Cloud computing and service paradigms for scalability: cloud platform case-studies

Abstract

Companies are nowadays looking for the development of solutions based on public and private clouds capable of interoperating with information sources on other systems, or devices in an Internet of Things (IoT) and Cyber-Physical System (CPS) approach, and subsequently using that information efficiently. Adopting the cloud and its services brings fundamental changes in how organizations think and engineer their requirements. Applying appropriate techniques for requirements engineering and designing logical architectures for that context can be complex. Unlike classical requirements engineering, these processes should cater for scale, decentralization, uncertainties, and heterogeneity making traditional approaches limited in their applicability. The cloud environments are very dynamic and are difficult to identify, clarify, and manage cloud requirements in a systematic way. The lack of requirements engineering methods for this domain carry risks related to incorrect or unjustified decisions, which result in subjective project developments. The alignment of requirements with cloud computing frameworks is a challenge, but allow the requirements to be based on the reference structures for cloud computing platforms, being an asset in the rest of the process of designing cloud architectures. Reference models such as NIST Cloud Computing Reference Architecture (NIST CCRA) remain recognized models in this field, being a high-level generic conceptual model that constitutes an effective tool to discuss the requirements, structure, and operation of the cloud. This thesis presents a study on how architecture can be an enabler to scalability when developing cloud-based solutions. It presents the use of NIST Cloud Computing Reference Architecture in the early requirements gathering process, to support the design of a cloud computing architecture, demonstrated later in case studies and experiments in various domains. The use of NIST CCRA is demonstrated in the eliciting of requirements by employing a new approach (the 2P2S technique), that enables the use of an existing Model Driven Design method (the 4SRS technique), derive logic architectures for cloud-based solutions. The correct derivation of system requirements from user requirements is an important topic in requirements engineering research, where our approach contributes to the adoption of emerging cloud paradigms in this early requirements phase, assuring that the system requirements are based on the effective client needs.

As empresas procuram actualmente o desenvolvimento de soluções baseadas em nuvem publica, privada e híbrida, capazes de interoperar com fontes de informação de outros sistemas ou dispositivos numa abordagem ”Internet of Things” (IoT) e ”Cyber-Physical System” (CPS), e subsequentemente utilizar essa informação de forma eficiente. No entanto, a aplicação de técnicas adequadas de engenharia de requisitos e a concepção de arquitecturas lógicas para esse contexto podem ser complexas. Ao contrário da engenharia clássica de requisitos, estes processos devem ter em conta a escalabilidade, descentralização, incerteza e heterogeneidade, tornando as abordagens tradicionais limitadas na sua aplicabilidade. Os ambientes em nuvem são muito dinâmicos e são difíceis de identificar, clarificar e gerir de uma forma sistemática. A falta de métodos de engenharia de requisitos para este domínio acarreta riscos relacionados com decisões incorrectas ou injustificadas, que resultam em desenvolvimentos subjectivos de um projecto de software. O alinhamento dos requisitos com as estruturas de computação em nuvem é um desafio, mas permite que os requisitos sejam baseados nas estruturas de referência para plataformas de computação em nuvem, sendo uma vantagem no resto do processo de concepção de arquitecturas de nuvem. Modelos de referência como o ”NIST Cloud Computing Reference Architecture” (NIST CCRA) continuam a ser modelos reconhecidos neste campo, sendo um modelo conceptual genérico de alto nível que constitui uma ferramenta eficaz para discutir os requisitos, estrutura e operação na nuvem. Esta tese apresenta um estudo sobre a forma como a arquitectura pode ser um facilitador da escalabilidade ao desenvolver soluções baseadas na nuvem. Apresenta a utilização da Arquitectura NIST CCRA no processo inicial de elicitação de requisitos, para apoiar a concepção de uma arquitectura de computação em nuvem, demonstrada posteriormente em casos de estudo e experiências em vários domínios. A utilização do NIST CCRA é demonstrada na elicitação de requisitos, empregando uma nova abordagem (a técnica 2P2S), que permite, através da utilização de um método ”Model Driven Design” existente (a técnica 4SRS), derivar arquitecturas lógicas para soluções baseadas na nuvem. A correcta derivação dos requisitos do sistema a partir dos requisitos do utilizador e um tópico importante na pesquisa de engenharia de requisitos, onde a abordagem apresentada contribui para a adopção de paradigmas de nuvem emergentes na fase inicial de levantamento de requisitos, assegurando que os requisitos do sistema se baseiam nas necessidades efectivas do cliente.