Yüksek başarımlı ve merkeziyetsiz hesaplama sistemlerinde politika tabanlı yönetim
Policy based management in high performance and decentralized computing systems
Yazar: TANER DURSUN
Danışman: PROF. DR. BURAK BERK ÜSTÜNDAĞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Bilgisayar Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control
Dizin: Ağ yönetim sistemleri = Network management systems ; Dağıtık kayıt defteri = Distributed ledger ; Elektronik yönetişim = Electronic governance ; Yüksek başarımlı hesaplama = High performance computing

Özet:
Yönetim sistemlerinin gelişmiş üyelerinden olan Politika Tabanlı Yönetim (PBM)
sistemleri, yönetilen sistemin gerçeklemesinde değişiklik yapmadan yalnız politikaları
değiştirerek yönetilen sistemin davranışını değiştirmeye olanak sağlar.
Bu tez çalışmasının amacı, yüksek başarım sistemlerinin genelinin ve onun bir alt türü
sayılan merkeziyetsiz hesaplama sistemlerinin yönetim ihtiyaçlarının karşılanmasında
PBM'in kullanılabileceğini göstermektir. Bu amaçla, literatürde, bu sistemlerin PBM
tabanlı yönetimi konusunda yapılan çalışmalar incelenerek teknolojilerdeki mevcut
durum tesbit edilmiş ve hangi açılardan geliştirme ihtiyacı olduğu anlaşılmaya
çalışılmıştır. Yapılan literatür incelemelerinden, yüksek başarımlı hesaplama
sistemlerinin yönetiminde gerçek anlamda PBM kullanımının, henüz emekleme
aşamasında olduğu, merkeziyetsiz sistemlerde ise henüz gündeme gelmediği
görülmüştür. Bu sistemlerin PBM tabanlı yönetimi için gereksinimler belirlenmiştir.
Sonrasında, belirlenen bu ihtiyaçların karşılanabilirliğinin gösterilmesi için, Police
isimli PBM modeli de bu teze hazırlık kapsamında geliştirilmiş ve tezde kullanılmıştır.
Police, büyük ölçekli sistemlerin politika tabanlı olarak yönetilmesine olanak veren,
kendi özgün politika tanımlama diline, dağıtım modeline ve politika çakışma kotarma
yeteneğine sahip olan bir PBM platformudur. Police modelinin detayları çeşitli
makalelerde açıklanmıştır.
PBM kavramının yüksek başarımlı ve merkeziyetsiz hesaplama sistemlerinin yönetimi
için kullanılabilirliği, tez çalışmamızda, simülasyon ve gerçek sistem örnekleri
üzerinde kavram ispatı çalışması olmak üzere iki yöntemle gösterilmeye çalışılmıştır.
Birinci yöntemde (Simülasyonlar), Police platformu üzerinde PDCA (Parallel and
Distributed Computing Architecture) sistemi yönetimi için gereken politikalar
tanımlanmıştır. Tanımlanan politikaların etkisi, PDCA sistemlerinin simülasyonu
üzerinde gösterilmiştir. Bu amaçla, evrensel, yönetilebilir PDCA modeli tasarımı
yapılmıştır ve bu evrensel modele göre her türlü senaryoyu gerçekleyebilen, ayrık
zamanlı, HeteroSim adını verdiğimiz simülasyon aracı geliştirilmiştir.
Simülasyonlarımızda kullanacağımız politikaları belirlemek üzere yine bir literatür
taraması yapılmıştır. HeteroSim'in gerçek PDCA sistemlerinin iş yüklü izlerini
(workload trace) de kullanabilmesini sağlayarak, doğruluğu ve performansını
değerlendirmeye çalıştık. Simülasyonlarda, belirlenmiş metrikler ölçülerek politika
tabanlı yönetimin etkinliği gösterilmeye çalışılmıştır. Ayrıca, geliştirilen simülatörün
ölçeklenebilirliğini göstermek için, benzer simülasyon yazılımlarında yürütülmüş
ölçeklenebilirlik deneyleri, kendi simülatörümüzle de yürütülmüş ve elde edilen
başarılı sonuçlar karşılaştırmalı olarak paylaşılmıştır. Simülatörümüzün doğruluğu ise
tasarlanmış iş yüklerinin çeşitli senaryolar kapsamında çalıştırılıp sonuçlarının analiz
edilmesi yoluyla gösterilmiştir.xxiv
Simülasyonlarımızda koşturduğumuz PDCA bileşenlerinin Police PBM çatısı ile
yönetilebilmesi için, simülasyon yazılımları (PDCA senaryolarına ait bileşenler) ile
gerçek dünya yazılımları (Police yazılımı bileşenleri) arasında etkileşime olanak
sağlayacak bir yöntem geliştirilmesi ihtiyacı ortaya çıkmıştır. Simülasyon dünyası,
gerçek dünya yazılımları ile simülasyon uzayında çalışan yazılımların, bir simülasyon
oturumu kapsamında etkileşmesi için formal bir çözüm sunmamaktadır. HeteroSim'e,
hem gerçek dünya yazılımlarını hem de simülasyon varlıklarını içeren oturumlar
düzenlemeye olanak sağlayacak yetenek eklenmiştir. HeteroSim'in bu özgün yeteneği
sayesinde, simülasyon varlığı olarak kodladığımız PDCA nesnelerini, bir gerçek
dünya uygulaması olan Police yardımıyla yönetme olanağı elde edilmiştir. Böylece,
Police modelinin (dolayısıyla PBM kavramının), PDCA yönetimindeki etkinliğini
görebileceğimiz simülasyonlar düzenleyebilmek mümkün olmuştur.
İkinci yöntemde (Kavram ispatı çalışması) ise mevcut iki PDCA platformu üzerinde,
Police PBM modeli entegre edilerek yönetim için kullanılabilirliği gösterilmeye
çalışılmıştır. Seçilen bu PDCA sistemlerinden birisi İTÜ TARBİL altyapısı, diğeri
yakın zamanda popüler olan Blokzincir (Blockchain) platformlarıdır.
İlk gerçek dünya PoC çalışması olarak TARBIL sistemi için, önce Bulut altyapısı ile
PBM entegrasyon konuları araştırılmış ve PBM'in nasıl kullanılabileceği
irdelenmiştir. Daha sonra aynı inceleme, bir JMS (Job Management System) olan
ProActive isimli platform ile tekrarlanmıştır.
İkinci gerçek dünya PoC çalışmasında ise merkeziyetsiz yüksek hesaplama sistem
örneği olan blokzincir platformlarının mevcut yönetişim sorunları literatürden analiz
edilmiştir. Daha sonra, bu sorunları politika tabanlı yönetim ile çözülebilirliği, mevcut
blok zinciri platformlarının gerçekleşmiş yönetişim verilerine dayanarak analiz
edilmiştir. Ardından, PBM üzerine kurulu yeni bir zincir üstü blokzinciri yönetişim
modeli önerilmiştir. Önerilen yönetişim modeli, Ethereum blokzincir platformu
üzerinde hayata geçirilmiş ve deneyimlerimiz paylaşılmıştır. PBM, anlaşılması kolay
üst düzey ifadelerle yönetime olanak sağladığından, farklı bilgi düzeylerinden
paydaşlara sahip blokzincir ekosistemlerine uygundur. Bu model, yalnızca mevcut
zincir-dışı yönetişim modellerinde daha etkili olmakla kalmaz, aynı zamanda diğer
zincir üstü yönetişim modellerinden daha basit ve daha kullanıcı dostudur. Ayrıca,
kullandığımız merkezi olmayan kimlik kavramı, blok zinciri yönetişiminin karar
verme süreci ile ilgili birçok sorunu çözme potansiyeline sahiptir. Yöntemimiz, iyi
yönlendirilmiş bir yönetişim sağlarken merkeziyetsizliği, güvenliği ve adaleti
güçlendirir. Ayrıca, geliştirilen yönetişim modelinin, DAO'ların yönetişim sorunlarına
getireceği çözümler de bir analiz çalışması olarak irdelenmiş ve yayınlanmıştır.

Abstract:
Being one of the advanced members of management systems, Policy Based
Management (PBM) systems allow to dynamically change the strategy for managing
the system and hence modify the behavior of a system, without changing its underlying
implementation.
The goal of this thesis is to investigate how the PBM can be used to satisfy the
management requirements of general Parallel and Distributed Computing
Architectures (PDCA) and Decentralized Computing Systems which can be seen as a
sub category of PDCAs. Therefore, we performed a literature survey on policy based
management of these systems in order to discover the state of the art and the
technological issues that need to be addressed. The survey results show us that while
the need for employment for decentralized systems has not yet been realized, the use
of PBM in the PDCA field is still in its infancy. Next, we identified the requirements
that must be met for policy based management of these systems.
Then, in order to show the feasibility of satisfying the identified requirements, we used
a policy based framework, called POLICE, which was developed by the author as a
preparation step to this thesis. POLICE is a PBM platform for general purpose
management of enterprise-scale systems. It has an object-oriented policy specification
language, a policy deployment and enforcement infrastructure and a unique policy
conflict handling capability. The several aspects of this framework have already been
presented in a number of articles.
In this thesis, we tried to demonstrate the efficiency and usability of policy based
management approach on the management of PDCA systems and the governance of
decentralized systems in two manners: through simulations and proof of concept
studies on real-world systems.
In the first method (Simulations), we have presented the effect of the defined policies
on simulations of PDCAs. For this purpose, we first developed a universal model of
PDCA systems based on the models in the literature. Then, based on our universal
PDCA systems model, we developed a discrete event simulation framework (so-called
HeteroSim) that can be used to simulate any PDCA scenario. In order to determine the
policy types commonly used for the management of PDCA systems, we have again
performed a literature survey. We tried to make the widest version of this set of policies
supported in our simulations. In order to get idea about its accuracy and performance,
we added HeteroSim, the capability to run workload traces of real-world PDCAs. The
designed simulation metrics make it possible to obtain quantitative results about the
efficiency of the PBM. On the other hand, to demonstrate the scalability of our
simulator, we ran the same experiments on HeteroSim as the research conducted on
various simulators. These experiment results are also shared comparatively in thexxvi
thesis. The accuracy of HeteroSim is also analysed by running real-world workload
traces in several scenarios and evaluating their outputs.
In order to manage the components of simulated PDCAs with the Police PBM
framework, we had to provide an integration between simulation entities (PDCA
components) and real-world applications (Police enforcement elements). Simulation
literature does not propose any solution for this purpose. That's why, we evolved
HeteroSim to enable combining simulation and real-world software in one simulation
session. We can rely on this model to build simulations that combine both simulated
elements of well-known PDCA systems and already implemented elements of our
PBM framework. Thus, we were able to arrange simulations in order to show
efficiency of Police (and consequently effiencity of PBM concept) on the management
of PDCA systems.
In the second method (organized as two Proof of Concept studies), we chose real
PDCA platforms to integrate and examine the efficiency of our PBM platform. One of
these selected PDCA systems is the TARBİL platform operated by İTÜ, and the other
is the Blockchain platform, which is an example of the recently emerging distributed
ledger technology.
As the first PoC (Proof of Concept) study, we focused on the TARBİL system. For
this purpose, firstly, the transformation of the existing software structure of the
TARBİL system, which will enable parallel processing according to the cluster model,
was designed. Next, we examined the usability of the PBM concept for cloud-based
conversion and management of the TARBİL system. We then conducted the same
examination with the JMS (Job Management System) platform called ProActive.
For the second PoC, we analyzed the challenges in the Literature related to governance
of Blockchain platforms (which are examples of decentralized high performance
computing systems). Next, PBM adoption was analyzed based on actual governance
data of existing blockchain platforms to address the issues we discovered. In this
analysis, the real governance proposals of the three Blockchain platforms were
examined one by one, and the feasibility of similar governance with policies was
examined. After this analysis, we propose, for the first time in the literature, a new onchain blockchain governance model that leverages both PBM and decentralized
identity technologies to address the challenges posed by existing blockchain systems.
In this on-chain governance model we have developed, change proposals are defined
as policy. These proposals, which can be easily understood by stakeholders at every
level of knowledge, are immediately put into use in the system, if accepted after a
voting stage in the governance process. In the voting process of the proposals, the
stakeholders can vote directly or delegate their voting rights to the delegates, if they
wish, according to the liquid democracy model. As digital identities are used for
onboarding stakeholders into the system and voting processes, the security of the
governance process is taken to a much higher level compared to existing models.
Actors must prove that they have different types of cryptographically verifiable
credentials according to user types with their digital identities in the Self-SovereignIdentity model. Another uniqueness of this model is that, thanks to the security level
achieved through digital identities, actors in governance can vote with varying weights
depending on their roles and the amount of digital assets in the system. Moreover,
thanks to the eligible balance concept we have developed, actors do not have to lock
their digital assets during the governance decision-making process.xxvii
We have realized the design of the proposed model and the implementation of the
smart contracts by choosing the Ethereum blockchain platform as an example and
shared our experiences in this work. The security risks of the proposed model were
handled within the scope of thread analysis, and a design change was made for the
detected vulnerabilities.
Since it allows controlling the behavior of the system via higher level expressions that
are easy to understand, the PBM will obviously fit in well with blockchain ecosystems
having stakeholders from different knowledge levels. This model is not only more
effective regarding existing off-chain governance models but also is simpler and more
user friendly than other on-chain governance models. Besides, the decentralized
identity concept we have involved has the potential to solve many problems related to
decision-making process of blockchain governance and fortifying decentralization,
security and fairness while ensuring well-directed governance.
Decentralized Auotonomous Organizations (DAOs), virtual companies implemented
as smart contracts and living on blockchains, also need a governance model similar to
the blockchain platform itself. Because DAOs have governance processes that work in
decentralized ways, like the Blockchain platforms they are on.
We first examined the governance problems of DAOs in the literature in order to show
that the proposed governance model can also be applied at the smart contract level.
Next, we reviewed the development platforms most commonly used to implement
existing DAOs. In this way, we were able to analyze how the problems in the literature
occur in DAOs implemented using these platforms. After all these steps, how the
proposed governance model can help to solve to the governance problems of DAOs is
also handled as an analysis activity and published as an article.
As a result of all these analysis studies, we have seen that the policy-based
management approach has a wide usage area in PDCA and decentralized computing
platforms. Furthermore, our decentralized governance model is not only more
effective than existing off-chain governance models, it is also simpler and more
flexible than on-chain models.