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Rémi Druilhe

L'Efficience Energétique des Services dans les Systèmes Répartis Hétérogènes et Dynamiques Application à la Maison Numérique. Soutenance de thèse pour l’obtention du Doctorat de l'Université Lille 1 Sciences et Technologies (Ecole Doctorale SPI). Président : Jean-Louis PAZAT, INSA Rennes

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Presentation Transcript

  1. L'Efficience Energétique des Services dans les Systèmes Répartis Hétérogènes et DynamiquesApplication à la Maison Numérique Soutenance de thèse pour l’obtention du Doctorat de l'Université Lille 1 Sciences et Technologies (Ecole Doctorale SPI) 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 Rémi Druilhe

  2. Le Numérique et l’Energie 7,3 % de la consommation totale d’électricité en France en 2008 35,3 34,3 34,0 33,9 29,6 TWh/an 14,6 14,4 14,0 13,6 11,9 Electronique Grand Public 6,7 7,6 8,2 8,5 4,6 Télécommunication 14,0 13,1 12,7 11,8 11,4 Système d’Information 2005 2008 2012 2015 2020 Source : Impact Environnemental de la Filière TIC en France, 2010

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

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

  5. Challenges • Comment augmenter l’efficience énergétique de la maison numérique en prenant en compte • L’hétérogénéité • La volatilité • La qualité de service Application

  6. Approche • Trouver la répartition des applications qui minimise la consommation d’énergie • Mettre dans un état de basse consommation les équipements inutilisés Application

  7. Plan • Etat de l’Art • Définitions et Hypothèses de Travail • Modélisation de la Maison Numérique • Architecture de HomeNap • Validation de HomeNap • Conclusion

  8. Etat de l’ART

  9. Efficience énergétique Couches Exemples Usage Rétroaction Conception Mandatement / Répartition Application Couche de contrôle Réveil Contrôle Etats énergétiques Adaptation matérielle Matériel

  10. Consolidation • Migrer les applications pour minimiser les serveurs actifs • Exemple : Entropy [HLM+09] Application Application Application Application H1 : Environnement homogène H2 : Considère seulement l’apparition/disparition d’applications

  11. Répartition • Distribuer les composants d’une application pour l’adapter à l’environnement • Exemple : PARM [MV03] Composant 1 Composant 2 Composant 3 H1 : Ne considère pas les ressources locales, e.g., autres équipements

  12. Mandatement de service • Un équipement agit comment un mandataire afin de représenter un service fournit par un autre équipement • Exemple : UPnPLow Power [UPnPLP07] Client Application H1 : Un service est lié à un équipement

  13. Mandatement d’application • Un équipement agit comme un mandataire afin d’exécuter une application issue d’un autre équipement • Exemple : Parasite [Zhong11] Application H1 : Nécessite un équipement dédié H2 : Conçu pour un seul service

  14. Classification des systèmes Politique de décision Mobile Service Overlay Entropy PARM HomeNap Fonction d’utilité Fonction d’action HOPE UPnP LP Parasite Transhumance Degré d’autonomie Cœur Contrôle Autonome Source : A survey of autonomic computing - degrees, models, and applications, 2008. Source : An artificial intelligence perspective on autonomic computing policies. 2004.

  15. Définitions et Hypothèses de Travail

  16. Définition de l’Efficience Energétique Travail utile du processus Efficience Energétique = Apport d’énergie dans le processus Source : What is energy efficiency?: Concepts, indicators and methodological issues, 1996 Energie Travail utile (Aller de A à B)

  17. Définition d’un Processus • Un processus est l’association d’un équipement et d’une application Application Processus Equipement Energie Service

  18. Hypothèse d’un modèle unifié de service • Un service est rendu par une seule et unique application Application Equipement Energie Service

  19. Hypothèse d’une couche d’abstraction • Une application est exécutable sur un ensemble d’équipements hétérogènes dès lors qu’ils possèdent les ressources suffisantes Application Couche Abstraction Equipement 2 Equipement 1 Energie 2 Energie 1 Service

  20. Hypothèse de parallélisme • Un équipement peut fournir plusieurs services dès lors qu’il possède les ressources matérielles nécessaires et suffisantes pour le déploiement des applications Appli A Appli B Equipement Service B Energie Service A

  21. 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 Composant B Composant A Equipement 1 Equipement 2 Service Service

  22. Hypothèse du périmètre d’efficience énergétique • La maison numérique est un environnement informatique limité en équipements et auto-suffisant en ressources Fournisseur Transporteur Consommateur

  23. Les définitions et les hypothèses • Définition de l’efficience énergétique • Définition d’un processus • Hypothèse d’unicité de l’implémentation d’un service • Hypothèse d’une couche d’abstraction • Hypothèse de parallélisme • Hypothèse de répartition des applications • Hypothèse du périmètre d’efficience énergétique

  24. Modélisation de la Maison Numérique

  25. Problèmes et approche • Challenges liés à cet environnement • Hétérogénéité • Volatilité • Qualité de service • Développer un modèle pour gérer les propriétés de l’environnement • Utiliser des contraintes de déploiement • Modéliser les états, les événements et les actions disponibles dans l’environnement • Définir une fonction d’utilité pour parvenir à une solution quel que soit l’état du système

  26. Modélisation de l’état • A un instant t, un ensemble d’applications est déployé sur un ensemble d’équipements : le plan de répartition 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0

  27. Le plan de répartition • Matrice : ensemble des équipements à l’instant t : ensemble des applications à l’instant t 0 0 0 1 1 si 1 0 0 0 0 0 1 0 0 sinon 0 0 1 0 0 0 0 1 : ensemble des applications hébergées par l’équipement e à l’instant t 1 0 0 0

  28. Modélisation de la volatilité • Apparition ou disparition d’équipements ou d’applications • Les événements significatifs changent l’ensemble des équipements ou l’ensemble des applications 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0

  29. Les événements significatifs

  30. Modélisation du plan de répartition • Migration des applications d’un équipement à un autre • Calcul du plan de déploiement 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0

  31. Le plan de déploiement • Permet le passage d’un plan de répartition à un autre • Définit les actions de migration d’une application 1 si a doit être déployée sur e -1 si a doit être retirée de e 0 si a ne bouge pas ou n’est pas présente sur e

  32. Modélisation de l’hétérogénéité • Description des ressources requises par une application • Description des ressources disponibles sur un équipement PrésenceUtilisateur : Vrai Ecran : 1 Processeur : 500 MIPS Ecran : 1 PrésenceUtilisateur : Vrai Processeur : 2000 MIPS

  33. 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. Exemples de contraintes de déploiement • Ressources matérielles • Présence de l’utilisateur PrésenceUtilisateur = Vrai

  35. La mobilité des applications Application Camera : 1 Ecran : 1 Camera : 1 Ecran : 1 CPU : 500 MIPS PrésUti : Vrai PresUti : Vrai CPU : 500 MIPS

  36. Décomposition • Deux ensembles dans une application Ensemble de composants 15 1 5 1 1 1 1 1 1 Ecran : 1 20 Localisation : cuisine PrésenceUtilisateur : Vrai 1 1 RAM : 20 MB GPS : 1 Ensemble de contraintes

  37. Groupement en grappe de composants • Dépend du type de contrainte 1 1 1 15 15 20 5 5

  38. Modélisation de la consommation • La puissance consommée par les équipements • Fonction d’utilité • Fonction objectif si e en état de basse consommation si e actif avec

  39. Synthèse de la modélisation Prise en compte de la volatilité au travers de la modélisation des états, des événements et des actions Prise en compte de l’hétérogénéité 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 Fonction d’utilité décrivant les états du système

  40. Architecture de HomeNap

  41. Approche • Concevoir un système autonome, transparent, efficient énergétiquement et intégrant la fonction d’utilité • 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. Architecture de HomeNap Adaptation du placement des composants Contrôle des états énergétiques des équipements Coordinateur Collecteur Contrôleur Gestionnaire

  43. La dette énergétique • Différence de consommation d’énergie de l’environnement qui exécute un système par rapport à ce même environnement ne l’exécutant pas Sans le déploiement de HomeNap HomeNap Environnement Avec le déploiement de HomeNap

  44. Gain énergétique • Un gain énergétique est réalisé dès lors que la dette énergétique est remboursée HomeNap Gain énergétique Environnement Remboursement

  45. Un système réactif • Une boucle de contrôle fermée afin d’améliorer l’efficience énergétique en continu Contraintes Événement significatif Plan de Répartition Mis à Jour Fonction MaJ Fonction Optimisation Plan de Répartition Optimisé

  46. Adaptation à l’environnement • Boucle de contrôle MAPE-K [IBM03] Coordinateur Optimisation et Planification Analyse Connaissance Observation Exécution Capteurs Actionneurs Equipements et composants Gestionnaires

  47. Un système autonome • Le système se considère dans l’optimisation de la consommation d’énergie • Sauvegarde de l’état des composants migrés • Transfert du code binaire Coordinateur Gestionnaire Gestionnaire Gestionnaire Gestionnaire

  48. Les pannes • Disparition du coordinateur • Détection lors d’une communication avec le coordinateur • Election du nouvel hôte du coordinateur • Restauration du coordinateur à partir du dernier état connu Coordinateur Coordinateur Gestionnaire Gestionnaire Gestionnaire Gestionnaire

  49. Synthèse de l’architecture Mécanisme de limitation de la dette énergétique grâce à un système réactif Système autonome qui se considère dans la recherche d’une solution Système transparent pour l’utilisateur pour atteindre l’objectif

  50. VALIDATION de HomeNap

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