Learning workload behaviour models from monitored time-series for resource estimation towards data center optimization
Authors:   , Buchaca Prats David 
Published: July 2023

In recent years there has been an extraordinary growth of the demand of Cloud Computing resources executed in Data Centers. Modern Data Centers are complex systems that need management. As distributed computing systems grow, and workloads benefit from such computing environments, the management of such systems increases in complexity. The complexity of resource usage and power consumption on cloud-based applications makes the understanding of application behavior through expert examination difficult. The difficulty increases when applications are seen as "black boxes", where only external monitoring can be retrieved. Furthermore, given the different amount of scenarios and applications, automation is required. To deal with such complexity, Machine Learning methods become crucial to facilitate tasks that can be automatically learned from data.

Firstly, this thesis proposes an unsupervised learning technique to learn high level representations from workload traces. Such technique provides a fast methodology to characterize workloads as sequences of abstract phases. The learned phase representation is validated on a variety of datasets and used in an auto-scaling task where we show that it can be applied in a production environment, achieving better performance than other state-of-the-art techniques.

Secondly, this thesis proposes a neural architecture, based on Sequence-to-Sequence models, that provides the expected resource usage of applications sharing hardware resources. The proposed technique provides resource managers the ability to predict resource usage over time as well as the completion time of the running applications. The technique provides lower error predicting usage when compared with other popular Machine Learning methods.

Thirdly, this thesis proposes a technique for auto-tuning Big Data workloads from the available tunable parameters. The proposed technique gathers information from the logs of an application generating a feature descriptor that captures relevant information from the application to be tuned. Using this information we demonstrate that performance models can generalize up to a 34% better when compared with other state-of-the-art solutions. Moreover, the search time to find a suitable solution can be drastically reduced, with up to a 12x speedup and almost equal quality results as modern solutions.

These results prove that modern learning algorithms, with the right feature information, provide powerful techniques to manage resource allocation for applications running in cloud environments. This thesis demonstrates that learning algorithms allow relevant optimizations in Data Center environments, where applications are externally monitored and careful resource management is paramount to efficiently use computing resources. We propose to demonstrate this thesis in three areas that orbit around resource management in server environments
Els Centres de Dades (Data Centers) moderns són sistemes complexos que necessiten ser gestionats. A mesura que creixen els sistemes de computació distribuïda i les aplicacions es beneficien d’aquestes infraestructures, també n’augmenta la seva complexitat. La complexitat que implica gestionar recursos de còmput i d’energia en sistemes de computació al núvol fa difícil entendre el comportament de les aplicacions que s'executen de manera manual. Aquesta dificultat s’incrementa quan les aplicacions s'observen com a "caixes negres", on només es poden monitoritzar algunes mètriques de les caixes de manera externa. A més, degut a la gran varietat d’escenaris i aplicacions, és necessari automatitzar la gestió d'aquests recursos. Per afrontar-ne el repte, l'aprenentatge automàtic juga un paper cabdal que facilita aquestes tasques, que poden ser apreses automàticament en base a dades prèvies del sistema que es monitoritza. Aquesta tesi demostra que els algorismes d'aprenentatge poden aportar optimitzacions molt rellevants en la gestió de Centres de Dades, on les aplicacions són monitoritzades externament i la gestió dels recursos és de vital importància per a fer un ús eficient de la capacitat de còmput d'aquests sistemes. En primer lloc, aquesta tesi proposa emprar aprenentatge no supervisat per tal d’aprendre representacions d'alt nivell a partir de traces d'aplicacions. Aquesta tècnica ens proporciona una metodologia ràpida per a caracteritzar aplicacions vistes com a seqüències de fases abstractes. La representació apresa de fases és validada en diferents “datasets” i s'aplica a la gestió de tasques d'”auto-scaling”, on es conclou que pot ser aplicable en un medi de producció, aconseguint un millor rendiment que altres mètodes de vanguardia. En segon lloc, aquesta tesi proposa l'ús de xarxes neuronals, basades en arquitectures “Sequence-to-Sequence”, que proporcionen una estimació dels recursos usats per aplicacions que comparteixen recursos de hardware. La tècnica proposada facilita als gestors de recursos l’habilitat de predir l'ús de recursos a través del temps, així com també una estimació del temps de còmput de les aplicacions. Tanmateix, redueix l’error en l’estimació de recursos en comparació amb d’altres tècniques populars d'aprenentatge automàtic. Per acabar, aquesta tesi introdueix una tècnica per a fer “auto-tuning” dels “hyper-paràmetres” d'aplicacions de Big Data. Consisteix així en obtenir informació dels “logs” de les aplicacions, generant un vector de característiques que captura informació rellevant de les aplicacions que s'han de “tunejar”. Emprant doncs aquesta informació es valida que els ”Regresors” entrenats en la predicció del rendiment de les aplicacions són capaços de generalitzar fins a un 34% millor que d’altres “Regresors” de vanguàrdia. A més, el temps de cerca per a trobar una bona solució es pot reduir dràsticament, aconseguint un increment de millora de fins a 12 vegades més dels resultats de qualitat en contraposició a alternatives modernes. Aquests resultats posen de manifest que els algorismes moderns d'aprenentatge automàtic esdevenen tècniques molt potents per tal de gestionar l'assignació de recursos en aplicacions que s'executen al núvol.