One last chapter to go

src/bib/mybib.bib

@@ -463,3 +463,13 @@
 	%note      = "",
 }
 
+@misc{timeseries_basics,
+	author = {Eric Clower},
+	year = {2019},
+	title = {Introduction to the Fundamentals of Time Series Data and Analysis},
+	howpublished = {\url{https://www.aptech.com/blog/introduction-to-the-fundamentals-of-time-series-data-and-analysis/}},
+	note = {Megtekintve: 2021-12-18}
+}
+
+
+

src/content/glossary.tex

@@ -155,4 +155,5 @@
 \newacronym{cpu}{CPU}{Central Processing Unit}
 \newacronym{oci}{OCI}{Open Container Initiative}
 \newacronym{raid}{RAID}{Redundant Array of Independent Disks}
-\newacronym{ssd}{SSD}{Solid State Drive}
+\newacronym{ssd}{SSD}{Solid State Drive}
+\newacronym{icmp}{ICMP}{Internet Control Message Protocol}

src/content/scheduling.tex

@@ -103,28 +103,115 @@ Az áthelyezés így jelentősen leegyszerűsödik, hiszen csak arra van szüks
 
 A vezérlést megvalósító szolgáltatás komponensek indításáért ebben az alkalmazásban külön szolgáltatás felel, ezért ez az a szoftverkomponens, amelynek támogatnia kell a dinamikus ütemezési döntések alkalmazását. 
 
-
 \section{Ütemező rendszer}
 
-Bár a két alkalmazás működése és igényei jelentősen eltérnek, szerettem volna egy olyan rendszert megalkotni, aminek segítségével mindkét alkalmazás ütemezése megoldható.
+Bár a két alkalmazás működése és igényei jelentősen eltérnek, szerettem volna egy olyan rendszert megalkotni, aminek segítségével mindkét alkalmazás ütemezése megoldható. A szoftver tervezése során figyelembe vettem azokat a közös funkcionalitásokat, amelyeket mindkét alkalmazás egyformán használ. Emellett szétválasztottam azokat a komponenseket, amelyek alkalmazás specifikus funkciót valósítanak meg.
 
-\subsection{Metrikák gyűjtése és felhasználása}
+\subsection{Metrikák gyűjtése és kiértékelése}
 
-% bele van tolva influx db-be
+Mindkét alkalmazásban közös, hogy az ütemezési döntéseket az alakhamzásból gyűjtött metrikákra. Ezek a metrikák bár eltérő tulajdonságokat írnak le, gyűjtésük és kiértékelésük szempontjából nem különböznek egymástól.
-% Az infulxdbj nagyon jó mert tud egy csomó midnent például deriválni
 
-\subsection{Algoritmus}
+A gyűjtött metrikák minden esetben idősoros adatként kezelhetőek. Az idősoros adatok olyan mérések, amelyek meghatározott időközönként rögzítésre kerülnek. Egy rögzített adatpont mindig időhöz kötötten reprezentálja a megfigyelt pillanatnyi állapotot \cite{timeseries_basics}. Az alkalmazásaink állapotát idősoros adatként gyűjtve képesek vagyunk a döntési logika felépítésénél többfajta statisztikai kiértékelést is a döntések alapjául venni.
 
+A metrikák gyűjtésére és kiértékelésére így egy központi megoldást terveztem. Gyűjtés során az egyes alkalmazás komponensek vagy mérő szoftverek elküldik a központi rendszerbe, amely idősorosan tárolja az adatokat. Ha egy ütemezési döntést végző szolgáltatásnak szüksége van arra, hogy a rögzített adatokon készített kiértékelést használja (például átlagolt értéket egy meghatározott idősávra), akkor innen le tudja kérni.
 
-%Egy ilyen algoritmusnak fel kell tudnia mérni azokat 
+Ezt a szolgáltatás mindkét alkalmazás egyformán tudja használni.
 
-\subsection{Megvalósítás}
+\subsection{Ütemezési algoritmus}
+\label{sec:scheduling-algo}
 
+Bár a robotkarokat vezérlő alkalmazásnál az ütemezést megvalósító algoritmus meghatározott fix időpontokban egy egyszerű minimum keresés a madárhang felismerő rendszer esetén ennél összetettebb megoldásra van szükség. 
+
+Ebben az esetben nem csak a konténerek ütemezésére van szükség az egyes adatközpontok között, hanem arra is, hogy az \acrshort{iot} eszközök konfigurációját is frissítsük. Emellett az ütemezési események generálása sem előre meghatározott. Az algoritmusnak folyamatosan figyelnie kell a rendszer állapotát és szükség esetén be kell tudnia avatkozni.
+
+Egy ilyen viselkedést megvalósító naiv algoritmust terveztem, amely a próbálgatás módszerével keres egy megfelelő eloszlást a szolgáltatásoknak a peremhálózati adatközpontok és a felhő között és az ezekhez kapcsolódó \acrshort{iot} eszközök között.
+
+Ahhoz, hogy a folyamatos felügyelet megvalósuljon, egy periodikusan futó algoritmust terveztem, amely rögzített időközönként felméri a rendszer állapotát és szükség esetén képes szolgáltatásokat mozgatni és konfigurációt frissíteni az eszközökön. 
+
+Az algoritmus periodikus futása során fel kell tudnia mérni, ha kedvezőtlen rendszer állapot áll fenn és döntést kell hoznia annak megoldása érdekében. A madárhang elemző rendszer esetében ilyen kedvezőtlen állapot ha a komponensek belső sorhossza monoton növekedésnek indul. Ilyen helyzetben a rendszer működése instabil. Stabilnak azt az állapotot tekinthetjük ha a sorhossz csökken, vagy konstans értékhez közelít.
+
+A sorhossz növekedésének detektálásához kihasználtam az idősoros adatokon végezhető kiértékelési lehetőségeket. Az algoritmus periodikus futása során az elmúlt időszak (konfigurálható időre visszamenően) deriváltját kérdezi le. Ebből adódóan, ha a derivált értéke nagyobb mint 0 akkor feltételezhető az instabil állapot, 0 és annál kisebb értékek esetén a rendszer stabilnak mondható.
+
+Ha az algoritmus többszöri futás esetén is nullánál nagyobb értéket kap a sorhossz deriváltjára, akkor megkezdi a javító folyamatot. Ez a folyamat egy eszköz által küldött adatokat irányítja át másik felhőbe. Mielőtt frissíti az eszköz konfigurációját ellenőrzi hogy az új cél-adatközpontban fut-e a szolgáltatás egy példánya. Ha nem akkor előbb elindítja azt és miután az készen áll az adatok fogadására csak akkor ütemezi át a a küldést.
+
+Ez a viselkedés hasonlít a korában ismertetett átterheléses mozgatásra. Azaz ha mozgatni kell, akkor csak azután teszi meg, hogy az \enquote{új} szolgáltatás készen áll, ez idő alatt a \enquote{régi} szolgáltatás dolgozza fel a kéréseket, így kiesés nélkül vihető véghez a szolgáltatások mozgatása.
+
+Annak eldöntése, hogy melyik adatközpontba kezdje el átütemezni a terhelést az algoritmus jelenlegi megoldásomban egy fix rangsort használ. Ahol egy előre rögzített listán minden egyes lehetőséget megvizsgál stabilitás szerint és ez alapján választja ki az ideális jelöltet. 
+
+Ilyen szintű naiv megoldás szuboptimális eredményt hozhat. Hiszen könnyen belátható, hogy hajlamos a vibrációra, azaz amikor egy terhelést folyamatosan oda-vissza ütemez két adatközpont között. Ez akkor fordulhat elő ha egy adatközpont működése stabil, de egy egységnyi terhelés (esetünkben egy \acrshort{iot} eszköz által küldött hangminták) már instabillá teszik.
+
+Ennek a jelenségnek az elkerülésére az algoritmus megjelöli, ha egy adatközpontban instabil működés miatt el kellett mozgatnia onnan terhelést. Ez a jelölés egy idő után lejár, ideális esetben azután, hogy a rendszer ismét elérte a stabil állapotot. Mivel a stabil állapot nem vezet átütemezéshez, ezért itt már nincs jelentősége a jelölésnek.
+
+Átütemezés után az újonnan indított szolgáltatás is automatikusan elkezdi küldeni a belső állapot információit, az ütemező algoritmus pedig automatikusan elkezdi figyelemmel kísérni a változásokat. Ezek után kezdődik elölről az algoritmus futása.
+
+\subsection{Kommunikációs interfész}
+
+Úgy terveztem, hogy az ütemező rendszerrel kívülről \acrshort{http} \acrshort{api} segítségével lehessen kommunikálni. A rendszer megvalósít interfészeket a metrikák beküldésére és kiértékelésére. Emellett az \acrshort{iot} eszközök esetében egy táblázatot tart fenn arról, hogy melyik eszközt melyik adatközponthoz rendeli. 
+
+Azt, hogy ennek a táblázatnak a tartalmát hogyan szinkronizáljam az eszközök beállításaival, két megoldást vizsgáltam meg. Ez a két megoldás a \textit{push} (amikor az algoritmus direktben értesíti az eszközöket) és a \textit{pull} (amikor az eszközök periodikusan kérdeznek le információt). 
+
+Míg a \textit{push} alapú megoldás megoldás esetén a rendszer azonnal képes lehet értesíteni az eszközöket, sokkal komplexebb megoldást igényel, hiszen kezelni kell azokat a hiba lehetőségeket, amelyek felmerülhetnek a kommunikáció során és biztosítani, hogy ezeknek ellenáll az információ továbbítás.
+
+Ezzel szemben \textit{pull} alapú megoldás esetén az eszközök ezt az információt működésük során periodikusan lekérhetik, és ennek megfelelően állíthatják át küldésük célját. Ebben az esetben a két lekérdezés között eltelt idő miatt nagyobb késleltetéssel értesülnek a változásról az eszközök, hiszen a táblában változott bejegyzésről csak a következő lekérésben tudnak értesülni. Emellett a folyamatos periodikus lekérdezés felesleges terhelést is jelent az ütemező rendszer számára, hiszen akkor is teljesítenie kell a kéréseket, ha nem változott semmi a konfigurációban. Cserében ebben az esetben nem okoz nagy problémát ha egy frissítés nem jut el az eszközhöz, vagy a frissítés pillanatában éppen nem elérhető az eszköz. A folyamatos lekérdezés miatt idővel konvergálni fog a helyes konfigurációhoz. 
+
+A konfiguráció leküldéséhez a periodikus lekérdezést választottam. Ennek oka az, hogy implementációja jelentősen könnyebb, mint az értesítési mechanizmus esetén. Emellett a konfiguráció változtatás nem időérzékeny: az átterheléses mozgatás miatt bizonyos mértékű késleltetés nem okoz problémát. 
+
+\subsection{Rendszer implementáció}
+
+Az ütemező rendszerem megvalósítását \textit{Kubernetes} környezetben futtatható mikroszolgáltatás architektúrára terveztem. A rendszer vázlatos felépítése \aref{fig:turbomemer}.\ ábrán látható. Az egyes szolgáltatások és egyéb szoftver komponensek implementációját a következő szekciókban részletezem.
 
 \begin{figure}[h!]
 	\centering
 	\includegraphics[width=0.5\textwidth]{figures/turbomemer-legit}
-	\caption{asd}
+	\caption{Ütemező rendszer szolgáltatásainak áttekintése}
 	\label{fig:turbomemer}
 \end{figure}
 
+\subsubsection{Mérés kezelő}
+\label{sec:birb-latency-collector}
+
+Ez a szolgáltatás egy kívülről is elérhető interfészt valósít meg. Feladata a rendszer állapotát leíró mért adatok gyűjtése és azokról kiértékelések szolgáltatása. Ennek megvalósítására egy idősoros adatbázist használ. Az általam választott idősoros adatbázis az \textit{InfluxDB}.
+
+Azért választottam az \textit{InfluxDB}-t, mert egy hatékonyan működő adatbázis sok hasznos funkcióval. Ilyen például a 2-es verzió óta beépített adatvizualizáció, így közvetlenül lehet a szoftvert arra használni, hogy a rögzített méréseket megtekintsük. Saját lekérdező nyelvén pedig sokféle adat aggregáció, transzformáció és kiértékelő funkcionalitás érhető el.
+
+Új mérések érkezésekor a szolgáltatás eltárolja az információkat az adatbázisban. Ha szükség van kiértékelésre, akkor az \textit{InfluxDB} saját lekérdezőnyelvére fordítja a kérést és az adatbázis szoftverben futtatja azt le, így hatékonyan és egyszerűen tudja megkapni a kiértékelt adatokat, amelyeket válaszul ad a kérésre.
+
+Ezt a szolgáltatást a robotkarok vezérlését megvalósító alkalmazás közvetlenül tudja használni az ütemezési döntés meghozatalára.
+
+\subsubsection{Ütemezés nyilvántartó}
+\label{sec:birb-scheduler-teller}
+
+Ezt a szolgáltatás kizárólag az intelligens madárhang elemző alkalmazás használja. 
+
+Ennek a szolgáltatásnak a feladata, hogy számontartsa az egyes eszközök jelenlétét illetve kiszolgálja számukra, hogy pillanatnyilag melyik adatközponthoz vannak rendelve. Az eszközök futásuk során ettől a szolgáltatástól tudják lekérni az ütemezési információikat. 
+
+Ha a szolgáltatásból egy eddig ismeretlen eszköz kéri le az ütemezését, akkor azt egy dinamikusan megválasztott \enquote{alapértelmezett} adatközponthoz rendeli. Ezután ezt az ütemezési döntést elmenti és innentől kezdve ugyanúgy van kezelve az új eszköz is, mint az összes többi.
+
+A kiszolgált adatokat egy kulcs-érték adatbázisban tárolja. Ehhez \textit{Redis} adatbázist használtam, ennek oka az, hogy a \textit{Redis} támogatja az értékekhez lejárati idő rendelését. A lejárai idő leteltével az értékeket automatikusan törli. Ennek a segítségével számos funkcionalitást könnyebb volt implementálni. A \textit{Redis} támogatja továbbá az osztott memóriaként való funkcionalitást, amelyet kihasználva \aref{sec:birb-scheduler}.\ szekcióban ismertetett szolgáltatással való kommunikációt megoldottam.
+
+\subsubsection{Dinamikus újra-ütemező}
+\label{sec:birb-scheduler}
+
+\Aref{sec:birb-scheduler-teller}.\ szekcióban ismertetett szolgáltatás csak egy statikus hozzárendelést valósít meg az új eszközök és az adatközpontok között. Viszont ezek után nem változtatja meg a döntését. Ezeknek a döntéseknek a felülvizsgálatára és az \enquote{alapértelmezett} adatközpont dinamikus megváltoztatására szolgál ez a szolgáltatás.
+
+Ez a szolgáltatás valósítja meg \aref{sec:scheduling-algo}.\ szekcióban vázolt periodikusan futó ütemező algoritmust. 
+
+Futása során a kiértékelt metrikákat lekérdezi a \textit{Mérés kezelő} szolgáltatásból. Majd ezek alapján és az osztott \textit{Redis} adatbázisban tárolt információk alapján meghozza az ütemezési döntést. Szükség esetén \textit{Kubernetes} \acrshort{api} hívásokkal elindítja a \textit{KubeFed} által kezelt szolgáltatást a megfelelő adatközpontban majd ezek után az ütemezési döntést rögzíti a az adatbázisban. így legközelebb amikor az eszköz frissíti a konfigurációját már az újonnan indított szolgáltatáshoz küldi az információkat, ezzel megvalósítva a dinamikus átütemezést.
+
+A szolgáltatás azt is ellenőrzi, hogy a kijelölt \enquote{alapértelmezett} adatközpont stabilnak számít-e. Ha nem, akkor ezt a beállítást is frissíti, így az új eszközök már másik adatközpontba kezdik el küldeni az adatokat.
+
+Értelem szerűen ezt a szolgáltatást is csak az intelligens madárhang elemző alkalmazás használja.
+
+\subsection{Link késleltetés mérése}
+
+A robotkarokat vezérlő alkalmazás számára szükség van arra az információra, hogy az egyes adatközpontokkal milyen minőségű a link összeköttetése. 
+
+Ennek a megvalósítására egy egyszerű szkriptet készítettem, amely leméri az összes adatközponttal szembeni késleltetést, majd ezeket elküldi \aref{sec:birb-latency-collector}.\ szekcióban ismertetett szolgáltatás számára, amely így képes arról kiértékelést készíteni.
+
+A késleltetés mérésére kézenfekvő megoldás lehet a hagyományos \acrfull{icmp} által biztosított \textit{Ping} kérésekkel mérni a körülfordulási időt. De ez csak egy nagyon limitált eredményt ad egy konkrét végponthoz. 
+
+Szerettem volna egy olyan megoldást készíteni, amely nem csak az adatközpont határán lévő, publikus címmel rendelkező végponthoz tudja mérni a késleltetést, hanem közvetlenül az ott futó szolgáltatások és a végpont közti kapcsolatot tudja mérni. Ennek hála a késleltetés nem csak a publikus hálózat állapotát, de az egyes adatközpontok belső hálózatáról is képet tud adni. Ezzel átfogóbb és pontosabb információt kapunk arról, hogy melyik adatközpontot érdemes használnunk.
+
+Ezt úgy oldottam meg, hogy felkonfiguráltam egy egyszerű webszerver konténert, amely minden kérésre egyből egy üres válasszal válaszol. Ezt a konténert \textit{KubeFed} segítségével úgy futtattam, mint bármelyik másik szolgáltatást minden adatközpontban. Ezt a szolgáltatást kiajánlottam minden adatközpont publikus címére. A szkriptem pedig a \acrshort{http} kérés körülfordulási idejét méri.
+
+Az így mért értékeket az ütemező fel tudja használni arra, hogy eldöntse, hogy melyik adatközpontra ütemezze be a robotkarok vezérléséhez szükséges szolgáltatást.