Consolidação servidores heurística virtualização

Mecanismos para consolidação de servidores
Max Rosan dos Santos Júnior
<maxrosan@ime.usp.br>
Orientador: Prof. Dr. Daniel Macêdo Batista
Instituto de Matemática e Estatística
Universidade de São Paulo
31 de março de 2014

Introdução
Motivação para uso da virtualização
Algoritmo
Conclusão
Referências
Sumário
1 Introdução
Problema
Consolidação de servidores
Objetivos
2 Motivação para uso da virtualização
Motivação
Ferramentas
Resultados
3 Algoritmo
Introdução
Heurística
Modelo
Programação Linear
4 Conclusão
Conclusão
Max Rosan dos Santos Júnior <maxrosan@ime.usp.br> Mecanismos para consolidação de servidores

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Problema
Objetivos
Problema
Houve um crescimento no número e na complexidade de
serviços na nuvem.
Jogos (OnLive [2013]), armazenamento de arquivos
(Dropbox), edição e formatação de texto (Google [2014]), etc.
Passaram a exigir uma quantidade maior de recursos dos CPDs
(Centro de Processamento de Dados).
Os CPDs, para cumprir a demanda, cresceram bastante em
termos de infraestrutura, com um número cada vez maior de
servidores (ou máquinas físicas).

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Problema
Objetivos
Problema
Inevitavelmente, o crescimento dos CPDs também aumentou
bastante o custo energético para mantê-los.
Grande parte do custo energético dos CPDs é atribuída aos
servidores neles instalados.
Notou-se então que havia um subuso nos servidores. Em 2008,
Vogels [2008] já relatava que o uso dos servidores das grandes
empresas de TI ﬁcavam em torno de 15% a 20% das suas
capacidades.
Google, em 2013, revelou por meio um monitoramento de 3
meses de alguns dos servidores um uso de 10 a 50% de suas
capacidades.
O custo energético de um servidor ocioso ainda é alto.

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Problema
Objetivos
Problema
O baixo uso dos servidores pode ser causado por diversos
fatores:
Falta de balanceamento adequado de carga computacional;
Servidores dedicados a determinados serviços;
Imprevisibilidade do uso dos servidores;
etc.
Esses fatores causam o espalhamento inadequado de
aplicações/serviços pelos servidores.

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Problema
Objetivos
Uma das formas de tentar fazer o uso mais eﬁciente é realizar
a consolidação:
Por meio da virtualização;
Ou por meio das aplicações.
A segunda opção pode não assegurar o isolamento.
Problema com os serviços/aplicações dependentes de
plataforma.

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Problema
Objetivos
Figura: Servidores dedicados.

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Problema
Objetivos
Figura: Migra os serviços para máquinas virtuais.

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Problema
Objetivos
Figura: Consolidação por meio da virtualização.

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Problema
Objetivos
O primeiro passo para a consolidação é realizar a migração dos
serviços para máquinas virtuais.
O segundo o passo é fazer uma alocação de servidores para
rodar as máquinas virtuais.
Surge então o problema de como alocar os servidores para as
máquinas virtuais.
Os contratos devem ser obedecidos pelos servidores.

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Problema
Objetivos
A alocação de servidores pode ser estática ou dinâmica.
A alocação dinâmica não é custosa hoje em dia graça ao live
migration (Clark et al. [2005]).
O problema da alocação foi modelado em vários trabalhos
como um problema de bin packing.
É possível ter outra abordagem ?

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Problema
Objetivos
Principal:
Propor uma heurística alternativa para realizar a consolidação
de servidores.
Os objetivos secundários são:
Desenvolver um modelo para estimar o consumo de energia em
um CPD;
Veriﬁcar como é afetado o desempenho de serviços executados
em MVs;
Veriﬁcar o consumo de energia de um servidor com e sem MVs.

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Motivação
Ferramentas
Resultados
É interessante usar a virtualização?
O uso da virtualização pode introduzir um overhead no uso
dos recursos das máquinas físicas.
Dependendo do overhead, pode haver um consumo maior de
energia ou mesmo quebra nos contratos dos serviços.
A ﬁm de motivar o uso da virtualização para a consolidação e
mostrar que esse overhead é pequeno se comparado à
economia de energia que se tem, foram realizados diversos
experimentos de estresse de uma máquina física, com e sem
máquinas virtuais.

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Motivação
Ferramentas
Resultados
Máquina física:
CPU: Intel i7-3610QM (4 núcleos reais mais 4 núcleos
virtuais);
Frequência de operação: 2,3 GHz até 3,3 GHz;
Memória RAM: 8 GB;
Disco rígido: 750 GB - 5.400rpm;
Sistema operacional: Linux Fedora 18 x64.

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Motivação
Ferramentas
Resultados
Máquina virtual:
vCPU: 1;
Memória: 512 MB;
Disco Rígido: 1 GB;
Arquitetura emulada: i386;
Sistema operacional: Ubuntu 12.04.2 LTS.
Até 12 máquinas virtuais foram utilizadas.

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Motivação
Ferramentas
Resultados
Ferramentas utilizadas para mensurar o desempenho:
sysbench: Forçar o uso da CPU e da memória;
cpulimit: Limitar o uso de CPU a um determinado percentual;
qemu c/ kvm: Emulador com aceleração para tradução das
intruções;
libvirt: Hypervisor.

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Motivação
Ferramentas
Resultados
Ferramentas utilizadas para mensurar o consumo:
Wattímetro digital simples;
Câmera digital para ﬁlmar o visor do wattímetro;
FFMpeg: Amostrar a ﬁlmagem;
SSOcr: Para extrair os valores de 7 segmentos dos frames.

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Motivação
Ferramentas
Resultados

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Motivação
Ferramentas
Resultados
Figura: Utilização da CPU em função da quantidade de MVs
Comando: sysbench –test=cpu –cpu-max-prime=50000 run
Tempo médio pouco varia até usar os quatro núcleos.

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Motivação
Ferramentas
Resultados
Figura: Vazão no acesso à memória RAM em função da quantidade de
MVs
Comando: sysbench –test=memory –memory-block-size=1M
–memory-total-size=10G run
Com 12 MVs, a vazão foi 27% menor. Com 4 MVs, foi 2%.

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Motivação
Ferramentas
Resultados
Figura: Gráﬁco comparativo do consumo no processamento em um
servidor sem MV e um servidor com MV.
A diferença nas medições ﬁcou em torno de 4 a 20%.

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Motivação
Ferramentas
Resultados
Figura: Consumo de energia de 2 máquinas físicas versus consumo de
energia do servidor com 2 MVs em função do tempo (estimativa)
É possível notar que há diferença considerável entre os dois
consumos.

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Motivação
Ferramentas
Resultados
Figura: Consumo de energia do servidor com várias MVs (até 12) em
função do tempo.
Boot é um processo custoso. O consumo aumenta de maneira
signiﬁcativa até 4 MVs.

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Motivação
Ferramentas
Resultados
Figura: Consumo de energia real do servidor versus regressão linear em
função da porcentagem de uso de CPUs

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Motivação
Ferramentas
Resultados
Figura: Consumo de energia em função do uso da memória
As mudanças nos padrões de acesso inﬂuenciam mais
( Hicks et al. [1997]).

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Motivação
Ferramentas
Resultados
A virtualização causa um pequeno overhead no uso dos
recursos e, consequetemente, um pequeno acréscimento no
consumo de energia, se comparado ao uso da máquina física
sem virtualização.
Por o overhead ser pequeno, pode ser vantajoso o uso da
virtualização.
Em cenários de ociosidade, a virtualização permite uma
economia maior de energia.
É preciso mapear as máquinas virtuais para os servidores de
forma a não quebrar os contratos.

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Introdução
Heurística
Modelo
Dos resultados anteriores, é possível ver que a virtualização é
vantajosa se houver uma alocação adequada dos servidores.
Se pensar no problema envolvendo todos os servidores e as
máquinas virtuais, o problema da alocação é de minimização.
Se considerar cada servidor de forma individual, e que a forma
de fazer minimizar o número de servidores é maximizar o
número de máquinas virtuais nos servidores com mais recursos,
há então um problema de maximização para cada servidor.
Foi considerando essa hipótese que o problema da alocação foi
aqui modelado como um Problema da Mochila.

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Introdução
Heurística
Modelo
Surgiu então outra questão: tentar consolidar maximizando o
uso dos recursos de servidores com maior poder computacional
de fato economiza energia?
Como comparar a heurística proposta aqui com outras
propostas em outros trabalhos?

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Introdução
Heurística
Modelo
Foram desenvolvidos então:
Trace de um workload do Google para representar um cenário
de um CPD próximo do real.
Simulador simples de evento discreto baseado nesse trace.
Um modelo, com base nos resultados dos experimentos, para
calcular o consumo de energia dos servidores alocados pelos
algoritmos.

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Introdução
Heurística
Modelo
Problema da alocação de servidores como Problema da
Mochila:
Máquina virtual como item.
Servidor como mochila.
Ganho associado a cada máquina virtual.
Recursos considerados: CPU e memória (valores
normalizados).

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Introdução
Heurística
Modelo
Toyoda [1975] propôs uma algoritmo para resolver grandes
instâncias do Problema da Mochila com mais de uma
dimensão.
Não usa enumeração. Menor complexidade temporal para
instâncias grandes.
Para lidar com mais de uma dimensão, Toyoda deﬁne uma
penalidade associada a cada objeto.
Exemplo:
Mochila tem como recursos: (1.0, 1.0);
Já foi utilizado: Pu = (0.6, 0.3);
Dois itens com o mesmo ganho: P1 = (0.1, 0.4) e
P2 = (0.4, 0.1).
Qual colocar?

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Introdução
Heurística
Modelo
Solução:
P1 vai usar mais do recurso dois, vai balancear mais o uso da
mochila;
P1 deve ter prioridade sobre P2;
Pode ser calculado usando produto interno: P1 . Pu = 0.18 e
P2 . Pu = 0.27.
Pu é o vetor de penalidade.

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Introdução
Heurística
Modelo
A prioridade de um item i é dada por Gi = Ki
Ui
.
Ui = Pi . Pu
|Pu| .
Ki é o ganho associado ao item i.
Pu muda a cada iteração sobre os itens não selecionados ainda
para mochila.

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Introdução
Heurística
Modelo
Antes de usar a heurística, é necessário ordenar as máquinas
virtuais e os servidores em ordem decrescente.
Servidores com mais recursos computacionais devem ter maior
prioridade em receber as máquinas virtuais.
Máquinas virtuais que usam mais recursos devem ter maior
prioridade.
A prioridade de um servidor e de uma MV é dada por:
(cpu)2 + (mem)2.
O ganho de uma MV é dado por max(cpu, mem).
Essas funções apresentaram os melhores resultados para o
trace do Google.

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Introdução
Heurística
Modelo
Foi necessário fazer processamento com threads.
Apesar da heurística do Toyoda ser para instâncias grandes, há
um volume grande de dados no trace do Google.
Após a ordenação, as listas de servidores e MVs são divididas e
distribuidas entre as threads.

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Introdução
Heurística
Modelo
Os valores das tarefas no trace do Google foram amostrados a
cada 300 segundos.
Com base nisso, os algoritmos para fazer a realocação dos
servidores são chamados a cada 300 segundos simulados.
Intervalo de 300 segundos simulados = 1 rodada.
Os comparativos foram construídos usando "rodada" como
unidade de tempo.
First Fit Decreasing (FFD) vs. Toyoda-based Algorithm For
Server Consolidation (TASC)

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Introdução
Heurística
Modelo
Figura: Total de tarefas em função do tempo
119131 MVs por rodada.
3756 MVs novas chegam em cada rodada.

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Introdução
Heurística
Modelo
Figura: Número de servidores em função do tempo

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Introdução
Heurística
Modelo
Figura: Servidores utilizados ao longo do tempo

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Introdução
Heurística
Modelo
Figura: Número de migrações das heurísticas
Em média, o TASC provocou 5053 migrações a menos que o
FFD.

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Introdução
Heurística
Modelo
O número de servidores utilizados pode não ser parâmetro
suﬁciente para aﬁrmar que há de fato um menor consumo de
energia.
Mesmo o número de migrações pode pouco falar sobre o
consumo de energia.
Foi desenvolvido um modelo para calcular o consumo de
energia com base nos experimentos com consumo.

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Introdução
Heurística
Modelo
Seja x o uso da CPU.
g(x) =
1, 5 + 3, 9x, se x ≤ 0, 25,
2, 05 + 1, 8x, caso contrário.
(1)
Won(x) =
1, 5 se x ≤ 0, 25,
2, 05 caso contrário.
(2)
Wcpu(x) =
3, 9 se x ≤ 0, 25,
1, 8 caso contrário.
(3)
E(x) = Won(x) + xWcpu(x)x (4)

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Introdução
Heurística
Modelo
Figura: Consumo de energia das heurísticas (Bezier)
Em média, o TASC faz o consumo por rodada ser 6125 Wh a
menos que o FFD.

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Introdução
Heurística
Modelo
O TASC se baseia na hipótese que maximizando o uso dos
servidores com mais recursos, há a consolidação e uma
redução de energia.
Maximizando o uso, de fato há economia?
Para verificar quão distante o TASC ficaria de uma abordagem
exata baseada no consumo, o modelo para cálculo de energia
foi modificado para ser um problema de Programação Linear.

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Introdução
Heurística
Modelo
min
j∈Macs
zj Won +



i∈Tasks
xij



Ct
i
Cs
j
Wcpu + yij Wmig





 (5)
∀j ∈ Macs ,


i∈Tasks
xij C
t
i

 − zj C
s
j ≤ 0 (6)
∀j ∈ Macs ,


i∈Tasks
xij M
t
i

 − zj M
s
j ≤ 0 (7)
∀i ∈ Tasks ,
j∈Macs
xij = 1 (8)
∀i ∈ Tasks ∀j ∈ Macs , 0 ≤ xij ≤ 1 (9)
∀j ∈ Macs , 0 ≤ zj ≤ 1 (10)
∀i ∈ Tasks ∀j ∈ Macs , xij ∈ Z (11)
∀j ∈ Macs , zj ∈ Z (12)

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Introdução
Heurística
Modelo
O CPLEX foi utilizado para resolver a Programação Linear.
Um problema de Programação Linear foi construído a cada
rodada no simulador, com base nos resultados da rodada
anterior.
Não foi utilizado o trace do Google. Foi construído um trace
com valores aleatórios para as máquinas virtuais.
Foi utilizado um valor constante para os servidores.

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Introdução
Heurística
Modelo
Número de MVs Número de servidores TASC Exato
10 10 313,32 Wh 261,12 Wh
20 20 611,65 Wh 516,36 Wh
30 30 871,01 Wh 724,71 Wh
40 40 1204,93 Wh 998,30 Wh
50 50 1519,93 Wh 1258,10 Wh
Tabela: Total de energia consumida de acordo com a alocação de cada
algoritmo
Em média o TASC retornou alocações que consumiram 20%
mais energia do que as alocações retornadas pelo algoritmo
exato.

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Introdução
Heurística
Modelo
10 10 73 21
20 20 145 49
30 30 208 74
40 40 304 107
50 50 387 136
Tabela: Número de migrações de acordo com a alocação de cada
algoritmo

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Introdução
Heurística
Modelo
10 10 0,00075s 7,82s
20 20 0,00208s 8,1s
30 30 0,00348s 9,14s
40 40 0,00558s 18,23s
50 50 0,00795s 16,67s
Tabela: Tempo médio para execução de cada algoritmo

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Conclusão
Para o trace do Google, o TASC apresentou melhores
alocações do que o FFD implementado.
Menor número de servidores utilizados;
Menor número de migrações;
Menor consumo de energia.
TASC pode ser utilizado com grandes instâncias.
Programação Linear baseado no modelo retorna melhores
resultados para instâncias pequenas.

Introdução
Algoritmo
Conclusão
Referências
Referências
Clark et al.(2005) C. Clark et al. Live migration of virtual machines. Em Proceedings of the 2nd conference on
Symposium on Networked Systems Design & Implementation-Volume 2, páginas 273–286. USENIX
Association.
Dropbox() Dropbox. Dropbox - Sobre o Dropbox. https://www.dropbox.com/about. Acessado em 12/3/2014.
Google(2014) Google. Google Docs, Planilhas e Apresentacoes do Google - Ajuda do Drive, 2014.
https://support.google.com/drive/answer/49008?hl=pt-BR. Acessado em 12/3/2014.
Hicks et al.(1997) P. Hicks, M. Walnock e R. M. Owens. Analysis of power consumption in memory hierarchies.
Em Proceedings of the 1997 International Symposium On Low Power Electronics and Design, páginas
239–242. ACM.
OnLive(2013) OnLive. OnLive Background, 2013. https://www.onlive.com/about. Acessado em 12/3/2014.
Toyoda(1975) Y. Toyoda. A simpliﬁed algorithm for obtaining approximate solutions to zero-one programming
problems. Management Science, 21(12):1417–1427.
Vogels(2008) W. Vogels. Beyond server consolidation. Queue, 6(1):20–26.

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