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1 RELAZIONE ANNUALE CONSUNTIVA PROGRAMMA DI RICERCA SETTORE Legge 449/97 SETTORE: Strumenti, Ambienti e Applicazioni per la Società dell Informazione PROGETTO: P1 Reti Internet: efficienza, integrazione e sicurezza U.O.: Dipartimento di Informatica, Produzione e Sistemi, Università di Roma Tor Vergata Responsabile U.O.: SALVATORE TUCCI Introduzione Il ruolo fondamentale del Web nei sistemi informativi e la natura aperta di Internet richiedono la progettazione e la realizzazione di sistemi Web in grado di garantire alte prestazioni, affidabilità e disponibilità dei servizi offerti, anche in condizioni di traffico elevato di tipo burst. Tali sistemi Web complessi pongono nuovi problemi di valutazione delle prestazioni, richiedendo lo sviluppo di metodologie modellistiche, simulative e di misurazione adatte ai nuovi contesti. La Unità Operativa di Roma Tor Vergata partecipa all Azione 1 del Sottoprogetto Reti INTERNET: efficienza, integrazione e sicurezza. In tale ambito, la UO si prefigge l obiettivo di sviluppare metodi e strumenti basati sulla simulazione per l analisi, la sintesi, il tuning e l ottimizzazione dei sistemi multimediali che stanno emergendo dalla convergenza tra Web, Internet e comunicazioni mobili. Linea e Tema di appartenenza: Azione1 - Simulazione e ottimizzazione di reti Internet Finanziamenti ottenuti 8183,4 Titolo della ricerca Progettazione e simulazione di sistemi Web Obiettivo/i previsto/i nell anno di attività Per l attività svolta dalla U.O. di Roma Tor Vergata, l obiettivo della ricerca è lo sviluppo di metodi e strumenti basati sulla simulazione per l analisi, la sintesi, il tuning e l ottimizzazione dei sistemi multimediali che stanno emergendo dalla convergenza tra Web, Internet e comunicazioni mobili. Particolare attenzione è riservata all analisi della Qualità del Servizio (QoS) sperimentata dagli utenti dei sistemi Web, siano essi mobili o fissi. La U.O. considera piattaforme architetturali per realizzare sistemi Web ad alte prestazioni in grado di fornire garanzie sulla qualità del servizio e basate su molteplici server replicati. La distribuzione dei server replicati avviene sia a livello locale (Web cluster) sia a livello geografico (Distributed Web servers) e può essere integrata o meno con cache server. Nel caso di sistemi di cluster 1

2 di server Web distribuiti localmente, si considerano anche sistemi Web multi-livello, caratterizzati da una distribuzione non solo orizzontale ma anche verticale dei nodi server. Nel primo anno di attività, gli obiettivi specifici dell U.O. sono i seguenti. - Caratterizzazione del carico: definizione di modelli sintetici per caratterizzare il carico dei sistemi oggetti dello studio. - Metodologia per la modellazione di sistemi Web: modellazione di sistemi Web complessi, quali sistemi di server Web distribuiti geograficamente e cluster di server Web multi-livello. - Integrazione di tecniche di caching, prefetching e pushing. - Tecniche di replicazione dei dati: definizione dei requisiti quantitativi che devono essere soddisfatti per la realizzazione di servizi Web in grado di garantire la QoS richiesta, progettazione di meccanismi per la condivisione del carico rispondenti ai requisiti quantitativi precedentemente individuati. Risultati ottenuti Nell ambito dell obiettivo riguardante la caratterizzazione del carico, si sono considerate le caratteristiche di self-similarity del traffico Web, ampiamente documentate in letteratura e riscontrate in tracce disponibili sul Web ed analizzate durante l anno di attività, e si è studiato il loro impatto sulla modellazione di sistemi Web. Particolare attenzione è stata dedicata alla caratterizzazione del carico offerto al Web cluster di tipo multi-livello, utilizzati per fornire servizi transazionali complessi e contenuti multimediali, al fine di proporre tecniche e modelli in grado di seguirne l evoluzione e riprodurne il comportamento. Dallo studio e dalla caratterizzazione compiuta sono stati definiti diversi modelli di carico, largamente basati su distribuzioni di tipo heavy-tail ed utilizzabili nelle fasi successive di progettazione e realizzazione di strumenti di simulazione. Partendo dall osservazione che non esiste il modello di carico per siti Web soggetti ad un elevato volume di traffico, i modelli di carico sono stati distinti in base alla tipologia di servizi e di contenuti forniti dal sito Web. In particolare, si è pervenuti alla definizione di sei classi di siti Web, comprendenti i siti di tipo old plain, di Web publishing, per il commercio elettronico, per il customer self-service, per il trading e per il business-to business. Le sei classi sono caratterizzate non solo dalla fornitura di diversi contenuti, ma anche da diversi requisiti di sicurezza e di garanzie di qualità del servizio. L attenzione è stata focalizzata sui siti per il publishing e per il commercio elettronico, i primi caratterizzati dalla fornitura di contenuti altamente volatili, i secondi da una componente predominante di contenuti dinamici ed in parte sicuri. Nell attività di modellazione di sistemi Web distribuiti localmente è stata posta particolare enfasi sulle architetture basate su un entità front-end centralizzata (detta Web switch) in grado di effettuare la distribuzione delle richieste a livello applicativo e caratterizzate da un flusso di richieste/risposte attraverso lo switch di tipo one-way. Tali scelte sono state basate sulla necessità di fornire all entità di dispatching la maggior quantità possibile di informazioni in base alla quali effettuare la scelta del nodo server; al fine di ridurre al minimo la possibilità che il Web switch possa costituire il collo di bottiglia del sistema, si è deciso di modellare un flusso di richieste di tipo one-way, demandando ai nodi server il compito di inviare la risposta al client. La modellazione è stata focalizzata non soltanto sulla distribuzione orizzontale dei nodi di servizi, ma anche sulla loro distribuzione verticale. Tale distribuzione verticale richiede l introduzione di un secondo livello di dispatching, atto a distribuire il carico computazionale mediante la selezione del nodo server 2

3 applicativo in grado di soddisfare in modo efficiente la richiesta di contenuti dinamici, tramite l interazione con database server. Nel caso di sistemi Web composti da nodi di servizio distribuiti geograficamente, la complessità dei sistemi da modellare è acuita dalla distribuzione geografica dei nodi e dalle caratteristiche del carico offerto, che presenta scenari molto variabili anche a causa dei diversi fusi orari. Per tali sistemi, è stata definita una modellazione della rete basata sull introduzione di ritardi stocastici e sulla suddivisione dei centri di servizi e di richiesta in aree geografiche caratterizzate da diversi fusi orari. Tale modellazione, sebbene semplificata, rappresenta un contributo chiave dell attività, in quanto riveste un ruolo centrale per la valutazione della qualità del servizio end-to-end sperimentata dagli utenti nell accesso ai servizi basati sul Web. Inoltre, nella metodologia di modellazione a cui si è pervenuti per i sistemi distribuiti geograficamente, si è considerato un duplice livello per la distribuzione delle richieste. Il primo livello è attuato a livello del Domain Name System ed è operato dal DNS autoritativo del sito Web, mentre il secondo livello di distribuzione è demandato ai nodi server che compongono l architettura distribuita mediante un meccanismo di redirezione delle richieste. La metodologia di modellazione di sistemi Web alla quale si è pervenuti consente la valutazione delle prestazioni di meccanismi per l instradamento delle richieste in ambito locale e geografico, di politiche di distribuzione multi-livello delle richieste degli utenti attuate sia in cluster multi-livello sia in sistemi distribuiti geograficamente, e di politiche di distribuzione/replicazione dei servizi e contenuti offerti dal sistema di server Web. Tale metodologia e la caratterizzazione del carico sono stata utilizzate nella progettazione di simulatori ad eventi discreti per Web cluster multi-livello e sistemi Web distribuiti geograficamente. Nell ambito dell integrazione di meccanismi di caching a livello dell architettura distribuita di server Web, sono state studiate politiche di distribuzione delle richieste che a livello di Web cluster massimizzano l hit rate nella cache dei nodi server. Inoltre, sono stati proposti e studiati protocolli di cooperazione che permettono un uso globale della memoria dei nodi server che costituiscono l architettura distribuita del Web cluster. L integrazione di meccanismi di pushing e di prefetching non è stata approfondita, in quanto questi meccanismi sono tradizionalmente limitati a contenuti Web di tipo statico, mentre dall attività di caratterizzazione del carico si è deciso di rivolgere l attenzione alla fornitura di contenuti di tipo dinamico. Per quanto riguarda lo studio di tecniche di replicazione dei dati, sono state progettate soluzioni architetturali per la realizzazione di servizi Web basati su QoS, con l obiettivo di introdurre i principi della QoS in sistemi basati su Web cluster multi-livello e che ospitano un singolo sito Web, allo scopo di estendere tali architetture per supportare la differenziazione degli utenti e dei servizi in diverse classi di priorità sul lato server di un sistema Web. Successivamente, si è avviato lo studio di architetture e meccanismi atti ad estendere il supporto della QoS anche in sistemi di server distribuiti geograficamente. Partendo dall osservazione che i meccanismi per la QoS impiegati nelle infrastrutture di rete non sono sufficienti a garantire una qualità del servizio end-to-end, si giunge alla conclusione che la mancanza di meccanismi e politiche per la QoS sul lato server del sistema Web può determinare la fornitura di un servizio di scarsa qualità, o addirittura la sua negazione, ad un traffico che è viene trasmesso con alta priorità sulla rete Internet. L idea principale alla base dell attività svolta consiste nell estensione alle architetture di sistemi di server Web dei principi e dei meccanismi per la QoS tradizionalmente adottati nelle reti: la classificazione dei servizi, il controllo di accesso delle richieste, la massimizzazione dell utilizzo delle risorse, l isolamento delle prestazioni. L uso dei principi per la QoS da parte dei meccanismi e delle politiche applicate sul Web cluster permette di garantire il rispetto 3

4 contrattuale dei vincoli stabiliti per la QoS, che invece i Web cluster tradizionali di tipo best-effort non sono in grado di soddisfare. Durante il primo anno di attività, la UO è pervenuta alla progettazione di un simulatore per Web cluster multi-livello, dotato di meccanismi e politiche per il supporto della QoS. L obiettivo iniziale della ricerca è stato l individuazione e la definizione dei requisiti quantitativi che devono essere soddisfatti per realizzare sistemi Web in gradi di garantire la QoS richiesta. In particolare, è stata definita una metodologia per l individuazione di opportuni Service Level Agreement (SLA) per la QoS orientati all utente, ma quantificabili ed indipendenti da specifici fattori umani. Dal momento che in un sistema Web possono essere consentite delle rare violazioni dei SLA stabiliti senza che queste comportino delle conseguenze catastrofiche, il SLA può essere espresso in termini di un servizio predittivo, quantificabile mediante percentili. Come metrica principale per la QoS è stato scelto il 95- percentile del tempo di latenza di una richiesta al Web cluster, ovvero della componente del tempo di risposta percepito dall utente finale dovuta al lato server del sistema Web. Inoltre, dal momento che le richieste sono differenziate in classi di priorità, si è ritenuto importante specificare ulteriormente la definizione del SLA in base alle classi di richieste e servizi considerati. Nel corso del primo anno di attività, si è pervenuti alla definizione dei SLA per diverse classi di utenti e di servizi forniti dal Web cluster, identificando le metriche di prestazione sul lato server da utilizzare successivamente per la progettazione di meccanismi per la condivisione del carico. Dopo aver definito i requisiti quantitativi che devono essere soddisfatti per realizzare sistemi Web in grado di supportare la QoS, è stata condotta un analisi comparativa delle possibili architetture di cluster Web, allo scopo di individuare i possibili meccanismi e le componenti del cluster che possono essere impiegate per realizzare la QoS. L attenzione è stata focalizzata sulle architetture in cui esiste un nodo front-end centralizzato, che pertanto possiede una visione centralizzata sullo stato delle risorse componenti il sistema. Inoltre, è stato individuato il livello operativo al quale il Web switch opera per distribuire le richieste tra i nodi componenti il sistema, pervenendo alla scelta progettuale di un Web switch operante a livello applicativo. L architettura progettata permette al Web switch di individuare e classificare con esattezza la provenienza della richiesta ed il tipo di servizio Web richiesto e di valutare in base ad esso l impatto della richiesta sul sistema. Durante la progettazione dei meccanismi per la condivisione del carico, si è determinato che per differenziare le classi di servizio è necessario integrare la politica per il controllo degli accessi attuata dal Web switch con un meccanismo in grado di realizzare l isolamento delle prestazioni. Prodotti della ricerca Nell ambito del primo anno del progetto sono state effettuate 7 pubblicazioni scientifiche, di cui: - 3 su rivista internazionale - 1 su monografie scientifiche internazionali - 3 su atti di conferenze internazionali e la presentazione di un tutorial ad una conferenza internazionale. Progettazione di un simulatore di cluster Web multi-livello, dotato di meccanismi per il supporto della QoS dal lato server. Progettazione di un simulatore di server Web distribuiti geograficamente, dotato di un semplice modello di rete. 4

5 Pubblicazioni a) Riviste indicizzate a diffusione internazionale - V. Cardellini, E. Casalicchio, M. Colajanni, P.S. Yu, The state of the art in locally distributed Web-server systems, ACM Computing Surveys, Vol. 34, No. 2, pp , June M. Andreolini, M. Colajanni, R. Morselli, Performance study of dispatching algorithms in multitier Web architectures, ACM Performance Evaluation Review, Vol. 30, No. 2, pp , Sept V. Cardellini, M. Colajanni, P.S. Yu, Request redirection algorithms for distributed Web systems, IEEE Trans. on Parallel and Distributed Systems, Vol. 14, No. 4, pp , April b) Capitoli in monografie scientifiche internazionali - M. Andreolini, V. Cardellini, M. Colajanni, Benchmarking models and tools for distributed Webserver systems, Performance Evaluation of Complex Systems: Techniques and Tools, M.C. Calzarossa and S. Tucci eds., Lecture Notes in Computer Science, Vol. 2459, pp , Springer-Verlag, Sept c) Atti di conferenze internazionali - M.E. Poleggi, B. Ciciani, M. Colajanni, Global caching mechanisms in clusters of Web servers, Proc. of Int l Symposium on Modeling, Analysis and Simulation of Computer and Telecommunication Systems (MASCOTS 02), Fort Worth, TX, Oct M. Andreolini, E. Casalicchio, M. Colajanni, M. Mambelli, QoS-aware switching policies for a locally distributed Web system, Poster Proc. of the 11th Int l World Wide Web Conf., Honolulu, Hawaii, May V. Cardellini, E. Casalicchio, M. Colajanni, M. Mambelli, Enhancing a Web-server cluster with Quality of Service mechanisms, Proc. of 21st IEEE Int l Performance, Computing, and Communications Conf. (IPCCC 2002), Phoenix, AZ, pp , April d) Tutorial a conferenze internazionali - M. Andreolini, V. Cardellini, M. Colajanni, Benchmarking models and tools for distributed Web server systems, IFIP WG 7.3 Int'l Symposium on Computer Modeling, Measurement and Evaluation (Performance 2002), Roma, Italy, Sept

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