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Rémi Druilhe L'Efficience Energétique des Services dans les Systèmes Répartis Hétérogènes et Dynamiques Application à la Maison Numérique Président : Jean-Louis.

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1 Rémi Druilhe L'Efficience Energétique des Services dans les Systèmes Répartis Hétérogènes et Dynamiques Application à la Maison Numérique Président : Jean-Louis PAZAT, INSA Rennes Rapporteur : Noel DE PALMA, Université Joseph Fourier, Grenoble Rapporteur : Jean-Marc MENAUD, Ecole des Mines de Nantes Examinateur : Laurent LEFEVRE, INRIA Directrice : Laurence DUCHIEN, Université Lille 1 Co-Directeur : Lionel SEINTURIER, Université Lille 1 Encadrant : Matthieu ANNE, Orange Soutenance de thèse pour lobtention du Doctorat de l'Université Lille 1 Sciences et Technologies (Ecole Doctorale SPI)

2 2 Introduction Le Numérique et lEnergie Source : Impact Environnemental de la Filière TIC en France, ,1 4,6 11,9 14,0 6,7 14,6 11,4 8,5 14,4 11,8 8,2 14,0 12,7 7,6 13, Electronique Grand Public Télécommunication Système dInformation 7,3 % de la consommation totale délectricité en France en ,3 29,6 TWh/an 34,3 34,0 33,9

3 3 Introduction Chauffage 31% Autres 46% Cuisine 8% Eau Chaude 15% Eclairage 12,8% Audiovisuel 20% Froid 23,3% Lavage 14,9% Informatique 14,5% 4700 kWh/an 2162 kWh/an Divers 14,4% Source : EDF, 2009 Source : Projet Remodece, 2008 Source : ADEME, Equipements électriques, 2008 Source : Overview of ICT energy consumption, 2013 Consommation délectricité (tout électrique) Consommation des autres équipements électriques Consommation électrique moyenne de la maison numérique

4 4 Introduction Ouverture au tiers La Maison Numérique Hétérogénéité Volatilité Répartition Qualité de service

5 5 Introduction Challenges Comment augmenter lefficience énergétique de la maison numérique en prenant en compte Lhétérogénéité La volatilité La qualité de service Application

6 6 Introduction Approche Trouver la répartition des applications qui minimise la consommation dénergie Mettre dans un état de basse consommation les équipements inutilisés Application

7 7 Introduction Plan Etat de lArt Définitions et Hypothèses de Travail Modélisation de la Maison Numérique Architecture de HomeNap Validation de HomeNap Conclusion

8 8 ETAT DE LART

9 9 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Efficience énergétique Usage Application Contrôle Matériel Etats énergétiques Adaptation matérielle Couche de contrôle Réveil Conception Mandatement / Répartition Rétroaction CouchesExemples

10 10 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Migrer les applications pour minimiser les serveurs actifs –Exemple : Entropy [HLM+09] Consolidation H1 : Environnement homogène H2 : Considère seulement lapparition/disparition dapplications Application

11 11 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Répartition Distribuer les composants dune application pour ladapter à lenvironnement –Exemple : PARM [MV03] Composant 1 Composant 2 Composant 3 H1 : Ne considère pas les ressources locales, e.g., autres équipements

12 12 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Un équipement agit comment un mandataire afin de représenter un service fournit par un autre équipement –Exemple : UPnP Low Power [UPnPLP07] Mandatement de service Client Application H1 : Un service est lié à un équipement

13 13 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Mandatement dapplication Un équipement agit comme un mandataire afin dexécuter une application issue dun autre équipement –Exemple : Parasite [Zhong11] Application H1 : Nécessite un équipement dédié H2 : Conçu pour un seul service

14 14 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Classification des systèmes Degré dautonomie CœurContrôleAutonome Politique de décision Fonction dutilité Fonction daction Mobile Service Overlay Entropy PARM Transhumance HOPE UPnP LP Parasite HomeNap Source : A survey of autonomic computing - degrees, models, and applications, Source : An artificial intelligence perspective on autonomic computing policies

15 15 DÉFINITIONS ET HYPOTHÈSES de Travail

16 16 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Définition de lEfficience Energétique Efficience Energétique = Travail utile du processus Apport dénergie dans le processus Source : What is energy efficiency?: Concepts, indicators and methodological issues, 1996 EnergieTravail utile (Aller de A à B)

17 17 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Définition dun Processus Un processus est lassociation dun équipement et dune application Equipement EnergieService Processus

18 18 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Un service est rendu par une seule et unique application Equipement Hypothèse dun modèle unifié de service EnergieService

19 19 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Equipement 1 Equipement 2 Hypothèse dune couche dabstraction Une application est exécutable sur un ensemble déquipements hétérogènes dès lors quils possèdent les ressources suffisantes Energie 1Service Couche Abstraction Energie 2

20 20 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Un équipement peut fournir plusieurs services dès lors quil possède les ressources matérielles nécessaires et suffisantes pour le déploiement des applications Appli BAppli A Hypothèse de parallélisme EnergieService A Service B Equipement

21 21 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Hypothèse de répartition des applications Le service est fourni par un ensemble de processus associés. La taille de cet ensemble est de 1 ou supérieur Equipement 2 Composant A Equipement 1 Service

22 22 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Hypothèse du périmètre defficience énergétique La maison numérique est un environnement informatique limité en équipements et auto-suffisant en ressources FournisseurTransporteurConsommateur

23 23 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Les définitions et les hypothèses Définition de lefficience énergétique Définition dun processus Hypothèse dunicité de limplémentation dun service Hypothèse dune couche dabstraction Hypothèse de parallélisme Hypothèse de répartition des applications Hypothèse du périmètre defficience énergétique

24 24 de la Maison Numérique MODÉLISATION

25 25 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Problèmes et approche Challenges liés à cet environnement –Hétérogénéité –Volatilité –Qualité de service Développer un modèle pour gérer les propriétés de lenvironnement –Utiliser des contraintes de déploiement –Modéliser les états, les événements et les actions disponibles dans lenvironnement –Définir une fonction dutilité pour parvenir à une solution quel que soit létat du système

26 26 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Modélisation de létat A un instant t, un ensemble dapplications est déployé sur un ensemble déquipements : le plan de répartition

27 27 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Le plan de répartition Matrice 1 si 0 sinon : ensemble des applications hébergées par léquipement e à linstant t : ensemble des équipements à linstant t: ensemble des applications à linstant t

28 28 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Modélisation de la volatilité Apparition ou disparition déquipements ou dapplications Les événements significatifs changent lensemble des équipements ou lensemble des applications

29 29 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion ElémentEquipementApplication Apparition dun élément Disparition dun élément Les événements significatifs

30 30 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Modélisation du plan de répartition Migration des applications dun équipement à un autre Calcul du plan de déploiement

31 31 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Le plan de déploiement Permet le passage dun plan de répartition à un autre Définit les actions de migration dune application 1 si a doit être déployée sur e 0 si a ne bouge pas ou nest pas présente sur e -1 si a doit être retirée de e

32 32 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Modélisation de lhétérogénéité Description des ressources requises par une application Description des ressources disponibles sur un équipement Processeur : 500 MIPS Ecran : 1 Processeur : 2000 MIPS Ecran : 1 PrésenceUtilisateur : Vrai

33 33 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Deux types de contraintes de déploiement Contraintes à valeurs quantitatives –e.g., quantité de ressources matérielles Contraintes à valeurs énumérées –e.g., présence utilisateur, localisation

34 34 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Exemples de contraintes de déploiement Ressources matérielles Présence de lutilisateur PrésenceUtilisateur = Vrai

35 35 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Ecran : 1 Camera : 1 PrésUti : Vrai CPU : 500 MIPS La mobilité des applications CPU : 500 MIPS PresUti : Vrai Camera : 1Ecran : 1 Application

36 36 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Deux ensembles dans une application Ensemble de composants Ensemble de contraintes Décomposition PrésenceUtilisateur : VraiGPS : 1RAM : 20 MBEcran : 1Localisation : cuisine

37 37 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Groupement en grappe de composants Dépend du type de contrainte

38 38 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Modélisation de la consommation La puissance consommée par les équipements Fonction dutilité Fonction objectif si e en état de basse consommation si e actif avec

39 39 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Synthèse de la modélisation Fonction dutilité décrivant les états du système Prise en compte de la volatilité au travers de la modélisation des états, des événements et des actions Prise en compte de lhétérogénéité au travers de la spécification des contraintes de déploiement Prise en compte de la qualité de service au travers de la satisfaction des contraintes de déploiement

40 40 ARCHITECTURE de HomeNap

41 41 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Approche Concevoir un système autonome, transparent, efficient énergétiquement et intégrant la fonction dutilité –Prendre en compte la dette énergétique –Utiliser les composants orientés service pour créer des applications plus mobiles –Utiliser une boucle de contrôle fermée pour gérer les événements et agir sur la répartition des composants

42 42 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Architecture de HomeNap Contrôleur Gestionnaire Adaptation du placement des composants Contrôle des états énergétiques des équipements Coordinateur Collecteur

43 43 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion La dette énergétique Différence de consommation dénergie de lenvironnement qui exécute un système par rapport à ce même environnement ne lexécutant pas HomeNap Environnement Avec le déploiement de HomeNap Sans le déploiement de HomeNap

44 44 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Gain énergétique Un gain énergétique est réalisé dès lors que la dette énergétique est remboursée Remboursement Gain énergétique HomeNap Environnement

45 45 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Un système réactif Une boucle de contrôle fermée afin daméliorer lefficience énergétique en continu Événement significatif Plan de Répartition Optimisé Plan de Répartition Mis à Jour Contraintes Fonction Optimisation Fonction Optimisation Fonction MaJ Fonction MaJ

46 46 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Adaptation à lenvironnement Boucle de contrôle MAPE-K [IBM03] Gestionnaires Coordinateur Equipements et composants Analyse Optimisation et Planification ObservationExécution Actionneurs Capteurs Connaissance

47 47 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Un système autonome Le système se considère dans loptimisation de la consommation dénergie –Sauvegarde de létat des composants migrés –Transfert du code binaire Coordinateur Gestionnaire

48 48 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Coordinateur Les pannes Disparition du coordinateur –Détection lors dune communication avec le coordinateur –Election du nouvel hôte du coordinateur –Restauration du coordinateur à partir du dernier état connu Coordinateur Gestionnaire

49 49 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Synthèse de larchitecture Mécanisme de limitation de la dette énergétique grâce à un système réactif Système autonome qui se considère dans la recherche dune solution Système transparent pour lutilisateur pour atteindre lobjectif

50 50 de HomeNap VALIDATION

51 51 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Mise en œuvre Extension du modèle de consommation dun équipement Mise sous forme dun problème de satisfaction de contraintes Canevas Logiciels –OSGi / iPOJO [Escoffier07] –UPnP [UPnP08] –Solveur de contraintes Choco [Choco12]

52 52 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Paramètres des évaluations EquipementsConsommation (W)Architecture Ordinateur Fixe80 – 122x86 Ordinateur Portable 125 – 48x86 Ordinateur Portable 223 – 33x86 BeagleBoard8 – 10ARM Nombre de grappes considérées Nombre déquipements considérés Nombre de combinaisons considérées

53 53 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Dette énergétique du coordinateur Valeur de n Dette énergétique (Wh) 0,0001 0,001 0,01 0, Ordinateur Fixe ( W) Ordinateur Portable 1 (25-48 W) Ordinateur Portable 2 (23-33 W) BeagleBoard (8-10 W)

54 54 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Temps de calcul de lalgorithme Valeur de n Temps de calcul (sec) 0,01 0, Ordinateur Fixe ( W) Ordinateur Portable 1 (25-48 W) Ordinateur Portable 2 (23-33 W) BeagleBoard (8-10 W)

55 55 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Temps de calcul versus dette énergétique Temps (sec) Dette énergétique (Wh) 0,0001 0,001 0,01 0, ,10,01 n=2 n=3 n=4 n=5 Ordinateur fixe Ordinateur portable 2 BeagleBoard Ordinateur portable 1

56 56 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Cas dutilisation pratique Alarme Traitement dimages Acquisition dimages PrésenceUtilisateur : vrai Ecran : 1 Processeur : 500 MIPSCamera : vrai Localisation : cuisine PrésenceUtilisateur : vrai GUI Equipement actif Equipement basse consommation Equipement hors système

57 57 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Scenario Avec HomeNap Sans HomeNap Acq Tra C C Ala Tra Acq Evénement 1 : Apparition de lordinateur fixe

58 58 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Evénement 2 : Apparition de linterface utilisateur Scenario GUI Tra Acq C C Ala GUI Ala Tra Acq Avec HomeNap Sans HomeNap

59 59 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Evénement 3 : Disparition de linterface utilisateur Scenario GUI Tra Acq C C Ala GUI Ala Tra Acq Avec HomeNap Sans HomeNap

60 60 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Evaluation pratique OptimisationRéduction de lénergie Dette énergétique Remboursement et Gain énergétique

61 61 CONCLUSION

62 62 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Conclusion Comment augmenter lefficience énergétique de la maison numérique en prenant en compte ses propriétés ? La modélisation tient compte des propriétés considérées – Hétérogénéité aux travers des contraintes de déploiement – Volatilité aux travers de la modélisation des événements – Qualité de service aux travers de la satisfaction des contraintes de déploiement Larchitecture est conçue pour réduire son impact énergétique – Autonome par la prise en compte du système – Efficient énergétiquement par un système réactif – Transparent par la non intervention de lutilisateur

63 63 Etat de lart - Hypothèses - Modélisation - Architecture - Validation - Conclusion Perspectives Court terme – Enrichir le modèle – Construire de nouvelles grappes de composants – Développer une architecture plus extensible – Améliorer la gestion de la volatilité – Améliorer lalgorithme doptimisation Long terme – Apprendre des habitudes des utilisateurs – Migrer les services temporellement – Estimer le coût énergétique minimal dun service – Prendre en compte lenvironnement extérieur (e.g., cloud) – Transférer vers les organismes de normalisation

64 Rémi Druilhe L'Efficience Energétique des Services dans les Systèmes Répartis Hétérogènes et Dynamiques Application à la Maison Numérique Président : Jean-Louis PAZAT, INSA Rennes, France Rapporteur : Noel DE PALMA, Université Joseph Fourier de Grenoble, France Rapporteur : Jean-Marc MENAUD, Ecole des Mines de Nantes, France Examinateur : Laurent LEFEVRE, Université de Lyon, France Directrice : Laurence DUCHIEN, Université Lille 1, France Co-Directeur : Lionel SEINTURIER, Université Lille 1, France Encadrant : Matthieu ANNE, Orange, France Soutenance de thèse pour lobtention du Doctorat de l'Université des Sciences et Technologies de Lille (spécialité Informatique)

65 65 Annexes Publications [ARTICLE] Rémi Druilhe, Matthieu Anne, Jacques Pulou, Laurence Duchien and Lionel Seinturier, Components Mobility for Energy Efficiency of Digital Home, CBSE, 2013 [ARTICLE] Rémi Druilhe, Matthieu Anne, Jacques Pulou, Laurence Duchien and Lionel Seinturier, Energy-driven Consolidation in Digital Home, SAC track SEAGC, 2013 [POSTER] Rémi Druilhe, Matthieu Anne, Romain Rouvoy and Laurence Duchien, La réduction de la consommation d'énergie dans les environnements domestiques répartis, CFSE, 2011

66 66 Annexes References [Choco12] Ecole des Mines de Nantes, Choco, [Escoffier07] C. Escoffier. and R.S. Hall and P.Lalanda, iPOJO: An extensible service-oriented component. In Services Computing, pages IEEE, [HLM+09] Fabien Hermenier, Xavier Lorca, Jean-Marc Menaud, Gilles Muller, and Julia Lawall. Entropy: a consolidation manager for clusters. In Proceedings of the 2009 ACMSIGPLAN/SIGOPS international conference onVirtual execution environments, pages 41–50. ACM, 2009 [IBM03] A. Computing. An architectural blueprint for autonomic computing. IBM White Paper, [Kephart04] J.O. Kephart and W.E. Walsh. An artificial intelligence perspective on autonomic computing policies. In Policies for Distributed Systems and Networks, POLICY Proceedings. Fifth IEEE International Workshop on, pages 3–12. IEEE, [Khanna06] G. Khanna, K. Beaty, G. Kar, and A. Kochut. Application performance management in virtualized server environments. In Network Operations and Management Symposium. IEEE, [MV03] S. Mohapatra and N. Venkatasubramanian. Parm: Power aware reconfigurable middleware. In Distributed Computing Systems, Proceedings. 23rd International Conference on, pages 312– 319. IEEE, [UPnP08] UPnP Forum. UPnP Device Architecture 1.1, Octobre [UPnPLP07] UPnP Forum. UPnP Low Power Architecture, Août [Zhong11] W. Zhong, G. Shi, Z. Zhao, and F. Xia. Parasite: A system for energy saving with performance improvement in networked desktops. In Green Computing and Communications (GreenCom), 2011 IEEE/ACM International Conference on, pages 79–84. IEEE, 2011.

67 67 Annexes Temps de calcul de lalgorithme Valeur de n Temps (sec) ,01 0, Problème A : problème sous-contraint Problème B : problème quasiment sur-contraint

68 68 Annexes Evaluation Théorique

69 69 Merci à tous et Place au pot daprès thèse dans la cafétéria du Bâtiment A


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