Gestione robusta dei processi in ambiente cloud: applicazioni in CLEVER

Sommario
Il lavoro di tesi si inquadra nell'ambito dei sistemi distribuiti, ponendosi 
come obiettivo la gestione dei processi di CLEVER, un middleware 
distribuito per l'accesso e l'amministrazione di un'infrastruttura di cloud 
computing. Tale gestione mira ad aumentare la fault-tollerance e la 
flessibilità dell' architettura. Tutti  i componenti del middleware sono stati 
mappati all'interno di processi separati. A causa della natura centralizzata del 
middleware è stato necessario introdurre degli algoritmi che provvedano al 
ripristino ed alla rielezione dei processi coordinatori, che potrebbero crollare 
in seguito a comportamenti anomali o guasti all'interno dell'architettura, 
compromettendo il funzionamento del sistema. È stata prevista una 
procedura di ripristino anche per i processi agenti, che ne garantisce una 
presenza continuativa. Questi componenti vengono incaricati dai coordinatori 
di eseguire le varie operazioni di gestione sulle macchine virtuali, database, 
ecc. L'esecuzione in processi separati dei vari moduli ha richiesto un 
meccanismo di comunicazione tra processi, a tale scopo si è sfruttato il plug-
in Dbus già integrato in CLEVER. 
Nella prima parte dell'elaborato verranno approfonditi i concetti relativi ai 
sistemi distribuiti ed al cloud computing. Nella seconda parte verrà analizzata 
la struttura del middleware CLEVER e verranno accennate le tecnologie 
utilizzate per la comunicazione dei suoi moduli. Nell'ultima parte si parlerà 
in dettagli delle soluzioni sviluppate e verranno descritti i test effettuati a 
lavoro finito, il cui scopo è quello di fornire delle misure sui tempi di 
riassetto del sistema in seguito al crollo del processo coordinatore.
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Parte I
Parte I
Sistemi distribuiti e Cloud 
Computing
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Parte I
Introduzione
Nel corso della storia i calcolatori elettronici hanno subito un'evoluzione inarrestabile, 
durante la quale sono stati modificati profondamente sia i meccanismi di funzionamento 
sia le modalità di rappresentazione dell'informazione. La fiamma che tiene vivo questo 
continuo sviluppo è la necessità di una sempre maggiore potenza di calcolo, dovuta 
sopratutto ad una integrazione sempre più profonda dei calcolatori nella vita dell'uomo. 
In precedenza, la soluzione per ottenere calcolatori più potenti consisteva nell' aumen- 
tarne la velocità di clock, questo fu possibile fin quando non ci si scontrò con la teoria 
della relatività ristretta, secondo la quale un segnale elettrico non può propagarsi ad una 
velocità superiore a quella della luce. Detto ciò per continuare sulla strada dell' aumento 
del clock, era necessario rimpicciolire le CPU, in modo che i segnali al loro interno 
percorressero distanze più brevi. Ammesso che ciò fosse fattibile, rimaneva da risolvere 
un altro problema: la dissipazione del calore. Si è così passati ai calcolatori paralleli, 
ovvero macchine dotate di più CPU, le quali collettivamente e a parità di clock, 
possiedono una potenza di calcolo di gran lunga superiore a quelle dotate di una sola 
CPU. Da questo momento, grazie anche allo sviluppo della rete internet hanno visto la 
luce diverse architetture e tecnologie di computer paralleli che possono essere riassunte 
in tre categorie fondamentali:
• Sistemi multiprocessore a memoria condivisa: un sistema di computer in cui 
due o più CPU condividono l'accesso ad una RAM comune. Il problema 
fondamentale di questi sistemi è il costo elevato, legato sopratutto alla difficoltà 
di costruire multiprocessori di grandi dimensioni.
• Multicomputer a scambio di messaggi: in questi sistemi, a differenza dei 
precedenti ciascuna CPU ha una propria memoria locale e tutti i nodi 
comunicano attraverso una apposita infrastruttura di rete sottostante (non 
necessariamente internet).
• Sistemi distribuiti: il paradigma maggiormente utilizzato al giorno d'oggi e sul 
quale focalizzeremo la nostra attenzione.[1]
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Introduzione
Un sistema distribuito è un insieme di unità di elaborazione debolmente connesse tramite una 
rete di comunicazione. Ciascuna unità di elaborazione di un sistema distribuito considera remote 
le altre unità di elaborazione del sistema e le rispettive risorse, mentre considera locali le 
proprie. Le unità di elaborazione in esso presenti possono variare per dimensioni e funzioni; 
possono comprendere piccole unità di elaborazioni, stazioni di lavoro, minicalcolatori e grandi 
calcolatori d'uso generale.
I vantaggi principali che ne derivano dal suo utilizzo sono:
• condivisione delle risorse: ciascun utente ha la possibilità di accedere ai file e a risorse 
hardware residenti in nodi remoti del sistema, o effettare elaborazione di informazioni in 
una base di dati distribuita.
• accelerazione dei calcoli: se è possibile suddividere un calcolo in più sottocalcoli 
eseguibili in maniera concorrente, un sistema distribuito permette di ripartire gli stessi 
tra i suoi diversi siti.
• affidabilità: se un qualunque nodo del sistema si guasta i nodi rimanenti possono 
continuare a funzionare, offrendo così al sistema una maggiore affidabilità. Questo non 
vale se a ciascun nodo del sistema è stata affidata una funzione cruciale, in quanto un 
singolo guasto può compromettere il funzionamento dell'intero sistema.
• riduzione dei costi: molte aziende hanno sostituito i loro mainframe con reti di stazioni 
di lavoro o PC. Le aziende ottengono così un miglior rapporto tra prezzo e prestazioni, 
una maggiore flessibilità nella dislocazione delle risorse e una manutenzione più 
semplice.[2]
Da quanto detto si può concludere che un sistema distribuito non può prescindere 
dall'architettura di rete sottostante, anzi i sistemi distribuiti aggiungono alla rete un 
paradigma (modello comune) che fornisce un modo uniforme di guardare all'intero sistema. 
L'intento del sistema distribuito è di trasformare un insieme debolmente connesso di macchine, 
in un sistema coerente basato su un concetto, un'idea che unifichi il sistema. Un modo perché un 
sistema distribuito ottenga una certa uniformità in presenza di hardware e sistemi operativi 
eterogeneri, consiste in un strato di software sopra il sistema operativo. Questo strato, detto 
middleware fornisce strutture dati e operazioni che permettono a processi e utenti su macchine 
lontane di interagire in modo coerente. In un certo senso il middleware si può interpretare come 
il sistema operativo di un sistema distribuito[1],  nonostante questa definizione non sia del 
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Introduzione
tutto corretta, nella progettazione di un middleware ci si può scontrare con problemi 
tipici dei sistemi operativi quali il bilanciamento del carico di lavoro, la sincronizzazione 
degli accessi alle risorse comuni, il controllo della concorrenza per l'accesso alle sezioni 
critiche dei vari processi residenti in nodi differenti.
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Capitolo 1
Cloud Computing
Sempre più spesso oggi sentiamo parlare di cloud computing, ma cosa è in realtà? 
Effettuando una breve ricerca sul web veniamo sommersi da definizioni eterogenee ed 
un po' sfuggenti. Una definizione potrebbe essere quella fornita dal National Institute of 
Standards and Technology (NIST): 
Il cloud computing è un modello per rendere possibile un accesso via rete, su richiesta e in 
maniera conveniente, a un insieme condiviso di risorse configurabili (ad esempio reti, server, 
storage, applicazioni e servizi) che possono essere rapidamente fornite e rilasciate con costi di 
gestione o interazioni con il fornitore minimali. [3] 
Siamo in ambito di calcolo distribuito e lo scenario è quindi quello di un utente che con 
un qualsiasi device (PC, tablet, smartphone), ed una connessione ad Internet può 
accedere al cloud che gli fornisce tutti i servizi e i dati richiesti[4]. Si può quindi 
immaginare che il cloud computing faccia in campo IT ciò che viene fatto tutti i giorni 
con la fornitura di elettricità, gas o atri tipi di servizi di uso comune. Tali servizi 
vengono forniti all’utente su richiesta senza che debba preoccuparsi di come sono 
forniti: l’utente chiede e il servizio viene fornito nella quantità desiderata. In maniera 
similare il cloud computing offre a sviluppatori ed utenti di applicazioni una visione 
astratta dei servizi che semplifica e ignora molti dei dettagli implementativi e dei 
funzionamenti interni dei servizi stessi[5]. In tutto questo non dobbiamo dimenticarci di 
accennare al concetto che sta alla base del cloud computing: la virtualizzazione. Questa 
è la carateristica che lo differenzia dal precedente paradigma di calcolo distribuito Grid 
Computing, che invece basa il suo funzionamento sulla parallelizzazione dei software 
su un numero elevato di CPU.
Fondamentalmente, esistono tre tipi di approcci al cloud computing: 
Infrastructure as a Service (IaaS), Software as a Service (SaaS), e Platform as a 
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Cloud Computing
Service (PaaS). 
Infrastructure as a Service : Alcuni fornitori mettono a disposizione dei clienti 
l’infrastruttura per realizzare proprie soluzioni, consentendo a questi di noleggiare 
hardware come server, firewall e cablaggi. Ricade sull’utente il compito di 
configurare e installare da remoto le proprie soluzioni. È possibile potenziare 
l’infrastruttura richiedendo più server, senza per questo dover acquistare nuovo 
hardware. Questo approccio è definito Infrastructure as a Service (IaaS), perché 
l’utente può noleggiare l’infrastruttura senza doversi preoccupare di stimare in 
anticipo i picchi di massima domanda, ma ricade su quest’ultimo la responsabilità 
di configurare correttamente l’infrastruttura noleggiata. 
Software as a Service : Un altro approccio possibile è quello di noleggiare il 
servizio offerto da un fornitore, configurandolo attraverso l’interfaccia messa a 
disposizione dal fornitore medesimo, senza per questo dover conoscere i dettagli 
dell’infrastruttura per veicolare il servizio. Questo approccio è denominato 
Software as a Service (SaaS), perché si paga per utilizzare determinati servizi. In 
un modello SaaS l’utente non ha il controllo dell’infrastruttura sulla quale il 
servizio è installato. Allo stesso modo, non ha il controllo sul sistema operativo 
sul quale il servizio gira, né su qualunque altro elemento software, se non quelli 
che la stessa interfaccia espone all’utente. In altre parole, spetta al fornitore del 
servizio il compito di predisporre tutto ciò che serve per eseguire l’applicazione, 
isolando l’utente dai componenti sottostanti.
Platform as a Service : Il terzo tipo di approccio è definito Platform as a Service, 
o PaaS. In questo approccio, l’utente noleggia una piattaforma sulla quale 
effettuare il deploy delle proprie applicazioni senza dover configurare 
l’infrastruttura e senza le limitazioni proprie dell’approccio SaaS[6] .
Le architetture di cloud computing possono inoltre essere classificate in pubbliche, 
private o ibride. Quelle pubbliche offrono un'infrastruttura di calcolo pubblicamente 
accessibile, attraverso la quale i clienti possono richiedere i servizi. I cloud privati, 
invece, vengono costruiti dalle organizzazioni o dalle aziende per poter avere un proprio 
ambiente computazionale. I cloud ibridi sono una via di mezzo tra le due soluzioni, 
questi sono sostanzialmente costituiti da cloud privati che, all'occorrenza, si collegano 
con un'infrastruttura pubblica al fine di aumentare le proprie risorse di calcolo[7].
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