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TI Verde: uma abordagem de tecnologias nas nuvens
Joelson Isidro, Jean Fidelis e Vitor Melo
Ciência da Computação - Centro Universitário de João Pessoa (Unipê)
BR 230 - Km, Água Fria - CEP 58053-000 - João Pessoa - Paraíba – Brasil
[email protected], [email protected],
Abstract. This article presents the Green IT as a solution for environment problems
connected with IT area. We are going to see how Cloud Computing try to resolve more
common problems in public, and private organizations and the society in general. And we
still are going to see cases where virtualization has been applied with success, decreasing
electricity cost, physical space and processing.
Resumo. Este artigo apresenta a TI verde como solução para problemas ambientais
ligados a área de TI. Veremos como a Computação nas Nuvens tende a resolver os
problemas mais comuns existentes em organizações públicas, privadas e da sociedade em
geral. Veremos também casos onde a virtualização está sendo aplicada com sucesso,
cortando custos com energia, espaço físico e processamento.
1. Introdução
Atualmente os computadores são os grandes consumidores de energia elétrica,
tanto na sua produção, tempo de vida de uso e no seu descarte. Isto representa o
aumento de emissão de gases poluentes e impacto ambiental. As discussões sobre este
assunto retratam as boas práticas da TI Verde. Este trabalho tem como objetivo
apresentar propostas para implantação de procedimentos com vista a reduzir o consumo
de energia, apresentando características de métodos aplicados e as vantagens das
soluções com a computação em nuvem.
2. TI Verde
Com o decorrer da crescente evolução tecnológica, cresce conseqüentemente as
preocupações das empresas, governos e toda a sociedade com as questões ambientais.
Medidas ecologicamente corretas vêm sendo são cada vez mais necessárias por uma
questão profissional e para se manter o equilíbrio do nosso ecossistema.
O termo TI Verde é utilizado pelo na tecnologia para traduzir a preocupação
com o meio ambiente e com a sustentabilidade. Resume-se na soma de economia de
energia com gestão de recursos em todos os processos de produção incluindo o descarte.
É aplicada em diversos setores da tecnologia, como por exemplo: computação
com o uso eficiente da energia; gerenciamento de energia; projetos de Data Centers
Verdes; virtualização de servidores; descarte responsável e reciclagem; utilização de
fontes de energia renováveis; e produtos de TI com selos ecológicos.
3. Computação nas Nuvens
É um modelo que possibilita o acesso, de modo conveniente e sob demanda, de
um conjunto de recursos computacionais configuráveis que podem ser rapidamente
adquiridos e liberados com mínimo esforço gerencial ou interação com provedor de
serviços [NIST – National Institute of Standards and Tecnology, 2009].
Figura 1. Arquitetura da Computação em Nuvem
3.1 Características Essenciais
São vantagens que as soluções de computação em nuvem oferecem. Algumas destas
características, em conjunto, definem exclusivamente a computação em nuvem e fazem
a distinção com outros paradigmas.
Self-service sob demanda: de acordo com a necessidade o usuário adquiri
recursos computacionais sem precisar de interação humana com os provedores
de serviço.
Amplo acesso: recursos são disponibilizados por meio da rede e acessados
através de mecanismos padronizados que possibilitam o uso por plataformas do
tipo thin, tais como celulares, laptops e PDAs.
Pooling de recursos: os recursos computacionais do provedor são organizados
em um pool para servir múltiplos usuários usando um modelo multi-tenant ou
multiinquilino, com diferentes recursos físicos e virtuais, dinamicamente
atribuídos e ajustados de acordo com a demanda dos usuários.
Elasticidade rápida: aqui, os recursos são adquiridos quase que automaticamente.
Para os usuários os recursos para uso parecem ser ilimitados e podem ser a
qualquer momento.
Serviço medido: Sistemas em nuvem automaticamente controlam e otimizam o
uso de recursos por meio de uma capacidade de medição. O uso de recursos
pode ser monitorado e controlado, possibilitando transparência para o provedor e
o usuário do serviço utilizado.
3.2 Modelos de Serviço
São três camadas que mostram como os serviços de TI podem ser ofertados e comprados
sob o modelo de computação em nuvem:
Figura 2. Camadas de Serviços nas Nuvens
IaaS (Infrastructure as a Service ou Infra-estrutura como Serviço): quando se
utiliza apenas uma porcentagem de um servidor, geralmente com configuração
que se adeque à sua necessidade. Todos os recursos computacionais estão na
nuvem do provedor. Os recursos, de uma maneira geral, sendo compartilhados,
tendem a ser usados deforma mais eficiente. Onde o usuário paga pelo volume de
utilização. Esse modelo incentiva a criação de ecossistemas que podem gerar
aplicações e serviços complementares a oferta de IaaS.
PaaS (Plataform as a Service ou Plataforma como Serviço): utilizando-se apenas
uma plataforma como um banco de dados, um web-service, etc. (ex.: WindowsAzure). Este
conceito oferece uma plataforma de desenvolvimento de aplicações, ou seja, a
ações como desenvolver, compilar, debugar, deploy e teste em uma aplicação
podem ser executadas na nuvem. A vantagem deste serviço é poupar custos, não
precisar alocar hardware de forma desnecessária e poder escalar dados de forma
simples sem ter que lidar com o ambiente físico diretamente.
SaaS (Software as a Service ou Software como Serviço): consiste no uso de um
software na web (p.ex.: Google Docs , Microsoft Sharepoint Online). O software
é executado em um servidor, onde não é necessário instalar o sistema no
computador do cliente, bastando acessá-lo por meio da internet. Diferente de
como acontece no modelo de software, onde ganha-se pela venda do produto, no
modelo de serviços, é desenvolvida uma solução sem cobrar nada do cliente e
depois ela será disponibilizada na internet para que vários clientes possam
utilizar de seus serviços.
Figura 3. Interações entre os modelos de serviços nas Nuvens
3.3 Modelos de Implementação
Existem diferentes tipos de modelos de implantação para os ambientes de
computação em nuvem que tratam do acesso e da disponibilidade. A restrição ou
abertura de acesso depende do processo de negócios, do tipo de informação e do nível
de visão desejado.
Nuvem privada: a infra-estrutura de nuvem é utilizada exclusivamente por uma
organização, sendo esta nuvem local ou remota e administrada pela própria
empresa ou por terceiros.
Nuvem pública: a infra-estrutura de nuvem é disponibilizada para o público em
geral, sendo acessado por qualquer usuário que conheça a localização do
serviço.
Nuvem comunidade: fornece uma infra-estrutura compartilhada por uma
comunidade de organizações com interesses em comum.
Nuvem híbrida: a infra-estrutura é uma composição de duas ou mais nuvens, que
podem ser do tipo privada, pública ou comunidade e que continuam a ser
entidades únicas, mas conectadas por meio de tecnologia proprietária ou
padronizada que permite a portabilidade de dados e aplicações.
4. Virtualização
A tecnologia, que realizou uma mudança radical e que transformou os “parques
de computadores” em nuvem foi a virtualização. Comumente denominada de
consolidação de servidores, é uma maneira inteligente e diferenciada de aplicar o
conceito que existe há mais de 40 anos, que consiste em dividir um único sistema
computacional em vários outros conhecidos como máquinas virtuais. Cada máquina
virtual oferece um ambiente completo muito parecido com uma máquina física, e pode
ter seu próprio sistema operacional, aplicativos e serviços de rede (Internet). Há também
a possibilidade de interligar (virtualmente) cada uma dessas máquinas através de
interfaces de redes, switches, roteadores e firewalls virtuais, além do uso já bastante
difundido de VPN (Virtual Private Networks).
Figura 4. Virtualização de Servidores
Portanto, pode-se afirmar que com a virtualização a um melhor proveito dos
recursos da máquina, pois ela possibilita o trabalho em um ambiente onde haja uma
diversidade de plataformas de software (sistemas operacionais) sem ter um aumento no
número de plataformas de hardware (máquinas físicas). E essa vantagem ela é muito
interessante para os data centers por causa da heterogeneidade de plataformas inerente
ao próprio negócio. E ainda, a diminuição de máquinas físicas implica na redução em
até 53% dos custos com hardware e 79% dos custos operacionais, energia elétrica,
cabeamento, refrigeração, suporte e manutenção a vários sistemas, gerando uma
economia média de até 64% para a empresa que adota a solução.
Pode-se destacar como principais benefícios:
Virtualização de Rede: essa reúne os recursos de computação de uma rede, e
divide a largura de banda disponível em canais independentes, que podem ser
designados para um servidor ou dispositivo em tempo real. Um exemplo disso
são as VPN´s.
Virtualização de Servidores: essa sem dúvida é a mais popular, pois oculta a
natureza física dos recursos de servidores, incluindo processadores, sistemas
operacionais e o software que estão neles. Os servidores do tipo Blade são
menores que os servidores de rack tradicionais e de acordo com a IBM® a
redução de espaço físico pode chegar a 83%, sem contar a economia de energia
que pode ficar em torno de 20% a 40%.
Virtualização de Aplicativos: ela isola os programas do hardware e do sistema
operacional, os encapsulando como objetos móveis independentes que podem
ser deslocados sem afetar os outros sistemas. As tecnologias de virtualização de
aplicativos reduzem as alterações relacionadas a aplicativos no sistema
operacional fazendo com que a administração seja em muito simplificada. Outra
vantagem da virtualização de aplicativos é a possibilidade de se montar uma
infra-estrutura para os usuários com terminais do tipo Thin Client. que são
compostos por uma arquitetura semelhante à de um PC, mas, o servidor é o
responsável pelo armazenamento e pelo processamento de memória. Em média,
um Thin Client consome apenas 20% da energia de um PC, o que por si só gera
inúmeros benefícios ao meio ambiente.
5. SGBDs nas Nuvens
Os SGBDs são fortes candidatos a serem implementados em nuvem, pois suas
instalações são muito complexas e envolvem muitos dados, aumentando o custo com
hardware e software. Porém existe uma grande complexidade envolvida com os
serviços de dados que possam escalar quando é necessário garantir operações
consistentes e confiáveis considerando cargas de trabalho máximas. Desafios como
consistência e segurança dos dados são importantes para a computação em nuvem e
acredita-se que futuras aplicações centradas em dados irão alavancar os serviços de
dados em nuvem.
5.1 Gerenciamento de Dados nas Nuvens
A infra-estrutura de SGBDs em nuvem possui diversas vantagens para os
usuários: previsibilidade e custos mais baixos, complexidade técnica reduzida,
elasticidade e escalabilidade. Por outro lado, o provedor tem que garantir a ilusão de
recursos infinitos e minimizar os custos operacionais associados a cada usuário.
Esta gerência de dados em Nuvem fornece uma grande chance de se explorar a
economia em escala, balanceamento dinâmico de carga e gerenciamento de energia.
O aumento no número de abordagens disponíveis de SGBDs em nuvem agrava o
problema da escolha, implantação e soluções de administração para a gestão de dados.
Com isso, os SGBDs em nuvem estão sendo disponibilizados como serviços, que
encapsulam a complexidade do gerenciamento por meio de formas de acesso simples e
garantias de acordos de nível de serviço.
O gerenciamento de dados em nuvem pode ser organizado em duas classes de
sistemas:
para apoiar aplicações com muitas atualizações
para analises dos dados e suporte a decisão.
Uma característica essencial no ambiente de nuvem é o gerenciamento
autônomo. Hardware e software dentro de nuvens podem ser automaticamente
reconfigurados, orquestrados e estas modificações são apresentadas ao usuário como
uma imagem única. É possível identificar três diferenças em comparação com os
sistemas tradicionais: intervenção humana limitada, alta alternância na carga de trabalho
e uma variedade de infra-estrutura compartilhadas.
As técnicas de virtualização tem se tornando populares para a implantação destes
sistemas e de outros sistemas de software. Em [Soror et al. 2010] é mostrado um estudo
sobre a sobrecarga de executar SGBDs em ambientes com máquinas virtuais. O estudo
diz que como a virtualização não causa sobrecarga para chamadas de sistema,
tratamento de falta de páginas e operação de E/S no disco a execução, não há um alto
custo de desempenho. Chamadas de sistema e falta de páginas representam uma
pequena fração no tempo de execução de uma consulta. Já as operações de E/S no disco
correspondem a uma fração maior do tempo, nada que comprometa muito o sistema. Os
resultados apresentados mostram que a sobrecarga média é menor do que 10%.
Figura 5. Características do Gerenciamento de dados
5.1.1 Armazenamento e Processamento de Consultas
Existem diversas formas de se gerenciar dados em nuvem e cada uma utiliza
uma abordagem específica para persistir os dados. Dentre as abordagens existentes,
podemos citar os novos sistemas de arquivos, frameworks e propostas para o
armazenamento e processamento de dados.
GFS (Google File System): sistema de arquivos distribuídos proprietário, ele
fornece um acesso mais eficiente e confiável aos dados usando grandes clusters de
servidores.
HDFS (Hadoop File System): inspirado no GFS, projeto de código livre,
armazena grandes arquivos em grandes servidores e obtém a confiabilidade através da
replicação de dados.
Algumas propostas para armazenamento e processamento utilizam a estrutura
chave-valor em uma DHT (Distributed Hash Table). Algumas através de colunas ou
arrays multidimensionais e outras gerenciam os dados de tal sorte a refletir a estrutura
de um documento ou tratam os dados na forma de grafos.
5.1.2 Transações
São muito importantes em ambientes centralizados e distribuídos. É necessário
utilizar protocolos de replicação de dados, terminação distribuída e sincronização de
acesso por conta da natureza compartilhada de recursos.
O teorema CAP (Consistency, Availibility, Partition Tolerance) mostra que os
sistemas distribuídos não podem assegurar as seguintes propriedades simultaneamente:
Consistência: todos os nós tem a mesma visão dos dados ao mesmo tempo.
Disponibilidade: falhas em nós não impedem os demais nós de operando.
Tolerância a partições: o sistema operar mesmo com a perda de mensagens.
O teorema tornou-se um modelo popular. Ele pode apenas suportar duas
propriedades ao mesmo tempo. Quando ocorrer uma falha de rede, é necessário escolher
qual propriedade torna-se mais importante.
5.1.3 Escalabilidade e Desempenho
A nuvem é composta por uma enorme rede de máquinas que necessita ser
escalável. E esta escalabilidade deve ser transparente para os usuários, podendo estes
armazenar seus dados na nuvem sem a necessidade de saber a localização dos dados ou
a forma de acesso.
É possível identificar duas dimensões de escalabilidade:
Vertical: melhora-se a capacidade do hardware, incrementando
individualmente os nós existentes.
Horizontal: adicionar mais máquinas à solução atual de tal modo que seja
possível distribuir as requisições entre estas máquinas. De qualquer
forma, é necessário um planejamento mais específico.
Em relação ao desempenho, as soluções de gerenciamento de dados em nuvem
devem lidar com problemas de tempo de resposta, em virtude das diferentes tecnologias
e heterogeneidade do hardware utilizado, o que pode influenciar o desempenho.
5.1.4 Tolerância a Falhas e Distribuição de Dados
As nuvens são construídas em hardware de baixo custo e com a suposição de
que elas podem falhar. Para tratar as falhas, existem soluções como DHT, que facilita a
fragmentação dos dados. Por meio da fragmentação dos dados é possível melhorar a
disponibilidade e distribuir a carga, tanto para operações de escrita quanto de leitura. Se
apenas uma máquina falhar, os dados pertencentes a essa máquina são afetados, mas
não o armazenamento de dados como um todo.
Quanto ao processo de replicação, novas réplicas podem sem criadas
rapidamente através de máquinas virtuais. Isso permite manter muitas réplicas por
máquina, reduzindo a quantidade total de armazenamento e os custos associados.
5.2 Classificação dos Sistemas de Gerenciamento de Dados nas Nuvens
Existem vários SGBDs em nuvem, com características e propósitos específicos.
Para tornar mais simples a compreensão pode ser feita uma classificação com base nos
parâmetros:
modelo relacional: se refere à utilização do modelo relacional pelo
sistema
nativo para nuvem: está relacionado ao processo de construção do
sistema, foi concebido para atender as necessidades da computação em
nuvem
Figura 6. Classificação dos SGBDs nas Nuvens
5.3 Sistemas para Gerenciamento de Dados em Nuvem
Existem muitos SGBDs em nuvem, os principais são:
Microsoft SQL Azure
Amazon S3/SimpleDB
Bigtable/Google App Engine
datastore
CouchDB
Cassandra
Relational Cloud
6. Processo de Compilação nas Nuvens
O sistema de computação em nuvem pode ser dividido em duas seções:
front end: é a parte do cliente, o lado do usuário, que compreende a
aplicação que será utilizada para acessar o sistema de computação em
nuvem.
back end: é a seção da computação em nuvem, ela compreende
computadores, servidores que são responsável pela criação da nuvem.
A sua conexão acontece por uma rede, que pode ser a internet.
Figura 7. Front-end e Back-en
A Compilação nas nuvens trata de um conjunto de linguagens de compiladores
virtualizadas que fornecem uma compilação virtual com todos os benefícios da
computação nas nuvens, incluindo o baixo custo, melhorando a eficiência, e
aumentando o controle do sistema. Os compiladores são os responsáveis por fazer o
processo de tradução de códigos produzidos em sistemas computacionais para uma
linguagem entendível para uma máquina, como por exemplo: uma consulta de um
banco de dados que é realizada através de uma query que efetua uma determinada
operação desejada, esse processo envolve a tradução do código de consulta em um
código compreendido pela arquitetura que efetuará sua execução. Essa mesma etapa é
adotada em todos os outros tipos de códigos que necessitam de uma interpretação.
O uso dos compiladores nas nuvens é visto hoje como uma ótima contribuição
para a sustentabilidade, trazendo uma gama de benefícios as empresas ou organizações
que adotam o modelo, pois além dela substituir o papel de um compilador comum, ela
suporta as tecnologias atuais de segurança como TLS, SSL, VPN e PassTickets. E ainda
está disponível para a maioria das versões de COBOL, PL/1, Fortran e C++.
Isto mostra que assim como um compilador, a computação em nuvem permite a
implementação e utilização em qualquer plataforma, pois somente é necessária a
alteração de uma das partes, o front end, ou o back end. Sendo assim, sua solução
manterá suas funcionalidades sem comprometer as partes internas envolvidas, tornando
mais simples, já que feito uma alteração seu código todo será readaptado.
7. Caso de Sucesso – FUNDAÇÃO BRADESCO
“A ideia era consolidar, dentro de um único data center, atividades relativas a
processos administrativos e pedagógico-educacionais de uma rede de 40 escolas, com
110 mil alunos presenciais e quase 500 mil estudantes à distância”, afirma o
Superintendente Executivo Técnico-Administrativo da Fundação Bradesco, Nivaldo
Marcusso.
Com a virtualização e o novo gerenciamento de documentos, os prontuários dos
alunos que eram acumulados por 50 anos, agora podem ser acessados em tempo real, as
aulas são realizadas num ambiente mais sólido e o gerenciamento centralizado do
ambiente permite que a equipe da instituição se concentre em tarefas estratégias.
Em médio prazo, a meta da empresa era virtualizar todos os servidores e
eliminar o uso de papel nos processos.
8. Considerações Finais
Espera-se que num tempo não muito distante a realidade da TI verde estará
presente de forma um consistente em todos os segmentos que necessitam de TI e estes
estarão focados em oferecer uma série de novos produtos e serviços com maior
eficiência energética, fazendo com que novas oportunidades de negócios surjam.
A evolução da Tecnologia da Informação precisa estar inserida dentro de
práticas sustentáveis sem agredir o meio ambiente. As novas possibilidades de infra-
estruturas podem referenciar investimentos baseados na sustentabilidade.
Finalmente, com o crescimento da computação como serviço, as empresas
poderão oferecer seus produtos (serviços) através da internet. Muitas empresas já
apresentam suas iniciativas para utilização da computação em nuvem. A comunidade
científica também tem apresentado algumas iniciativas, principalmente com foco em
suas necessidades.
9. Referências
Sousa, Flávio R. C. et al. (2010). “Gerenciamento de Dados em Nuvem: Conceitos,
Sistemas e Desafios”. Universidade Federal do Ceará (UFC). Disponível em:
http://www.es.ufc.br/~flavio/files/Gerenciamento_Dados_Nuvem.pdf. Acesso em:
07/05/2011.
Silva, Manoel et al. (2010). “TI Verde – Princípios e Práticas Sustentáveis para
Aplicação em Universidades”. Simpósio Brasileiro de Sistemas Elétricos. Disponível
em: http://www.labplan.ufsc.br/congressos/III%20SBSE%20-%202010/PDF/SBSE2010-
0085.PDF. Acesso em: 28/04/2011.
Info Blog (2010). “Virtualização, quatro casos de sucesso no Brasil”. Disponível em:
http://www.tripletech.com.br/blog/2010/01/11/virtualizacao-quatro-casos-de-sucesso-
no-brasil/. Acesso em 16/05/2011.
Cloud Compiling (2010). “Extend the Benefits of Cloud Compling to System z/OS”.
Disponível em: http://www.cloudcompiling.com/faq.html. Acesso em 17/05/2011.
