Efficient energy-aware models for cloud computing systems and networks

Developments in communication networks gave the birth to cloud computing which is revolutionizing the use of IT services in companies as electricity did in its time. Once, companies had to produce their own energy to operate before the arrival of electricity networks. Today, companies must manage their IT assets with the constraints related to their consumption and maintenance. With cloud computing, companies can use on demand IT services without worrying about the management, security and maintenance of the infrastructure. However, the energy consumption of cloud system is not negligible. Indeed, currently the energy consumed by ICT is estimated to be more than 4\% of the worldwide consumption and it is expected to double in the next few years. This consumption has effects not only on economies of governments and companies, but also on planet environment through its carbon footprint, which makes energy efficiency of cloud systems one of todays major challenges. In this thesis we will address cloud energy issues by developing optimization models based on operational research techniques by taking into account the economic perspective of the cloud providers and users. More specifically, we consider two different types of clouds, the first is the classical cloud system in which data centers offer computing services to users. While the second is a cloud system used in mobile networks named Cloud-RAN. For each system, our goal is to wider the vision and consider more than one problem related to energy in a joint way. Obtained results show that joint optimization for both cases is more efficient in terms of energy consumption and expenses.

Gli sviluppi tecnologici nelle reti di comunicazione hanno portato alla nascita del cloud computing che sta rivoluzionando l'uso dei servizi IT in aziende come ha fatto l'elettricità a suo tempo. Una volta, le aziende dovevano produrre l'energia per operare prima dell'arrivo delle reti elettriche. Oggi, le aziende devono gestire le loro risorse IT, con i vincoli legati al loro consumo e alla manutenzione. Con il cloud computing, le aziende possono usare i servizi su richiesta, senza doversi preoccupare della gestione, la sicurezza e la manutenzione dell'infrastruttura. Tuttavia, il consumo delle grandi infrastrutture del cloud computing è significativo. Attualmente l'energia consumata dall'ICT è oltre il 4\% del consumo globale e si prevede possa raddoppiare nei prossimi anni. Questo consumo ha effetti non solo sulle economie di governi e aziende, ma anche sull'ambiente del pianeta attraverso il carbon footprint, che rende l'efficienza energetica dei sistemi cloud una delle sfide dei nostri giorni. In questa tesi si affronta il problema del consumo di energia dei sistemi cloud attraverso lo sviluppo di modelli di ottimizzazione e metodi di ricerca operativa prendendo in considerazione la prospettiva economica degli utenti e fornitori di servizi. In particolare, consideriamo due diversi tipi di sistemi cloud: il primo è il sistema di cloud classico, in cui i data center offrono servizi di computing per gli utenti; il secondo è un sistema di cloud utilizzato in reti di telefonia mobile denominati Cloud-RAN. Per ciascun sistema, il nostro obiettivo è quello di avere un ampia visione e considera più di un problema legato all'energia in maniera congiunta. I risultati ottenuti indicano come l'ottimizzazione congiunta per entrambi i casi sia più efficiente in termini di costi e consumi energetici.