CLOUD COMPUTING PEDRO MORHY BORGES LEAL. MAC Organização de Computadores Prof. Alfredo Goldman 7 de dezembro de 2010

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2 CLOUD COMPUTING 1 1. Introdução Com o grande avanço da tecnologia de processadores, armazenamento e transmissão de dados surgiu a possibilidade do modelo chamado Cloud Computing. O custo de atualizar um clusters de servidores é muito grande, já que o que se compra hoje daqui a um ano já está ultrapassado e com avanço da velocidade e qualidade de transmissão de dados na Internet trouxe um novo interesse, por que ao invés de processar programas no computador local não executa-los em um lugar remoto por um baixo custo, e ainda mais, se precisar de mais performance e armazenamento isso é rapidamente fornecido, ou se o inverso, ter a possibilidade de desalojar recursos rapidamente fosse obtida? Cloud Computing é disponibilização de recursos e serviços necessários conforme a demanda requer. Então, por exemplo, ao lançar um portal na Internet, ao invés de pagar uma mensalidade e configuração fixa em um servidor, o usuário pode pegar a menor configuração existente em uma maquina virtual na nuvem e, se começar a ter mais acessos e precisar de mais performance, utilizar a tela de gerenciamento na sua conta na cloud para realizar a operação de dobrar a memória principal e seu processador a partir da próxima hora. E depois que seu portal estiver fazendo sucesso ele percebe que durante a noite ocorre muitos acessos, enquanto que de manhã não, então ele pode configurar a cloud utilizar determinados recursos em diferentes horas do dia, atendendo a demanda e economizando gastos 1. Os diversos benefícios trazidos pela computação na nuvem, que serão apresentados na seção 2, vem atraindo muitas pessoas. O exemplo acima é um deles, hoje é muito mais fácil começar um negócio sem muito recursos do que antigamente, não é preciso prever o quanto de servidores serão necessários até o final do ano dependendo do êxito obtido. Na seção 3 temos a descrição de como é a arquitetura implementada pelas provedoras de cloud. Cloud Computing não veio do nada, ela se baseia e usa algumas tecnologias que já existem no mercado a algum tempo, na seção 6 vemos a descrição de algumas delas e a relação delas com a nuvem. Diferentes de tipos de serviços são oferecidos aos usuários pelos provedores, tudo depende da necessidade dele. Temos três siglas que representam cada tipo de serviço: IaaS, PaaS e SaaS, na seção 4 temos o significado e a descrição de cada uma delas. Além desse tipos de serviços temos ainda os tipos de cloud oferecidas, a mais conhecida é a Cloud Pública, que a principal diferença das outras é o compartilhamento de recursos. As características de cada uma são mostradas na seção 5. Após as descrições gerais de uma Cloud, seção 7, vemos uma breve descrição dos desafios em pesquisa que a computação na nuvem tem que enfrentar. Não se sabe ao certo quando foi o surgimento do Cloud Computing e nem do nome, em 2006 ganhou popularidade quando o CEO da Google descreveu seu modelo de negócios com ele, mas em 2010 inúmeros serviços na nuvem surgira.na seção 9 temos um teste de performance das principais Clouds disponíveis no mercado atualmente. 1 Na Amazon atualmente não há uma modo automático para fazer isso, mas pode ser feito facilmente com um script.

3 2 PEDRO MORHY BORGES LEAL Esse trabalho foi baseado no artigo Cloud computing: state-of-the-art and challenges escritos por Qi Zhang, Lu Cheng e Raouf Boutaba, e foi originalmente publicado no Journal of Internet Services and Applications em Janeiro de Benefícios O grande numero de benefícios que Cloud Computing tem sobre os modelos antigos vem atraindo a atenção no mundo. Todos os benefícios são relacionados entre si, abaixo eles são apresentados[2]: Baixo Investimento Inicial: Descritos no exemplo da introdução, o usuário não precisa comprar um servidor para ele com as configurações baseadas na perspectiva sobre a quantidade de uso do novo portal on-line, que desenvolveu, no ano. Com pouco ele pode contratar uma pequena maquina virtual em um dos provedores de serviço e se o portal fizer sucesso ele pede para melhorar os recursos. O custo por hora de uma maquina virtual bem simples na Amazon EC2 é de U$0.02[3], ou seja, em um mês utilizando 24 horas por dia temos aproximadamente U$ Baixo Custo: A agilidade na alocação e desalocação de recursos torna a utilização deles em uma forma ótima, não desperdiçando dinheiro e nem perdendo usuários finais por falta deles. Aumento de armazenamento: O limite de armazenamento não depende mais da quantidade de servidores que a empresa tenha, no tamanho do banco de dados que possui internamente, ou no espaço físico interno. Podemos pensar que não existe limite de armazenamento, sempre que precisar de mais armazenamento é só alocar recursos na cloud. Escalabilidade: O provedor de serviços possui uma grande quantidade de recursos para casos em que o usuário precisa rapidamente aumenta-los. Isso traz mais agilidade e segurança ao usuário. Nos modelos antigos a demora é muito maior, o que traz muitos problemas e por conseqüência mais gastos. Mobilidade: O acesso ao gerenciamento da nuvem é muito simples, geralmente sobre uma interface web, possibilitando o acesso de qualquer lugar e qualquer dispositivo. Equipe de TI com outro foco: Os problemas de hardware e alocação de recursos agora são problemas do provedor de serviços, o foco da equipe agora pode ser direcionado a outro assunto. 3. A arquitetura em camadas O ambiente de um servidor de Cloud Computing é geralmente divida em camadas, cada camada tem sua própria responsabilidade e não precisa e nem tem acesso as responsabilidades das outras camadas. Isso nos traz o benefício de baixo acoplamento, o que facilita utilização de diferentes aplicações para cada camada já que a implementação delas não afeta muito como as camadas se comunicam. Abaixo vemos os detalhes de cada uma delas:

4 CLOUD COMPUTING 3 Camada de Hardware: responsável pelos recursos físicos como servidores, switches, roteador, etc. Então nesta camada preocupações como configuração, tolerância a falhas, consumo de energia e resfriamento precisam ser levadas em conta. Geralmente os provedores de nuvem compram containers que já possuem toda infra-estrutura de um servidor, só é preciso plugar o cabo de rede e energia e pronto. Camada de Infra-estrutura: responsável pelo gerenciamento de recursos disponíveis. Utilizando a virtualização essa camada abstrai o hardware. Alguns softwares de virtualização são o Xen, que é utilizada pela Amazon EC2[4] e Rackspace[5], KVM e o VMWare. A virtualização que traz a vantagem de alocar e desalocar recursos abstratamente. Camada de Plataforma: aqui é onde o sistemas operacionais estão localizados e junto com eles as ferramentas para o software rodar como interpretadores e banco de dados. Isso serve para facilitar a implantação de alguma aplicação na cloud. Então caso o queira colocar uma aplicação web em Java, essa camada possue todas as ferramentes e confirgurações necessárias para esse processo ser facilmente executado. Camada de Software: Está localizado as aplicações que rodam na cloud. Só depende de como a camada de plataforma está implementada para rodar e ter determinados comportamentos, como se aproveitar da elasticidade de recursos, ou de um determinado banco de dados. 4. Modelo de Negócios Os modelos de negócios utilizados se baseia arquitetura de camadas, temos três deles: Infrastructure as a Service(IaaS), Platform as a Service(PaaS) and Software as a Service(SaaS). Cada um tem determinado serviço a ser oferecido ao usuário. Na figura 1 temos a representação de cada uma, junto com o serviço concreto fornecido do lado direito e do lado esquerdo exemplos de implementações. Figura 1. Modelos de Serviços Oferecidos

5 4 PEDRO MORHY BORGES LEAL A primeiro modelo é o SaaS que fornece aplicações prontas para usuários finais. O Google Docs 2 é um exemplo, o usuário utiliza um editor de texto na nuvem. E hoje em dia é visto diversos softwares que só eram utilizados nas próprias maquinas nos usuários finais são vistos implementados na nuvem, além do próprio Google Docs, temos o OnLive 3, que fornece jogos para serem executados na nuvem, o Animoto 4, que a partir de algumas fotos é feito um video com elas, efeitos visuais e sonóros, e automaticamente armazenado na conta do usuário para ele poder compartilhar com que quiser. Logo depois temos o PaaS, que fornece ao usuário alguma plataforma montada pronta para receber um tipo de aplicação desenvolvida. Por exemplo, o Google App Engine[6] oferece ao usuário arcabouços de Java e Python, então o usuário só precisa colocar uma aplicação desenvolvida em uma dessas linguagens e, sem a necessidade de instalar o banco de dados e o framework, a aplicação já pode entrar em produção. A Microsoft também tem um serviço com esse modelo chamado Microsoft Azure. E por fim temos o IaaS que fornece maquinas virtuais ao usuário. O usuário tem a possibilidade de escolher suas configurações iniciais de VMs e a partir de uma interface tem a possibilidade de gerenciar essas maquinas virtuais. Na figura 2 temos um exemplo de uma tela de gerenciamento da Cloud da Amazon, uma das provedores de IaaS. Nela temos diversas informações sobra as maquinas virtuais dos usuários, como qual é a sua configuração ou o estado atual dela: iniciando, ligada, desligada ou desligando. Vale lembrar que apenas quando a maquina está no estado ligada é que ela é cobrada do usuário. 5. Tipos de Cloud Existem diferentes tipos de implementações de Computação em Nuvem. Os exemplos descritos até o momento se referiam à Clouds Públicas, a mais utilizada atualmente. Porém ela possui algumas desvantagens que para algumas aplicações são bem críticas. O controle de processamento de dados não é muito eficiente, já que provavelmente mais de um usuário estará dividindo recursos de uma mesma maquina com outros usuários e caso ocorra uma sobrecarga de tarefas, o serviço para o usuário ficará mais lento do que o normal. Além disso existe uma escassez de configuração de segurança que são muito importantes para aqueles tipos de aplicações. Para tentar solucionar esses problemas, um modo oferecido é a Cloud Privada, que não compartilha recurso com outros usuário. Ainda sim podemos ter diversas aplicações, mas o usuário é o mesmo, e ele que controla como os recursos são compartilhados entre a suas aplicações. Nesse caso, o ambiente é muito mais controlado porém perde as grandes vantagens que a Cloud Pública traz, como o investimento inicial muito baixo e a alta escalabilidade. Uma opção para ter o benefício das duas mencionadas acima, é utilizar a chama Cloud Híbrida. Parte dela é uma Cloud Privada, onde o usuário tem o seu ambiente controlado

6 CLOUD COMPUTING 5 Figura 2. Tela de Gerenciamento da Amazon EC2 mas se precisar escalar ou possuir algumas tarefas que não são tão críticas e podem ser executadas em um ambiente de recursos compartilhados é só utilizar a parte pública, que utiliza serviços de uma provedora de Cloud Pública. Quando o problema da Cloud Pública for a falta de configurações e segurança, a alternativa é utilizar as chamadas Virtual Private Clouds que funciona como uma camada em cima da pública, formando uma casca de proteção a mais e com as configurações que o usuário precisar. 6. Tecnologias Relacionadas A Computação na Nuvem tem uma certa relação com diversas tecnologias encontradas atualmente. A primeira delas é a Computação em Grade, ambas se utilizam da idéia de computação distribuída, onde vários computadores são utilizados para realizar um mesmo objetivo. A diferença é que a Cloud utiliza-se da tecnologia de virtualização para dividir recursos e utilizar-los de uma forma dinâmica. Cloud Computing emprega um modelo chamado Utility Computing, que traz a idéia de prover recursos sob demanda e apenas pagar pelo que utiliza, ao invés de pagar uma mensalidade fixa. Do mesmo modo que nós pagamos apenas e energia que utilizamos em nossas casas, esse modelo aplica isso para a computação.

7 6 PEDRO MORHY BORGES LEAL Virtualização é a tecnologia base de cloud. Ela abstrai a camada de hardware para as aplicações de alto-nível permitindo ao usuário a alocação de recursos dinâmicos. A partir dela que a computação na nuvem traz algumas vantagens como a escalabilidade. 7. Características gerais Algumas características que a difere das tecnologias tradicionais são descritas abaixo: Recursos Compartilhados: Uma grande quantidade de recursos estão disponíveis em um provedor de serviços nas nuvens. Essa quantidade é compartilhada por diversos usuários. Esses recursos dinâmicos são muito úteis também para o provedor realizar suas tarefas de gerenciamento. Único local de acesso para diversos dispositivos: Como o gerenciamento de uma cloud é geralmente localizada na web, ela pode ser acessada de qualquer lugar e por qualquer dispositivo, como smartphones. Geo-Localização: Algumas provedoras de nuvem distribuem seus servidores em diversas regiões do mundo para atingir uma performance melhor a determinados usuários e uma maior segurança no seu serviço. A Amazon EC2, por exemplo, tem centros de dados localizados no leste e oeste dos Estados Unidos, na Irlanda e em Singapura. Fornecimento de Recursos Dinâmicos: O recursos oferecidos pela nuvem são caracterizados por serem altamente dinâmicos. Eles podem aumentar e diminuir conforme necessita o usuário. Isso traz uma redução de custos a ele, já que o que ele usa é especializado na demanda que possuí. Auto-organização: Um provedor de cloud deve ter recursos inteligentes para resolver problemas que surgem. Se em um determinado momento uma grande quantidade de acessos e utilização de processamento, por exemplo, ocorre e os servidores não estão preparados para isso, a nuvem deve se auto-organizar para não ter tantos problemas. Em uma grande data center situações como essa são comuns. Utility Computing: Como mencionado anteriormente, a cloud só cobra pelo o que o usuário utiliza e fornece recursos em demanda. 8. Pesquisas A Computação na Nuvem ainda é uma tecnologia muito nova, e ainda tem muito o que avançar. Muitos problemas ainda não estão resolvidos e ainda existe muita pesquisa sobre as técnicas e tecnologias utilizadas. Abaixo temos uma breve descrição de algumas delas: Oferecimento de Recursos Automatizados: Assim como dito anteriormente na seção 7, a cloud precisa ser inteligente para resolver problemas que ocorrem durante o seus funcionamento. Quando essas situações ocorrem elas devem ser resolvidas em tempo real, sem interromper o sistema.

8 CLOUD COMPUTING 7 Migração de Virtual Machines: Em sistema altamente virtualizado e com muitos servidores, a migração de maquinas virtuais é invitavel. Por exemplo, temos dois servidores, um está muito carregado e outro não. É interessante passar uma maquina virtual para o mais vazio, mas como fazer isso sem que o usuário dela não perceba? Consolidação de Servidores: Um data center possui muitos servidores e para evitar custos muito altos de energia e até de compra de mais servidores é necessário algoritmos de como otimizar o uso deles. Então se alguns servidores não estão em uso é interessante desliga-los para não gastar energia ou distribuir os processos de outros para ele? Algoritmos que resolvem problemas de consolidação de servidores são NP-difícil. Gerenciamento de Energia: Em 2006 nos Estados Unidos o consumo de energia dos data centers superou 1,5% do consumo de energia do país. Centros de processamentos de dados gastam muita energia e representam uma grande parte dos custos gerais de uma cloud. Então, por exemplo, problemas de como refrigerar esses servidores de uma forma ótima ainda não estão completamente resolvidos. O gerenciamento de energia é um tópico que é altamente discutido hoje em dia. Gerenciamento e Análise de Trafego de Dados: Para um melhor gerenciamento e planejamento de uma Cloud, é interessante possuir dados e análises de como está o tráfego de dados de um data center, porém neles existem milhares de conexões, e como rastrear de uma forma inteligente esse grande tráfego de dados ainda é uma questão que precisa de muita pesquisa. Segurança de Dados: Uma outra grande pesquisa em computação na nuvem é a segurança dos dados. Os provedores precisam garantir que os dados de cada usuário não podem ser acessados por outros. Diversas técnicas de segurança são utilizadas porém em cloud vários usuários dividem os mesmo recursos, e como impedir que um usuário não tenha como acessar o recurso dos outros ou como garantir que os dados do usuário são realmente confidenciais. Software Frameworks: Para o gerenciamento e o funcionamento de uma cloud, diversos softwares são utilizados. Como por exemplo o MapReduce, que gerencia como as tarefas são distribuídas entre os diversos nó existentes, porém estudos mostram que essa ferramenta se comporta de um modo diferente dependendo do tipo de tarefa utilizada. Outros tipos de ferramenta como gerenciamento de arquivos em uma cloud são utilizados. 9. Testes de serviços de cloud Um estudo de performance realizado em Junho de 2010[8]pela Bitcurrent e Webmetrics. Uma quatidade de testes realizados em 5 diferentes plataformas de nuvem: Amazon(IaaS), Google(PaaS), Rackspace(IaaS), Salesforce.com(PaaS) e Terremark(IaaS). Para cada uma delas uma bateria de diferentes tipos de testes foram realizadas. Os testes foram: Requisição de um objeto pequeno Requisição de um objeto grande

9 8 PEDRO MORHY BORGES LEAL Execução de tarefas intensivas de processamento Execução de tarefas intensivas de entrada/saida Execução 5 aplicações do mundo real Figura 3. Média de latência nos 4 testes para cada plataforma A imagem 3 mostra a média de latencia nos 4 primeiros testes da lista acima para cada serviço. Todas lidaram bem com a imagem pequena, já com a imagem de 2 MB a Rackspace, Amazon e Terremar, todas que oferecem infra-estrutura como serviços demoraram um tempo substancial. Para processamento de dados a Salesforce foi bem devagar, e Amazon também, mas para amazon a configuração utilizada foi bem pequena. E por fim a de entrada e saida, o Google foi o melhor de todos. Na execução de aplicações nativas, no gráfico mostrado na figura4, as clouds PaaS se sairam melhores novamente. A Salesforce e a Google foram bem rápidas, seguidas de Amazon e Rackspace. Por ultimo com uma grande quantidade de testes com tempo de resposta de 12 segundos fica a Terremark. Outras informações sobre os testes e mais gráficos podem ser encontrados no documento publicado. Além disso, no documento está escrito algumas conclusões a partir dos testes

10 CLOUD COMPUTING 9 Figura 4. Performance de aplicações nativas feitos. A primeira delas é que outros usuários que utilizam a mesma cloud realmente afetam a sua performance. Se alguns usuários estão utilizando os mesmos recursos que você e de uma forma bem expressiva, isso é refletido no seu desempenho. Mas nas clouds PaaS quando o sistema está devagar, ele está para todos que o utilizam, enquanto que nas clouds IaaS isso já é um pouco diferente, existe uma separação maior de CPU. Além disso, quando o alguém quiser contratar o serviço tem que pensar para qual propósito será, já que, cada tipo de aplicação reflete de um modo diferente em cada tipo de nuvem. Na seção de benefícios, está descrito em um dos itens que o fornecimento de armazenamento é muito grande, mostrando um pouco a idéia de que é ilimitado, mas nesses testes é mostrado que isso tem um preço. Para passar muitos dados para a nuvem custa muito tempo, o processo não é rápido.

11 10 PEDRO MORHY BORGES LEAL Referências [1] Zhan, Q et al (2010) Cloud computing: state-of-art and research challenges Journal of Internet Services and Applications 1(1):7-18 [2] [3] Dezembro de 2010, [4] [5] [6] [7] [8] Cloud computing performance. A Bitcurrent study on the performance of cloud computing platforms. Julho, 2010 disponível em

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