Mário M. Freire
         Full Professor (Professor Catedrático)

           Department of Computer Science, University of Beira Interior
           Rua Marquês de Ávila e Bolama, 6201-001 Covilhã, Portugal

           E-mail addresses: mfreire(at)computer.org  or  mfreire(at)acm.org  or  mario(at)di.ubi.pt



Tecnologias Cloud e Data Center / Cloud Technologies and Datacenter 2018/2019
Mestrado em Engenharia Informática / MS in Computer Science and Engineering

"Be. If you can not be a pine on the top of a hill, be a bush in the valley but be the best bush to the stream bank. Be a branch if you can not be a tree. If you can not be a branch, be a little grass and give joy to some way. If you can not be a highway, Be just a path, if you can not be the sun, be a star. It is not by size that you will have success or failure ... But be the best in whatever you are."

Pablo Neruda (1904-1973), Chilean poet-diplomat and politician.

Objetivos Gerais, Avaliação e Bibliografia / Course Description, Evaluation and Grading and Bibliography


Objetivos Gerais e Resultados de Aprendizagem / Course Objectives
O objetivo da unidade curricular consiste em dotar os estudantes de uma perspetiva ampla e integradora das tecnologias de virtualização e de datacenters. No final da unidade curricular o estudante deve ser capaz de sistematizar uma abordagem às diversas tecnologias de virtualização e de datacenters, que ofereça às aplicações e serviços elevada disponibilidade, maior flexibilidade, melhor utilização de recursos, maior escalabilidade e adaptabilidade e redução de custos. O estudante deve ser capaz de avaliar escolhas, soluções e compromissos envolvidos no desenvolvimento, instalação, utilização e gestão de infraestruturas virtualizadas e de datacenters.
The aim of the course is to provide students with a broad and integrative perspective of virtualization and datacenter technologies. At the end of the course, students should be able to systematize an approach to the various virtualization and datacenter technologies that provide applications and services with high availability, greater flexibility, better resource utilization, greater scalability and adaptability, and reduced costs. Students should be able to assess the choices, solutions and commitments involved in the development, deployment, use and management of virtualized infrastructures and datacenters.

Programa / Syllabus
Conceitos e níveis de implementação de virtualização. Estruturas, ferramentas e mecanismos de virtualização ao nível de hardware. Suporte de virtualização ao nível do sistema operativo. Virtualização de recursos. Virtualização de clusters e gestão de recursos. Virtualização para automação de datacenters. Projeto de datacenters. Projeto arquitetónico de clouds. Redes em ambientes cloud. Gestão de recursos interclouds. Aspetos de segurança e gestão da confiança em clouds.
Concepts and implementation levels of virtualization. Hardware-level virtualization structures, tools, and mechanisms. Virtualization support at the operating system level. Resource virtualization. Virtualization of clusters and resource management. Virtualization for datacenter automation. Design of datacenters. Architectural design of clouds. Networks in cloud environments. Inter-cloud resource management. Cloud security and trust management.

Métodos e Critérios de Avaliação / Evaluation and Grading
Teste de avaliação de conhecimentos/Exame: 40%.
Trabalho teórico-prático: 20%.
Projeto laboratorial ou de campo: 40%.

Teste de avaliação de conhecimentos/Exame: Teste com consulta com duração de 1 hora; Teste constituído por 20 perguntas com 4 opções das quais apenas uma está correta; Respostas erradas não descontam sobre a pontuação dessas questões.
Trabalho teorico-prático: Trabalho realizado em grupo, sendo cada grupo constituído por 2 estudantes; Deve ser elaborado um relatório sobre um tema para exploração; O relatório será avaliado com base na qualidade, abrangência, profundidade e valor de síntese no contexto do tema.
Projeto laboratorial ou de campo: Trabalho laboratorial realizado em grupo durante as aulas práticas, sendo cada grupo constituído (no máximo) por 2 estudantes. O relatório deste trabalho é apresentado e discutido na aula prática, sendo a nota de cada estudante atribuída individualmente.

Written test/Exam: 40%.
Theorectical work: 20%.
Field or laboratory projects: 40%.

Written test/Exam: Test with open book with duration of 1 hour; The test comprises 20 questions with four options of which only one is correct; Wrong answers do not discount on the score of a given question.
Theorectical work: Work to be carried out in a group, each group consisting of 2 students; A report on a theme for exploration should be drawn up; The report will be evaluated based on the quality, breadth, depth and value of synthesis in the context of the theme.
Field or laboratory project: Work to be carried out in group during practical lectures, each group consisting of 2 students. The report of this work is presented and discussed in a practical lecture, being each student grade assigned individually.

Trabalho teórico-prático/Theorectical-practical work
Tema 1 – Kubernetes Versus Docker Swarm (Docker Engine running in Swarm mode)
Tema 2 – Instalação e configuração do Docker (Community Edition (CE))
Cada grupo deve escolher um destes dois temas e elaborar um breve relatório, no qual, de forma clara, rigorosa e pedagógica, descreve o objecto de estudo e eventuais perspectivas de desenvolvimento futuro do tema escolhido. O relatório deve ser escrito usando o template do IEEE disponível na parte do projeto laboratorial e deve ter, no máximo, 10 páginas. O relatório deve ser enviado por email, para o endereço mario@di.ubi.pt e com subject TCDC 2018/2019 – Trabalho Teórico-Prático, até às 23:59 do último dia de aulas do semestre.

Projetos Laboratoriais/Lab Projects
Enunciado do Projeto Laboratorial – Comparação dos desempenhos de um hypervisor nativo, de um host-based hypervisor e de uma infraestrutura análoga fornecida pelo Microsoft Azure

Azure Dev Tools for Teaching (O login deverá ser realizado com as credenciais da UBI).
Este trabalho é objeto de relatório, cujo template e estrutura são descrito a seguir. O relatório deve ser enviado por email para mario@di.ubi.pt até 5 de maio de 2019 e deve ser apresentado e discutido numa das aulas práticas seguintes. A apresentação em formato powerpoint deve ser enviada até 24 horas antes da respetiva discussão. O tempo máximo para a apresentação é de 20 minutos e o tempo máximo para discussão é de 20 minutos. Para a realização deste trabalho, é aconselhada a leitura da dissertação "Comparação do Desempenho de Infraestruturas Virtualizadas de Elevada Disponibilidade Usando Hypervisors Nativos ou Containers: Microsoft Hyper-V Versus Docker", UBI, 2018.

Template e Estrutura do Relatório do Projeto
Template de Artigos de Conferência do IEEE
Estrutura do Relatório do Projeto em 8 Páginas:
Título (<8 palavras): deve centrar-se no tópico, ser curto, claro e eye-catching; Autores e filiações (em 1-2 linhas após o título).
Abstract (<50 ~ 100 palavras): deve explicitar os objetivos da investigação, resumir os resultados da investigação e destacar as contribuições inovadoras.
Introdução (incluindo o título, abstract) (1 página): deve motivar os leitores para ler o resto do artigo e prepará-los com o background necessário.
Arquitetura, algoritmos, métodos, protocolos, resultados analíticos e exemplo ilustrado, etc. (2 páginas).
Configuração experimental (3 páginas): arquitetura do sistema implementado, detalhes de instalação e configuração, benchmarks e conjunto de dados utilizado.
Resultados experimentais 1 páginas): em figuras ou tabelas e respetivas interpretações e análise de desempenho.
Conclusões e Referências (1 página): Conclusões e lista de artigos relevantes referenciados no texto.

Bibliografia de Apoio à Unidade Curricular / Bibliography
Distributed and Cloud Computing: From Parallel Processing to the Internet of Things, Kai Hwang, Jack Dongarra, Geoffrey C. Fox (Authors), Morgan Kaufmann, 1st edition, 2011, ISBN-13: 978-0123858801, 672 pages.
Guide to Reliable Distributed Systems: Building High-Assurance Applications and Cloud-Hosted Services, Kenneth P. Birman (Author), Springer, 2012, ISBN-13: 978-1447124153, 730 pages.
Cloud Computing: A Hands-On Approach, Arshdeep Bahga, Vijay Madisetti (Authors), Vijay Madisetti, 2014, ISBN-13: 978-0996025508, 456 pages.


Plano das Aulas Teóricas / Schedule

Aula 1 (fevereiro 22, 2019, 09:00-11:00, sala 6.18).

Sumário: Apresentação do professor aos estudantes. Indicação do horário de atendimento e da localização do gabinete do professor. Objectivos da unidade curricular e competências a adquirir. Conteúdos programáticos. Método de avaliação. Bibliografia de apoio à unidade curricular.

Aula 2 (março 1, 2019, 09:00-11:00, sala 6.18).

Sumário: Conceitos e níveis de implementação de virtualização.
Conceito de virtualização, máquinas virtuais (VM) e middleware de virtualização, níveis de implementação de virtualização e respetivo mérito relativo, requisitos de projeto de Virtual Machine Monitors (VMM)/Hypervisors, comparação de VMMs e Hypervisor Software Packages: VMware Workstation, VMware ESX, Xen e QEMU/KVM.

Aula 3 (março 8, 2019, 09:00-11:00, sala 6.18).

Sumário: Estruturas, ferramentas e mecanismos de virtualização ao nível de hardware.
Tipos de hypervisors (hypervisors nativos ou bare-metal versus hosted hypervisors), arquiteturas de hypervisors (arquiteturas micro-kernel versus arquiteturas monolíticas, a arquitetura Xen), hosted hypervisors, hypervisors nativos com virtualização total e tradução binária, hypervisors nativos com paravirtualização e suporte de compilador.

Aula 4 (março 15, 2019, 09:00-11:00, sala 6.18).

Sumário: Virtualização de CPU, Memória e Dispositivos de I/O.
Suporte de hardware para virtualização; Virtualização de CPU, virtualização de memória, virtualização de entradas/saídas, virtualização de processadores multi-core.

Aula 5 (março 22, 2019, 09:00-11:00, sala 6.18).

Sumário: Suporte de virtualização ao nível do sistema operativo.
Funcionamento, vantagens e desvantagens, virtualização em plataformas Linux ou Windows, Linux containers, suporte de middleware para virtualização.

Aula 6 (abril 5, 2019, 09:00-11:00, sala 6.18).

Sumário: Virtualização de recursos.
Virtualização assistida por hardware, virtualização de CPU, virtualização de memória, virtualização de entradas/saídas, virtualização de processadores multicore.

Aula 7 (abril 12, 2019, 09:00-11:00, sala 6.18).

Sumário: Virtualização de clusters e gestão de recursos.
Clusters físicos versus clusters virtuais, etapas para migração ao vivo de VMs e impacto no desempenho, migração de memória, ficheiros e recursos de rede, instalação dinâmica de clusters virtuais.

Aula 8 (maio 3, 2019, 09:00-11:00, sala 6.18).

Sumário: Projeto de datacenters
Projeto de datacenters à escala de warehouses; redes intradatacenter, datacenters modulares em contentores, aspetos de gestão de datacenters.

Aula 9 (maio 10, 2019, 09:00-11:00, sala 6.18).

Sumário: Projeto arquitetónico de clouds.
Projeto genérico da arquitetura de uma cloud, desenvolvimento arquitetónico de uma cloud em camadas, suporte de virtualização e disaster recovery, desafios do projeto arquitetónico.

Aula Suplementar (maio, 2019, 14:30-17:30, Altice).

Sumário: Visita ao datacenter da Altice.

Aula 10 (maio 17, 2019, 09:00-11:00, sala 6.18).

Sumário: Redes em ambientes cloud.
Arquitetura de rede de um datacenter, software defined networks, virtualization of network equipment, network functions virtualization, mobile cloud networking, fog computing and networking, networking-as-a-service.

Aula 11 (maio 24, 2019, 09:00-11:00, sala 6.18).

Sumário: Realização e correção da frequência.

Aula 12 (maio 31, 2019, 09:00-11:00, sala 6.18).

Sumário: Gestão de recursos interclouds.
Serviços de computação em cloud estendidos, fornecimento de recursos e instalação de plataformas, criação e gestão de máquinas virtuais, intercâmbio global de recursos cloud.

Aula 13 (junho 7, 2019, 09:00-11:00, sala 6.18).

Sumário: Aspetos de segurança e gestão da confiança em clouds.
Estratégias de defesa da segurança em clouds, deteção distribuída de intrusos/anomalias, técnicas de proteção de dados e de software, isolamento e sandboxing, problemas de segurança específicos a tecnologias de virtualização, gestão da confiança em datacenters virtualizados, proteção guiada por reputação de datacenters.



“One of the problems of being a pioneer is you always make mistakes and I never, never want to be a pioneer. It’s always best to come second when you can look at the mistakes the pioneers made”.

Seymour Cray (1925-1996), Public Lecture at Lawrence Livermore Laboratories on the introduction of the CRAY-1, 1976.
Last update: 2019/02/21.