A computação em nuvem está cada dia mais presente em nosso quotidiano, tanto na vida de usuários domésticos, como em empresas, e organizações governamentais. Aconteceram grandes melhorias na quantidade e qualidade do uso deste modelo de serviços nos últimos anos, mas um fator de qualidade continua preocupando os provedores de serviços e usuário: a dependabilidade. Dentre as modalidades de serviços mais populares de computação em nuvem, encontram-se três: Infrastructure as a Service (IaaS), focado em administração de sistemas e infraestrutura; Platform as a Service (PaaS), que possibilita a implantação, hospedagem e gerenciamento de aplicações, onde os principais usuários são desenvolvedores e gerentes de configuração; Software as a Service (SaaS), que geralmente são aplicativos voltados ao usuário final. Nesse trabalho foram propostos cenários para a implantação da PaaS (Platform as a Service) Cloud Foundry. Esses cenários foram modelados de forma hierárquica e heterogênea com o uso de modelos analíticos de diagrama de bloco de confiabilidade e cadeias de Markov. Com base nesses modelos, foram feitas análises de disponibilidade, confiabilidade e de sensibilidade. Foram identificados gargalos para a disponibilidade da plataforma e possíveis soluções para os mesmos. Com a análise de sensibilidade, também foram mostrados cenários que suportavam alta disponibilidade como menor uso de componentes redundantes.

1. AVALIAC¸ ˜AO DE DEPENDABILIDADE E AN´ALISE DE
SENSIBILIDADE EM UM AMBIENTE DE PAAS
Ramon Santos Nascimento
Orientador: Jean Teixeira
Universidade Federal Rural de Pernambuco
ramonsantos.pe@gmail.com
12 de dezembro de 2015
Ramon Santos Nascimento Orientador: Jean Teixeira (UFRPE)Trabalho de Conclus˜ao de Curso 12 de dezembro de 2015 1 / 46

2. Agenda
Resumo
Introdu¸c˜ao
Fundamenta¸c˜ao Te´orica
Metodologia
Modelos Propostos
Resultados
Considera¸c˜oes
Ramon Santos Nascimento Orientador: Jean Teixeira (UFRPE)Trabalho de Conclus˜ao de Curso 12 de dezembro de 2015 2 / 46

3. Resumo
Foram propostos cen´arios de implanta¸c˜ao de PaaS (Cloud Foundry);
Cen´arios foram modelados de forma hier´arquica e heterogˆenea atrav´es
dos modelos RBD e CTMC;
Foram feitas avalia¸c˜oes de dependabilidade (disponibilidade e
confiabilidade) e an´alise de sensibilidade.
Ramon Santos Nascimento Orientador: Jean Teixeira (UFRPE)Trabalho de Conclus˜ao de Curso 12 de dezembro de 2015 3 / 46

4. Introdu¸c˜ao
Introdu¸c˜ao
Ramon Santos Nascimento Orientador: Jean Teixeira (UFRPE)Trabalho de Conclus˜ao de Curso 12 de dezembro de 2015 4 / 46

5. Introdu¸c˜ao
Motiva¸c˜ao
Atributos de dependabilidade s˜ao fatores de qualidade de servi¸cos
de TI;
Avalia¸c˜ao de dependabilidade ´e importante para o planejamento,
desenvolvimento e gerenciamento de Nuvens;
Avalia¸c˜ao por modelos anal´ıticos ´e menos custosa que o
monitoramento da aplica¸c˜ao em fase de produ¸c˜ao;
N˜ao foram encontrados trabalho com avalia¸c˜ao de dependabilidade
por meio de modelos anal´ıticos em PaaS.
Ramon Santos Nascimento Orientador: Jean Teixeira (UFRPE)Trabalho de Conclus˜ao de Curso 12 de dezembro de 2015 5 / 46

6. Introdu¸c˜ao
Objetivos
Propor modelos de dependabilidade para ambientes de PaaS;
Identificar os componentes que mais influenciam na disponibilidade da
plataforma;
Recomendar uma configura¸c˜ao eficiente (em termos de recursos
computacionais) para a implanta¸c˜ao de PaaS que suportem alta
disponibilidade;
Encontrar poss´ıveis gargalos na dependabilidade da plataforma e
sugerir mudan¸cas para supera-los.
Ramon Santos Nascimento Orientador: Jean Teixeira (UFRPE)Trabalho de Conclus˜ao de Curso 12 de dezembro de 2015 6 / 46

7. Introdu¸c˜ao
Trabalhos Relacionados
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(WEI et al., 2011b)
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√
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(DANTAS et al., 2012b)
√ √
Computa¸c˜ao em Nuvem / IaaS
(CALLOU et al., 2012)
√ √
Data Centers
(ZENG et al., 2012)
√ √
Redes Inteligentes
(DANTAS et al., 2012a)
√ √
Computa¸c˜ao em Nuvem / IaaS
(OMIDI; MORADI, 2012)
√ √
Web Services
(ZHANG et al., 2012)
√
Computa¸c˜ao em Nuvem / PaaS
Ramon Santos Nascimento Orientador: Jean Teixeira (UFRPE)Trabalho de Conclus˜ao de Curso 12 de dezembro de 2015 7 / 46

8. Introdu¸c˜ao
Trabalhos Relacionados
Artigos CTMC SPN RBD Outras Contexto
(SOUSA et al., 2013)
√ √
Computa¸c˜ao em Nuvem / IaaS
(OLIVEIRA et al., 2013)
√ √
Computa¸c˜ao em Nuvem / M´ovel
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√ √
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(XIANG et al., 2014)
√ √
Redes Inteligentes
(BEZERRA et al., 2014)
√ √
Computa¸c˜ao em Nuvem / IaaS
(SOUSA et al., 2014b)
√ √
Computa¸c˜ao em Nuvem / IaaS
(ZHOU et al., 2014)
√
Computa¸c˜ao em Nuvem / PaaS
(ARAUJO et al., 2014)
√ √ Aplica¸c˜oes mHealth em Nuvem
M´ovel
(BRILHANTE et al., 2014)
√
Computa¸c˜ao em Nuvem / IaaS
(MELO et al., 2014)
√ √
Computa¸c˜ao em Nuvem / IaaS
(MATOS et al., 2015)
√ √
Computa¸c˜ao em Nuvem / M´ovel
(SOUSA et al., 2015)
√ √
Computa¸c˜ao em Nuvem / IaaS
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9. Fundamenta¸c˜ao Te´orica
Fundamenta¸c˜ao Te´orica
Ramon Santos Nascimento Orientador: Jean Teixeira (UFRPE)Trabalho de Conclus˜ao de Curso 12 de dezembro de 2015 9 / 46

10. Fundamenta¸c˜ao Te´orica
Computa¸c˜ao em Nuvem
Defini¸c˜ao
A computa¸c˜ao em nuvem pode ser definida como um modelo que permite
o acesso conveniente a recursos computacionais (armazenamento,
processamento, aplica¸c˜oes, servi¸cos e etc) sob demanda, que podem ser
rapidamente provisionados e liberados com um esfor¸co m´ınimo de
gerenciamento.
Ramon Santos Nascimento Orientador: Jean Teixeira (UFRPE)Trabalho de Conclus˜ao de Curso 12 de dezembro de 2015 10 / 46

11. Fundamenta¸c˜ao Te´orica
Ramon Santos Nascimento Orientador: Jean Teixeira (UFRPE)Trabalho de Conclus˜ao de Curso 12 de dezembro de 2015 11 / 46

12. Fundamenta¸c˜ao Te´orica
A Plataforma como um Servi¸co (Platform as a Services) providencia um
ambiente onde os desenvolvedores possam:
Usar servi¸cos e ferramentas para o desenvolvimento;
Implantar aplica¸c˜oes;
Gerenciar aplica¸c˜oes.
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13. Fundamenta¸c˜ao Te´orica
Dependabilidade diz respeito a capacidade de entrega de um servi¸co que
pode ser considerando confi´avel. Entre os principais atributos de
dependabilidade est˜ao:
Disponibilidade: A capacidade de um sistema estar de prontid˜ao
para prover um servi¸co corretamente;
Confiabilidade: A probabilidade que um sistema ir´a prover um
servi¸co de forma cont´ınua at´e uma instante de tempo t;
Seguran¸ca: Ausˆencia de consequˆencias catastr´oficas que poderiam
afetar o(s) usu´ario(s) e o ambiente;
Integridade: Ausˆencia de altera¸c˜oes impr´oprias no estado de um
sistema;
Manutenibilidade: A habilidade para sofrer reparos e modifica¸c˜oes;
Confidencialidade: Ausˆencia de divulga¸c˜ao desautorizada de
informa¸c˜ao.
Ramon Santos Nascimento Orientador: Jean Teixeira (UFRPE)Trabalho de Conclus˜ao de Curso 12 de dezembro de 2015 13 / 46

14. Fundamenta¸c˜ao Te´orica
C´alculo de disponibilidade:
Disponibilidade =
MTTF
MTTF + MTTR
Tempo de indisponibilidade em um ano:
Downtimeanual = (1 − Disponibilidade) × 8760h
N´umero de noves:
Nof 9s = −log10(1 − Disponibilidade)
Ramon Santos Nascimento Orientador: Jean Teixeira (UFRPE)Trabalho de Conclus˜ao de Curso 12 de dezembro de 2015 14 / 46

15. Fundamenta¸c˜ao Te´orica
A fun¸c˜ao de confiabilidade R(t) representa a probabilidade de que um
sistema ser´a operado sem falha em um intervalo de tempo entre 0 e t:
R(t) = P(T > t), t ≥ 0
onde T ´e uma vari´avel aleat´oria que representa o tempo para ocorrˆencia
de defeitos.
Ramon Santos Nascimento Orientador: Jean Teixeira (UFRPE)Trabalho de Conclus˜ao de Curso 12 de dezembro de 2015 15 / 46

16. Fundamenta¸c˜ao Te´orica
Modelos Combinat´orios:
FT - ´Arvore de Falha;
RBD - Diagrama de Bloco de Confiabilidade;
RG - Grafos de Confiabilidade.
Modelos Baseados em Estado:
CTMC - Cadeias de Markov de Tempo Cont´ınuo;
SMP - Processos semi-Markov;
SPN - Redes de Petri Estoc´aticas;
GSPN - Redes de Petri Estoc´asticas Generalizadas;
MRGP - Processo Regenerativo de Markov.
Ramon Santos Nascimento Orientador: Jean Teixeira (UFRPE)Trabalho de Conclus˜ao de Curso 12 de dezembro de 2015 16 / 46

17. Fundamenta¸c˜ao Te´orica
Comp. 3Comp. 1 Comp. 2
Rs =
n
i=1
Ri
Comp. n
Comp. 1
Comp. 2
Rp = 1 −
n
i=1
(1 − Ri )
Ramon Santos Nascimento Orientador: Jean Teixeira (UFRPE)Trabalho de Conclus˜ao de Curso 12 de dezembro de 2015 17 / 46

18. Fundamenta¸c˜ao Te´orica
Cadeias de Markov ´e um processo probabil´ıstico que apresenta a
propriedade markoviana em que os estados anteriores s˜ao irrelevantes
para a predi¸c˜ao dos estados seguintes, para isso, o estado atual deve
necessariamente ser conhecido.
Ramon Santos Nascimento Orientador: Jean Teixeira (UFRPE)Trabalho de Conclus˜ao de Curso 12 de dezembro de 2015 18 / 46

19. Fundamenta¸c˜ao Te´orica
A an´alise de sensibilidade ´e uma t´ecnica utilizada para determinar os
fatores que possuem maior relevˆancia sobre as medidas ou sa´ıdas de um
modelo.
T´ecnicas:
An´alise Diferencial;
An´alise de Correla¸c˜ao;
An´alise de Regress˜ao;
An´alise de Perturba¸c˜ao;
Design Experimental Fatorial.
Ramon Santos Nascimento Orientador: Jean Teixeira (UFRPE)Trabalho de Conclus˜ao de Curso 12 de dezembro de 2015 19 / 46

20. Fundamenta¸c˜ao Te´orica
Termos importantes em DoE:
Vari´avel resposta;
Fatores;
N´ıveis.
Fatorial Completo:
num =
k
i=1
(ni )
onde k ´e o n´umero de fatores, com o i-´esimo fator tendo ni n´ıveis.
Ramon Santos Nascimento Orientador: Jean Teixeira (UFRPE)Trabalho de Conclus˜ao de Curso 12 de dezembro de 2015 20 / 46

21. Metodologia
Metodologia
Ramon Santos Nascimento Orientador: Jean Teixeira (UFRPE)Trabalho de Conclus˜ao de Curso 12 de dezembro de 2015 21 / 46

22. Metodologia
Revisão de Literatura
Entendimento da Plataforma
Modelagem
Análise dos Resultados
Modelo
Representa a
Plataforma
Identificar Métricas de Interesse
Sim
Não
Ramon Santos Nascimento Orientador: Jean Teixeira (UFRPE)Trabalho de Conclus˜ao de Curso 12 de dezembro de 2015 22 / 46

23. Metodologia
Ramon Santos Nascimento Orientador: Jean Teixeira (UFRPE)Trabalho de Conclus˜ao de Curso 12 de dezembro de 2015 23 / 46

24. Metodologia
Componente Dependˆencias
Router –
UAA JVM, Tomcat e SGBD
CC Nginx, IR e SGBD
HM –
DEA IR e Warden
Message Bus –
Metrics Collector IR
Ramon Santos Nascimento Orientador: Jean Teixeira (UFRPE)Trabalho de Conclus˜ao de Curso 12 de dezembro de 2015 24 / 46

25. Modelos Propostos
Modelos Propostos
Ramon Santos Nascimento Orientador: Jean Teixeira (UFRPE)Trabalho de Conclus˜ao de Curso 12 de dezembro de 2015 25 / 46

26. Modelos Propostos
Modelo para o Cen´ario 1 (baseline)
UAA HM CC DEA MB MS BS ServicesRouter
DCenario 1 = DRouter × DUAA × DHM × DCC ×
DDEA × DMB × DMC × DBS × DServices
Ramon Santos Nascimento Orientador: Jean Teixeira (UFRPE)Trabalho de Conclus˜ao de Curso 12 de dezembro de 2015 26 / 46

27. Modelos Propostos
Modelo de Disponibilidade do UAA
DUAA =
µSGBD × µJVM−TC × (λJVM × µTC )
(λSGBD + µSGBD) × (λJVM + µJVM−TC ) × (λJVM + λTC + µTC )
Ramon Santos Nascimento Orientador: Jean Teixeira (UFRPE)Trabalho de Conclus˜ao de Curso 12 de dezembro de 2015 27 / 46

28. Modelos Propostos
Modelo de Disponibilidade do CC
IR SGBDNginx
DCC = DNginx × DIR × DSGBD
Ramon Santos Nascimento Orientador: Jean Teixeira (UFRPE)Trabalho de Conclus˜ao de Curso 12 de dezembro de 2015 28 / 46

29. Modelos Propostos
Modelo de Disponibilidade do DEA
WardenIR
DDEA = DIR × DWarden
Ramon Santos Nascimento Orientador: Jean Teixeira (UFRPE)Trabalho de Conclus˜ao de Curso 12 de dezembro de 2015 29 / 46

30. Modelos Propostos
Modelo para o Cen´ario 2
UAA 2 HM 2 CC 2
DEA 3
MB 2 MS 2
BS Services
Router 2
Router 1 UAA 1 HM 1 CC 1
DEA 1
DEA 2
MB 1 MS 2
DCenario 2 = (1 − (1 − DRouter )2
) × (1 − (1 − DUAA)2
)×
(1 − (1 − DHM)2
) × (1 − (1 − DCC )2
) × (1 − (1 − DDEA)3
)×
(1 − (1 − DMB)2
) × (1 − (1 − DMC )2
) × DBS × DServices
Ramon Santos Nascimento Orientador: Jean Teixeira (UFRPE)Trabalho de Conclus˜ao de Curso 12 de dezembro de 2015 30 / 46

31. Modelos Propostos
Modelo para o Cen´ario 3
UAA 3
HM 2
CC 3
DEA 5
MB 2 MS 2
BS Services
Router 2
Router 1
UAA 1
UAA 2
HM 1
CC 1
CC 2
MB 1 MS 1
DEA 1
DEA 2
DEA 3
DEA 4
DCenario 3 = (1 − (1 − DRouter )2
) × (1 − (1 − DUAA)3
)×
(1 − (1 − DHM)2
) × (1 − (1 − DCC )3
) × (1 − (1 − DDEA)5
)×
(1 − (1 − DMB)2
) × (1 − (1 − DMC )2
) × DBS × DServices
Ramon Santos Nascimento Orientador: Jean Teixeira (UFRPE)Trabalho de Conclus˜ao de Curso 12 de dezembro de 2015 31 / 46

32. Resultados
Resultados
Ramon Santos Nascimento Orientador: Jean Teixeira (UFRPE)Trabalho de Conclus˜ao de Curso 12 de dezembro de 2015 32 / 46

33. Resultados
Disponibilidade dos Componentes de Cloud Foundry
Componente Disponibilidade (%)
Router 99,87332
UAA 99,67830
HM 99,87332
CC 99,67758
DEA 99,74680
Message Bus 99,87332
Metrics Collector 99,87332
Blob Store 99,87332
Services 99,87332
Ramon Santos Nascimento Orientador: Jean Teixeira (UFRPE)Trabalho de Conclus˜ao de Curso 12 de dezembro de 2015 33 / 46

34. Resultados
Confiabilidade dos Cen´arios
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 100 200 300 400 500
Confiabilidade
Tempo (horas)
Cenário 1
Cenário 2
Cenário 3
Ramon Santos Nascimento Orientador: Jean Teixeira (UFRPE)Trabalho de Conclus˜ao de Curso 12 de dezembro de 2015 34 / 46

35. Resultados
Disponibilidade dos Cen´arios
M´etricas Cen´ario 1 Cen´ario 2 Cen´ario 3
Disponibilidade (%) 98,35446 99,74409 99,74616
Disponibilidade (N de 9’s ) 1,7836905 2,5919169 2,5954341
Uptime Anual (horas) 8615,7547 8737,5676 8737,7486
Downtime Anual (horas) 144,2553 22,4324 22,2514
Ramon Santos Nascimento Orientador: Jean Teixeira (UFRPE)Trabalho de Conclus˜ao de Curso 12 de dezembro de 2015 35 / 46

36. Resultados
Varia¸c˜ao Param´etrica
Parˆametro Valor (horas)
MTTFRouter 788,4
MTTRRouter 1,0
MTTFDEA 393,944707812
MTTRDEA 1,0
MTTFUAA 309,848616791
MTTRUAA 1,0
MTTFCC 309,1544569
MTTRCC 1,0
Ramon Santos Nascimento Orientador: Jean Teixeira (UFRPE)Trabalho de Conclus˜ao de Curso 12 de dezembro de 2015 36 / 46

37. Resultados
0.97
0.975
0.98
0.985
0.99
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Disponibilidade
MTTF UAA (horas)
Baseline
0.97
0.975
0.98
0.985
0.99
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Disponibilidade
MTTF CC (horas)
Baseline
0.97
0.975
0.98
0.985
0.99
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Disponibilidade
MTTF DEA (horas)
Baseline
0.97
0.975
0.98
0.985
0.99
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Disponibilidade
MTTF Router (horas)
Baseline
Ramon Santos Nascimento Orientador: Jean Teixeira (UFRPE)Trabalho de Conclus˜ao de Curso 12 de dezembro de 2015 37 / 46

38. Resultados
0.97
0.975
0.98
0.985
0.99
0.5 1 1.5 2 2.5
Disponibilidade
MTTR UAA (horas)
Baseline
0.97
0.975
0.98
0.985
0.99
0.5 1 1.5 2 2.5
Disponibilidade
MTTR CC (horas)
Baseline
0.97
0.975
0.98
0.985
0.99
0.5 1 1.5 2 2.5
Disponibilidade
MTTR DEA (horas)
Baseline
0.97
0.975
0.98
0.985
0.99
0.5 1 1.5 2 2.5
Disponibilidade
MTTR Router (horas)
Baseline
Ramon Santos Nascimento Orientador: Jean Teixeira (UFRPE)Trabalho de Conclus˜ao de Curso 12 de dezembro de 2015 38 / 46

39. Resultados
An´alise de Sensibilidade DoE
Fator N´ıveis Valores
Router 2 1, 2
UAA 3 1, 2, 3
HM 2 1, 2
CC 3 1, 2, 3
DEA 5 1, 2, 3, 4, 5
MB 2 1, 2
MC 2 1, 2
Ramon Santos Nascimento Orientador: Jean Teixeira (UFRPE)Trabalho de Conclus˜ao de Curso 12 de dezembro de 2015 39 / 46

40. Resultados
0.99
0.9905
0.991
0.9915
0.992
0.9925
0.993
0.9935
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
MédiadeDisponibilidade
(a) Router
0.99
0.9905
0.991
0.9915
0.992
0.9925
0.993
0.9935
00.511.522.533.54
MédiadeDisponibilidade
(b) UAA
0.99
0.9905
0.991
0.9915
0.992
0.9925
0.993
0.9935
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
MédiadeDisponibilidade
(c) HM
0.99
0.9905
0.991
0.9915
0.992
0.9925
0.993
0.9935
00.511.522.533.54
MédiadeDisponibilidade
(d) CC
0.99
0.9905
0.991
0.9915
0.992
0.9925
0.993
0.9935
0 1 2 3 4 5 6
MédiadeDisponibilidade
(e) DEA
0.99
0.9905
0.991
0.9915
0.992
0.9925
0.993
0.9935
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
MédiadeDisponibilidade
(f) MB
0.99
0.9905
0.991
0.9915
0.992
0.9925
0.993
0.9935
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
MédiadeDisponibilidade
(g) MC
Ramon Santos Nascimento Orientador: Jean Teixeira (UFRPE)Trabalho de Conclus˜ao de Curso 12 de dezembro de 2015 40 / 46

41. Resultados
0.98
0.985
0.99
0.995
1
#1 #2 #3 #DoE
Disponibilidade
Cenários
Baseline
Ramon Santos Nascimento Orientador: Jean Teixeira (UFRPE)Trabalho de Conclus˜ao de Curso 12 de dezembro de 2015 41 / 46

42. Resultados
N´umero de N´os Redundantes UAA CC DEA Disponibilidade (%)
0 0 0 0 98,35445
1 0 1 0 98,67156
2 1 1 0 98,98899
3 1 1 1 99,23963
Ramon Santos Nascimento Orientador: Jean Teixeira (UFRPE)Trabalho de Conclus˜ao de Curso 12 de dezembro de 2015 42 / 46

43. Considera¸c˜oes Finais
Considera¸c˜oes Finais
Ramon Santos Nascimento Orientador: Jean Teixeira (UFRPE)Trabalho de Conclus˜ao de Curso 12 de dezembro de 2015 43 / 46

44. Considera¸c˜oes Finais
Os Cen´arios 2 e 3 tiveram resultados semelhantes nas an´alises de
confiabilidade e disponibilidade;
A varia¸c˜ao param´etrica nos valores de MTTR influenciam de forma
mais efetiva na disponibilidade dos componentes;
Os componentes Services e Blob Store s˜ao os que mais prejudicam a
disponibilidade da plataforma;
Os componentes de maior sensibilidade a adi¸c˜ao de n´os redundantes
s˜ao: DEA, UAA e CC.
Uma implanta¸c˜ao com mais de dois n´os por componentes ´e pouco
eficiente.
Ramon Santos Nascimento Orientador: Jean Teixeira (UFRPE)Trabalho de Conclus˜ao de Curso 12 de dezembro de 2015 44 / 46

45. Considera¸c˜oes Finais
Trabalhos Futuros
Estudos de caso com outras PaaS e considerando novos atributos de
dependabilidade;
Estudos considerando a IaaS.
Ramon Santos Nascimento Orientador: Jean Teixeira (UFRPE)Trabalho de Conclus˜ao de Curso 12 de dezembro de 2015 45 / 46

46. Obrigado!
Ramon Santos Nascimento Orientador: Jean Teixeira (UFRPE)Trabalho de Conclus˜ao de Curso 12 de dezembro de 2015 46 / 46