Utilizzo del Software OpenStack per la realizzazione di Piattaforme "Cloud"

Il Cloud computing è probabilmente l'argomento attualmente più dibattuto nel mondo dell'Information and Communication Technology (ICT). La diffusione di questo nuovo modo di concepire l'erogazione di servizi IT, è l'evoluzione di una serie di tecnologie che stanno rivoluzionando le modalit à in cui le organizzazioni costruiscono le proprie infrastrutture informatiche. I vantaggi che derivano dall'utilizzo di infrastrutture di Cloud Computing sono ad esempio un maggiore controllo sui servizi, sulla struttura dei costi e sugli asset impiegati. I costi sono proporzionati all'eettivo uso dei servizi (pay-per-use), evitando dunque gli sprechi e rendendo più efficiente il sistema di sourcing. Diverse aziende hanno già cominciato a provare alcuni servizi cloud e molte altre stanno valutando l'inizio di un simile percorso. La prima organizzazione a fornire una piattaforma di cloud computing fu Amazon, grazie al suo Elastic Computer Cloud (EC2). Nel luglio del 2010 nasce OpenStack, un progetto open-source creato dalla fusione dei codici realizzati dall'agenzia governativa della Nasa[10] e dell'azienda statunitense di hosting Rackspace. Il software realizzato svolge le stesse funzioni di quello di Amazon, a differenza di questo, però, è stato rilasciato con licenza Apache, quindi nessuna restrizione di utilizzo e di implementazione. Oggi il progetto Openstack vanta di numerose aziende partner come Dell, HP, IBM, Cisco, e Microsoft. L'obiettivo del presente elaborato è quello di comprendere ed analizzare il funzionamento del software OpenStack. Il fine principale è quello di familiarizzare con i diversi componenti di cui è costituito e di concepire come essi interagiscono fra loro, per poter costruire infrastrutture cloud del tipo Infrastructure as a service (IaaS). Il lettore si troverà di fronte all'esposizione degli argomenti organizzati nei seguenti capitoli. Nel primo capitolo si introduce la definizione di cloud computing, trattandone le principali caratteristiche, si descrivono poi, i diversi modelli di servizio e di distribuzione, delineando vantaggi e svantaggi che ne derivano. Nel secondo capitolo due si parla di una delle tecnologie impiegate per la realizzazione di infrastrutture di cloud computing, la virtualizzazione. Vengono trattate le varie forme e tipologie di virtualizzazione. Nel terzo capitolo si analizza e descrive in dettaglio il funzionamento del progetto OpenStack. Per ogni componente del software, viene illustrata l'architettura, corredata di schemi, ed il relativo meccanismo. Il quarto capitolo rappresenta la parte relativa all'installazione del software e alla configurazione dello stesso. Inoltre si espongono alcuni test effettuati sulla macchina in cui è stato installato il software. Infine nel quinto capitolo si trattano le conclusioni con le considerazioni sugli obiettivi raggiunti e sulle caratteristiche del software preso in esame.

Il Modello ad Attori per lo Sviluppo di Applicazioni Web orientate al Cloud: il Framework Play come Caso di Studio

Negli ultimi anni le Web application stanno assumendo un ruolo sempre più importante nella vita di ognuno di noi. Se fino a qualche anno fa eravamo abituati ad utilizzare quasi solamente delle applicazioni “native”, che venivano eseguite completamente all’interno del nostro Personal Computer, oggi invece molti utenti utilizzano i loro vari dispositivi quasi esclusivamente per accedere a delle Web application. Grazie alle applicazioni Web si sono potuti creare i cosiddetti social network come Facebook, che sta avendo un enorme successo in tutto il mondo ed ha rivoluzionato il modo di comunicare di molte persone. Inoltre molte applicazioni più tradizionali come le suite per ufficio, sono state trasformate in applicazioni Web come Google Docs, che aggiungono per esempio la possibilità di far lavorare più persone contemporanemente sullo stesso documento. Le Web applications stanno assumendo quindi un ruolo sempre più importante, e di conseguenza sta diventando fondamentale poter creare delle applicazioni Web in grado di poter competere con le applicazioni native, che siano quindi in grado di svolgere tutti i compiti che sono stati sempre tradizionalmente svolti dai computer. In questa Tesi ci proporremo quindi di analizzare le varie possibilità con le quali poter migliorare le applicazioni Web, sia dal punto di vista delle funzioni che esse possono svolgere, sia dal punto di vista della scalabilità. Dato che le applicazioni Web moderne hanno sempre di più la necessità di poter svolgere calcoli in modo concorrente e distribuito, analizzeremo un modello computazionale che si presta particolarmente per progettare questo tipo di software: il modello ad Attori. Vedremo poi, come caso di studio di framework per la realizzazione di applicazioni Web avanzate, il Play framework: esso si basa sulla piattaforma Akka di programmazione ad Attori, e permette di realizzare in modo semplice applicazioni Web estremamente potenti e scalabili. Dato che le Web application moderne devono avere già dalla nascita certi requisiti di scalabilità e fault tolerance, affronteremo il problema di come realizzare applicazioni Web predisposte per essere eseguite su piattaforme di Cloud Computing. In particolare vedremo come pubblicare una applicazione Web basata sul Play framework sulla piattaforma Heroku, un servizio di Cloud Computing PaaS.

Coordination as a Service (CaaS) in the Cloud

Nel primo capitolo si è studiata la nuova tecnologia del Cloud Computing, fornendo una semplice analisi di tutte le caratteristiche principali, gli attori coinvolti e i relativi metodi di distribuzione e servizi offerti. Nel secondo capitolo si è introdotta la nozione di coordination as a service, discutendone le relative astrazioni che compongono l'architettura logica. Successivamente si è preso in considerazione il modello di coordinazione TuCSoN definendo cosa si intende per nodo, agente, centro di tuple e agent coordination context ed è stato analizzato il relativo linguaggio di coordinazione attraverso il quale essi interagiscono. Nel terzo capitolo sono state riviste ed estese le nozioni di TuCSoN, precedentemente acquisite, nell'ambito del Cloud Computing ed è stato fornito un modello astratto ed una possibile architettura di TuCSoN in the Cloud. Sono stati analizzati anche gli aspetti di un possibile servizio di tale genere nello scenario di servizio pay-per-use. Infine nel quarto ed ultimo capitolo si è sviluppato un caso di studio in cui si è implementata un'interfaccia per l'attuale CLI di TuCSoN sottoforma di applet, che è stata poi inserita nel Cloud attraverso la piattaforma PaaS Cloudify.

Coordinazione embodied vs. Disembodied: TuCSon on cloud

Lo scopo della tesi è esplorare il nuovo dualismo tra calcolo situato e calcolo come mero servizio immateriale che si osserva nel rafforzarsi di due paradigmi apparentemente antitetici come Cloud Computing e Pervasive Computing. Si vuole quindi dimostrare che i due paradigmi sono complementari, e possibilmente sviluppare un modello e un approccio metodologico per sistemi distribuiti che sfrutti opportunamente le caratteristiche dei due paradigmi. A tale scopo si utilizzerà come caso di studio il modello TuCSoN con linguaggio ReSpecT, combinando opportunamente Situated ReSpecT con il modello Coordination as a Service (CaaS) espresso da TuCSoN on Cloud.

Pattern e tecnologie per lo sviluppo di applicazioni cloud: Orleans come caso di studio.

Uno dei temi più discussi ed interessanti nel mondo dell’informatica al giorno d’oggi è sicuramente il Cloud Computing. Nuove organizzazioni che offrono servizi di questo tipo stanno nascendo ovunque e molte aziende oggi desiderano imparare ad utilizzarli, migrando i loro centri di dati e le loro applicazioni nel Cloud. Ciò sta avvenendo anche grazie alla spinta sempre più forte che stanno imprimendo le grandi compagnie nella comunità informatica: Google, Amazon, Microsoft, Apple e tante altre ancora parlano sempre più frequentemente di Cloud Computing e si stanno a loro volta ristrutturando profondamente per poter offrire servizi Cloud adeguandosi così a questo grande cambiamento che sta avvenendo nel settore dell’informatica. Tuttavia il grande movimento di energie, capitali, investimenti ed interesse che l’avvento del Cloud Computing sta causando non aiuta a comprendere in realtà che cosa esso sia, al punto tale che oggi non ne esiste ancora una definizione univoca e condivisa. La grande pressione inoltre che esso subisce da parte del mondo del mercato fa sì che molte delle sue più peculiari caratteristiche, dal punto di vista dell’ingegneria del software, vengano nascoste e soverchiate da altre sue proprietà, architetturalmente meno importanti, ma con un più grande impatto sul pubblico di potenziali clienti. Lo scopo che mi propongo con questa tesi è quello quindi di cercare di fare chiarezza in quello che è il mondo del Cloud computing, focalizzandomi particolarmente su quelli che sono i design pattern più utilizzati nello sviluppo di applicazioni di tipo cloud e presentando quelle che oggi rappresentano le principali tecnologie che vengono utilizzate sia in ambito professionale, che in ambito di ricerca, per realizzare le applicazioni cloud, concentrandomi in maniera particolare su Microsoft Orleans.

Sicurezza, protezione e integrità nei sistemi cloud: Modelli, metodi e tecnologie

La natura distribuita del Cloud Computing, che comporta un'elevata condivisione delle risorse e una moltitudine di accessi ai sistemi informatici, permette agli intrusi di sfruttare questa tecnologia a scopi malevoli. Per contrastare le intrusioni e gli attacchi ai dati sensibili degli utenti, vengono implementati sistemi di rilevamento delle intrusioni e metodi di difesa in ambiente virtualizzato, allo scopo di garantire una sicurezza globale fondata sia sul concetto di prevenzione, sia su quello di cura: un efficace sistema di sicurezza deve infatti rilevare eventuali intrusioni e pericoli imminenti, fornendo una prima fase difensiva a priori, e, al contempo, evitare fallimenti totali, pur avendo subito danni, e mantenere alta la qualità del servizio, garantendo una seconda fase difensiva, a posteriori. Questa tesi illustra i molteplici metodi di funzionamento degli attacchi distribuiti e dell'hacking malevolo, con particolare riferimento ai pericoli di ultima generazione, e definisce le principali strategie e tecniche atte a garantire sicurezza, protezione e integrità dei dati all'interno di un sistema Cloud.

Ruolo del cloud nell'amministrazione dei sistemi informatici moderni

Per far fronte alla necessità di sviluppo incrementale ed evolutivo dell'IT, è necessario un continuo rinnovamento del sistema aziendale. Negli ultimi anni, il progresso informatico è stato caratterizzato dall'espansione delle tecnologie Cloud, in grado di semplificare la complessità amministrativa delle aziende, aumentare la scalabilità dei sistemi e ridurre i costi di produzione. Nel corso di questo elaborato analizzerò nel dettaglio come il Cloud sia capace di rivoluzionare, in primis dal punto di vista amministrativo, ma non solo, i sistemi informatici moderni, valutando i molteplici benefici da esso generati e gli inevitabili trade-off che ne derivano.

Composizione dinamica di funzioni di rete virtuali in ambienti cloud

Questo documento si interroga sulle nuove possibilità offerte agli operatori del mondo delle Reti di Telecomunicazioni dai paradigmi di Network Functions Virtualization, Cloud Computing e Software Defined Networking: questi sono nuovi approcci che permettono la creazione di reti dinamiche e altamente programmabili, senza disdegnare troppo il lato prestazionale. L'intento finale è valutare se con un approccio di questo genere si possano implementare dinamicamente delle concatenazioni di servizi di rete e se le prestazioni finali rispecchiano ciò che viene teorizzato dai suddetti paradigmi. Tutto ciò viene valutato per cercare una soluzione efficace al problema dell'ossificazione di Internet: infatti le applicazioni di rete, dette middle-boxes, comportano costi elevati, situazioni di dipendenza dal vendor e staticità delle reti stesse, portando all'impossibilità per i providers di sviluppare nuovi servizi. Il caso di studio si basa proprio su una rete che implementa questi nuovi paradigmi: si farà infatti riferimento a due diverse topologie, una relativa al Livello L2 del modello OSI (cioè lo strato di collegamento) e una al Livello L3 (strato di rete). Le misure effettuate infine mostrano come le potenzialità teorizzate siano decisamente interessanti e innovative, aprendo un ventaglio di infinite possibilità per il futuro sviluppo di questo settore.

Ideazione di sistemi distribuiti collaborativi basati su realta aumentata mobile: Un caso di studio, con approfondimento relativo al livello della cooperazione

Dall'inizio del nuovo millennio lo sviluppo di tecnologie nel campo del mobile computing, della rete internet, lo sviluppo dell'Internet of things e pure il cloud computing hanno reso possibile l'innovazione dei metodi di lavoro e collaborazione. L'evoluzione del mobile computing e della realtà aumentata che sta avvenendo in tempi più recenti apre potenzialmente nuovi orizzonti nello sviluppo di sistemi distribuiti collaborativi. Esistono oggi diversi framework a supporto della realtà aumentata, Wikitude, Metaio, Layar, ma l'interesse primario di queste librerie è quello di fornire una serie di API fondamentali per il rendering di immagini 3D attraverso i dispositivi, per lo studio dello spazio in cui inserire queste immagini e per il riconoscimento di marker. Questo tipo di funzionalità sono state un grande passo per quanto riguarda la Computer Graphics e la realtà aumentata chiaramente, però aprono la strada ad una Augmented Reality(AR) ancora più aumentata. Questa tesi si propone proprio di presentare l'ideazione, l'analisi, la progettazione e la prototipazione di un sistema distribuito situato a supporto della collaborazione basato su realtà aumentata. Lo studio di questa applicazione vuole mettere in luce molti aspetti innovativi e che ancora oggi non sono stati approfonditi né tanto meno sviluppati come API o forniti da librerie riguardo alla realtà aumentata e alle sue possibili applicazioni.

Elastic computing on Cloud resources for the CMS experiment

Nowadays, data handling and data analysis in High Energy Physics requires a vast amount of computational power and storage. In particular, the world-wide LHC Com- puting Grid (LCG), an infrastructure and pool of services developed and deployed by a ample community of physicists and computer scientists, has demonstrated to be a game changer in the efficiency of data analyses during Run-I at the LHC, playing a crucial role in the Higgs boson discovery. Recently, the Cloud computing paradigm is emerging and reaching a considerable adoption level by many different scientific organizations and not only. Cloud allows to access and utilize not-owned large computing resources shared among many scientific communities. Considering the challenging requirements of LHC physics in Run-II and beyond, the LHC computing community is interested in exploring Clouds and see whether they can provide a complementary approach - or even a valid alternative - to the existing technological solutions based on Grid. In the LHC community, several experiments have been adopting Cloud approaches, and in particular the experience of the CMS experiment is of relevance to this thesis. The LHC Run-II has just started, and Cloud-based solutions are already in production for CMS. However, other approaches of Cloud usage are being thought of and are at the prototype level, as the work done in this thesis. This effort is of paramount importance to be able to equip CMS with the capability to elastically and flexibly access and utilize the computing resources needed to face the challenges of Run-III and Run-IV. The main purpose of this thesis is to present forefront Cloud approaches that allow the CMS experiment to extend to on-demand resources dynamically allocated as needed. Moreover, a direct access to Cloud resources is presented as suitable use case to face up with the CMS experiment needs. Chapter 1 presents an overview of High Energy Physics at the LHC and of the CMS experience in Run-I, as well as preparation for Run-II. Chapter 2 describes the current CMS Computing Model, and Chapter 3 provides Cloud approaches pursued and used within the CMS Collaboration. Chapter 4 and Chapter 5 discuss the original and forefront work done in this thesis to develop and test working prototypes of elastic extensions of CMS computing resources on Clouds, and HEP Computing “as a Service”. The impact of such work on a benchmark CMS physics use-cases is also demonstrated.

Coordination nel Cloud: Elasticità in Respect

L'elasticità è un concetto fondamentale nell'ambito del cloud computing, ma propone problemi di coordinazione che, se non compresi nella loro natura, rischiano di renderla inefficiente. Tramite il concetto di “elasticità consapevole della coordinazione” (coordination-aware elasticity), in questa tesi si discute come si possa espandere il linguaggio per l’elasticità cloud SYBL in modo che possa eseguire alcune funzioni elastiche tramite il linguaggio di coordinazione ReSpecT.

Tecniche Cloud Avanzate per Adaptive Hadoop Load Balancing tramite Sahara

Ogni giorno vengono generati grandi moli di dati attraverso sorgenti diverse. Questi dati, chiamati Big Data, sono attualmente oggetto di forte interesse nel settore IT (Information Technology). I processi digitalizzati, le interazioni sui social media, i sensori ed i sistemi mobili, che utilizziamo quotidianamente, sono solo un piccolo sottoinsieme di tutte le fonti che contribuiscono alla produzione di questi dati. Per poter analizzare ed estrarre informazioni da questi grandi volumi di dati, tante sono le tecnologie che sono state sviluppate. Molte di queste sfruttano approcci distribuiti e paralleli. Una delle tecnologie che ha avuto maggior successo nel processamento dei Big Data, e Apache Hadoop. Il Cloud Computing, in particolare le soluzioni che seguono il modello IaaS (Infrastructure as a Service), forniscono un valido strumento all'approvvigionamento di risorse in maniera semplice e veloce. Per questo motivo, in questa proposta, viene utilizzato OpenStack come piattaforma IaaS. Grazie all'integrazione delle tecnologie OpenStack e Hadoop, attraverso Sahara, si riesce a sfruttare le potenzialita offerte da un ambiente cloud per migliorare le prestazioni dell'elaborazione distribuita e parallela. Lo scopo di questo lavoro e ottenere una miglior distribuzione delle risorse utilizzate nel sistema cloud con obiettivi di load balancing. Per raggiungere questi obiettivi, si sono rese necessarie modifiche sia al framework Hadoop che al progetto Sahara.

An insulin infusion advisory system based on autotuning nonlinear model-predictive control

This paper aims at the development and evaluation of a personalized insulin infusion advisory system (IIAS), able to provide real-time estimations of the appropriate insulin infusion rate for type 1 diabetes mellitus (T1DM) patients using continuous glucose monitors and insulin pumps. The system is based on a nonlinear model-predictive controller (NMPC) that uses a personalized glucose-insulin metabolism model, consisting of two compartmental models and a recurrent neural network. The model takes as input patient's information regarding meal intake, glucose measurements, and insulin infusion rates, and provides glucose predictions. The predictions are fed to the NMPC, in order for the latter to estimate the optimum insulin infusion rates. An algorithm based on fuzzy logic has been developed for the on-line adaptation of the NMPC control parameters. The IIAS has been in silico evaluated using an appropriate simulation environment (UVa T1DM simulator). The IIAS was able to handle various meal profiles, fasting conditions, interpatient variability, intraday variation in physiological parameters, and errors in meal amount estimations.

Dynamic Optimization of SLA-Based Services Scaling Rules

Current advanced cloud infrastructure management solutions allow scheduling actions for dynamically changing the number of running virtual machines (VMs). This approach, however, does not guarantee that the scheduled number of VMs will properly handle the actual user generated workload, especially if the user utilization patterns will change. We propose using a dynamically generated scaling model for the VMs containing the services of the distributed applications, which is able to react to the variations in the number of application users. We answer the following question: How to dynamically decide how many services of each type are needed in order to handle a larger workload within the same time constraints? We describe a mechanism for dynamically composing the SLAs for controlling the scaling of distributed services by combining data analysis mechanisms with application benchmarking using multiple VM configurations. Based on processing of multiple application benchmarks generated data sets we discover a set of service monitoring metrics able to predict critical Service Level Agreement (SLA) parameters. By combining this set of predictor metrics with a heuristic for selecting the appropriate scaling-out paths for the services of distributed applications, we show how SLA scaling rules can be inferred and then used for controlling the runtime scale-in and scale-out of distributed services. We validate our architecture and models by performing scaling experiments with a distributed application representative for the enterprise class of information systems. We show how dynamically generated SLAs can be successfully used for controlling the management of distributed services scaling.

ICOMF: Towards a Multi-cloud Ecosystem for Dynamic Resource Composition and Scaling

Modern cloud-based applications and infrastructures may include resources and services (components) from multiple cloud providers, are heterogeneous by nature and require adjustment, composition and integration. The specific application requirements can be met with difficulty by the current static predefined cloud integration architectures and models. In this paper, we propose the Intercloud Operations and Management Framework (ICOMF) as part of the more general Intercloud Architecture Framework (ICAF) that provides a basis for building and operating a dynamically manageable multi-provider cloud ecosystem. The proposed ICOMF enables dynamic resource composition and decomposition, with a main focus on translating business models and objectives to cloud services ensembles. Our model is user-centric and focuses on the specific application execution requirements, by leveraging incubating virtualization techniques. From a cloud provider perspective, the ecosystem provides more insight into how to best customize the offerings of virtualized resources.