Internati o nal  Journal of Ele c trical   and Computer  Engineering  (IJE CE)  V o l.  6, N o . 5 ,  O c tob e r  201 6, p p . 2 415 ~242 4  I S SN : 208 8-8 7 0 8 ,  D O I :  10.115 91 /ij ece.v6 i 5.1 063 9          2 415     Jo urn a l  h o me pa ge : h ttp ://iaesjo u r na l.com/ o n lin e/ind e x.ph p / IJECE  An Effiecient Approach for  Resource Auto-Scaling in   Cloud Environments       Bahar Asgari 1 ,   Mo st afa  Ghoba e i  A r ani 1 ,   Sa m Ja b b e hd ari 2   1   Departm e nt  of  Com puter Engin eering ,  M a h a ll at   Branch,  Is lam i c   Azad Unive r s i t y , M a ha ll at,  Iran     2  Departm e nt  of   Com puter Engin eering ,  North  T e hran Bran ch,  Is l a m i c Az ad Univ ers i t y ,  T e hran , Ir an      Article Info    A B STRAC T Article histo r y:  Received  Mar 27, 2016  Rev i sed  Ju l 6 ,  2 016  Accepte d  J u l 28, 2016      Cloud services have b ecome more  popular  among users these d a y s .  Automatic resou r ce provisioning  for cloud  services is one of th e important  challenges in  cloud environmen ts. In  the  cloud  computing env i ronment,  resource provid e rs shall offer require d resour ces to users automatically   without an y  limitations . It means whenev er a user needs more resources, th e  required r e sources should be ded i cated to  th e user s without an y  pr oblems. On   the other h a nd,  if resources are  more th an user’s needs extr a reso urces should  be turn off temporarily  and turn  back on  whenev er the y  need ed. I n  this  paper,   we propose an automatic r e source prov isioning appro ach  based o n   reinforcement learning for au to-sca ling resour ces according to Markov  Decision Process (MDP). Si mulation Resu lts show that the rate  of Service   Level Agreement (SLA) violation and st ability that th e  proposed approach   bett er pe rform ance  com p ared  to  t h e s i m ilar  appro aches .   Keyword:  A u t o - s caling  C l ou d c o m put i n g   Markov decision  process   Reinforcem ent learni ng  Scalab ility   Copyright ©  201 6 Institut e  o f   Ad vanced  Engin eer ing and S c i e nce.  All rights re se rve d .  Co rresp ond i ng  Autho r :  B a har As gari ,   Depa rt m e nt  of  C o m put er E ngi neeri n g ,     Mahallat  Branch, Islam i c  Azad Uni v ersity,   Mah a llat, Iran .   Em a il: Bah a r_asg a ri 8 8 @yaho o .co m       1.   INTRODUCTION  C l ou d com p u t i ng i s  t h e  num ber  of  v i rt ual i zed co n n ect ed c o m p u t ers w h i c h  o ffe rs si n g l e   com put at i onal  res o u r ce  dy n a m i cal ly  and t o  c o m put e co m p l e x com put at i on  [1] - [ 3] .  In  ot h e r  w o r d ,  cl ou d   com put i ng st at es t o  b o t h  ap p l i cabl e  pr og ra m s  offere d  as  services  on t h e Internet,  ha rdware  and s o ftware  syste m s in  d a ta cen ters.  By d e fi n itio n ,  in   data cen ter h a rdware an d  so ft ware are called "clo ud ". Scalab ility i s   one  o f  t h e  ba si c conce p t s  i n  cl o ud c o m put i ng  w h i c h i s  im port a nt  i n  usi n g  hi g h er  effi ci ency   of  cl ou d  co m p u tin g  [4 ]. Scalab ility  is  referred  to  in crease syste m  fu n c tion a l po wer to  h a v e  su it ab le respon se  ag ain s t  increase d   work loa d   of course  by adding software   and hardware  res o urces  [5].  Whereas  applications ,  esp ecially ap p l icatio n  program o n  web ,  do   n o t   h a v e  re g u l ar wo rk  load   pattern s so  th at  scalab ility fu nctio n s   (i ncrea s e o r   d ecrease  of sc a l e) sh o u l d   hav e  be  do ne i m m e di at el y  wi th m i nim u m  hum an i n t e rve n t i on t o   pr o v i d e  res o u r ces f o r a p pl i cat i ons  as s o o n  a s  p o ssi bl e.  R e so urce  scal i n g  wi t h  m i nim u m  h u m a n i n t e rve n t i on i s   called  au to- s calin g  [6 ]- [8 ].   Var i ou s wo rkl o a d s are  of the  biggest c h allenges  in  d i fferen t  ti m e s, so  wh enev er  p r ov id er wan t s to  m eet all  th e req u i rem e n t s in  a ll tim e s , it sho u l d   reserv e m a x i m u m  n eed ed  reso urces  p r ev iou s ly for p eak  wo rk  lo ad  to  su ppo rt th e m . In  th is situ atio n  p r o v i d e r so m e t i m es will  b e  o v e r-  pr o v i s i oni ng a nd i t  i s  goi n g  t o  be ve ry  cost l y  for t h em  (t o  buy  m a xim u m   reso u r ces at  peak t i m e s) whi c h l ead s   to  lo wer  p r o f it. Th erefo r e  functio n a l exp e n s es will b e  re d u ced  b y  turn ing o f f id le nod es o n  i d le ti m e s, b u t  it  cann o t  d ecreas e fi na nci a l  ex p e nses  rel a t e d p u rc hasi n g  a n d  host i ng  IT e q u i pm ent ’ s and t h ei r  dep r eci at i o n .  I f   p r ov id er po ssesses on ly enou gh   r e so ur ces  ( a v e r a g e  capacity)  to  supp or t av er ag e num b e r  o f   r e q u e sts, the  p r ov id ers m a y  b e   u tilized , bu t th e  p r ov id er mig h t  no t h a ve eno ugh  lo cal  reso urces to  meet clien t s’ req u e st  whi c h l eads t o  un der -  p r o v i s i oni n g  i n  s o m e  si t u at i ons so  pr ovi der ha s t o  reject  ne w  cust om ers or  cancel   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN :  2 088 -87 08  I J ECE   Vo l. 6 ,  N o . 5 ,  O c tob e r  20 16   :   241 5  –  24 24  2 416 p r ev iou s  serv ices op erating   on  system . W e   sh ou l d  d e sign   a syste m  wh ich   will b e  ab le t o  m a n a g e   u n c ertain ty   and  rem ove a n y  pr obl em s i n  cl ou d e nvi ro n m ent .  Al so  i t  sho u l d  be  abl e   t o  i m pact  para m e t e rs l i k e ex pen s e,   efficiency, SL A  violation etc .   We offe r auto-scaling accordi ng to  rei n force m ent learning. Reinforcem ent learning (RL)  is a kind of  deci si o n  m a king t h at  det e r m i n es a goal  per f o r m i ng funct i o nal  m odel ,  appl i e s p o l i c y  wi t hout  p r evi o u s   i n f o rm at i on. R L  has  bee n   pe rf orm e d succe ssful l y  i n   ext e nsi v e  fi el ds  t o  su pp o r t  aut o - c ont rol  a n d  de di cat e  reso u r ces [ 9 ] - [ 12]   whi c h  wo r k s  on  t h e  basi c assum p t i on  of  pe nal t y  and  rewa r d  s o  t h e  fact o r s m ove  t o wa rd   ope rat i o ns  whi c h l ead  t o  hi gh est  pr o f i t .  M a j o r  pa rt  o f  R L  is on  t h e  b a sis  o f  d e term in atio n of  op ti m a l  p o licies  i n  M a r k o v   [ 13] ,[ 14] .   In t h i s  pa per  we wa nt  t o   pr op ose a u t o -sca l i ng  ap p r oac h   usi n g M D P t o   m a nage SL A  vi ol at i o n  a n d   scalin g  exp e n s e and  to preserv e  system  stab ilit y. RL h a s the cap acity to   respo n s e su itab l y u s ing  env i ron m en t  expe ri ences . R L  l eads  t o   bet t e r m a nagem e nt  of  com p r o m i se SL A  vi ol at i o n a n d  n u m b er  of  scal es  but  i t   causes   h i gh er  ex p e n s es. Th e  r e st o f  t h is p a p e r  is org a n i zed  as fo llo w s :  w e  r e v i ew  r e lated   w o r k s ab ou t RL in   second  part ;  t h e  pr op o s ed ap p r oac h  c o m e s i n  t h i r d  part  i n   det a i l .  The  per f o r m a nce eval uat i o n  of  pr o pose d  a p pr oac h   will b e  ex p l ai ned  in fou r th p a rt. Fi n a lly co n c lu sion  an d sugg estion   will b e   p r esen ted in   fifth  section .       2.   RELATED WORKS  Vari ous st u d i e s have bee n  carri ed o u t  abo u t  aut o -sc a l i ng an d i t s  im pl em ent a t i on . C u r r ent   app r oaches  ha ve ad vant a g es and  di sad v ant a ges.  As t h e p r op ose d  ap pr oa ch i n  t h i s  pape r i s  based u p o n  R L ,   we  revie w  re se arches  related to  th is techn i que in  th is section .   •     En da B a r r et t  e t  al . [ 14]   ha ve  bee n  c o n s i d e r ed t h e  p a ral l e l  Q l e a r ni ng  t o  re duce  t i m e  of  det e rm i n at i on  ab ou t  o p tim al  p o licies an d onlin e learn i n g . Th eir  proposed approach  use s  MD P   along  w i th   RL.  •    Fou a d Bahr p e y m a et al. [ 1 5] su gg ests RL-D RP ap pr o ach .  They  use ne ural  net w or ks i n   t h ei r pr o p o s ed   mechanism .  The approac h  e n able cl oud s e rvice  prov id ers to  m eet h i g h   vo lu m e  o f  requ ests  witho u t   wasting  an y time, v a lu ab le  wo rk  and  at th e sa m e  ti m e  co n t ro l resou r ces opti m a lly.   •    Xav i er Du treil h  et al.  [16 ]  h a v e   p r o p o s ed   u s in g   p r op er i n itializatio n  in   p r i m ary stag es also  in creasing  t h e  rat e  o f  co n v er g e nce i n   pr oces s of l e a r ni ng  t o  sol v e  p r o b l e m .  They   have  o f fere d e xpe ri m e nt s res u l t s .  Al so   t h ey  ha ve i n t r od uce d  a n  ef fi ci ent  m odel  t o  det ect  cha nge s t h en c o m p l e t e d l ear ni n g   pr ocess m a nage m e nt   base d on   t h at .   •     B a uer et  al . [1 7]  pr op ose d  us i ng R L  t o   m a nage t h res h ol d  or der s . Fi rst  cont rol l e r ap pl i e s t h ese or ders  t o   th e go al  p r ogram  to  rein force its  q u a lity features.  Seco nd  con t ro ller sup e rv ises the ord e rs, ad ap ts  t h res hol ds a n d  chan ges  co n d i t i ons , al so  i t  de act i v at es u n rel a t e d o r ders .   •    Jia Rao et al.  [18]  represe n t a  RL awa r e  virt uali zed m achine c o nfigurati o n (V C O NF ).  C e nt ral  de si g n  of   VCONF is  pre p are d   base d  on RL awa r e m odel to  scale and a d apt.  •    Am oui et al. used RL successfully in m a nagem e nt  quality of  web  progra m s  to optim ize  program's out put  [19 ] .  Using  si m u la tio n  in in i tializat io n   o f  learn i n g  f u n c ti o n s is on e  of th e in teresting  asp e cts o f  it.     Fi nal l y  Tabl e  1  sh ow s t h e  co m p ari s on  of  ab ove  t ech ni q u es .      Table 1.  C o m p arison of  Techniques   Ref e rence  Auto-scaling  technique   Advantages and di sadvantages   Contr i butio n   E nda Bar r e tt [14]     Parallel  Q  lear ning  Decr easing ti m e  of optim al policy determ ination  and online lear ning  Disadvantages: challenges  in determ ination of  initial policies  I t  uses inher e nt parallelis m  in  distr i buted co m puting platform s  like cloud  Fouad   Bahr peym a [15]   RL   Fast conver g ence  pr ocess Higher  utili zation  I t  intr oduces a new decision  m a king  process to use predictably anal ysis  of dem a nd which consider s  par a m e ter s  of offer  and dem a nd  Xavier Dutreilh  [16]   RL  Hor i zontal  scaling  I n cr ease in  conver g ence r a te in lear ning stages   I n tegr ation in a r eal cloud contr o ller   and auto pr ogr am m i ng   Bahati [17]     RL   I t  li m its situation as pair  of oper a tion- condition  and provides the possibility  of re-use of learned  m odels  in an or der set for  next stage  Reinforce m ent of load  based on ef fective lim i t  T h ey  pr oposed using RL  to  m a nage  thr e shold or der s .  Fir s t contr o ller   applies or der  to the goal pr ogr am  to  i m p r ove the  features of quality  JiaRao [ 18]     VCONF  VCONF is  good adaptation with onli n e auto  config ur ation polic ies with heter ogeneous VM s  VCONF is  enable  to guide initial setting without  decr easing in funct i on of VM s  Centr a l design of VCONF using RL   aware   m odel work s to scale and  adapt  Am oui [19]     RL Quality  m a nage m e nt  in  application of new web  design to optim ize  pr ogr am  output  Using si m u lation f o r initialization  of lear ning fu nctio ns  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN :  208 8-8 7 0 8       An  Efficien t  App r oa ch  f o r Reso u r ce Au to   S c alin g  in Clou d En vironmen ts (Ba h a r   Asga ri)   2 417 3.   PROP OSE D  APP R O A CH   Fin a l  g o a l is  to  m a k e   au to  scalin g   system  to   h a v e  th e  ab ility o f   d ecreasin g  co sts an d   in creasin g  system  stab ility; at th e sam e  tim e with  SLA req u i rem e n t s an d  system  efficien cy  It  m eans t o  use  an onl i n e pol i c y   t o  dedi cat e  resources  wi t h  scal i ng  aut o m a t i cal l y . Proposed  approach  will  be introduced according to RL and MDP.  The offered MDP constitutes from  4 categories  in clu d e d  co n d itio n s ,  o p e ratio n s , tran sm itted   p o ssib ilities an d   reward s so   th at d ecisio n   m a k i n g   about scale up/ scale down will be accom p lished based on it.    3. 1.   Reinforcement Lear ning (RL)  R L  [7] , [14] ,[15]  i s   a com put at i onal   approach t o   underst a nd aut o m a t i c   base l earni ng  t o   m a ke t h e best  deci si ons. It   i n si st s on l earni ng vi a di rect   i nvol vem e nt  of agent  and  envi ronm ent .   Decision  m a ker refers to  the agent who  learns from   experi ence and  i t s  best  act i on  i s  t o  perform  at   its   m a xi m u m  i n   any  envi ronm ent .   An aut o   scal er i s  responsi b l e   for deci si ons  about  scal i ng  wi t hout   hum an i nvol vem e nt  and i t s  object i v e i s  t o  adap t  resources dy nam i cal l y  t o  t h e  appl i cat i ons  according  to input workload. It  d ecides to allocate or  deallocate  resources to the applications  based on workl o ad. In  any  t  t i m e whi c h  t =  0,1,2,… t i m e sequences  are separat e d, agent   shows  condi t i on of envi ronm ent   s ts  where   i s   al l  possi bl e condi t i ons and i t  sel ect s  () t t aA s    where () t As is all v a riab les in  th e co n d itio n  o f   t s  but in a determ ined tim e, sequence of these  fu n c tio n s   an d  ag en t  will b e   th e n e x t  reward   1 t r  whi c h  fi nds i t s el f i n   new condi t i on  of  1 t s . Agent  will  select from  condition possibilities then operate s the possible action. This will be agent' s  p o licy th at sh o w s  π t in  wh ich   π t (s, a) as   t aa  at th e co n d itio n t ss .  So  MDP can  b e   sh o w n  in  fo u r  categ o r ies  in clu d e d  co n d itio n s , o p e ratio n s ,  tran sm itted   p o ssib ilities an d  reward s:    S:  E n vironm ental state space       A : total action  space        P(.| s, a) d e fin e s d i stribu tion   o f  go v e rn ed po ssib ilities o n  transmitted  co nd itio n s   t tt  ~p ( . s| s 1, a +)     Q (.| s , a)   d e fi nes d i stri b u tion   o f  gov ern e d possib ilities o n   receiv e d   reward .  tt tt R( s ~q ,a . | s )( , a )   The object i v e of l earni ng process i n si de l earni ng Q i s  t o  achi e ve t h e opt i m al  pol i c y   whi c h  refl ect s by  Q am ount  i n  general  reward  and con t i nues by  operat i ng i n  current  si t u at i on.  The  am ount of Q will be  calculated by equation 1  which includes discounted reward  (decreased  reward) and shows R L  process pol i c y .     1 (, ) ( , ) (m a x ( , ) ( , ) ) tt t t ta t t t Qs a Q s a rQ s a Q s a                      (1)      Whe r e  1 t r is m e dium  received  re ward  of selecting  t a  in t s  cond ition    is learn i n g  rate an d  γ  i s  di s c ou nt   coef fi ci ent  (R e duct i o n ) . T h e  o v eral l   pr ocess  of  R L   has  been  sh ow n i n   Al g o r i t h m  1:      Alg o rithm 1 :  Reinforcem ent  Learning   A l gor ith m  ( Q -  learnin g )  1.   In itialize Q(s,a) arb itrarily  2.   Repeat ( for each episode)  3.   In itialize s  4.   Repeat  5.   C hoose a from  s usi ng pol i c y  deri ved from  Q (€- greedy )   6.   Take act i on a and observe r,s’  7.      tt tt t+ 1 a t t t Qs , a Qs , a + ar + m a x Q s , a - Q s , a    8.   s ← s’;  9.   Un til s is term in al  s a Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN :  2 088 -87 08  I JECE   Vo l. 6 ,  N o . 5 ,  O c tob e r  20 16   :   241 5  –  24 24  2 418 3. 2.   Prop osed  Al g o ri thm   The proposed algorithm  has  been offered ba sed  on RL, that  is defined according  to  M a rkov  process for aut o   scal i ng a M D P. Upper  a nd l o wer t h reshol d have  been defi ned t oo and  cloud service operation will be m onito red after introduction proposed MDP.  C onfi gurat i on of proposed M D P has been consi d ered as fol l o ws:   S : the space of condition: Full utilization,  Under utillization, Norm al utilization.  A : the space of operation: Scale up, Scale down, No- op.  P (.| s , a)  defines distributi onpossibility governed on transm itted conditions.  Q (.| s , a)  defines distribution possibility  governed on received reward.  As  we know M I PS m eans t h e num ber  of i n st ruct i ons per second. There has been  i n t r oduced t w o vari abl e s  for proposed approach  i n cl uded avai l a bl e M I PS  and R e quest ed  M I PS,  both are variables of service i nputs. Q Updating  will be done usi ng local regerssion according  to  history of instructions. Divisi on of two am ounts shows the am ount  of utillization (equation 2)   and  com p arison of  upper and  lower th resholds determ ine  space of  condition. The  full utilization and  the under utilization condition show in  Equation 3 and 4, respectively.    Av a i l a b l e M I P S U t i l iz a t io n R e que s t e d M I P S                                                            (2)       R e qu e s ted / A v a i l a bl e H i g h- T h re sh o l d Fu l l - U t i l i zat i o n U n d er - P r o vi s i o n i n g MI P S MI P S       (3 )       R e que s t e d / A v a il a b l e L o w- T h r e s hol d Un de r - uti l i z at ion O v e r - Pr ov isi onin g MI P S MI P S            (4)     After  de fini ng  full utilization, unde r utilizati on a n d norm a l conditions , and  operating e quation  1  (Q(s, a )   ), S L A violation am ount  will be ac quire d  by  Re quested MIP S  a n d a v ailable MIPS the n   decision will  be m a de according to a b ove  functions  t o   do curre nt action, it m eans to  i n crease  or dec r ease virtual   machine   or   n o  o p erat i o n. Tabl e   2   re p r esent s   p r oces s  o f  deci si o n  m a ki ng   an d Fi gu re 1 sh o w s a  di a g ram   i n cl ud e d   p r ov id er cond itio n  ch an g e s reg a rd ed  to u tilizatio n   p a ram e te r.        Tabl e  2.  Deci si on  M a ki ng  B y  M D P     Utilization>High- T h r e shold  Low-Threshold< Utilization  < High - T hreshold  Utilization <Low - T h r e shold  State(t) Full-Utilization  ( U nder - P r ovisioni ng)   Norm al -Utiliza tion  ( N orm a l-  Pr ovisioning)   Under-Utilization  ( O ver - P r ovisionin g )   Next- Action( t+1) Scale_up  No- op  Scale_down          Fig u re 1 .   Con d itio n   of p r ov ider  ch ang e s regard ed   t o  u tiliza tio n  p a ram e ter      Proposed  al gori t h m  i n t r oduced i n  t h i s   paper i s  re present e d as sem i   code offered i n  al gori t h m  2  according to Markov and deci sion m a king in Table 2.    Al gori t hm2:  Reinforcem ent Learning (Q-Learning )   1.   In itialize Q (s, a)=0  ,s=0 , a=0 ,   h i g h  Ran g e  Q=0 . 8 ,  lo w Ran g e  Q=0 . 2 .   2.   Observe the Available MIPS and Requested MIPS.  3.   Observe the current state S.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN :  208 8-8 7 0 8       An  Efficien t  App r oa ch  f o r Reso u r ce Au to   S c alin g  in Clou d En vironmen ts (Ba h a r   Asga ri)   2 419 4.   If (req u e sted  MIPS/av ailab l e MIPS) > h i g h  Ran g e  Q) , state [0 ]= 0 ;  /* Fu ll-Utilizatio n  state* /  5.   Else  if (req u e sted  MIPS/av ailab l e  MIPS) <Lo w  Ran g e  Q),  state[1 ] = 1 ;  /*  Un d e r-Utilizatio n   state */  6.   Else state [2 ]= 2 ;  /*  No rm al-Utilizatio n  state* /  7.   Loop  8.   Select action, choose for state ,based one  of the action selection policy Utilization  9.   Take action, observe r, as well as the new state, s’.  10 .   Updat e   Q val u e for t h e st at e usi ng t h e R e gressi on and observed r and t h e m a xi m u m  reward  possi bl e for t h e next  st at e.  11 .     tt tt t+ 1 a t t t Qs , a Q s , a + ar + m a x Q s , a - Q s , a   12 .   Set the state s to the new state s’ , s ← s’  13 .   Un til s is term in al      4.   PERFO R MA NCE E V ALU A TIO N   There  has bee n  use d  of   C l o udsi m   [2 0]   si m u l a t o r fo r  si m u l a t i on. Fo u r  ki n d s of   vi rt ual   m achi n e  cor r es po n d ed t o  Am azon EC 2 [ 2 1]  ha ve b een p e r f o r m e d whi c h t h ei r s p eci fi cat i o n s  o ffe red i n  Ta bl e II I .   There   ha ve be en used   f o u r  k i nds o f   ser v i c e s   re gar d ed   to t h e  variety of a v ailable servic es in cloud a n d  we   have  n o t  foc u s e d o n  t y pe o f   servi ce  or s p ec i a l  pro g ram  so t h at  used se r v i ces are i nde pe nde nt  t o   pr og r a m s .  These s e rvices  are c o m b ina tio n of  all h e ter o g e n e ou s  p r og ra m s  lik e H P C,  W e b and  so   on. A l so   w o rk  load   h a s  been m odeled  according to norm al distri bution to be close r  to real world.  Scaling will be done in 24  hour  peri od a n d i n   5   m i nut es i n t e r v al s (2 8 8  fi v e  m i nut es) ,  L o w - T h res h ol d i s  c o n s i d ere d   0. 2 an d  Hi g h - T h r es ho l d  i s   con s i d ere d  0 . 8  St andar d  de vi at i on i s  30 00  M I PS an d Di f f  R a nge i s  0.4  There  has bee n  consi d e r e d  a funct i o n   for in itializatio n  co st.  As co st  fu n c tion  is com p u t ed  b y   ho ur an d we h a v e   5  m i n u t es in terv als so  t h at we h a ve  to  m u ltip le o v e rall co sts  b y   3 0 0 / 36 00 .      Table 3. Speci fication  of Virt ual  Machi n e   Type Of  V i rtual  Machine   MIPS   (C P U )   Core  RAM   (M B )   Price   (C e n t )   M i cr o  500   1  633   0. 026   Sm all 1, 000   1  1, 700   0. 070   E x tr a Lar g e  2, 000   1  3, 750   0. 280   High-CPU  Med i u m   2, 500  1  850   0. 560       Algo rith m  work s  b y  up d a ti n g   Q.  we h a ve d o n e  Q  up datin g  and  ob tain in g   u tilizatio n  b y  lo cal  regression. Updating Q  will be acc om plished acc ording t o  inst ruction  history; it  m eans ne xt am ount  will be  det e rm i n ed ac cor d i n g t o  p r e d i c t i on  o f  p r e v i o us am ount .  Pre d i c t e d am ou nt  s h o u l d  b e  m u l t i p l i e d b y  0. 7,  because error  possibility has  been conside r ed as 30 perce n t.  Regressi on function helps us to scale VMs in the  way  that decre a se  failed case along with  m i nim u m   cost.  The am ount   of  Avai l a bl e M I PS an d R e q u es t e d M I PS i s  ca l c ul at ed i n  t h e  m a i n  fu nct i on  of  pr o pos e d   app r oach . Al so  t h e am ount  of  SLA vi ol at i o n  i s  cal cul a t e d usi ng t h ei r  di ffe rence .  R e que st ed M I PS i s  di v i de d   to  Av ailab l e  MIPS to  i n trod u ce t w o   d i m e n s ion a l array r [rstate] [0 ],  r  [rstate] [1 ] and  r  [rsatate] [2] wh ich  d e term in es  und eru tilizatio n ,  fu ll u tilizatio n  an d  norm a l  f u n c tio ns.  Th en  t h e am o u n t  of  r will b e  upd ated  an d  the  am ount of equation Q (s, a) will  be  calculated.   Ove r al l  M I PS am ount  i s  o b t a i n ed by  di vi si o n  of  vi ol at i o n r a t e  t o  t h e t o t a l   M I PS t h e n  o p t i m al  current   actio n  will b e   selected  u s ing   Current Ac tion()  and   Sel ect  acti on( )  acc ordi ng t o  the a m ount of  utilization.  Th en  d ecision   for scale down an d  scale up   o r   nu ll acti o n   will b e  m a d e .Propo sed  app r oach  wh ich  is learn i n g   au to m a ta aware [22 ]  will b e  co m p ared  to   co st aware  au t o  scalin g  ap pro ach   wh ich  is a si m p le, au to m a t a   ap pro ach   b y   param e ters lik e co st, SLA  v i o l atio n ,  i n itializa tio n  co st and   n u m b e r   of scal i ng.   The r e has   bee n   defi ned  t h re e s cenari o  f o r e v a l uat i on  p r o p o s e d a p p r oach  i n   Tabl e  4.        Tabl e  4. E v al u a t i on Sce n a r i o s   Scenario  Goal  Fir s t scenar io   M i nim i zation SL A violation   Second scenar io  M i nim i zation  T o tal Cost  T h ir d scenar io   M i nim i zation nu m b er  of scaling  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN :  2 088 -87 08  I JECE   Vo l. 6 ,  N o . 5 ,  O c tob e r  20 16   :   241 5  –  24 24  2 420 4. 1.   First Sce n ari o   Eval uat i o n  of  SLA  vi ol at i on  has  bee n   con s i d ere d  i n  fi rst  sce n ari o  com p are d  t o  t w o  ot her   ap pro ach es. SLA v i o l atio n   will b e  h a pp ened  wh en   p r ov id er can n o t  p r ov id e pred efined  m easu r es in  SLA fo r  users .  Som e  exam pl es of SLA vi ol at i o n i s  t h e num ber o f  l o st  deadl i n es ,  l ack of wa rra nt y  on ag reed  M I PS ,   l ack of  war r an t y  on agree d  b a nd wi dt h, n u m b er  of re ject ed  req u est s  beca use o f  n o t  ha vi ng e n o u gh  res o u r c e s   at th e p eak  times. In creasing  rate of SLA v i o l atio n  ca u s es lo wer  qu ality in  p r ov id ing  serv ices fo r  u s er. If  Req u e sted  MIPS is n o t  m a tc h  with  av ailab l e MIPS, SLA  v i o l atio n   will h a pp en . Fi g u re 2  rep r esen ts resu lts o f   com p arison  of  SLA vi olation  in three com p ared a p proac h es  for  4 services. As you can se e SLA violation rate   i n  p r op ose d  a p pr oac h  i s  l e ss t h an  t h e  ot he rs.           Fi gu re 2.   C o m p ari s on   o f  SL A vi ol at i o n   i n  servi ces       Fi gu re  3 s h o w s t h e c o m p ari s on  o f   ove ral l  S L A  vi ol at i o n f o r  ser v i ces i n c l ude d c o st  awa r e, l ear ni n g   aut o m a t a  and pr o pose d  ap pr oach . As y o u  can see resul t s of pr o p o sed  appr oac h  sim u l a t i on com p ared t o   l earni n g  aut o m a t a  and cost  aware ap p r oac h  has l o wer r a t e  of SLA  vi ol at i on at  t h e t i m e  of sim u l a t i on so t h at   usi n g Q l ear ni ng t e c hni que i n  aut o  scal i ng  l eads t o  re du ce  SLA vi ol at i o n .  So  whe n e v er  SLA i s  i m port a nt  fo r   au to  scalin g, we  can  u s e  pr opo sed   ap pr o a ch .          Fi gu re  3.  C o m p ari s on  o f   o v er al l  SLA  vi ol at i o n  i n  t h ree  ap p r oac h es       4. 2.   Second Sce n ario  We address evalu a tio n   o f  co st  m easu r e and   co m p ari n g  it with  o t h e r approach es.  Serv ice  co st will b e   calculated  acc ordi ng  t o  hours of utility.  It m e ans  user pays t h e c o st accordin g to spee d,  power a n d ca pacity of  requ ested   resou r ce (CPU, M e m o ry an d  d i sk  and  …) also  ti me o f  u s ing  resource. Nat u rally co st will  b e  lo w  whe n  we use  resource  with lowe r speed  and  cap acity in  lo wer in terv als. It  can dec r eas e cost but affe cts other  q u a lity factors. So to   h a v e  a  hig h   qu ality serv ice we h a v e  to  in crease  co st . Co st is on e  of th e m o st i m p o r tan t   factors for users. It m eans that  use r  always st ruggle s to  accom p l ish  th e  requ est wit h  m i n i m u m  co st. Para m e ter  o f  co st in trod uces in  three categ o ries: In itializatio n  co st,  Ru n tim e co st an d   To tal cost. In itializatio n   co st is  initial cost for  setting up  VM s. Runtim e cos t  equals t o  cost according to  utility pe r hour whic h  will be pai d   fo r  VM s  ope ra t i on.  Tot a l  c o st  cal cul a t e s by  e quat i o n  5:   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJECE   ISS N :  2088-8708      An  Efficien t  App r oa ch  f o r Reso u r ce Au to   S c alin g  in Clou d En vironmen ts (Ba h a r   Asga r i)   2 421 Co s =  Co s C o s T o ta l t I n i tia l i z a ti o n t R u n tim e t     (5 )     Runtim e cost of VM increases nearly 20 percen t in  sim u latio n  o f  v e rtical scale u p .  Co st  m easure  in sim u lation is calculated according to   addition of VM initia lization cost and VM  ru n tim e  co st. Fig u r e 4   sh o w s VM in itializatio n   co st. It sp ecifies  th at a Q  aware ap p r o ach  h a s h i g h   in itializatio n  co st wh ile an  au to m a ta aware ap p r o ach  will sav e  in itializatio n  co st su b s tan tially.          Fig u re  4 .  Co mp ariso n  of i n itializatio n  co st i n  three app r o a ch es      Fi gure  5 represent s  VM  runt i m e cost  i n  3 servi ces i n  24 hours. R e sul t s  of si m u l a t i on shows  proposed approach has l o wer runt i m e cost .          Fi gu re  5.  C o m p ari s on  o f   VM   ru nt i m e cost  i n  t h ree  ap pr oac h es       Figure 6 represents results  of sim u lation accordi ng  to total cost of  scaling for 3  com p ared  approaches i n  a 24 hour peri od.           Fi gu re  6.  C o m p ari s on  o f  t o t a l cost i n  three a p proaches   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN :  2 088 -87 08  I JECE   Vo l. 6 ,  N o . 5 ,  O c tob e r  20 16   :   241 5  –  24 24  2 422 R e sul t s  of  si m u l a t i on acc or di ng t o t a l  cost  i n  2 4   ho u r s f o r  fo ur s e r v i ces  have  bee n  re p r esent e d i n   Fi gu re 7.            Fig u re  7 .  Co mp ariso n  of  ov erall th etotal cost  in three a p proaches       As i t  i s  o bvi ou s i n  Fi g u r e 6 a nd  7,  scal i n g  a w are  of  l earni ng a u t o m a t a  h a s l o we r c o st  c o m p ared t o   pr o pose d  a p pr oach  a n d  cost   aware  ap p r oac h .  Pr o pose d  a p p r oach  i n  t h i s  pa per   has t h e hi ghest  t o t a l  cost  i n   co m p ariso n .  Q aware app r o a ch  h a s h i g h  in i tializat io n  and   run tim e co sts. Fin a lly to tal co st wh ich  is ad d ition   o f  t w o  m e n tion e d co sts shows th at t h e app r o a ch  will not b e  pro p e r app r o a ch  co m p ared  to  learn i n g   au to m a ta   and cost awa r e  approac h es  whene v e r  the  cost m easure is consi d ere d .    4. 3.   Third Scen ari o   In t h ird scena r io  we addres s co m p aring num b er of scales with  t h e  ot her t w o a p pr o aches.  Th e   num ber  of  el i m i n at i on o r  a d di n g   VM s i s   o n e  of t h e i m port a nt  fact ors  i n  dy nam i c scal ing .  It  a ffect s  s p eed  o f   resp o n se i n  c o m put i ng e n vi ro nm ent .  Al so  i t  can cause  t o  o p erat i o nal  ove rl oa d a n d  im poses c o st  t o  t h e   sy st em . Pro p er  m a nagem e nt   of  t h e m easur e hel p s  us t o   achi e ve  m i nimum  cost , i n c r e a se rat e   of  re s p o n se ,   con s eq ue nt l y  reduct i o n t h e ra t e  of SLA  vi ol at i on. O v e r al l  scal i ng f unct i o n cal cul a t e s t o t a l  num ber of s cal es.  The n u m b er o f  scal i ng f u nct i ons  f o r f o ur se rvi ces  has bee n  sh o w n i n  Fi g u re  8.  As y o u   can see t h e  nu m b er of   scalin g   fun c tion s  for propo sed  appro a ch   will n o t  ch ang e   d r am atical ly s o  th at system   will h a v e  a  pro p e r  stab ility.         Fi gu re  8.  C o m p ari s on  t h e  n u m ber of  scal i n g i n  t h ree a p p r oache s       As i t  i s  represent e d i n  Fi gure 9, t h e  num ber of scal i ng funct i ons has been decreased  i n   proposed  approach com p ared to two other appr oaches according to results of sim u lation.  Red u c tio n  h e lp s to  o p tim ize SLA v i o l atio n  rate, lo wer co st an d  h i g h e r system  stab ility.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJECE   ISS N :  2088-8708      An  Efficien t  App r oa ch  f o r Reso u r ce Au to   S c alin g  in Clou d En vironmen ts (Ba h a r   Asga r i)   2 423     Fig u re  9 .  Co mp ariso n  of  ov erall th e nu m b er  of scaling in t h ree a p proac h es       5.   CO NCL USI O N   Cloud  services are distributed   infrastructures which exte nd  space of com m unication and  service. The resource  providing has  been very  im portant because of  daily  grow of  cloud services  and  scal i ng i ssue has been wel c om ed  as one of t h e m o st   i m port a nt  feat ures of cl oud com put at i on.  In t h i s  paper we have represent e d an appro ach based upon rei n forcem ent  l earni ng al so  have  addressed  M a rkov m odel .  There  are 3 i m port a nt   fact ors i n  proposed  approaches i n cl udi ng SLA  vi ol at i on rat e , scal i ng  cost  and  num ber of scal es.  Regarding cost  m easure, Q aware  approach is  not  proper approach  com p ared t o   t h e aut o m a t a   and  cost  aware  approaches. B u t   proposed approach  red u ces  n u m b e r o f   scales wh ich   lead s to   o p tim ize rate  o f  SLA  v i o l atio n  an d   system  stab ility. Also   proposed approach decreases SLA vi ol at i on and opt i m i z i ng SLA l eads t o  i n crease cost . As a resul t   i t  m a kes di ffi cul t  havi ng m i ni m u m  cost .  On t h e ot her hand focusi ng  on t h e m i ni m u m  cost  l eads  t o   SLA  vi ol at i on. So, we can  observe subst a nt i a l  reduct i on i n   SLA vi ol at i on and hi gher sy st em   stab ility b y  u s in g  Q-learn i n g  tech n i q u e  in  au to  scalin g .   Th erefo r e it is po ssib l e t o  con tin u e  stud ies  ab ou t  a u to -sca ling  rega rde d   othe r ef fective  facto r s a n d   othe r a p proac h es  for e x ample the c o ndit i on space  w ill be c h a nge d  according t o   utilization or  we c a n  represe n t a novice approach  in  au to-scalin g u s in g   p a rallel Q learn i n g   an d co m b in atio n  of p a rallel factor and  n e w cond itio n  . Also   we can  ap p l y RL to   pred icate lo ad   in  web aware  software’s. Also  it  is po ssi b l e to  merg e   RL and m achine learning. Overl o ad  i n   pr o p o se d a p p r oac h   sho u l d   be c ons i d er ca ref u l l y  t o o .       REFERE NC ES   [1]   R. Bu yy a,  et  al. ,  “Cloud computing: prin ci ples an d parad i gms,” Jo hn  Wiley   & Son s , vol. 87, 2010.  [2]   A. Vijay a   and  V. Neelan aray a n an, “A Model Dr iven Framework for Portable Cloud Services,”  Int e rnation a l  Journal of Electrical and  Co mputer  Eng i neer ing   ( I JECE) , vol/iss u e: 6(2) , pp . 708 -716, 2016 .   [3]   M. G. Arani and M. Shamsi, “An Extended  Approach  for  Efficien t Data Storage  in Cloud Computing   Environment,”  I n ternational Jou r nal of Computer  Network and  I n formation Secu rity , vol/issue: 7( 8), pp . 30 , 2015 .  [4]   M.  G.  Arani,   et al. , “An autono mic approach f o r resource provis i oning of cloud  services,”  Cluster Computing , pp.  1-20, 2016 .   [5]   N. Ro y ,   et  al. ,  “Efficien t au toscaling in th e cloud using pred ictiv e models for  workload forecasting,” in  C l oud   Computing ( C LOUD) ,  2011 IEEE In ternational Conference  on ,   pp. 500-507 , 20 11.  [6]   K. Mogouie,  et  al. , “A Novel Approach for  Optimizatio n Auto -Scaling  in  Cloud Computing Environmen t,”  International Jo urnal of Mod e rn  Educa tion and   Computer Scien c e , vol/issue: 7(8 ) , pp . 9 ,  2015 .   [7]   A. Liu ,  “Theor etical Analy s is for  Scale-down-Aw are Serv ice Allo cation in C l oud  Storage S y s t ems,”  In ternationa l  Journal of Electrical and  Computer  Eng i neer ing ,  vol/issue:  3(1), p p . 21 , 2013 .   [8]   H.  Ghiasi and  M.  G.  Arani,  “Sma rt Virtual  M achine P l ac e m ent Us ing Le arning Autom a t a  to Redu ce P o wer  Consumption in  Cloud Data C e nters.”   [9]   R. Hu,  et a l . , “ E ffic i ent R e sources Provisionin g  Based on Lo ad Forecast i ng  in Cloud,”  The  Scient ifi c Worl d  Journal , 2014 .  [10]   Y.  Che v al ey re ,  et  al. ,  “ I ssues in  m u ltiagent  resou r ce  allo ca tion, ”  I n formatica , vol/issue: 30(1), 200 6.  [11]   M. Jacy no,  et  al. , “ U nderstandin g  dec e ntra lised  c ontrol of r e sourc e  al loc a tion  in  a  m i nim a l m u lti-a g ent s y s t em ,”  in   Proceed ings of  t h e 6th  int e rnatio nal join t  conf ere n ce on  Au tonomous agents and   multiagent  syste m s,  pp. 208 , 200 7.  [12]   E. S c alas ,  et  al. , “ G rowth and  allo ca tion of  r e s ources  in  eco nom ics :  The  ag ent-bas e d  appro ach, ”   Physica  A :   Statistical Mech anics and  its  Ap plications , vo l/is sue: 370(1), pp .  86-90, 2006 .  [13]   E. Barr ett ,   et a l . , “Apply i ng r e inforcement lear ning towards automating reso ur ce al loc a tion  and appli cat ion   s calab ili t y  in th e cloud ,”  Con c u rrency and Computation:  Practice and  Experien ce ,  vol/issue: 25 (12), pp. 1656- 1674, 2013 .  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN :  2 088 -87 08  I JECE   Vo l. 6 ,  N o . 5 ,  O c tob e r  20 16   :   241 5  –  24 24  2 424 [14]   B. B. G. Abad i  and M. G .  Aran i, “Resource Ma nagement of  IaaS Provide rs in  Cloud Feder a tio n,”  In ternationa l  Journal of Grid  and Distributed   Computing , vo l/issue: 8(5), pp. 3 27-336, 2015 .   [15]   F. Bahrpey m a,  et  al . , “An adaptive RL based app r oach for d y n a mi c resource provisioning in  Cloud virtualized data  cent e rs ,”   Computing , pp. 1-26, 2 015.  [16]   X.  Dutreilh,   et  al. , “Using reinf o rcement  learning for autonomic re source allo cation  in clouds: Towards a fully   autom a ted work flow,” in  IC AS  2011, The Seventh Internation a l Conferen ce  on Autonomic  and Autonomous  Sy ste m s,  pp . 67- 74, 2011 .  [17]   R. M. Bahati  and M. Baue r ,  “ T owards  adaptive pol ic y - b a sed management,” in  Network Operations  and   Management S y mposium ( N OM S) , 2010 IEEE,  p p . 511-518 , 201 0.  [18]   J. Rao,  et al. , “ V CONF : a reinforcem ent le arning  approach to virt ual m achines  aut o -configura tion , ” in  Pr oceedings   of th e 6th  in tern ational  conf eren ce on  Au tonomic computing ,  pp .  137-146, 2009 .  [19]   M. Amoui,  et al. , “Adaptive action selection in autonomic so ftware using reinforcement learn i ng,” in  Autonomic  and Autonomous  Systems, 2008. I C AS 2008. F ourth International  Conference on ,   pp. 175-181 , 20 08.  [20]   R. N. C a lh eiros,  et  al. , “CloudSim: a too l kit for  modeling and  simula tion of  clo ud computing  environments and   evalu a tion of resource provisioning algorithms,”  Software: Practice and Experience , vol/issue: 41(1), pp. 23-50 ,  2011.  [21]   Am azon EC2  in stance  t y pes ,  htt p ://aws.Am azon . com / ec2/ .   [22]   K. Mogouie,  et  al. , “A Novel Approach for  Optimizatio n Auto -Scaling  in  Cloud Computing Environmen t,”  International Jo urnal of Mod e rn  Educa tion  &   Co mputer Science , vol/issue: 7(8),   p p . 9-16 , 2015 .      BIOGRAP HI ES OF  AUTH ORS           Bahar Asgari receiv e d the B.S.C degree in Info rmation Techno log y  from PNU  University , Iran  in 2012, and M.S.C degree from Azad University   of mahallat, Ir an in 2015, respectively .  Her   research  inter e s t s include C l ou d Computing,  Dis t ributed S y s t em s ,  Bi g Data and Software   Engineering.        Mostafa Ghobaei Arani r eceived  the B . S.C degr ee  in  Software  Engineering fro m University  o f   Kashan, Iran in  2009, and M.S.C degree fro m A zad Univer sity  of Tehr an, Iran in 2011,   res p ect ivel y.  He  is  a P h D Candi date in Is lam i c Azad Univers i t y , S c ienc e and R e s earch Br anch,   Tehran , Iran .  His research in terests include  G r id Computing, Cloud Computing, Pervasiv e  Computing, Distributed  S y stem s and Software Development.      Sam Jabbehdari curren t ly  work ing  as   an as s i s t ant prof es s o r at  the d e par t m e nt  of Com puter  Engineering in IAU (Islamic Az ad University ),  North Tehran Branch, in Tehran , since 1993. He  received his both B.Sc. and M.S. degrees in  El ectr i ca l Engin e e r i ng Telecommunication from  Khajeh Nasir Toosi University   of Technolog y ,   a nd IAU, South  Tehran branch  in Tehran , Iran,  respectively .  He was honored Ph.D. degree in  Computer Engin eering from IAU, Science and  Research Br anch, Tehr an, Iran  in 2005. His curre nt research  inter e sts are Scheduling ,  QoS,   MANETs, Wireless Sensor Netw orks and Cloud   Computing.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.