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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SULINSTITUTO DE INFORMÁTICA

CURSO DE ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO

Trabalho de Conclusão de Curso

Flavio Alles RodriguesClaudio Geyer

Pedro de Botelho Marcos

1

Caracterização do Consumo Energético do

Hadoop MapReduce



2

Sumário1. Motivação

2. Objetivos

3. MapReduce/Hadoop

4. Estado da Arte

5. Metodologia

6. Testes & Resultados

7. Conclusões & Trabalhos Futuros

3


2. Objetivos

3. MapReduce/Hadoop

4. Estado da Arte

5. Metodologia



4

Motivação

• Crescimento dos conjuntos de dados (GORTON et al., 2008) (KOUZES et al., 2009) (WHITE, 2012)

• Computação Intensiva em Dados

• Modelos de programação paralela e distribuída para o desenvolvimento aplicações intensivas em dados

• MapReduce (DEAN; GHEMAWAT, 2008)

• Dryad (ISARD et al., 2007)

• Spark (ZAHARIA et al., 2010)

5

Motivação• Programas desenvolvidos com estes frameworks são

altamente escaláveis, podendo utilizar milhares de máquinas em uma computação (DEAN; GHEMAWAT, 2008)

• Computação intensiva em dados demanda muitos recursos computacionais

• Alto consumo energético

• Problemas

• Financeiro

• Ambiental

6

Motivação

(BARROSO, 2005)

7

Motivação

• Queima de combustíveis fosséis é um dos fatores chave para mudanças climáticas (IPCC, 2013)

• Nos EUA, 68% da eletricidade é gerada a partir de combustíveis fosséis (EIA, 2013)

• Data centers localizados nos EUA foram responsáveis pelo consumo de ~1.5% da eletricidade gerada no país - com uma tendência de crescimento neste consumo de 12% ao ano (KURP, 2008)

8

Motivação

• Sistemas computacionais (hardware e software) devem ser projetados para serem eficientes energeticamente

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2. Objetivos

3. MapReduce/Hadoop

4. Estado da Arte

5. Metodologia



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Objetivos

• Caracterizar o consumo energético de um sistema de processamento de grandes quantidades de dados

• Hadoop - implementação de código aberto do modelo de programação MapReduce - é o sistema escolhido para a caracterização

• A caracterização será acompanhada de considerações sobre o desempenho do framework

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2. Objetivos

3. MapReduce/Hadoop

4. Estado da Arte

5. Metodologia



12

MapReduce/Hadoop• Google (DEAN; GHEMAWAT, 2008)

• Duas funções: map & reduce

• Runtime

• Distribuição de dados

• Escalonamento de tarefas

• Comunicação entre nós

• Tolerância a falhas

• Sistema de arquivos distribuído (GHEMAWAT; GOBIOFF; LEUNG, 2003)

• Hadoop

• Implementação do modelo de programação MapReduce mais popular (WHITE, 2012), inspirado em (DEAN; GHEMAWAT, 2008)

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MapReduce/Hadoop

(DEAN; GHEMAWAT, 2008)

14


2. Objetivos

3. MapReduce/Hadoop

4. Estado da Arte

5. Metodologia



15

Estado da Arte

• Avaliação de Consumo Energético

• (CHEN; GANAPATHI; KATZ, 2010)

• Compressão de dados

• (LANG; PATEL, 2010)

• (WIRTZ; GE, 2011)

• O MapReduce é apenas uma carga de trabalho para avaliar diferentes mecanismos de gerenciamento energético de clusters.

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Estado da Arte

• Avaliação de Consumo Energético (cont.)

• (LEVERICH; KOZYRAKIS, 2010)

• (KAUSHIK; BHANDARKAR, 2010)

• (MAHESHWARI; NANDURI; VARMA, 2012)

• Alterações sobre distribuição de dados para possibilitar que diferentes mecanismos de gerenciamento de energia de clusters que ligam/desligam nós com base na utilização

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2. Objetivos

3. MapReduce/Hadoop

4. Estado da Arte

5. Metodologia



18

Metodologia

1. Metodologia de Testes (JAIN, 1991)

2. Metodologia de Mensuração de Consumo Energético

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Metodologia (Testes)• Objetivo: Caracterização do consumo energético e do desempenho

de um framework para desenvolvimento de aplicações intensivas em dados

• Sistema: Hadoop

• HDFS não faz parte da avaliação

• Métricas

• Consumo de Energia [J]

• Tempo de Execução [s]

• Técnica de Avaliação

• Experimentação

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Metodologia (Testes)

• Aproximadamente 190 parâmetros de configuração

• (HERODOTOU; BABU, 2011)

• (ZAHARIA et al., 2010)

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(HERODOTOU; BABU, 2011)

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Metodologia (Testes)• mapred.jobtracker.taskScheduler

• FIFO (Padrão)

• HFS (ZAHARIA et al., 2010)

• Escalonamento justo (compartilhamento de recursos)

• Maximizar escalonamento local (Delay Scheduling)

• «HFS can increase throughput by up to 2x while preserving fairness»

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• Aplicações

• CPU Bound & IO Bound

• (HUANG et al., 2010)

• CPU Bound: WordCount

• IO Bound: Sort

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1. 2KR (HERODOTOU; BABU, 2011)

2. Escalonadores com Uma Aplicação

3. Escalonadores com Múltiplas Aplicações

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Metodologia (Consumo)

• Baseado em estatísticas de uso (MOUW, 2001)

• Monitor distribuído (DUSSO, 2012)

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• Energy-proportional (BARROSO; HÖLZLE, 2007)

• CPU (FAN; WEBER; BARROSO, 2007)

• Comportamento Estático

• Memória (HÄRDER et al., 2011)

• Disco (FAN; WEBER; BARROSO, 2007)

• Interface de Rede (SOHAN et al., 2010)

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• TDP (Thermal Design Power) usualmente possui valores conservadores (FAN; WEBER; BARROSO, 2007)

• Modelo produz resultados com erro inferior à 10% (FAN; WEBER; BARROSO, 2007) (RIVOIRE; RAN- GANATHAN; KOZYRAKIS, 2008)

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Metodologia (Consumo)• KCPU & KMISC (ECONOMOU et al., 2006)

• Processo de calibragem

• Correlação entre medidas em nível de hardware (PMEAS) e estatísticas de uso (M)

• Programa linear produz um resultado (s) a partir de uma função objetivo que busca minimizar o erro entre as medidas em nível de hardware (PMEAS) e a potência calculada pelo modelo (PPRED)

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2. Objetivos

3. MapReduce/Hadoop

4. Estado da Arte

5. Metodologia



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Testes & Resultados

1. 2KR

2. Escalonadores com Uma Aplicação

3. Escalonadores com Múltiplas Aplicações

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2KR

• Metodologia 2KR (Jain, 1991)

• (HERODOTOU; BABU, 2011)

• FIFO & HFS


• Entrada: 1 GB

• Replicações: 10

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2KR


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2KR

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2KR

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2KR

• Existe uma similaridade muito evidente entre os efeitos de cada fator para o consumo de energia e os efeitos de cada fator para o desempenho do sistema MapReduce

• Em linhas gerais, os parâmetros mais influentes para cada escalonador em ambas aplicações testadas - e, também, o grau de influência destes parâmetros - são semelhantes

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Escalonadores com Uma Aplicação

• FIFO & HFS


• Entradas: 256 MB, 4 GB & 10 GB

• Pequena, Média & Grande


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• Não é possível estabelecer que um escalonador é superior ao outro para o escalonamento de uma aplicação que executa sem concorrência com outras requisições ao sistema MapReduce.

• Apesar de alcançar um de seus objetivos (maior localidade no escalonamento de tarefas map), HFS não obtém melhor desempenho ou menor consumo energético no contexto avaliado.

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Escalonadores com Múltiplas Aplicações

• FIFO & HFS

• 20 Aplicações

• Workload CPU Bound

• Workload IO Bound

• Entradas: 256 MB (14), 4 GB (5) & 10 GB (1)

• Workload Heterogênea (50-50)

• Entradas: 256 MB (14), 4 GB (4) & 10 GB (2)


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• Workload CPU bound e a workload heterogêna, HFS é a opção de escalonamento de tarefas que apresenta melhores resultados de consumo de energia e desempenho para a situação de escalonamento de múltiplas aplicações apresentadas

• O escalonamento justo e com preferência para tarefas locais produz resultados melhores do ponto de vista de eficiência energética nas workloads citadas

• Workload IO bound não apresentou diferenças estatísticas no consumo de energia

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2. Objetivos

3. MapReduce/Hadoop

4. Estado da Arte

5. Metodologia



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Conclusões & Trabalhos Futuros

• Caracterizar o consumo energético de um framework para computação intensiva em dados

• 6440 Execuções MapReduce

• 6755 GB (~6.6 TB)

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• Usuários podem utilizar o Hadoop com maior eficiência energética

• Desenvolvedores podem tornar o sistema ciente de seu consumo de energia

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• Trabalhos Futuros

• Desenvolvimento de novo escalonador de tarefas MapReduce

• Adicionar funcionalidades relacionadas ao consumo de energia ao simulador MRSG (KOLBERG et al., 2013)

• Caracterização do consumo energético do HDFS

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Agradecimento

• Este trabalho foi realizado com apoio do projeto G R E E N - G R I D : C o m p u t a ç ã o d e A l t o Desempenho (FAPERGS)

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Referências• BARROSO, L. A. The price of performance. Queue, [S.l.], v.3, n.7, p.48–53, 2005.

• BARROSO, L. A.; HÖLZLE, U. The case for energy-proportional computing. Computer, [S.l.], v.40, n.12, p.33–37, 2007.

• CHEN, Y.; GANAPATHI, A.; KATZ, R. H. To compress or not to compress-compute vs. IO tradeoffs for mapreduce energy efficiency. In: ACM SIGCOMM WORKSHOP ON GREEN NETWORKING . Proceedings. . . [S.l.: s.n.], 2010. p.23–28.

• DEAN, J.; GHEMAWAT, S. MapReduce: simplified data processing on large clusters. Communications of the ACM, [S.l.], v.51, n.1, p.107–113, 2008.

• DUSSO, P. M. A monitoring system for WattDB: an energy-proportional database cluster. Trabalho de Graduaç ́ão, [S.l.], 2012.

• ECONOMOU, D. et al. Full-system power analysis and modeling for server environments. In: IN PROCEEDINGS OF WORKSHOP ON MODELING, BENCHMARKING, AND SIMULATION. Anais. . . [S.l.: s.n.], 2006. p.70–77.

52

Referências• EIA. http://www.eia.gov/tools/faqs/faq.cfm?id=427&t=3. 2013.

• FAN, X.; WEBER, W.-D.; BARROSO, L. A. Power provisioning for a warehouse-sized computer. ACM SIGARCH Computer Architecture News, [S.l.], v.35, n.2, p.13–23, 2007.

• GHEMAWAT, S.; GOBIOFF, H.; LEUNG, S.-T. The Google file system. In: ACM SIGOPS OPERATING SYSTEMS REVIEW. Anais. . . [S.l.: s.n.], 2003. v.37, n.5, p.29– 43.

• GORTON, I. et al. Data-intensive computing in the 21st century. Computer, [S.l.], v.41, n.4, p.30–32, 2008.

• GHEMAWAT, S.; GOBIOFF, H.; LEUNG, S.-T. The Google file system. In: ACM SIGOPS OPERATING SYSTEMS REVIEW. Anais. . . [S.l.: s.n.], 2003. v.37, n.5, p.29– 43.

• HÄRDER, T. et al. Energy efficiency is not enough, energy proportionality is needed! In: Database Systems for Adanced Applications. [S.l.]: Springer, 2011. p.226–239.

53

http://www.eia.gov/tools/faqs/faq.cfm?id=427&t=3

http://www.eia.gov/tools/faqs/faq.cfm?id=427&t=3

Referências• HERODOTOU, H.; BABU, S. Profiling, what-if analysis, and cost-based optimization

of MapReduce programs. Proc. of the VLDB Endowment, [S.l.], v.4, n.11, p.1111–1122, 2011.

• HUANG, S. et al. The HiBench benchmark suite: characterization of the mapreduce-based data analysis. In: DATA ENGINEERING WORKSHOPS (ICDEW), 2010 IEEE 26TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON. Anais. . . [S.l.: s.n.], 2010. p.41–51.

• IPCC. http://www.ipcc.ch/report/ar5/. 2013.

• ISARD, M. et al. Dryad: Distributed Data-parallel Programs from Sequential Building Blocks. Proceedings of the 2nd ACM SIGOPS/EuroSys European Conference on Computer Systems. [S.l.: s.n.], p. 59–72, 2007.

• JAIN, R. The art of computer systems performance analysis. [S.l.]: John Wiley & Sons Chichester, 1991. v.182.

• KAUSHIK, R. T.; BHANDARKAR, M. GreenHDFS: Towards an Energy-Conserving Storage-Efficient, Hybrid Hadoop Compute Cluster. Proceedings of the USENIX Annual Technical Conference, [S.l.], p.1-9, 2010.

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http://www.ipcc.ch/report/ar5/

http://www.ipcc.ch/report/ar5/

Referências

• KOLBERG, W. et al. MRSG: a MapReduce simulator over SimGrid. Parallel Computing, [S.l.], v.39, n.4-5, p.233–244, 2013.

• KOUZES, R. T. et al. The changing paradigm of data-intensive computing. Computer, [S.l.], v.42, n.1, p.26–34, 2009.

• KURP, P. Green computing. Communications of the ACM, [S.l.], v.51, n.10, p.1–13, 2008.

• LANG, W.; PATEL, J. M. Energy management for mapreduce clusters. Proceedings of the VLDB Endowment, [S.l.], v.3, n.1-2, p.129–139, 2010.

• LEVERICH, J.; KOZYRAKIS, C. On the energy (in) efficiency of hadoop clusters. ACM SIGOPS Operating Systems Review, [S.l.], v.44, n.1, p.61–65, 2010.

• MAHESHWARI, N.; NANDURI, R.; VARMA, V. Dynamic energy efficient data place- ment and cluster reconfiguration algorithm for MapReduce framework. Future Generation Computer Systems, [S.l.], v.28, n.1, p.119–127, 2012.

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Referências• MOUW, E. Linux kernel procfs guide. Faculty of Information Technology and

Systems, [S.l.], 2001.

• RIVOIRE, S.; RANGANATHAN, P.; KOZYRAKIS, C. A Comparison of High-Level Full-System Power Models. HotPower, [S.l.], v.8, p.3–3, 2008.

• SOHAN, R. et al. Characterizing 10 Gbps network interface energy consumption. In: LOCAL COMPUTER NETWORKS (LCN), 2010 IEEE 35TH CONFERENCE ON. Anais. . . [S.l.: s.n.], 2010. p.268–271.

• WHITE, T. Hadoop: the definitive guide. [S.l.]: O’Reilly, 2012.

• WIRTZ, T.; GE, R. Improving MapReduce energy efficiency for computation intensive workloads. In: GREEN COMPUTING CONFERENCE AND WORKSHOPS (IGCC), 2011 INTERNATIONAL. Anais. . . [S.l.: s.n.], 2011. p.1–8.

• ZAHARIA, M. et al. Delay scheduling: a simple technique for achieving locality and fairness in cluster scheduling. In: EUROPEAN CONFERENCE ON COMPUTER SYS- TEMS, 5. Proceedings. . . [S.l.: s.n.], 2010. p.265–278.

• ZAHARIA, M. et al. Spark: cluster computing with working sets. Proceedings of the 2nd USENIX conference on Hot topics in cloud computing, [S.l.: s.n.] , p.10–10, 2010.

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Caracterização do Consumo Energético do

Hadoop MapReduce



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Motivação• Computação Intensiva em Dados

• O sistema de indexação de páginas web do Google processa aproximadamente 20 TB em documentos a cada iteração (DEAN; GHEMAWAT, 2008)

• Facebook armazena aproximadamente 700 TB em bancos de dados relacionais (THUSOO et al., 2009)

• Experimentos em física de partículas em um dos quatro equipamentos que compõem o acelerador de partículas Large Hadron Collider no CERN geram 2 PB/s (KOUZES et al., 2009)

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Estado da Arte• Avaliação de Desempenho

• (JIANG et al., 2010)

• Estudo do desempenho do MapReduce no contexto da área de bancos de dados. Todos os fatores considerados no artigo tem relação com o sistema de arquivos distribuído.

• (HUANG et al., 2010)

• (AGGARWAL; PHADKE; BHANDARKAR, 2010)

• Não explicam os resultados em termos de características próprias do sistema de execução MapReduce.

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