CONTROLE POR REALIMENTAÇÃO PARA MELHORIA DO DESEMPENHO DINÂMICO DE REQUISIÇÕES HTTP EM MÁQUINAS VIRTUAIS

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1 CONTROLE POR REALIMENTAÇÃO PARA MELHORIA DO DESEMPENHO DINÂMICO DE REQUISIÇÕES HTTP EM MÁQUINAS VIRTUAIS MARCOS VINICIUS SADALA BARRETO, FAUSTO FARIAS BEZERRA FILHO, WALTER BARRA JUNIOR 2. FABRICIO GONZALEZ NOGUEIRA 3. Laboratório de Controle em Sistemas Computacionais, Departamento Informática, Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Pará Campus Belém, Av. Almirante Barroso 55, Bloco C, , Belém, PA, Brasil s: marcos.sadala@bol.com.br, faustofbf@gmail.com 2. Laboratório de Controle e Automação, Instituto de Tecnologia, Universidade Federal do Pará, Av. Perimetral S/N, , Belém, PA, BRASIL s: walbarra@ufpa.br 3. Laboratório de Automação, Controle e Robótica, Departamento de Engenharia Elétrica, Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, CE, Brasil s: fnogueira@dee.ufc.br Abstract In this paper, the development and tests of a PI controller for regulating the memory resources in a computational system is presented and discussed. The feedback control strategy aims at improving the system dynamic response regarding the HTTP reuisition rate, by using virtual machine techniues. The control strategy is based on the management planning of the provided service, as devised by the system administrator. The system used for performing the tests studies was an Apache WEB server, while the manipulated control variable was the value of the MaxClient parameter. The developed control software is nonintrusive to the Apache and uses MySQL database to store the system performance data for evaluation tasks. The obtained results shown the improved closed-loop performance of the designed control system. Keywords Feedback Systems, Computer Systems, Virtual Machine, HTTP Resumo O presente trabalho apresenta o desenvolvimento e testes de um controlador PI para um sistema computacional de resposta às reuisições HTTP implantado em uma máuina virtual. O controlador digital tem o objetivo de regular o valor a ser alocado de recurso computacional em relação à memória principal, de uma forma automatizada. A técnica de controle é baseada na política de gestão de informação adotada pelo profissional responsável pelo serviço provido. O sistema utilizado para testes é o servidor WEB Apache, sendo a variável a ser manipulada pelo controle automático é o parâmetro de configuração MaxClient. O software de controle é não-intrusivo ao Apache e utiliza o banco de dados MYSQL para armazenar as relações referenciais e dados da evolução do sistema durante as rotinas de repostas aos clientes. Os resultados obtidos nos testes mostram o desempenho melhorado do sistema em malha fechada. Palavras-chave Sistemas realimentados, Sistemas Computacionais, Máuina Virtual, HTTP Introdução Este trabalho busca investigar estratégias de controle automático via realimentação (feedback control), visando à melhoria da ualidade dos serviços providos por sistemas computacionais. Fez-se isso, em particular, regulando as variações de utilização de memória principal (MAA Memória de Acesso Aleatório) e unidade de central de processamento (CPU) do computador hospedeiro do aplicativo servidor. Para tanto, foi levado em conta ue um dos principais sistemas computacionais utilizados nos dias atuais é o ue proporciona o serviço de resposta às reuisições HTTP (Hypertext Transfer Protocol) solicitadas através dos navegadores de Internet (Kjaer, 2009). Para ue as reuisições dos usuários sejam atendidas, o servidor deve possuir disponibilidade suficiente de recursos de memória e de CPU. A inadeuada gerência desses recursos computacionais pode ocasionar um baixo desempenho (refletido em alto tempo de latência) ou instabilidade ue, neste caso, é o não envio da resposta. É importante, portanto, frisar ue os recursos disponíveis são compartilhados com outros softwares ue estão sendo executados na máuina, sendo o principal o próprio sistema operacional. O sistema operacional é o responsável pela interface entre o software e o hardware da máuina e consome os recursos existentes tal como os demais programas. Caso um determinado software consuma demasiada parcela de memória principal, o sistema operacional não terá recursos suficientes para a execução dos demais aplicativos, podendo colocá-los em uma fila de execução, aguardando sua vez. Isso pode provocar uma ueda de desempenho na ualidade dos serviços providos. As tentativas dos desenvolvedores de prover uma otimização dos sistemas é exposta através da disponibilização de uma série de parâmetros de ajustes ue podem ser feitos pelos administradores, de acordo com metas de alto nível para aplicações espe-

2 cíficas, concebidas para satisfazer diferentes necessidades de negócios. Particularizando para o caso da otimização do desempenho dinâmico em servidores web, os uais fazem o fornecimento do serviço de HTTP, é notável ue, apesar do grande avanço da informática, atualmente a maioria dos sistemas computacionais ainda são configurados manualmente. Por exemplo, as configurações de uantidade de memória e demais parâmetros influenciadores de desempenho ainda são feitas manualmente por meio de aruivos TXT. Ou seja, o administrador efetua os devidos cálculos de uso de recurso, localiza o respectivo aruivo de configuração e linha pertinente e realiza as devidas alterações, salvando os aruivos e reiniciando o serviço. Tendo isso em conta, o emprego de controle automático pode aliviar o administrador de certas tarefas repetitivas, bem como contribuir para a melhoria do desempenho dinâmico das respostas e, por conseguinte, da ualidade do serviço suprido pelo sistema computacional. Apesar da importância do tema, ainda existem poucos trabalhos sistemáticos sobre estratégias de controle automático em sistemas computacionais. Em Hellerstein et al, 2004, é apresentado um dos primeiros tratamentos sistemáticos de teoria de sistemas de controle automático em sistemas computacionais. Recentemente, Abreu et al (202), realizaram testes de identificação em um sistema Apache para estimar modelos para fins de projeto de controle automático. Este trabalho está organizado da seguinte forma: na ª Seção é apresentado o tema e sua relevância, na 2ª Seção é mostrado como o sistema computacional Apache funciona, na 3ª Seção é realizado a identificação do sistema, na 4ª Seção projetado um controlador PI, na 5ª Seção e mostrado como o software de gerenciamento do Apache foi construído, na 6ª Seção é mostrado o ambiente em ue foram realizados os ensaios, na 7ª Seção é mostrado os resultados obtidos com a implementação do controlador PI no sistema Apache. 2 O Sistema de Resposta HTTP em um Servidor Apache O tratamento das reuisições ue estão na fila de conexões aceitas são processadas pelo servidor HTTP. Assim, a Figura mostra a aruitetura de como é realizado o processamento das solicitações dos clientes no servidor Web Apache. Como as reuisições estão armazenadas em fila, o servidor Apache irá tratá-las na ordem em ue se apresentam. Quando existir um processo livre (círculos maiores), inicia-se o processamento da reuisição, ou seja, o processo ue se encontrava no estado de inativo passa a ter o estado de ocupado. Devido à existência da conexão persistente, o processo ue foi alocado será exclusivo para o cliente responsável pela reuisição, tendo o estado de inativo uando houver a interrupção da conexão ou extrapolação do tempo em ue o cliente pode permanecer sem realizar nenhuma reuisição. Quando o cliente não realiza solicitações e não extrapola o tempo determinado, o processo passa para o estado de espera. O tempo ue o cliente pode passar sem realizar reuisições está configurado no parâmetro KeepAliveTimeOut. Se houve um valor muito grande, a CPU será subutilizada, uma vez ue neste tempo o processo pode ser do cliente ue o criou. Contudo, se houver um valor muito peueno, será diminuído o tempo ue o processo está no estado de espera e aumentado o tempo no estado de ocupado, elevando a utilização da CPU. (Hellerstein et al, 2004) Reuisições Conectadas Fila de reuisições Ocupado Servidor HTTP Apache Processo Processo MaxClients Ocupado Esperar Inativo Esperar Inativo O número de processos possíveis de existir para atender as reuisições dos clientes é configurado pelo parâmetro MaxClient. Este é responsável por limitar o tamanho pool de trabalho ue interfere na taxa de processamento. Um valor muito grande no número de processos causa o consumo exagerado dos recursos de CPU e memória, aumentando o tempo de resposta de todos os clientes. 3 Identificação do Sistema KeepAliveTimeOut Conexão Encerrada Figura - Aruitetura do Servidor Apache (Adaptado de Hellerstein, Diao, Parekh, & Tilbury, 2004) Um sistema real possui características ue devem ser estudas para proporcionar uma melhora no serviço ou produto pretendido. A modelagem matemática proporciona formas de desenvolver e implementar uma euação ue possua o mesmo comportamento das características desejadas de um sistema real. Assim, uma forma segura, sem haver coletas de ensaios, é preparar um modelo ue seja análogo às características pretendidas. O desenvolvimento do modelo matemático do servidor HTTP Apache está baseado na Figura 2, ue é um diagrama simplificado do sistema estudado. As considerações desse sistema, devido aos relatos já

3 expostos não possui linearidade e existe a variância no tempo. MaxClient Figura 2 - Esuema do sistema apache para identificação Para obter os dados para uma identificação não paramétrica em malha aberta, foi desenvolvido um software ue varia os valores do sinal de entrada MaxCliente e captura seus efeitos na memória. Para excitar a dinâmica da planta com a finalidade estimar um modelo paramétrico da planta, a mesma foi excitada com um sinal do tipo seuência binária pseudo-aleatória (SBPA). O gerador da seuência SBPA foi implementado em Matlab/Simulink (veja a Figura 3). O sinal SBPA impõe variações de -50 e +50 no valor do parâmetro MaxClient do Servidor. Essa variação foi escolhida devido ao sistema computacional em uestão não apresentar sobrecarga ou interrupção dos serviços para os valores apresentados após aplicar o incremento no sinal de entrada. Isso foi observado através de ensaios com alteração individual dos valores a serem utilizados. A uantidade de células e o intervalo entre as amostras do sinal SBPA a serem utilizados devem satisfazer o sistema computacional de forma ue a excitação no sistema gere respostas ue não atinjam o regime permanente (Aguirre, 2007). -5 Z Bits a 5 Servidor HTTP Apache Operador Logico - Z Bit 6 XOR 0.5 Canstante 00 Ganho Figura 3 - Modelo de Geração do SBPA Medição Memoria Gráfico PRBS Banco de Dados De acordo com Horowitz & Hill (989), um sinal SBPA deve excitar uniformemente a faixa de freuência: sinal de entrada MaxClient do sistema computacional. A Figura 4 mostra o gráfico da aplicação do SBPA no sinal de entrada referente à variável MaxClient sendo uantificada em 00 clientes concomitantes, o ual é um valor aceitável para ualuer tipo de serviço instalado no servidor web pela comunidade Apache.( The Apache Software Foundation, 205) Figura 4 - Gráfico dos valores do MaxClient e PU de memória O drift (inclinação crescente em PU de memoria utilizada) observado na resposta da memoria utilizada é devida ao acúmulo de reuisições no pool de reuisições de conexão do sistema operacional, ue não são respondidas pelo servidor web por causa das restrições físicas (limitações do hardware) ou lógicas (limitações dos softwares, parâmetros configurados) existentes. A tendência indica o comportamento de longo prazo da série, isto é, se ela permanece estável, crescente ou decrescente, e indica a velocidade desta variação. As tendências mais comuns são constantes, lineares e uadráticas. Neste caso pode-se observar uma tendência linear crescente. (2 n ) T b f 3T b. () onde n é o número de células de registrador de deslocamento e T b é o intervalo de geração das amostras do sinal SBPA. Dessa forma, para os testes de identificação foram selecionados os valores n=2 células e Tb=2 segundos para o gerador de sinal SBPA, devido o tempo dominante para a resposta do sistema é de 63 segundos. O sinal projetado SBPA irá estimular a dinâmica do sistema do tipo SISO, ou seja, incialmente a preocupação é investigar como é o comportamento do sistema (uantidade de memória utilizada) relacionado à variação do parâmetro MaxClient. O software desenvolvido altera o sinal de entrada no sistema Apache baseado nas informações do aruivo PRBS.dat. Dessa forma, há a variação do Figura 5 - Desenvolvimento da Identificação do Sistema Computacional no Ident Para este trabalho, utilizou-se a metodologia dos mínimos uadrados (Chapra, 203) descrita para obter a euação de transferência do sistema. Entretanto, a toolbox do Matlab ident já possui esta téc-

4 nica implementada, sendo facilmente utilizada (veja a Figura 5). Primeiramente, projetou-se a euação de transferência mais simples da estrutura ARX, ue possui um polo, um zero e atraso discreto igual a uma vez o intervalo de amostragem selecionada. Obteve-se a seguinte euação transferência: (2) Outras euações de transferência, de ordem maior, foram projetadas. Entretanto, baseado no critério de erro final de predição (FPE), a melhor euação ue representa o comportamento do sistema estudado é o de primeira ordem (veja a tabela ). Tabela - Erro final de predição das euações de transferência da ª a 4ª ordem A Figura 6 mostra a comparação entre o modelo obtido e o modelo real. Segundo a ferramenta do MatLab ToolBox Ident, a percentagem de melhor ajuste foi uantificado em 73,8. Erro H ( ) Ordem FPE º 8,020*0-6 2º 8.906*0-6 3º *0-6 4º 8,3322*0-6 Série Temporal da Saída do Modelo Simulado Sistema Idenficado Sistema Real Ordem da Amostra Figura 6 - Comparação entre o modelo obtido e a resposta real do sistema 4 - Controle Digital PI O controlador projetado para o sistema computacional Apache apresenta uma ação de controle PI ajustada via o método de alocação de polos A Figura 7 ilustra o diagrama de blocos do controlador digital implementado. Ref(k) Porcentagem de Memoria Utilizada + Controlador Servidor WEB Figura 7 - Esuema do controlador PI y(k) MaxCliente Sendo ue: R( S( ) r0 r ) (3) Para encontrar o valor de r 0 e r deve-se primeiro encontrar a função de transferência de malha fechada H cl ( - ) = y(k)/ref(k). Para isso, leva-se em conta a euação do controlador PID discreto: r0 r r2 PID( ) ( )( s ) (4) Montando o sistema matemático a partir da Figura, fazendo as devidas operações algébricas e utilizando a técnica de posicionamento de polos, temos o sistema em forma matricial: b 0 0 r0 b0 r p (5) Pode-se obter o valor de a partir do conhecimento do tempo de assentamento (Ts) da planta. Como há uma variação no tempo de assentamento devido a fatores como a uantidade de reuisições, e o hardware utilizado nos ensaios, adotou-se o valor de 4 segundos baseado na media de valores do tempo de reinicialização do serviço extraídos de uma data warehouse, obtendo-se o valor de para p. A função de transferência pulsada do controlador digital projetado é: (6) A Figura 8 apresenta a resposta do sistema para uma perturbação do tipo degrau na variável MaxClient em Porcentagerm Maxima de Ocupação de Memória Figura 8 Resposta do Sistema Simulado em Malha Fechada simulação. O tempo sugerido de 4 segundos para o a a 0 R( S( ) ) Tempo(s)

5 sistema entrar em regime foi mantido com um erro de regime muito peueno e não existindo overshoot. 5 - O Software Desenvolvido Para a realização dos testes no sistema de resposta HTTP, foi desenvolvido um software não intrusivo (não altera o código fonte do Apache) ao sistema Apache ue irá gerenciar o valor do MaxClient para ue o servidor tenha sempre memória disponível para a execução de rotinas do sistema operacional. O software possui uma gestão de multiprocessos, idênticas ao módulo de multiprocessamento prefork do Apache, o ual utiliza a criação de processos filhos a partir do processo pai. Os processos filhos utilizam as variáveis de forma independente a partir de sua criação, sem alterar as variáveis dos outros processos filhos ou do processo pai. O processamento das rotinas é realizado mediante a fila no sistema operacional e o nível de prioridade existente para cada processo. O diagrama de fluxo de dados para sistema de controle é mostrado na Figura 9. Alguns procedimentos possuem uma camada mais especifica, entretanto não será criado mais um DFD mostrando este nível por acreditar ue o DFD mostrado é suficiente para o entendimento do usuário (Yourdon, 990). A especificação de processo controle PI será feita através do diagrama de Nassi-Shneiderman (fluxograma), uma vez ue eles são mais organizados, mais estruturados e mais abrangentes ue os fluxogramas comuns desenvolvidos (Yourdon, 990). A desvantagem é a utilização de grande uantidade de tempo para o desenvolvimento de uma programação estrutural utilizando os gráficos necessários. Para ue o sistema de controle retroalimentado funcione sem interrupção do serviço aos usuários em navegação, usa-se a metodologia de semáforos (informação se a tarefa ue o processo se propõem a resolver já está pronta proporcionando ações atomicas), através de pipe (local de armazenamento de dados ue pode ser compartilhado com outros processos) e em conjunto com o parâmetro graceful da rotina apachectl. O parâmetro graceful realiza a alteração no servidor de resposta HTTP, sem destruir os processos ue estão respondendo as reuisições e cria novos processos com os novos parâmetros desejados. Essas ações são realizadas de forma concomitantes. (The Apache Software Foundation, 205) Figura 0 - Diagrama de Nassi-Sheneiderman A interface do software foi projetada de forma similar a do Disk Operating System DOS (veja a Figura ). Figura 9 - Diagrama de Fluxo de Dados Figura - Interface do software 6 - Ambiente de Ensaio Tabela 2 - Recursos Mauina Hospedeira Características Valor Processador Intel(R) Core(TM) i7 CPU Q 740 Memoria RAM 6 GB Sistema Operacional Windows 7 Home Premium 64Bits Conexão Ethernet 0/00Mbps O ambiente projetado e desenvolvido para a realização deste trabalho utiliza uma máuina física, com as características descritas na, ue será a hospedeira de três máuinas virtuais. Cada uma possui seus recursos bem definidos, as uais são: Servidor

6 va. Assim, o controlador está diminuindo o número de processos filho ue são executados em paralelo, em detrimento do sistema operacional ou outro aplicativo ue esta reuisitando recursos computacionais. Foram realizados exaustivos testes de estresse com a rotina httperf no servidor, e foi constatado ue o controlador proporciona um aumento na taxa de resposta reduzindo a uantidade de erro total. 8 - Conclusão Figura 2 - Configuração Mauina Virtual Servidor Apache Apache, Servidor de Banco de Dados e Servidor Gerador de Carga (solicitação de reuisição ao servidor web). Na Figura 2 podem ser visualizados os recursos do servidor Apache. 7 Resultados Obtidos O ensaio da atuação do controlador PI no ambiente de teste descrito pode ser visto na Figura 3. O ponto de referência utilizado foi de 0,86, resultando em um valor de 4% de memoria livre para as rotinas necessárias do sistema operacional. O controlador projetado para o sistema computacional Apache apresentou um erro de regime próximo de zero e manteve a estabilidade do sistema para as condições impostas de carga (reuisições por segundo). Entretanto o sistema Apache é sacrificado para ue o sistema operacional ou outra aplicação possa executar suas rotinas, devido não existir um controle de gerências com metodologia clássica de controle. Os demais aplicativos ue estão sendo executado na máuina virtual ou nas rotinas do sistema operacional utilizado na mauina virtual. Testes em outras combinações de plataformas e sistemas computacionais serão investigados em trabalhos futuros, buscando a integração do controle de recursos computacionais, além de agregar o comportamento da utilização da CPU. Agradecimentos Os autores agradecem o apoio da FUNCAP-CE e CNPQ Referencias Bibliográficas Figura 3 - Controle da Memoria Utilizada Figura 4 - Variação do Maxclient com atuação PI A mostra o comportamento da variável MaxClient no ensaio, Figura 4.O mesmo comportamento existente na identificação, drift, pode ser observado na variação do MaxClient, com inclinação negati- Abreu, T. W.; Barra Jr., W. (Janeiro e Fevereiro de 202). Estratégias de Identificação Paramétrica Aplicadas à Modelagem Dinâmica de um servidor WEB Apache. Revista Controle & Automação, pp Aguirre, L. A. (2007). Introdução à Identificação de Sistemas. Belo Horizonte: UFMG. Diao, Y., Gandhi, N., Hellerstein, J. L., Parekh, S., & Tilbury, D. M. (2008). Using MIMO Feedback Control to Enforce Policies for Interrelated Metrics With Application to the Apache Web Server. IEEE Xplore. Tanenbaum, A. S. (2000). Organização Estruturada de Computadores. Rio de Janeiro: LTC - Livros Técnicos e Ciêntificos Editora S.A. Horowitz, P; Hill, W The Art of Eletronic Cambridge University Press; 3 edition. Chapra, Steven C. (203). Métodos Numéricos Aplicados com Matlab para engenheiros e cientistas. São Paulo: AMGH Editora Ltda. The Apache Software Foundation. Disponível em: Acesso em 0/08/205