Modelagem de desempenho e disponibilidade para sistemas de armazenamento híbridos

O aperfeiçoamento de sistemas computacionais pode vir a ser limitado de acordo com a eficiência dos dispositivos de armazenamento. Deste modo, a substituição de dispositivos de disco rígido (hard disk drives) por dispositivos de estado sólido (solid-state drives) pode ser uma forma efetiva para melhorar o desempenho dos sistemas, tanto para computadores pessoais, quanto para data centers. Entretanto, o alto custo por gigabyte e um reduzido tempo de vida, dificulta a substituição por completo dos hard disk drives (HDDs) por solid-state drives (SSDs). Para mitigar estas questões, diversas arquiteturas e políticas de armazenamento têm sido concebidas baseadas em sistemas de armazenamento híbridos, todavia, não propõem modelos de desempenho e disponibilidade para melhor avaliar diferentes arquiteturas. Esta dissertação apresenta uma abordagem baseada em modelos estocásticos para a modelagem de desempenho e disponibilidade de sistemas de armazenamento híbridos, usando redes de Petri estocásticas (SPN) e diagrama de blocos de confiabilidade (RBD). Os modelos propostos possibilitam representar operações de escrita, leitura e mixed (escrita e leitura), e eles podem estimar tempo médio de resposta, vazão e disponibilidade. Inicialmente, análises estatísticas (teste t emparelhado) validam os modelos SPN concebidos, para um cenário com quatro diferentes dispositivos de armazenamento (HDDs) e cinco tamanhos diferentes de objetos, com o auxílio do DiskSim, que é uma ferramenta de simulação de sistemas de armazenamento. Em seguida, um planejamento de experimento (DoE) define os fatores relevantes para uma arquitetura baseada na plataforma de computação em nuvem adotada (OpenStack Swift). Posteriormente, experimentos de desempenho e disponibilidade, considerando esta plataforma de computação em nuvem, proporcionam uma comparação entre tecnologias de armazenamento tradicionais (HDD e SSD) e diferentes soluções de armazenamento híbrido. Além disso, este trabalho propõe a avaliação conjunta do desempenho (tempo médio de resposta), disponibilidade (para o cálculo do downtime) e custo, com o intuito de fornecer uma análise a respeito de diferentes tecnologias e arquiteturas de armazenamento, bem como políticas de leitura e escrita. Os resultados demonstram a viabilidade da abordagem proposta, bem como os benefícios por adotar dispositivos de armazenamento híbridos associados a uma política de armazenamento adequada.Improvements in computational systems may be constrained by the efficiency of storage drives. Therefore, replacing hard disk drives (HDD) with solid-state drives (SSD) may also be an effective way to improve system performance, both in personal computers and data centers. However, the higher cost per gigabyte and reduced lifetime of SSDs hinder a thorough replacement. To mitigate these issues, several architectures and storage policies have been conceived based on hybrid storage systems, but performance and availability models have not been proposed to better assess such different architectures. This dissertation presents an approach based on stochastic models for performance and availability modeling of hybrid storage systems, using stochastic Petri nets (SPN) and reliability block diagrams (RBD). The proposed models can represent write, read and mixed operations, and they may estimate response time, throughput and availability. Initially, statistical analyses (paired t-test) validate SPN models conceived, for a scenario with four different storage devices (HDDs) and five different object sizes, with the DiskSim support, which is a storage system simulation tool. Next, a design of experiment (DoE) defines the relevant factors for a storage architecture based on the cloud computing platform adopted (OpenStack Swift). Hereafter, performance and availability experiments, considering this cloud computing platform, provide a comparison between traditional storage technologies (HDD and SSD) and different hybrid storage solutions. Also, this work proposes a joint evaluation of both performance (response time), availability (for calculating downtime), and cost, in order to provide an analysis of different technologies and storage architectures as well as read/write policies. The results show the feasibility of the proposed approach as well as the improvements by adopting hybrid storage devices associated with an adequate storage policy