Formalization and evaluation of cross-layer elasticity strategies in the Cloud

L'élasticité est une propriété qui permet aux systèmes Cloud de s'auto-adapter à leur charge de travail en provisionnant et en libérant des ressources informatiques, de manière autonomique, lorsque la demande augmente et diminue. En raison de la nature imprévisible de la charge de travail et des nombreux facteurs déterminant l'élasticité, fournir des plans d'action précis pour gérer l'élasticité d'un système cloud, tout en respectant des politiques de haut niveau (performances, cout, etc.) est une tâche particulièrement difficile.Les travaux de cette thèse visent à proposer, en utilisant le formalisme des bigraphes comme modèle formel, une spécification et une implémentation des systèmes Cloud Computing élastiques sur deux aspects : structurel et comportemental.Du point de vue structurel, le but est de définir et de modéliser une structure correcte des systèmes Cloud du côté " backend ". Cette partie est supportée par les capacités de spécification fournies par le formalisme des Bigraphes, à savoir : le principe de "sorting" et de règles de construction permettant de définir les desiderata du concepteur. Concernant l'aspect comportemental, il s'agit de modéliser, valider et implémenter des stratégies génériques de mise à l'échelle automatique en vue de décrire les différents mécanismes d'auto-adaptation élastiques des systèmes cloud (mise à l'échelle horizontale, verticale, migration, etc.), en multi-couches (i.e., aux niveaux service et infrastructure). Ces tâches sont prises en charge par les aspects dynamiques propres aux Systèmes Réactifs Bigraphiques (BRS) notamment par le biais des règles de réaction.Les stratégies d'élasticité introduites visent à guider le déclenchement conditionnel des différentes règles de réaction définies, afin de décrire les comportements d'auto-adaptation des systèmes Cloud au niveau service et infrastructure. L'encodage de ces spécifications et leurs implémentations sont définis en logique de réécriture via le langage Maude. Leur bon fonctionnement est vérifié formellement à travers une technique de model-checking supportée par la logique temporelle linéaire LTL.Afin de valider ces contributions d'un point de vue quantitatif, nous proposons une approche à base de file d'attente pour analyser, évaluer et discuter les stratégies d'élasticité d'un système Cloud à travers différents scénarios simulés. Dans nos travaux, nous explorons la définition d'une "bonne" stratégie en prenant en compte une étude de cas qui repose sur la nature changeante de la charge de travail. Nous proposons une manière originale de composer plusieurs stratégies d'élasticité à plusieurs niveaux afin de garantir différentes politiques de haut-niveau.Elasticity property allows Cloud systems to adapt to their incoming workload by provisioning and de-provisioning computing resources in an autonomic manner, as the demand rises and drops. Due to the unpredictable nature of the workload and the numerous factors that impact elasticity, providing accurate action plans to insure a Cloud system's elasticity while preserving high level policies (performance, costs, etc.) is a particularly challenging task. This thesis aims at providing a thorough specification and implementation of Cloud systems, by relying on bigraphs as a formal model, over two aspects: structural and behavioral.Structurally, the goal is to define a correct modeling of Cloud systems' "back-end" structure. This part is supported by the specification capabilities of Bigraph formalism. Specifically, via "sorting" mechanisms and construction rules that allow defining the designer's desiderata. As for the behavioral part, it consists of model, implement and validate generic elasticity strategies in order to describe Cloud systems' auto-adaptive behaviors (i.e., horizontal and vertical scaling, migration, etc.) in a cross-layer manner (i.e., at service and infrastructure levels). These tasks are supported by the dynamic aspects of Bigraphical Reactive Systems (BRS) formalism (through reaction rules).The introduced elasticity strategies aim at guiding the conditional triggering of the defined reaction rules, to describe Cloud systems' auto-scaling behaviors in a cross-layered manner. The encoding of these specifications and their implementation are defined in Rewrite Logic via Maude language. Their correctness is formally verified through a model-checking technique supported by the linear temporal logic LTL.In order to quantitatively validate these contributions, we propose a queuing-based approach in order to evaluate, analyze and discuss elasticity strategies in Cloud systems through different simulated execution scenarios. In this work, we explore the definition of a “good” strategy through a case study which considers the changing nature of the input workload. We propose an original way de compose different cross-layer elasticity strategies to guarantee different high-level policies