourcen- und Performanceanforderungen ist nur durch eine Optimierung des Ressourcenmanagements möglich, ohne gleichzeitig zusätzlichen Overhead einzuführen. Dies erfordert die Erforschung und Entwicklung neuer Modellierungsansätze, um das Verhalten der laufenden Anwendungen mit möglichst wenigen Informationen zu verstehen.
Das Aufkommen moderner Softwareparadigmen macht es jedoch zunehmend schwieriger, solche Modelle zu lernen und macht bisherige Modellierungstechniken unbrauchbar. Moderne Cloud-Anwendungen werden oft als eine Sammlung von feingranularen, miteinander verbundenen Komponenten, sogenannten Microservices, bereitgestellt. Microservicearchitekturen bieten massive Vorteile, haben aber auch weitreichende Auswirkungen auf die Performance der jeweiligen Systeme. Darüber hinaus wird das Microserviceparadigma häufig in Verbindung mit einer DevOps-Kultur eingesetzt, was zu häufigen Änderungen am Deployment oder der Anwendung selbst führt. Solche Anwendungen werden auch als cloud-native Anwendungen bezeichnet. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der zunehmende Einsatz von sich ständig ändernden und in der Cloud gehosteten Microservice-Anwendungen eine Reihe von besonderen Herausforderungen für die Modellierung der Performance von modernen Anwendungen mit sich bringt. Darunter sind die Menge, Art und Struktur der Monitoringdaten, häufige Änderungen am Verhalten oder Veränderungen der zugrundeliegenden Infrastruktur. Das verstößt gegen gängige Annahmen des aktuellen Stands der Technik und eröffnet eine Forschungslücke für unsere Arbeit.
In der vorliegenden Arbeit stellen wir fünf Techniken zum automatisierten Lernen von Performancemodellen für cloud-native Softwaresysteme vor. Wir erreichen dies durch die Kombination von maschinellem Lernen mit traditionellen Performance-Modellierungstechniken. Im Gegensatz zu früheren Arbeiten liegt unser Fokus auf in der Cloud gehosteten und sich ständig weiterentwickelnden Microservice-Architekturen, sogenannten cloud-nativen Anwendungen. Daher zielen unsere Beiträge darauf ab, die oben genannten Herausforderungen zu lösen, um automatisierte Performancemodelle mit minimalem Rechenaufwand und ohne manuellen Aufwand zu erzeugen. Abhängig vom jeweiligen Cloudmodell, eventuellen Datenschutzvereinbarungen oder den Möglichkeiten des Monitoringsframworks der jeweiligen Plattform, identifizieren wir verschiedene Anwendungsszenarien, in denen Techniken zur Modellierung, Vorhersage und Optimierung der Performance große Vorteile bieten können. Im Einzelnen sind die Beiträge dieser Arbeit wie folgt:
Monitorless: Anwendungsagnostische Vorhersage von Performanceverschlechterung.
Um die Performance einer Anwendung ausschliesslich mittels Monitoring auf Plattformebene zu verwalten, schlagen wir Monitorless vor, den ersten wirklich anwendungsunabhängigen Ansatz zur Erkennung von Performanceverschlechterungen. Wir verwenden maschinelles Lernen, um die Lücke zwischen Monitoring auf Plattformebene und anwendungsspezifischen Messungen zu schließen, wodurch das Monitoring auf Anwendungsebene überflüssig wird. Monitorless erstellt ein einziges und ganzheitliches Modell der Ressourcensättigung, das auch für heterogene und nicht im Training enthaltene Anwendungen verwendet werden kann. Die Ergebnisse zeigen, dass Monitorless ressourcenbasierte Performanceverschlechterungen mit einer Genauigkeit von 97% erkennt. Darüber hinaus zeigt es ähnliche Leistungen wie typische Autoscalinglösungen, obwohl es weniger Monitoringinformationen verwendet.
SuanMing: Vorhersage von Performanceverschlechterung mithilfe von Tracing.
Wir führen SuanMing ein, um Performanceprobleme zu entschärfen, bevor sie sich auf das Benutzererlebnis auswirken. Dieser Beitrag wird in Szenarien angewendet, in denen Tracing-Tools das Monitoring auf Anwendungsebene ermöglichen. SuanMing sagt erklärbare Ursachen für erwartete Performanceeinbußen voraus und verhindert diese, bevor sie auftreten. Evaluationsergebnisse zeigen, dass SuanMing zukünftige Performanceeinbußen mit einer Genauigkeit von über 90% vorhersagen und lokalisieren kann.
SARDE: Kontinuierliche und autonome Schätzung des Ressourcenbedarfs.
Wir stellen SARDE vor, um Performancemodelle für hochvariable Anwendungen zu lernen. Dieser Beitrag konzentriert sich auf die kontinuierliche Schätzung des Ressourcenbedarfs von Anwendungen, einem wichtigen Parameter in Performancemodellen. SARDE ist ein autonomes Ensembleverfahren zum Schätzen. Es wählt dynamisch und kontinuierlich aus einem Ensemble von Ansätzen, optimiiert diese, und führt sie aus, um den Ressourcenbedarf als Reaktion auf Änderungen in der Anwendung oder ihrer Umgebung zu schätzen. Durch kontinuierliche Online-Anpassung erreicht SARDE in unserer Evaluation effizient einen durchschnittlichen Fehler bei der Schätzung des Ressourcenbedarfs von 15,96%.
DepIC: Lernen parametrischer Abhängigkeiten aus Monitoringdaten.
DepIC nutzt Techniken zu Featureauswahl in Kombination mit einem Ensemble-Regressionsansatz, um parametrische Abhängigkeiten automatisch zu identifizieren und zu charakterisieren. Obwohl parametrische Abhängigkeiten die Genauigkeit von Performancemodellen deutlich verbessern können, ist DepIC der erste Ansatz, der solche parametrischen Abhängigkeiten automatisch aus passiven Monitoringdatenströmen lernt. Unsere Evaluation zeigt, dass DepIC eine Genauigkeit von 91,7% bei der Identifizierung von Abhängigkeiten erreicht und den Fehler bei der Charakterisierungsvorhersage um 30% im Vergleich zum besten individuellen Ansatz reduziert.
Baloo: Modellierung des Konfigurationsraums von Datenbanken.
Um die Auswirkungen verschiedener Konfigurationseinstellungen in verteilten Datenbankmanagementsystemen zu untersuchen, führen wir Baloo ein. Unser letzter Beitrag modelliert den Konfigurationsraum von Datenbanken unter Berücksichtigung der Messungsvariabilitäten der Cloud. Genauer gesagt, schätzt Baloo dynamisch die erforderliche Anzahl der Benchmarkmessungen und baut automatisch ein Konfigurationsraummodell eines gegebenen Datenbankmanagementsystems auf. Unsere Evaluation von Baloo auf einem aus 900 Konfigurationspunkten bestehenden Datensatz zeigt, dass das Framework einen Vorhersagefehler von weniger als 11% erreicht und gleichzeitig bis zu 80% des Messaufwands einspart.
Obwohl die Beiträge an sich orthogonal zueinander ausgerichtet sind, bilden sie zusammengenommen einen ganzheitlichen Ansatz für das Performancemanagement von modernen cloud-nativen Microservice-Anwendungen. Unsere Beiträge sind ein bedeutender Schritt, da sie speziell auf neuartige und cloud-native Paradigmen für Softwareentwicklung und Betrieb abzielen, sowie die Fähigkeiten bisheriger Ansätze übertreffen. Darüber hinaus hat die in dieser Arbeit vorgestellte Forschung auch einen bedeutenden Einfluss auf die Industrie, da die Beiträge in Zusammenarbeit mit Forschungsteams von Nokia Bell Labs, Huawei und Google entwickelt wurden. Insgesamt eröffnen unsere Lösungen neue Möglichkeiten für die Verwaltung und Optimierung von Cloudanwendungen und verbessern so die Kosten- und Energieeffizienz.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:26160 |
| Date | January 2022 |
| Creators | Grohmann, Johannes Sebastian |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.de, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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