Software Architecture Optimization in Cloud Applications

RNDr. David Gešvindr

Doctoral thesis

Abstract:

Cloud Computing se stává dominantním způsobem provozu aplikací, který poskytuje řadu servisních modelů, ze kterých model Platform-as-a-Service (PaaS) získává značnou popularitu. PaaS cloud přináší výhody elastické platformy pro provoz aplikací a uložení dat, která je spojená s působivými atributy kvality, jako jsou vysoká dostupnost a škálovatelnost, které jsou doprovázené jednoduchým nasazením a provozem aplikací. Hlavní poskytovatelé cloudových služeb nabízí přes 100 různých cloudových služeb, které mohou být využity navrhovanými aplikacemi. Použití PaaS cloudu je proto náročné zejména pro softwarové architekty, kteří se musí dobře orientovat v portfoliu nabízených služeb a jejich odlišnostech. Softwarová kvalita aplikace je značně ovlivněna návrhem její softwarové architektury a výběrem použitých PaaS cloudových služeb. Softwaroví architekti aktuálně nemají stejnou podporu pro návrh PaaS cloudových aplikací, jako mají pro návrh aplikací hostovaných na vlastní infrastruktuře. Proto jsou nyní odkázáni buď na časově náročné implementace aplikačních prototypů za účelem vyhodnocení jejich kvality, nebo kvalitu aplikace mohou posoudit až po dokončení jejího vývoje a následném nasazení, což je ale již příliš pozdě na změny v architektuře aplikace. K řešení tohoto problému tato dizertace poskytuje softwarovým architektům sadu ověřených a znovu použitelných architektonických taktik určených pro prostředí PaaS cloudu. Tyto taktiky mají popsané pozitivní i negativní dopady na kvalitu a mohou být aplikovány při návrhu vlastních aplikací. Tyto taktiky jsou však jen částí výsledného řešení, protože z důvodu jejich konfliktních dopadů na kvalitu je stále téměř nemožné předvídat kvalitu výsledné aplikace. Proto jsme jako druhou část řešení navrhli nový přístup pro hodnocení kvality využívající automaticky generované prototypy, který je použitelný již v raných fázích návrhu PaaS cloudových aplikací. Díky tomuto přístupu mají softwaroví architekti plně pod kontrolou kvalitu navrhovaných PaaS cloudových aplikací již od raných fází návrhu. Klíčovými přínosy této dizertace, po prozkoumání výzev při návrhu aplikací pro PaaS cloud, jsou: 1) Vyhodnocení architektonických taktik použitelných pro návrh PaaS cloudových aplikací. Jejich pozitivní i negativní dopady na různé atributy kvality jsou popsány v takové podobě, aby byly tyto informace přenositelné na další projekty. 2) Návrh a vyhodnocení nového přístupu k hodnocení kvality, který využívá automaticky generovaných prototypů a je použitelný pro PaaS cloudové aplikace. 3) Implementace nástroje PaaSArch Cloud Prototyper, který poskytuje nezbytnou plnou automatizaci pro navrhovaný přistup k hodnocení kvality. Nástroj transformuje model aplikace na spustitelný prototyp, který je nasazen do cloudu.

Abstract:

Cloud Computing is becoming a dominant model to operate applications, providing multiple service models, from which the Platform-as-a-Service (PaaS) model is gaining significant popularity. PaaS cloud brings benefits of an elastic platform to host applications and store data with impressive quality attributes, such as high availability and scalability accompanied with low provisioning and maintenance effort. Major cloud providers are currently offering over 100 cloud services that can be used by the designed cloud application. The use of PaaS cloud is hence challenging for software architects who need to navigate a rich set of services and variability of PaaS cloud environment. Software quality of an application is significantly influenced by its software architecture design and selection of used PaaS cloud services. Software architects do not have the same support for the design of PaaS cloud applications as they currently have for on-premises environments. Thus they need to be either relying on time-consuming implementation and quality assessment of application prototypes or assessing the quality of the application after the application is developed and deployed, which is too late for architectural changes. To address this problem, this thesis is providing software architects with a set of validated reusable architectural tactics for the PaaS cloud environment. These tactics can be applied to the design of their applications, describing both positive and negative quality impacts. These tactics are however only a part of the solution; due to their quality conflicts, the overall quality of the designed application is still merely impossible to foresee. Therefore as the second part of our solution, we have designed a novel quality evaluation approach that can be used for quality assessment of the designed PaaS cloud application in an early design stage using automatically generated prototypes. With this approach, software architects have full control over the quality of the designed PaaS cloud application since early design stages. After examining design challenges in the PaaS cloud, the key contributions of this dissertation thesis are: 1) Evaluation of architectural tactics applicable to the design of PaaS cloud applications. Positive and negative impacts on various quality aspects are described in such a form that this knowledge is transferable to future projects. 2) Design and evaluation of a novel quality evaluation approach using generated prototypes, which is applicable for PaaS cloud applications. 3) Implementation of PaaSArch Cloud Prototyper tool, which provides necessary full automation for the proposed quality evaluation approach. The tool transforms a model of the application into an executable prototype deployed to the cloud.

Keywords

cloud computing, PaaS cloud, cloud application design, software quality, performance, throughput, scalability, elasticity, software architecture, architectural tactics, design patterns, quality conflicts, quality evaluation, quality evaluation approach, prototype generation

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 11. 8. 2020

Thesis defence

• Date of defence: 11. 12. 2020
• Supervisor: doc. Ing. RNDr. Barbora Bühnová, Ph.D.
• Reader: doc. Ing. Jaroslav Zendulka, CSc., Prof. Dr. Olaf Zimmermann

Masaryk University

Faculty of Informatics

Doctoral programme / field:
Informatics (4-years) / Computer Systems and Technologies