Int ern at i onal  Journ al of Ele ctrical  an d  Co mput er   En gin eeri ng   (IJ E C E)   Vo l.   8 , No .   6 ,  Decem ber   201 8 , p p.   5359 ~ 5370   IS S N: 20 88 - 8708 ,  DOI: 10 .11 591/ ijece . v8 i 6 . pp 5359 - 53 70          5359       Journ al h om e page :  http: // ia es core .c om/ journa ls /i ndex. ph p/IJECE   Predi ction B ased Effici en t Resourc e Pr ovisionin g and  Its  Impact o n QoS Par am eters  in th e Cloud E nvironm ent       Lata  J  G adha vi ,   Madhuri  D  Bhavs ar   In sti tute  of Tec hnology,  Nirm a   U niv e rsity , Ind ia       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   Ja n   2 3 , 2 01 8   Re vised  J un   2 9 , 201 8   Accepte d  J ul  24 , 2 01 8       The   purpose  of  thi s  pape r  is  to  provision  the   on  demand   resourc es   to  the   end   users  as  per   t hei r  n ee d  usin g  pre di ct ion   m et hod  in  c loud   computing   envi ronm ent .   Th e  provisioni ng  of  virt ual i ze d  res ourc es  to  cl oud  consum ers  ac cor d ing  to  th eir  nee d  is  a  cru cial  step  in  the   de plo y m ent   of  app li c at ions  on   the   cl oud .   How eve r,   th e  d y n amical  m ana gement  of  resourc es  for  var ia bl e   workloads  remai ns  a  ch allengi ng   proble m   for   cl o ud  provide rs.   Th is  problem   ca n  b e  solved   b y   using   a   pre di ct ion  b ase d  adaptive   resourc e   p rovisioni ng   m ec hani sm ,   which  c an  est imate   th e  upcomi ng  resourc e  d emands  of   appl i ca t ions.  Th e  pre sent  rese ar ch  int roduc es  a   pre dic t ion  base d  resourc e  provisioni ng  m odel   for  th e  alloc at ion  of  r esourc es  in  adva n ce .   T he  proposed  appr oac h  fa cilita te s  the   relea se  o f  unused  resourc es  in  the   pool  with  qual i t y   of  service  (QoS ),   which   is  de fined  base d  on   pre di ct ion  m ode l  to   p erf orm   th e   al lo ca t ion  of  re source s  in  adva nce.   In  th is  work,  the   m odel  is  used  to   det ermine  the   fu ture   workload  p red iction  for  use r  req uests  on  w eb  serve rs,   and  it s  impact  t oward  ac h ie ving   eff i ci en t  r esourc e  prov isioni ng  in  te rm s  o f   resourc e  exp loi t at ion  and  QoS .   The   m ai n  contributi on  of  th is  pape r  is  t o   deve lop   the  pre d ic ti on   m odel   for  eff icient  and  d y n amic  resourc e  pr ovisioni ng   to  m ee t   th e  r equirem ent s of end  u sers.   Ke yw or d:   D ynam ic  r esource  prov isi on i ng    E ff ic ie nt  res ource  prov isi on i ng   R esources   de plo ym ent   R esources e xploit at ion   Wor klo a d pr e di ct ion   Copyright   ©   201 8   Instit ut e  o f Ad vanc ed   Engi n ee r ing  and  S cienc e .    Al l   rights re serv ed .   Corres pond in g  Aut h or :   Lat a J G a dhavi ,    In sti tute  of Tec hnology,    Nirm a U niv e rs it y, Ah m edab a d,   G uj a rat,  Indi a.   Em a il : 12 extp hde9 2@nirm aun i.ac.i n       1.   INTROD U CTION     In   the  cl oud  c om pu ti ng   env i r on m ent,  cl oud  us ers  of te n  have  tim e - changin g  requirem ents  fo r  vi rtual   resou rces.  T o  pro vision   res ources  for  dy na m ic   and   uncert ai n  cha ng e s  in   the  wor klo a d  and   t o  react  to   these   changes  ac co r dingly ,  the  cl oud  pro vid e r  s houl d  m anag e  r eso ur ces  base d  on  the  re qu ire m ent  of   t he  use rs.   In  the  pr ese nt  stu dy,  a  wor klo a d  pr e dicti on   m od el   for  dynam ic   and   ef fici ent   resour ce  prov i sion i ng   is  pro pos e d   to m anag e the   nu m ber   of user  r e qu est s  and t he req uire d res ources.     On e   pro blem   with  s uch  a  re s ource p r ovisi onin g  sc hem e  is   the  oc cu rr e nce   of  thra sh i ng,  i n  wh ic h,  d ue   to  fr e qu e nt  vari at ion   of   the  w orkloa d  ( nu m ber   of   jo b  reque sts),  m achines  can  be  ad de d  a nd   release d  to  m eet   each  re quirem ent  w hile  sat isfyi ng   th e  Q oS  m et rics.  So lvi ng   t his  pro ble m   req uire s  an  abili ty   to  pr edi ct   the   incom ing   w orkloa d  on  the  s yst e m   and   to  al locat e  resource s  a  pr i or i  by   us ing   pr e dic ti on   m et ho ds   f or   th e   require d  re sour ces.   T he  m a i n  con t rib ution s   in  this pa per   a r e;   (a)   T he  desi gn  of  a p re dicti on   m echan ism   and  of  the  flo w  of   t he   pr e dicti on   m od el   for  dif fer e nt   per io ds ;  an d  ( b)   T he  us e o f  predict io n  m e tho ds   t o  determ i ne  the  work l oa d base d on a  histor ic a l database .   The  rest  of   t he   pa pe r   is  or gani zed  as  fo ll ow s .  Sect io n  II   pre sents  a  su m m a ry  of  the   relat e d  work  in   this  dom ai n.   S ect ion   III  pro vi des  the   dom ain   a naly sis  f or  the  w orkl oad  patte rn.  Sect io n  IV  intr oduce s  the  pr e dicti on   m e chan ism .  Sect i on   V  descr i be s  the  case  stud y  us ed  to  va li d at e  the  pr opose d  ap proac h  an d  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  8 , N o.   6 ,  Dece m ber  2 01 8   :   5359   -   5370   5360   nu m ber   of  jo b  request  requir e m ent  fo r  resour ces .  I n  sect ion   VI,  we  pre sent  the  eval ua ti on   res ults  f or   the   resou rce  prov is ion in g  a nd all oc at ion . Fi nally ,  secti on VII  pr esents the  conc lud in g rem ark s  and  fu t ur e  sco pe.       2.   RELATE D  W ORK     Cl oud  com pu ti ng   c har act e rizes  the  delivery  of   c om pu ta ti on  as  a  serv ic e,  in  w hich  re sour ces,  su c h  a s   the  CPU ,  s of t war e ,  ha r dw a r e,  inf orm ation ,   and  de vices,  a re  gra nted  to   use rs  as  se r vices  thr ough  the  I nter net.   The  c har act e risti cs   of   cl oud  com pu ti ng ,   s uc h  as  aut o - scal ing ,   the  pro vision i ng  of  se r vices  base d  on  de m and ,   and   t he  util it y  m echan ism ,  has  been   la rg el y  adopted  by  dif fer e nt  analy sts  [1 ] .  Cl oud  c om pu ti ng   pro vi des  a   scal able  and   flexible  platf orm   fo r  pro vidi ng   hi gh - perform ance  co m pu ti ng   require m ent s  [2 ] ,  [ 3 ] ,  [ 4 ].  Howe ver,  the  pool  of   res our ce,  fle xib le   se r vice  pr ov isi oni ng,  a nd  el ast ic it y  are  not  the  on ly   po te ntial s  of  the   cl oud.   The  cl oud  com pu ti ng  syst e m   pr ovisi ons  a  hom og eneous  an d  heter og e ne ous  operati ng  syst e m   env i ronm ent by  u sin g virtuali zat ion .    In   the  IT   in du stry,  m ulti ple  cl oud  pro vid e r s  deliver  Q oS   to  end   use rs  a ccordin g  to  th ei r  dem and .   Howe ver,  a n  i ssu e  t hat  em erg es  from   the  init ia l  to  the  de plo ym ent  sta ge  is  t he  reali t y  that  the  patte rn  of   acce ss  to  the  app li cat io n  by  va rio us   en d  us e r s  var ie s  f reque n tl y.  As  a  resu l t,  there  is  an  unpre dicta ble  num ber   of   us er s  an d  var ia ble  w orkload   duri ng   s om e  per io ds .   I n  a  sta ti c  and  ineff ic ie nt  re so urce  prov isi on i ng   m echan ism ,  durin g  pe rio ds   of   low  dem and   f or   res ources,   there  will   be  a n  ov e rloa d  of  ob ta ina ble  res ource s,   wh e reas  duri ng  per i od s   of   hi gh  dem and,  th e  avail able  res ources  will   be   inade qu at e .  T hi s  issue  le a ds   t o  poor  QoS  a nd  high  costs.  A   cu rr e nt   researc h  chal le ng e   is  to   de ve lop  an   ada ptive  m et ho d  of  r eso ur ce   pro visi on i ng  in term s o f  c ost  an d pe rfo rm a nce.      Cl oud  com pu ti ng   can  a ddre ss  the  above  chall enge  by  pro vision i ng   r eso ur ces  dy na m ic al l y  and  eff ect ively   to  end - us er  a pp li c at ion s  base d  on  the  predict io n  of   wor klo a d  and   resou rces  accor ding  to  th e  us e r   request  a rr ival  r at e  an d  t he  se r vice  res ponse   r at e.  This  m e an s  that  a dd it io na l  resou rces  ca n  be  pro vid e d  duri ng   per i od s   of  high   dem and   a nd  r el eased  durin g  per i od s   of  l ow  dem and ,  wit hout  loss   of  Q oS   to  en d  us e rs  [5 ]   Th e   chall enge  with   su ch  a  dynam ic   resour ce  pro visio ning  strat egy  is  the  dete rm inati on   of   th e  prop e r  qua ntit y  of  resou rces  to  be   set   up   an d  pro vision e d  in   a  par ti cular  per i od   to  m ee t  the  exp ect ed   Qo S  for  a  va riabl e   work l oa d.   A n  ideal   so l utio n  would  re quire   the  ca pa bili ty  to  predict   th e   inc om ing   w orkl oad  an d  re quire d  resou rces in  advance .    The  ex pected  outc om e is the d et erm inati on  of  the n um ber  of  virtu al  m achines that sh ould  be  create d,  config ur e d,   a nd  pro vid e d  to hand le   the v aria ble  w orkloa d.  Th is  chall en ge  has  bee n  a ddre ssed  th rou g h  va rio us  ways,  s uc h  rea ct ive  [ 6],  pr oa ct ive  [ 6],  an d  pr e dicti ve  [ 7 ]   ap pr oach es .  E f fecti ve  re sourc e  pro visio ning   is  not   an  easy   a nd  un com plica te d  ta sk .   To   m eet   the  ab ove  r eq uir e m ents,  the   f ollow in g  crit eria   sho uld   be   co nsi der e d  in  de velo ping  t he  al gorithm :  (a)   the  c om pu ta ti on   of   t he  use r  re quest   rate,  (b)  the  m ini m i zat ion   of   t he  r equ e st   rej ect io n rate , ( c) th e a ve rag e  respo ns e ti m e  and the  num ber  of  requests ti m ed  out, ( d) th e p erce nta ge  of  tim ed   ou t  re qu e sts  (P TOR)  for  a  nu m ber   of   us e r s,  and   (e )  the  accurate  com pu ta ti on   in  ad va nce  of   the  re so urc e s   require d  for  a  va riable  w ork l oad.  T he  c urren t   resea rc h  pr ese nts  a n  eff ic ie nt  an d  effe ct ive  res ource   pro vision i ng   al gorithm   that  us es  a  pr e dicti on   te ch nique  to   prov isi on  a nd  rem ov e  resou rces  dynam ic ally.  A  strat egy  to   im pr ov e   the  re source   util iz at ion  is  pr opose d  a nd  c om par ed  wi th  the     conve ntion al  a ppr oach.       3.   DOMAI N A N ALYSIS     The  cl oud  c ompu ti ng  f orm at  i s  m ai nly  descr ibed  by  us in g  t hr ee  se rv ic e  m od el s:  (a )  I nfra structu re  as   a  Serv ic e  ( Iaa S) ,  wh ic h  ex pl ai ns   ab ou t  the  resou rces  offe r ing   procedu res   by  cl oud  pro vi der s;  ( b)   Plat f or m   as   a  Se rv ic e  (P aa S) ,  wh ic h  desc ribes  how  cl oud  pro vid e rs  pro vid e  a n  entir e  cl oud  en vir onm ent  i m ple mente d  and   dep l oyed  in  a  certai n  pro gr am m ing   la ng ua ge  f or   a  spe ci fic  ty pe  of   app li cat io ns ;  and   (c )  Softwa r e  as  a   Ser vice  (S aaS) ,  wh ic h  ref e rs  to  app li cat ions   that  can   be  offer e d  to  custo m ers  accor ding  to  their  nee d.  The   dep l oyed  cl ou d  m od el s  are  m ai nly  cl assified   into  f our  f or m s:  (a)   publ ic   cl ou d,   w hi ch  is  avail able  fo r   ever y on e;   (b)  pr i vate  cl oud,  wh ic h  is  hoste d  s olely   fo r   on e  industry;   (c )  com m un it y  cl o ud,  w hich   is  a  cl oud  env i ronm ent  m ade  acce ssib le   on ly   to  a   c ertai n  gr oup  of  in dustry  or  i nd i viduals  in  colla borati on;  and  ( d)   hybri d  cl ou d,   wh ic h  re fer s   to   var i ou s   cl ouds  that  are  interc onnected   with  the  hoste d  a ppli cat ion s  de plo y ed  i n  the  cl oud  e nvir on m ent   [8] .  In   the   present  w ork ,  the  te rm   “work l oa d”  re fe rs  to  th e  num ber   of  ar rive d  re qu e sts  to access t he re so urce  of the  cloud syste m .    The  a ppli cat ion   or  jo bs   a re  ne ed  t o  be  s witc hed  a uto m at i cal ly   wh ic h  ar e  acce sse d  by  us ers .  In  th e   cl oud  com pu ti ng   sce na rio,   t he  w orkloa d  cat egory,  cl ou d  ser vice  m od el s,  an d  depl oy m ent  m od el s  are   interco nnect ed   with  each  ot he r,   as  sho wn   i n  Fig ure .  1.   T he  ap plica ti on   work l oa d  patte rn   descr i bes  di ver se   us er  beh a viors ,  wh ic h  res ult  in  the  util iz a ti on   of  IT  res ources  in  va ri able  form s.  T he  w or klo a d  c an  be   determ ined  bas ed  on  the  num ber   of   us e r  re quest s,  the  l oad   cal culat ion   on   the  ser ver s ,  the   netw ork  tra ff i c,  an d  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       Predict ion B ase d  Eff ic ie nt Re so urc e Pr ovisi on i ng an d Its I mpact  on Qo S  …   ( La ta J  Ga dhavi )   5361   the  data  st or a ge   [9 ] .  In   t he  cl oud  c om pu ti ng  env i ronm ent,  the  res ource  pr ov isi on i ng   de pe nds  on  the   inc om ing   work l oa d   [ 10] .  For  the   p red i ct ion   of   t he  w orkloa d  a nd  re so urces  i n  this   stud y,   the  w orkl oad   patte r ns  are   cat egorized   ba sed  on  t he  inc om ing   w orklo ad,  w hich   incl ud e s  the   nu m ber   of  use r   re quest s,   the  am ou nt   of   work  over   a  s pecified  pe rio d,  the  us er  re quest   arr ival  rate,  an d  the  ti m e   betwee n  tw o  consecuti ve  re qu e sts   (inter - ar rival  ti m e).  Accord i ng  to  the  ab ov e   char act erist ic s ,  the  wor klo a d  is  cat ego rized   into  the  five  ty pes:  sta ti c, p eri od ic ,  unpre dicta ble,  conti nuously  c ha ngin g, an d o nce in a l ifet im e [ 11 ] .      3.1.   St ati c W orkl oad   The  w ork loa d  for  resou rces w it h  c orres pondin g  or  e qu al  usage of  a hoste d  a ppli cat ion   is   cal le d  sta ti c   work l oa d.   In  this  w orkl oad  ty pe,   the re  is  no  re qu i rem ent  to  inc rease  or   dec rease  t he   processi ng  powe r ,   netw ork  ba ndwidth,  data  st orage ,  or  m e m o ry  beca us e   the   w ork loa d  is   c on sta nt.  A  sta ti c  wor klo a d  does  not  require   the  fun ct ion al it y   of  th e  cl oud,  s uch  as  el ast ic it y.  Pr ivate   Websi te s   an d  wikis   ar e  exam ples  of   sit es  with a  sta ti c wor klo a d.      3.2.   Peri od ic  W or kload   Perio dic  jo bs   are  ve ry  com m on   in  our  da il y  ro utine.  Ye arly   incom e  tax   pay,  m on thl y  util ity  bill s,  traff ic   duri ng   ru s h   h o ur s  et c   are  the  exam ples  of   per io di c  ta sk s  or   jobs.  It  is  ob ser ve d  that  in  the  sa m e   interval,   m any  people u sin g  t he se  ta sk s . D uri ng  s uch  pe rio di c  ta sk s,   it   is  di ff ic ult  t o  prov i de  e nough  re sourc es   for  the  pea k  lo ad  an d  t o  ha nd le   the  unus e d  r eso ur ces  for  th e  non - pea k  lo a d.   T his  prob le m   le ads  to  ove r -   or  unde r - pro visio ning  of   res ourc es to th e  hoste d  a pp li cat ion.  Perio dic task s  occur at th e sa m e interval  of  t he day ,  m on th,  or   ye ar;  howev e r,   th ey   con sist   of   a  hig he r  num ber   of  re qu e sts  ov e r  a  peak  per io d.   A  pe rio dic   work l oa d  oft en   requires   el ast ic it y  and   scal ab il ity  to  ha nd le   the  num ber   of  requests  durin g  the  pea k  inte rv al s .   The  c om pu tim g work l oa d patt ern  is  de picte d o n  Fi gure  1.              Figure  1. The   Cl oud  Com pu t ing   Wor klo a d Pat te rn       3.3.   Un pre dict ab le  Wo r klo ad   Si m il arly   to  a  per i od ic   w orkl oad,  an  un pr e di ct able  wo r kloa d  co ns ist s  of   increasin g  an d  decr easi ng   incom ing   wor kl oad s  f ro m   the  us ers .  This  w orkl oad   is  desc ribed   as  un pr e di ct able  becau se the  var ia ti ons  occur   rand om l y.  As  a  res ult,  cl oud  pro vid e rs  have  to  deal  with   th e  un st ru ct ured  a nd  un plan ned  pro visio ni ng  of   resou rces  t o  m eet   the  cha ngin g  requirem ents.  Acc ur at e   predict io n  is   the  m ai n  chall eng e   to   obta in ing   t he  scal ing   requir e m ents   for  re so urces  for  a n  un pr e dicte d  wor klo a d.   T o  ac hieve  acc ur at e  resu lt s,  const an t   ob s er vation o f t he  w orkl oad is re qu i red f or e xam ple, u np re dicta ble tra ff ic ,  for ecast in g  et c .        3.4.   Continu ousl y Ch anging  W or kload   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  8 , N o.   6 ,  Dece m ber  2 01 8   :   5359   -   5370   5362   The  resou rce  ut il iz ation   m ay   be  m axi m iz ed  or   m ini m iz ed  ov e r  ti m e,  and  the  w orkl oad   m ay   chan ge   con ti nu ously .  Fo r  m any   appl ic at ion s,  the re   m ay   be  lon g - te rm   chan ges   in  the  w orkl oad.  A  c onti nuously   changin g  w ork load  ca n  be  co ns ide red  as  a   c on sta nt  escal at ion   or  decli nation  of  the   res ource   util iz at ion.  T he  el ast ic ity  of   the  cl oud  e na bles  the  pro vi sion i ng   or   de com m issi on ing  o f  res ources   fo r  a  c on ti nuously     changin g w ork load.     3.5.   Once - in - a - li fe time W orkloa d   The  peak   w ork load  util iz at ion   m ay   occu r  on l y  on ce  i n  a  li fe tim e  wh en  the  resou rces  are  di stribu te d  equ al ly .  In   su c h  a  s pecial   ca se,  the  res ourc e  pro visio ning   an d  deco m m i ssion i n g  can   oft en  be  a  m anu al   or   dynam ic  task at a know n po i nt  in  tim e.       4.   PREDI CTIO N MEC HANI SM   To  pr e dict  the   incom ing   wor klo a d  a nd  to   identify   t he  work l oad  ty pe,   t he   us e r  requests   ha ve  to   be   analy zed.  A n  analy sis  of  the   histo rical   data base  is  al s o  ne eded  to  m ee t  t he  resou rce  re qu i rem ents  a  pr iori .  Ba sed  on  t he  use r  re quest s  an d  their  nee d  a na ly sis  are  cons idere d  f or   host ed  ap plica ti on.   Fig ure   2  s how s  the  proce dure  of  predict io n  at   ti m e  t - 1  a nd  inte rval   t.  The   previ ou s   pe rio d  for  interval  (t - 1)   a nd  the  li ve   pe ri o d  f or   interval  t  are  obser ve d  for  a  nu m ber   of  act ive  us e rs.   T he  r eso ur ce  re quir e m ents  fo r  the   ob se rv e d  pe riod   are   m on it or ed,   c ol le ct ed,   an d  ent ered   int o  the  hi storical   databa se  after  the  pro cedure.  Ba se d  on   t he  data bas e,  the   work l oa d  for  tim e  intervals  t - 1   an d  t  are  cal culat ed,   an d  pr e dicti on   m eth ods  are  a pp li ed  to  determ ine  the   work l oa d  f or t he next  pe rio d (t+1) .           Figure  2.     T he Fl ow of t he  P r edict ion  M odel   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       Predict ion B ase d  Eff ic ie nt Re so urc e Pr ovisi on i ng an d Its I mpact  on Qo S  …   ( La ta J  Ga dhavi )   5363   As  show n  in  the  ab ov e  Fi g ure   2,   pre dicti on   of   work l oa d  for  the  res ourc e  dem and s  is  descr i bed   in  diff e rent   interval.   F or  ti m e  interval   t − 1 ,  th e  m ean  CPU,  RAM  w orkl oa d,   a nd n um ber  o f   act ive u ser s ar e  cal culat ed  as  fo ll ows:       α − 1 ( c pu ) = CPU   Wor kload   Me an   at   th e   in t er va l   t − 1   β − 1 ( R A M ) = RAM   W orkl oad   Me a n   at   th e   in t er val   t − 1   γ − 1 ( a c tive   use r ) = Me a n     num be r   of   act iv e   user s   at   t ime   t − 1     λ − 1 ′ = Fo r  wh ole sce na rio  at  ti m e t - 1   (1)      Fo r  ti m e interval   t , th e m ean CPU ,  RAM  w orkloa d,  a nd  num ber  o f  act i ve users  are  calc ul at ed  as foll ow s:     α ( c pu ) = Me a n   of   C PU   W orkl oad   at   ti me   t   β ( R AM ) = Me a n   of   RAM   Wor k loa d   at   t ime   t   γ ( a c t ive   u ser ) = Me a n   of   numb er   of   ac t iv e   user s   at   ti me   t     λ ′ = Fo r wh ole s cenario  a t time  t   (2)     To  c onside r  th e wor klo a d  at  t he  init ia l l evel,  a pseu do - c od e  is d esc rib e d  i n Alg ori thm  1 .     Algori th m  1 :  I nitial Le vel     Inp ut: N um ber  of r e quest s   Re qu irem ent: C al culat ion   of  the inter  ar riva l t i m e fo r  t he p erio ds   - 1  a nd    per i od   1.        Be gi n.   2.          M on it or  acti ve user  r e quest s    3.               Wh il e  (tim e inter val is  - 1).   4.                    Ca lc ula te  the inter  ar rival tim e o f  act i ve user s.   5.                         For  ( each inte r  a rr iv al  tim e in p erio d  - 1).   6.                             M on it or  w orkloa d    7.                             Ca lc ulate  m ean v al ue  λ − 1 ′   for week 1.   8.                         For  ( each inte r  a rr iv al  tim e o f    pe rio d) .   9.                             M on it or t he wor klo a d.     10.                             Ca lc ulate  the m ea n value  λ ′   f or w e ek2.   11.                         En d for   12.                         En d for   13.         E nd.       Now  f or  each  week   of   t he  m on t h,   cal culat e   the  m ean  value  of   the  w orkl oad   a nd  predic t  fo r  ne xt  wee k  base d  on curre nt a nd  the h ist or ic al   da ta base.  T hus,   the pre dicte d v al ue  f or ti m e  + n  is:       λ +   n =   λ − 1 ′ + λ ′ + λ + 1 ′ + ⋯ + λ + ( n − 1 ) ′         (3)       λ +   n = ∑ λ ′ + ( n − 1 ) − 1         (4)                                                                                                                                                                                                            (3)  a nd  ( 4)  ex pr ess   the  su m m at ion   of  the   pr e vious  w ork loa d  t o  pr e dict  the  re sour ce  dem and s  f or  t he  nex t  per i od. T he ps eudo - co de fo r  t he wor klo a d pre dicti on  is  pres ented  i n Alg or i thm  2 .     Algori th m  2 : Workl oad Pre diction     Inp ut: N um ber  of r e quest s   Re qu irem ent: C al culat ion   of  the m ean CPU ,  RAM, a nd  num ber  o f  act i ve users  at ti m e in te rv al   - 1  a nd  per i od    1.     Be gin .   2.          M on it or  t he nu m ber   of act ive  us er  r e quest s at tim e  - 1  a nd p e rio d  .   3.          Ca lc ulate           λ − 1 ′   an d    λ ′   //   by  us in g ( 1) an d (2).   4.              F or eac h w eek,  cal c ulate  the m ean workl oad.   5.                 P re dict t he  workloa d for  the n e xt  week  + n ,              ∑ λ ′ + ( n − 1 ) − 1 .   6.              E nd fo r.   7.         E nd.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  8 , N o.   6 ,  Dece m ber  2 01 8   :   5359   -   5370   5364   To  al locat e  res ources t o  the  jo b,  i n  this se ct io n nu m ber   of   jo b  ide ntific at ion are c onsidere d for  var i ous r e gi on s   as sho wn in t he  Fig ure . 3.            Figure  3.   The   Flow o f  t he  Re so urce  Allocat i on         Determ inati on   of the  num ber  o f   re qu e sts:   Jo b p r of il e:     n i t j j J , . . . . . . , , whe re i=1 ...n, an d  t J is  num ber  of  j obs  f or  t he c urren t t im e     L L oc at i on A I P a dd D D a t e T T i m e j , , , 1     Let   ,....... , , 3 2 1 T T T T   tim e series      . . . . , 2 1 d d D Date o f req uest  arr i ved     n n i i c r c r L , , . . . . . . . . , , whe re  L is t he  locat ion o f  t he a rr ive d re qu est     c r , Re gion a nd coun t ry, r e sp ect i vely                     Total  num ber   of jo b  re quest s  from  o ne regi on= R   R Nu m ber   of r e quest s  per re gion                                                                           ( 5)       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       Predict ion B ase d  Eff ic ie nt Re so urc e Pr ovisi on i ng an d Its I mpact  on Qo S  …   ( La ta J  Ga dhavi )   5365       Figure  4.  N umber  of Re qu est s b y R e gion       Figure  4  s hows  the num ber  of  j ob  requests  by  r egi on   (R) . D i ff e ren t  pr e dicti on  m od el s a re  app li ed  for  the  res ource  r equ i rem ents  i n  va rio us   pe ri od s ,  inclu ding   the  first  an d  second  m ov ing   a ver a ge  (FSM A),   weig hted  m ov i ng   ave rag e   ( W MA),   a nd  e xpon e ntial   m ov ing   a ver a ge  ( EMA)  m od el s  [11 ] .  The  histor ic al   data   and   pr e dicti on  m od el   ou tp ut  are  us e d  as  in pu t  data,  w hich  a re  trai ne d  to  i m pr ov e  the  acc ur acy   of  the  re so urce  pro vision i ng  st rategy.  T he  pre dicti on   m od el   us es  t he  ou t pu t   of  the  pr edict e d  value  t o  provi sion   th e  res ou rces.  At  the  sam e  t i m e,  pr ovisi one d  res ources  res ults  will   be  sto red   in  t he  histo rical   database  reposit ory   for  fu t ur e   pr e dicti on.  Th e  pr e dicti on   is   done  by  ap pl yi ng   va rio us   m ov ing   ave rage  m et ho ds .  In   par ti cula r,   the  m ov i ng  aver a ge  m et ho ds   FSM A  an d  WMA  are  recom m end ed  to  c on si der   non - fl uctuati ons  in  the  short - te rm   dem and ,   as  sh ow n  in  ou r  pr e vious  wor k  [ 12 ] .  A n  on t ology - based   dy nam ic   reso ur ce  prov isi on i ng  f or   pu blic  cl oud  wa s   i m ple m ented  in the  pre vious  work [ 13] .     First   and Sec ond M ovin g  Ave ra ge  (FSM A)   meth od:   In   t he  fir st  m o ving  a ver a ge  m et ho d,  the  i th   us er   re qu e st  f or   res ource  at   tim e  interval  t  is  m easur ed ,   and N i s c on si der e d  as  a m oving  a ve rag e  p e rio d  f or ti m e in te rv al  t [ 9], as   descr i bed in  ( 6):     + 1       = (   ( ) + − 1   ( ) + ⋯ +   −   ( ) )               (6)     Her e ,  y  is  co nsi der e d  as   the   ori gin al   val ue  f or  each   per io d,  an d  t   is  re ga rded  as   the   cu rr e nt  per io d.  I n  ( 6),  F t+1   denote   the  fir st  m ov in g  ave ra ge  val ue  f or   t he   i th   us er  at   ti m e  t+ 1.   The  r e so urce  require m ent  of   the  i th   us er  at   tim e t+ δ  can be predict ed  as:   + ( i ) = ( i ) +  ( )      (7)     wh e re  δ  is  the  pr e dicte d  ti m e  seq uen ce  num ber,  an d  +   de no t es  the  pr e dicte d  value  at   ti m e   + ,  as  s ho w n  in (7). T he n,  t o p red ic t t he     +   va lue, the  sec ond m ov ing  a ve ra ge va lue c an  be m easur ed by  app ly in g (8):       + 1 = + 1   ( ) +   ( ) + ⋯ + − ( − 1 )   ( )   (8)            In (7) ,    ( )   and  ( )   are calc ulate d b y usin g (9) a nd  (10):   ( ) = 2 + 1   ( ) − + 1   ( )   ( 9 )       ( ) = 2 + 1   ( ) − + 1   ( )                     − 1                                 ( 10 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  8 , N o.   6 ,  Dece m ber  2 01 8   :   5359   -   5370   5366   B ased  on the a bove  e quat io n,   the total   nu m ber   of   res ource  r equ i rem ents f or  n user s  is m e asur e d  a s:               + =                         ( 11 )     The  total   num ber   of   res ource s  requested  by  al l  the  n  us e rs  at   tim e  +    can  be   cal culat ed,   a nd   t he  predict e d  value  at   tim e  per i od s     and   +   for  f or   al l  us e r s  can  be  deter m ined  by  us i ng  eq uatio n .  ( 11) .  Furthe r,   th e   resou rces  are   a ll ocated  to  t he  us ers   acco r ding  to  t heir  act ua l  need   a nd  ba sed  on   t he  pr e dicte d  value,  a nd   t he  resu lt s a re c ompare d.      Wei gh te d  M ovi ng Aver ag e   Me thod ( WMA) :   Wh e reas  the  first  an d  seco nd   m ov in g  ave ra ge  m od el   al locat es  the  sam e   weig ht  to  each   el e m ent  of  the  m ov ing   a ve rag e  databa se ,  the  wei ghte d  m ov in g  a ver a ge  m od el   al lows   a ny  weig ht   to  be  placed  on   eac h  el e m ent,  and   t h e  s um   of   al l  weig hts  eq ua ls  1  [ 11 ] .  He r e,  the  act ive  use r  re quest s  a nd   t he  util iz ation   of  resou rces  for p erio d  F t     are  d e scribe d  in   ( 12):     F     =   W   A − +   W + 1   A − ( + 1 ) + … . W   A −                             ( 12 )     Wh e re  F t   =   the  for ecast   for  t he  co m ing  p e rio d,   n=the t otal n um ber  o f pe rio ds i n  t he  f oreca s t,   A i =   the act ual  occurre nce  f or   the p e rio d  t - i,   Her e ,   ∑ W   = 1 = 1    =     ∑ ( (  ℎ         ) − (          ) ) ∑  ℎ                    ( 1 3 )     Exp on e ntial M ovin g  Aver age  Met hod(EMA) :   The  e xpone ntial   m ov in g  a ve rag e  (EM A)   m et hod  is  m ai nly  log ic al   an d  i s  the  easi est   a ppr oach   f or   pr e dicti ng   fluc tuati on s  i n  the  sh ort - te rm   dem and .  T his  m e thod  is  eff ect i ve   for  both  s hor t - te rm   and   tim e - series   pr e dict ion.  As   each  ne w  pie ce  of   data  is  a dd e d,   t he  old e st  ob se rv at io n  is  dr op pe d,   an d  a  ne w  f or ec ast   is  cal culat ed   [ 14 ] .  The  pr e dicte d  values  a re  cal culat ed  by  us i ng   t he  sm oo thi ng   c onsta nt  α .  The  EM A  m eth od  is  expresse d  as:       F = F − 1 +   α   ( A − 1 − F − 1 )     F =   α   A − 1 )       + ( 1 −   α   )   F − 1               ( 14 )     whe re   F   is   t he   exp onen t ia ll y   smoot he d   fore cast   for   prev ious   p er iod   t   F − 1   is   t he  e xponentia ll y sm oo thed for ecast  m ade f or      the  prio r   per i od,      A − 1 = The   a ctua l   dema nd   in   t he   p ri or   p er iod ,                                                            α = The   desir ed   re spon se   ra t e   or   s mo othi ng   c ons t an t , 0 < α < 1   This  m e tho d  gi ves  to  a  hig he r  weig ht  to  the  la te r  m easur e d  value  a nd   a  lowe r  weig ht  to   the  earli er  m easur ed   val ue .  The   EMA   m et ho d  is  a ble   to  res pond  qu ic kly  to  fluct ua ti on s  in   the  s hort - te rm   dem and.    If   request  f ro m   act ive  us er  is  great er  than  t he  def i ned   per i od  then  it   will   be   con si der e d  in  the  long - te rm   per i od   and   if  it   is  le ss   than  the n  it   w il l  be  con si dered  as  a  s hort  te rm   per iod .  Lo ng - te rm   and   short - te rm   per iod s  ar e   def i ned as L t  a nd S t ,  r es pecti ve ly .        5.   NUMBE R  OF  J OB  R EQ UE ST REQ UI RE MENT  FO R RESO URCES   Her e ,  the  nu m ber s  of   re qu es ts  fr om   var io us  reg i on s  a re  cal culat ed,   as  sh ow n  in  (1)  and   ( 2) .  T he   nu m ber   of   a rr i ved  us e r  requ e sts  in  the  de plo ye d  cl oud  for   ed ucati on  is  e valuated ,  as  show n  i n  ou r  pre vious   work,  a nd  the  avail abili ty   of   resou rces  in   th e  sp eci fie d  regi on s  is   dete rm ined.  T he  a vaila ble  res ources   ar e   gen e rated   an d  m on it or ed  by  us in g  t he  c omm ercial   Am az on  EC2   cl ou d  pla tfo rm   [1 5,  16,  17 ] .   The   c apab il it y  of   t he  avail a ble  VMs  is  cal cu la te d;  then,   t he   nu m ber s  of   jo b  re quest s  are  al locat ed  to  th e  resou rces.  O nce  th e   nu m ber s  of  jo bs   are  al locat e d  to  the  VMs,  the  current  loa d  is  cal culat ed.  If   the  VM  bec om es  ov er -   or   unde r - loa de d,   res ourc es are a uto m at i cal ly  ad de d or   release d  a s  nec essary. T he w hole  pr ocedur e  i s d esc ribe d bel ow.     Let  V M= {VM 1 ,V M 2 ,V M 3 , … ,V M N }  be  a set  of N v i rtual m achines  and      Task ( nu m ber   of jo b  re quest s )  = {t as k1, tas k2, tas k3, …,  K } of K t ask  to be  regular a n d processe d  i n V M.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       Predict ion B ase d  Eff ic ie nt Re so urc e Pr ovisi on i ng an d Its I mpact  on Qo S  …   ( La ta J  Ga dhavi )   5367   Her e ,  the  fitne ss  of   the  num ber   of   r eq uests  (i)  m a y  be  determ ined  by  the  capaci ty   of   V M j,  wh ic h  is   cal culat ed by u sing  ( 15):         (15)     j ob  ty pe  le ngth   sh ows  the  ho w  m any  ta sk s  are  subm i tt ed  on   VM j   with  the  cal culat ion   of   ca pacit y  of   sp eci fic   VM to ha ndle   su bm it te d  j obs.  Th e  capacit y o f  the  V M i s  m e asur e d by a pp l yi ng   (16) :       (16)     wh e re  Nu m _pr oc  is  the   num ber   of  pr ocess or s   in  th e  VM ,  N um _MIP S  i nd ic at es  t he  num ber   of  MIP S,  a nd   B W _VM  re pre sents  band w idt h of t he VM.       (17)     In  ( 17),   t he  input  file   le ng th  is   al so   con si der e d  to  determ ine  the  le ng th  of   t he  job   befor e  e xecu ti on.  Tas ks  are  assigne d  t o  the  v irt ual m achine b y  us in g  t he m os t eff ect ive  fitness  value  fr om  the  (17).    Loa d  Ca lc ulati on :  Wh e n  ta sks   are  subm itte d  to  the  be neath  loa ded   VM,  the  present  work   of   al l  offe re d  V M   will   be  m easure d  by  victi m izati on   of  knowl edg e  wh ic h  is  receive d  from   the  database   [ 18] .  T o  cal cul at e  the  dev ia ti ons i n  l oad v a riance  on VM s,  t he foll ow i ng stan dard  d e viati on   (SD )  ( 18)  is u s ed:       (18)     wh e re  X j  is t he  pro ces sin g  ti m e of the  V M,  a s d esc ribe d  i n  ( 19):       (19)     The n,  t he  m ea n processi ng ti m es f or all  V M s ar e cal c ulate d by ap plyi ng  ( 20):       (20)     If   the  S D  of  th e  loade d  VM  is  s m al le r  than  or   e qu al   to  the   m ean,  then  th e   syst e m   is  in  a  balance d  sta te .  On   the  ot her   ha nd,  if  the  SD   is  high er  than  the  m e an,   the n  the  syst e m   is   in  i m b al ance,  an d  th e  auto - scal ing   m echan ism   fo r  resou rce  pro visio ning  will   be  ap plied.  He re,  on e  VM  is  con si de red   to  be  capa ble  of   serv i ng  50  re quest s   at   a   ti m e .  T hus,  w hen  t he  num ber   of  requests  >=   50,   the n  scal e  up  ne w  in sta nc e  an d  m igrate  reque sts  on   new   i nst ance.  It  is  r efr es hing  ar riv al   of   re qu e st  for  eve ry  1  m inu te .  Ba se d  on   t he  pr e dicte d  val ue ,  the   res ource s  are   scal ed   up   or  dow n  acc ordin g  t o  the   pr e dicte d  dem and .   The   pse ud o - c od e   f or   scal ing   up a nd  dow n  is s how n i n Alg or it hm  3 .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  8 , N o.   6 ,  Dece m ber  2 01 8   :   5359   -   5370   5368   Algori th m  3:  Scaling  up  an d dow n __ ____ ______ ______ ______ ______ ______                      Be gin .          M on it or     λ − 1 ′    and  λ ′   for  the  pre vious a nd     t he  curre nt ti m e,  r especti vely .          Pr e dict w ork load    λ +   n   at  ti m e  +   n .          Let  R= r i   ᴜ r i+ 1   ᴜ  r i+ 2   ᴜ  r i +3 .....  ᴜ r m   befor e  scali ng, wh ere R  is  the set  of  virtu al   resour ces .             L et     λ +   n = ∑ λ ′ + ( n − 1 ) − 1 = x .          Let   λ + ( n − 1 ) ′ = y .                    If    >   y , t he n   //  the  wor klo a d  i ncr ease s.                             A dd r i nto t he  R  (scale u p  t he vi rtual r e source );                             el se if    <     , th e n  //  the   work l oa d decr eases.                            Re m ov e extra r  from  R (s cal e do wn the  virt ual re source );                   el se.                             Re fr es h  t he  re sou rces.     En d.       6.   RESU LT S  O F THE Q oS  METRI CS   F OR RES OUR CE A LL OCA TION   Fig ure  6  sho w s  the   eff ic ie nt  resou rce  pro vi sion i ng   with  t he  us e  of  the  pr e dicti on   m od el   achieve s  m axi m u m   CP U  util iz at ion   com par ed  wit h  the  existi ng   (conv e ntio nal)  cl oud.   Her e ,  the  aver a ge   CPU   util iz at ion   is  ob ta ined  for  50  requests  on  the   conven ti on al   cl oud  an d  10 0  requests   on  the   eff ic ie nt  cl oud.  The   resu lt s  in dicat e  that  the  effi ci ent  cl ou d   use s  a  m ini m u m   nu m ber   of  instances  but  prov i des  m a xim u m   util iz at ion .   Fig ure   7  s hows   that  an  e ff ic ie nt   respo ns e  ti m e  is  obta ined  f or   50  re quest s   on  the  c onve ntion al   cl oud  an d  10 0  request s  on  the   eff ic ie nt  cl oud.  Fig ure   8  i nd i cat es  that  eff ic ie nt  resour ce  pro visio ning  wit h  the   us e  of  the  pr e dicti on   m od el   achieves  the  m axi m u m   through pu t  com par ed  with  the  e xisti ng   (c onve ntion al )   cl oud.   Her e ,  th e  aver a ge  t hro ughput  is  m easur e d  for  50  re quest s   on  t he  c onve ntio nal  cl oud  an d  100  requests  on  the   ef fici en t  cl oud.  T he  r esults  s how  t ha t  the  e ff ic ie nt   cl oud  use s  a   m ini m u m   nu m ber  of  i ns ta nc es  but  pro vid es t he  m axim u m  thr oughput.           Figure  6 .   A verage CP U uti li zat ion   for 50 re qu e sts o n  t he  c onve ntion al  and  100 re qu est s   on the e ff ic ie nt cloud           Figure   7 .   Re spon s e ti m e fo r 5 0 req uests  on t he  c onve ntio na l cl oud  a nd 10 0 req uests  on t he  e ff ic ie nt cl oud   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.