（计算机应用技术专业论文）cs结构分布式应用系统的自主计算研究.pdf

i d i s t r i b u t e d a p p l i c a t i o ns y s t e m w i t hc s a r c h i t e c t u r e c a n d i d a t e ：f e n gz h a o l i n s u p e r v i s o r ：p r o f h u a n gs h a o b i n a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e e i a l i t y ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y d a t eo fs u b m i s s i o n ：d e c e m b e r , 2 0 0 9 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 010 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：歹g 丝蜘 日期：1 刀夕年孑月f ，日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 曰在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：) 弓丝，压 日期：杪p 年了月么日 导师c 签字，魂f o 伽p 年弓月， 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 摘要 为应对软件复杂性危机对计算机系统发展的阻碍，2 0 0 1 年i b m 提出了 “自主计算 的概念，其目标是使计算机系统具有自我管理的能力。 首先，本文在总结国内外大量的相关领域研究成果基础上，给出了c s 结构分布式应用系统自主计算的框架和软件模型，并对其工作机制进行了详 细阐述。其次，针对c s 结构的分布式应用系统中所面临的软件更新和调整 困难的问题，结合分布式系统的持续一致性模型提出一种优化的c l i e n t 端软 件自动更新方法，并给出在自动更新中遇到的一些关键问题的解决策略，如 更新源的选择、一致性需求强度的度量、更新的时序问题等；再次，对自主 计算系统相关概念模型进行描述，并给出了基于此模型实现自主计算属性的 策略，如通过状态回滚实现自我修复，结合知识库进行b u g 自动修改实现代 码层面的自我修复、动态侦测系统运行环境结合知识库实现自我优化等。 最后，基于国家审计署金审工程的社会保障联网审计系统，在实际的 分布式应用系统环境下构建自主计算系统，对本文中提出的方法进行实验验 证，并进行相关分析，使该系统具备了一定的自主计算属性。 关键词：分布式应用系统；c s ：自主计算；自我管理；自动更新 一 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 a b s t r a c t i th a sh i n d e r e dt h ed e v e l o p m e n to fac o m p u t e rs y s t e mt oc o p ew i t hs o r w a r e c o m p l e x i t yc r i s i s ，i n2 0 01 ，m mp r o p o s e da ”a u t o n o m i cc o m p u t i n g ”c o n c e p t , w h o s e g o a l i st oe n a b l et h ec o m p u t e rs y s t e mt oh a v et h e c a p a b i l i t i e s o f s e l f - m a n a g e m e n t f i r s to fa l l ，a u t o n o m i c c o m p u t i n g f r a m e w o r kf o rc s a r c h i t e c t u r e d d i s t r i b u t e da p p l i c a t i o ns y s t e m sa n ds o f t w a r em o d e la r eg i v e no nt h eb a s i so f r e s e a r c hr e s u l t si nr e l a t e df i e l d sb o t ha th o m ea n da b r o a d ，a n di t sw o r km e c h a n i s m i nm o r ed e t a i li sg i v e n s e c o n d l y , f o rt h ed i f f i c u l tp r o b l e m so fs o f t w a r eu p d a t e s a n da d j u s t m e n t se x i s t i n gi nac s - a r c h i t e c t u r e dd i s t r i b u t e da p p l i c a t i o ns y s t e m , c o m b i n e dw i t ht h ec o n t i n u e dc o n s i s t e n c yo fd i s t r i b u t e ds y s t e m s ，a l lo p t i m i z e d a u t o m a t i cu p d a t em e t h o df o rc l i e n ts o f t w a r ei sp r e s e n t e d ，a n ds o m eo ft h ek e y i s s u e se n c o u n t e r e di nt h ea u t o m a t i cu p d a t e ，s u c ha ss e l e c t i o no fu p d a t i n gs o u r c e s ， c o n s i s t e n c y , am e a s u r eo ft h ec o n s i s t e n c yo fd e m a n di n t e n s i t y , t h eu p d a t e d t i m i n gi s s u e s ，a r eg i v e n ，a n d a l s os o l u t i o ns t r a t e g i e st od e a l 嘶t l lt h e ma r e g v i e n t h i r d l y , t h ec o n c e p t s o fa u t o n o m o u s c o m p u t i n gs y s t e m m o d e la r e d e s c r i b e d ，a n ds t r a t e g i e st oi m p l e m e n ta u t o n o m i cc o m p u t i n gp r o p e r t i e sb a s e do n t h i sm o d e la r eg i v e n , s u c ha sa c h i e v i n gs e l f - h e a l i n gb yt h es t a t er o l l b a c k , m o d i f y i n gb u ga u t o m a t i c a l l yc o m b i n e d 、 ，i t l lk n o w l e d g eb a s et o a c h i e v et h e c o d e - l e v e l s e l f - h e a l i n g ，a n dm o n i t o r i n g t h e s y s t e mo p e r a t i n g e n v i r o n m e n t d y n a m i c a l l yc o m b i n e d 、析mk n o w l e d g eb a s et oa c h i e v es e l f - o p t i m i z a t i o n f i n a l l y , o nt h e b a s i so f”n e t w o r k b a s e d s o c i a l s e c u r i t y a u d i t s y s t e m ”f n - s a s ) o fc h i n a sg o l d e na u d i t i n gp r o j e c to fn a t i o n a la u d f fo f f i c e ，a a u t o n o m i cc o m p u t i n gs y s t e mi sb u i l ti nar e a lc s - a r c h i t e c t u r e dd i s t r i b u t e d a p p l i c a t i o ns y s t e me n v i r o n m e n t t h em e t h o dp r o p o s e di nt h i st h e s i si sv e r i f i e db y 哈尔滨工程大学硕十学位论文 e x p e r i m e n t , a n da n a l y s i si sc o n d u c t e dt oa c h i e v et h ed e s i r e dg o a l s k e y w o r d s ：d i s t r i b u t e da p p l i c a t i o ns y s t e m ；c s ；a u t o n o m i cc o m p u t i n g ； s e l f - m a n a g e m e n t ；a u t o m a t i cu p d a t i n g 哈尔滨工程大学硕士学位论文 目录 第l 章绪论1 1 1 课题背景和意义1 1 2 自主计算国内外研究现状2 1 2 1 国外研究现状2 1 2 2 国内研究现状4 1 - 3 论文的研究内容和组织结构5 1 3 。1 研究内容5 1 3 2 论文组织6 第2 章自主计算的相关理论7 2 1 自主计算概述7 2 2 自主元素9 2 3c s 结构分布式应用系统。11 2 3 1c s 结构分布式应用系统简介1 l 2 3 2c s 结构分布式应用系统的特点1 1 2 4 自主元素工作机制和反馈控制循环1 2 2 4 1 反馈控制循环简介1 2 2 4 2 自主元素工作机制和反馈控制循环比较分析1 3 2 5 本章小结1 4 第3 章分布式应用系统自主计算模型研究。1 5 3 1 架构分析1 5 3 2 软件建模1 6 3 3 系统工作机制18 3 4 本章小结2 0 第4 章分布式应用系统自主计算的自动更新研究2 1 4 1 自动更新总体情况2 1 4 1 1c s 结构分布式应用系统自动更新的必要性2 1 4 1 2 现有自动更新方法分析2 2 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 4 2 自动更新关键问题解决方案2 3 4 2 1 持续一致性模型及其在自动更新中的应用2 3 4 2 2 相关概念定义2 4 4 2 3 更新源的选择2 6 4 2 4 更新操作的时序问题。2 8 4 2 5 更新算法2 9 4 2 6 自动更新工作机制31 4 3 本章小结3 4 第5 章分布式应用系统自主计算工作机制研究3 5 5 1 概念模型描述3 5 5 2 自主元素的自我修复3 8 5 3 监控信息分析、自我保护的实现和常见b u g 的自我修复3 9 5 4 本章小结4 1 第6 章分布式应用系统自主计算的实现4 2 6 1 社会保障联网审计系统简介4 2 6 2 基于n s a s 2 0 的自主计算系统分析与设计。4 4 6 2 1n s a s 2 0 自主计算需求分析“ 6 2 2 软件结构。4 6 6 2 3 知识库构建示例。4 8 6 3 自主计算系统在n s a s 2 0 的实现和部署4 9 6 3 1 自动更新实验。5 0 6 3 2b u g 自我修复、状态回滚、自动更新综合实验。5 1 6 4 本章小结5 4 结论。5 5 参考文献5 6 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果6 0 致谢。6 2 哈尔滨下程大学硕士学伊论文 第1 章绪论 1 1 课题背景和意义 随着计算机技术，尤其是分布式系统、网络技术的迅猛发展，软件复杂 性危机已经成为了阻碍i t 产业取得进一步进展的一个重大问题。今天计算机 系统的管理的难度远远超出了个人软件环境的范围【l 】。计算机系统的复杂性 几乎接近人类能力的极限，但随着大规模、异构、动态的信息系统不断涌现， 软件复杂性危机逐渐凸显，上述问题的困难也随之增加。如果这个问题不能 妥善解决，它将阻止我们进入下一个计算时代【2 】。 自主计算( a u t o n o m i cc o m p u t i n g ) 是为了解决上述问题而提出来的- - f l 学科【3 】，2 0 0 1 年3 月，i b m 的研究高级副总裁p a u lh o r n 在哈佛大学的演讲 中首次引入了“自主计算 的概念，其目标是实现计算系统和应用程序能够 以最少的人工干预管理自己，简化和自动化计算系统，包括硬件和软件的管 理，最终实现“用技术管理技术 【4 】的目的。 自主计算的基本思想是从整体上设计一种具有自我管理能力的可扩展计 算机系统。自我管理可以使系统具有更高的可靠性和稳定性【5 1 。目前，研究 领域普遍认为自主计算系统应该是一种能够感知到自身和外部环境变化，并 实现自我调整，实现自我配置，自我保护，自我优化，自我修复等属性的计 算环境n 1 1 4 1 ，这些是自主计算的核心理念。 因此分布式应用系统的自主计算研究和应用对于积极应对软件复杂性危 机所带来的管理问题，使管理人员从繁重的管理工作中解放出来有着重要的 意义。 本课题来自国家审计署金审工程社会保障联网审计项目，基本需求 来自社会保障联网审计系统。 自2 0 0 3 年国家审计署建设“金审工程”以来，计算机审计规模和功能日 益扩大，计算机审计需求也在不断提高。经过多年的努力，哈尔滨工程大学 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 计算科学与技术学院研究开发的社会保障联网审计系统作为“金审工程” 的重要项目，目前在国内处于领先地位，审计的社会保险险种包括基本养老 保险、医疗保险、工伤保险、生育保险和失业保险。从体系结构上看，该系 统是典型的c s 结构分布式应用系统，由于审计单位和被审单位分布于不同 的物理位置，审计工作已经进入了分布式联网审计的阶段，采用的应用软件、 操作系统、数据库管理系统存在着较大的异构性，很大程度上增加了管理成 本和管理难度。 分析系统的实际用户群，易知用户主体和大部分管理人员多为政府行政 人员，对于管理系统的困难较大，为了降低管理成本，使管理人员从繁重的 管理工作中解放出来，实现该系统的自我管理，即实现系统的自主计算特性 便成了迫在眉睫的需求。 1 2 自主计算国内外研究现状 从自主计算的概念在2 0 0 1 首次被提出开始，国内外相关领域的学者在自 主计算系统的模型、实现方法等方面做着积极的探索和研究，自主计算在理 论和技术方面的发展很迅速，也成为了目前分布式系统的研究热点之一。 1 2 1 国外研究现状 k e p h a r t 于2 0 0 3 年在文献【1 】中指出自主计算的本质是自我管理，自主系统 应使用户的机器以最高性能7 2 4 d x 时运行，并论述了自主计算包含的特性， 该文章成为了自主计算领域奠基性成果。在自主计算所应包含的内容上，一 些学者也提出了各自的观点，如h u a g l o r yt i a n f i e l d 在文献【6 】中列举了包括自 我诊断、自我纠正、自我组织等2 2 种属性等；但是被学术界广为认可的还是 自我配置、自我优化、自我修复和自我保护四个属性。k e p h a r t 在文献 7 】中从 人工智能的视角给出了一个原型系统，展现了其在性能管理和资源分配方面 的特点。并于2 0 0 7 年提出：按照用户的高层目标进行自我管理是自主计算系 统的一大特点，文中使用效用函数作为一种原则性的方法代表此目标，也指 出了其在商业化过程中面临的挑战【引。k e p h a r t 等人的研究为自主计算领域的 2 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 发展奠定了非常重要的基础。 另外，r o ys t e r d t t 的研究，如他自然地融合软、硬计算的思想，结合两 方面的优点实现自主计算，也在自主计算领域有着重要的影响 9 1 。 c a r s t e nf r a n k e 把自主计算与虚拟化等技术结合，用于建立一种用于适应 不断变化的业务策略、模型，满足动态业务环境的业务网槲1 0 1 。 o z a l pb a b a o g l u 等人为解决传统的自主系统通过添加组件以对系统进行 监测、误差函数检测、维修等操作存在的问题，提出了称为“g - r a s s r o o t s s e l f - m a n a g e m e n t 的方法，给出了一套自我修复和自我组织的实现方案【1 1 1 。 m a r y a mb i s a d i 引入了一种分布式组件的自我修复的生物启发机制，自我修 复通过中心化的管理者来实现，它把一个分布式系统组件视为纯粹的不需要对 其进行修改黑盒子，利用已有的知识库和备用组件库进行替换最终完成【1 2 j 。 h a y d a r l o u 探索了具有自我管理功能的分布式面向对象的系统中，语义 w e b 技术的潜力，并给出了一个自我管理的知识模型【1 3 】。这篇文章的研究是 典型的知识模型方法的应用。 从2 0 0 4 年开始的每年一度的自主计算国际会议( i c a c ) 促进了自主计 算领域研究的发展，每年的i c a c 都会收录大量的优秀研究成果，如文献【1 4 】、 【1 5 】、 1 6 】等，i c a c 代表了国际上自主计算研究的最高水平。 文献【1 7 】完成的g l o b u l e 是一种协作的内容分发网络，是由通过广域网协 作的w e b 服务器组成，这些w e b 服务器通过广域网协作为网站主机提供性 能和可用性的保障。 文献 18 完成的a s t r o l a b e 能够收集大规模系统状态，允许快速的更新， 并提供快速切换属性聚合。作为一个分布式系统的监视系统，在几十秒钟的 信息传播延迟内，可以扩展到数千，甚至数百万的节点。 文献 1 9 】完成的j a d e 的基本思想是检测故障，并将有故障的组件自动替 换，j a d e 是一个分布式软件环境自我管理的中间件，将传统的软件资源打包 并提供一个统一的管理界面，较好地实现了自主计算的部分特性。 上述文献【1 7 1 9 】是反馈控制循环在自主计算系统中成功应用的典型案 例。 3 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 2 0 0 9 年以来，自主计算的研究和应用也更加广泛，如文献 2 0 q h 在自主 计算系统应用遗传算法用于决策、在文献【2 1 】中自主计算在医药信息学中的 应用、文献 2 2 】中给出的自主计算系统中非中心化多策略优化在d w l ( d i s t r i b u t e dw - l e a r n i n g ) 的应用等。 其他的工作还包括：g a r yd u d l e y 等人提出的在向量积i t 环境中的自我 修复系统瞄1 、m i k ec h e n 提出的基于决策树的错误诊断1 2 4 1 等。 1 2 2 国内研究现状 近年来，国内的学者也在本领域进行了进行了深入的研究，以下是其中 比较有代表性的工作。 浙江大学的廖备水、李石坚等人提出了一个自主计算的概念模型，并给 出了相应的实现方法 2 f l ，他在2 0 0 8 年软件学报发表的文献【2 5 】基本代表了国 内现阶段自主计算领域综述的最高水平；廖备水在文献 2 6 】中提出了基于 p d c a g e n t ( 其中p 代表“政策 、d 代表“内部愿望”、c 代表“合同 ) 的自主计算系统理论框架和用于指导主体行为的政策表示、细化和部署机制 以及担任自主元素的主体逻辑和体系结构模型，这篇文章在面向服务的自主 计算方面进行了深入的研究，但对于服务合成过程的自我优化以及“处方” 的动态调整有待深入研究。 中国科学院计算技术研究所的张海俊博士所在的由中科院计算所史忠植 院士主持的项目组具有国内领先的智能主体和多主体系统方面的研究基础， 张海俊的博士论文t 3 q b ，在此基础上提出了一种通用策略规范语言g p s l ；张 海俊等人在文献【2 7 中为进行自主计算系统的建模，提出了一种多主体系统 设计方法；在文献 2 8 】中提出了一种自主计算系统的建模方法，实现了自主 计算环境a c e 。 自主计算的研究在国内起步较晚，目前，以上两组学者的工作代表了国 内自主计算领域研究的最高水平，也为很多相关研究打下了基础。另外以下 学者的工作也在本领域作出了重要的贡献。 臧铖、黄忠东在文献 2 9 1 提出了基于状态的自主计算模型，利用统计 4 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 记分方法对状态变化进行判定和标记，建立了较为通用的模型，实现了部分 自主计算特性。 东北大学的郭楠等人基于m o b i l ea g e n t 从网络管理的自动初始化和动态 自管理两个方面实现对网络自我的管理，提出了基于m o b i l ea g e n t 的分布式 网络自我管理模型【3 0 1 。 刘涛、曾国荪等人在文献【3 1 】中，按照异构特征对网格进行了划分，采 用控制理论的方法加速a g e n t 的合理分布，文中提出的任务分配机制具有一 定的自主计算特性。 清华大学的付长冬、舒继武等人在文献 3 2 1 中为了减少人工干预和系统 的复杂性，提出了一种解决存储管理的体系结构，文中提出的基于自主计算 的s a n 存储管理系统，具有比较全面的自主计算属性。 李春江、肖侬、杨学军设计了具有自主计算特征的计算网格资源备份服 务系统【3 3 1 ，该系统采用了自主计算思想，具有一定程度的自识别、自感知、 自组织、自优化和自愈合的能力。 2 0 0 9 年以来，国内比较典型的研究和应用有：李云春，张德生等人提出 的基于自主计算技术的集群节点监控管理服务机n t 3 4 1 、文献 3 5 q h 利用自主 计算的思想给出的资源监控管理系统等。 目前的国内的研究多数比较关注自主计算宏观架构概念或特定应用领 域，深入到具体设计实现层面的不多，研究方法关注a g e n t 的比较多，但大 多数基于a g e n t 的模型中，无法进行策略的动态处理，针对c s 结构分布式 应用系统的自主计算属性的研究和实现没有被较多的学者深入研究。 1 3 论文的研究内容和组织结构 1 3 1 研究内容 本文对当前的国内外相关领域进行了深入的分析和研究，并对各种相关 理论和技术进行深入讨论，给出了一种分布式应用系统自主计算的总体框架 和建模方法；结合分布式系统的持续一致性模型提出了一种优化的c l i e n t 端 软件自动更新方法；对自主计算系统相关概念模型进行了描述，并详细阐述 哈尔滨工程大学硕士学位论文 了基于此模型实现自主计算属性的策略；最后，以国家审计署金审工程 社会保障联网审计系统为实际实验环境，进行了实验验证。 本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 分布式应用系统自主计算模型研究； ( 2 ) 分布式应用系统自动更新方法研究； ( 3 ) 分布式应用系统自主计算工作机制研究； ( 4 ) 分布式应用系统自主计算平台构建研究； ( 5 ) 以社会保障联网审计系统为实验平台进行实际应用并测试。 1 3 2 论文组织 论文的具体安排如下： 第1 章论述本课题研究背景和意义，深入讨论自主计算的国内外的研究 现状，并阐述论文的主要研究内容和组织结构。 第2 章介绍自主计算的自主计算的基本情况、相关理论和技术、c s 结 构分布式应用系统的特点、自主元素工作机制和反馈控制循环模型。 第3 章以自主元素工作机制为基础给出分布式应用系统自主计算架构， 之后进行软件建模，对本文设计的自主计算系统的部署和工作机制进行详细 的描述。 第4 章提出了一种c l i e n t 端软件自动更新方法，并结合持续一致性模型， 提出了对一致性单元( c o n i t ) 的一致性需求强度( c d i ) 的度量方法，以进 一步优化更新性能，并给出了其他一些关键问题的解决策略。 第5 章对自主计算系统相关概念模型进行了描述，并详细阐述了基于此 模型实现自主计算属性的策略。 第6 章以社会保障联网审计系统为实际实验环境，构建了自主计算 系统，对以上各章提出的理论和技术进行实验验证和分析。 结论中对全文进行了总结和展望，指出了本文的主要贡献和创新之处， 并提出一些需要进一步研究的问题。 6 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 第2 章自主计算的相关理论 自主计算技术是应对软件复杂性危机的重要技术，其思想来源于人类的 神经系鲥3 1 ，下面将对其相关理论进行介绍。 2 1 自主计算概述 随着分布式系统的动态、异构和不可靠性使其复杂程度不断提高，管理计 算机系统的难度远远超出了个人软件环境的范围。需要融入整个公司的计算机 系统，并扩大到超越公司界限的互联网上，因此，引入了新的复杂程度【l 】。计 算机系统的复杂性几乎接近人类能力的极限，但这种趋势有增无减。 正如k e p h a r t 于在文献【1 】中指出的：“系统根据管理员的目标进行自我管理” 这些思想不是科幻小说，而是创造自我管理的计算机系统面临的伟大挑战的要 素。自主计算可以通过“用技术管理技术 4 1 来帮助解决这些问题。一个自主 或者说自我管理的计算系统将减轻低层次操作的负担，如配置、依赖管理、性 能优化管理，过去这些工作由有意识的“大脑 系统管理员进行日常维护 【3 6 】。系统中的自我管理能力通过采用合适的基于一种或多种状态动作，这些状 态来自系统对环境的感知。自主能力是一个控制循环并且进行相应的行动1 4 j 。 像生物界的自主系统一样，当面对不断变化的组件、工作负载、命令和外部条 件以及在面对硬件或软件故障时，自主系统将维护和调整其运作。例如：自主 系统可能会持续监控自己的使用，以及组件升级检查【l 】。 自主计算的本质是实现自我管理( s e l f - m a n a g e m e n t ) ：0 j 能【l 】，主要表现为 四个方面的特性1 1 1 4 1 1 3 6 】： ( 1 ) 自我配置( s e l f - c o n f i g u r i n g ) ：组件和系统按照高层策略进行自动配 置，系统的其他部分无缝地自动调整【l j ； ( 2 ) 自我优化( s e l f - o p t i m i z i n g ) ：组件和系统不断地寻找机会，以提高 自己的性能和效率u j ； ( 3 ) 自我修复( s e l f - h e a l i n g ) ：系统自动检测，诊断和修复本地的软件和 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 硬件的问题【1 1 ； ( 4 ) 自我保护( s e l f - p r o t e c t i n g ) ：系统会自动地防范恶意攻击或级联故障。 它使用早期的警告来防御和组织系统故障【l j 。 这四种特性之间不是相互孤立的，而是相互关联的，如：自我配置的目 的在很大程度上是完成自我优化，系统可通过自我配置来协调资源的使用， 实现自我优化；自我修复也可以使系统完成一定的自我保护等，比较完善的 自主计算系统应该同时具备上述四方面特性。 自主计算展示了美好的愿景，但是完全实现自主计算对于r r 业界和学术 界来讲都还有很长的路要走。在工程和科学理论方面，自主计算都面临着挑 战很多的挑战： ( 1 ) 在工程方面面临的挑战主要有：自主元素生命周期的研究、自主系 统的设计、测试和验证、安装和配置、监测和问题的确定、更新、生命周期 的管理、自主元素之间的关系等方面的问题等【l 】； ( 2 ) 在科学方面面临的挑战主要有：行为的抽象、自动化统计建模等： 被管资源必须实现相应接口以供管理。文献【3 7 】中指出自我修复的必要 条件：必须拥有适当的规律性，依赖于它可以使系统所有可能的配置都能满 足，并且一定独立于它的失效方式。 自主计算的实现程度分为以下5 个等级 3 , 3 8 , 3 9 1 ： ( 1 ) 基本级( 级别1b a s i c ) ：需要i t 专业人员单独对每一基础设施组件 进行管理，从安装、监视直到最终替换它们，所以要求广泛、具有很高i t 技 能的人员【3 9 1 。 ( 2 ) 可管理级( 级别2m a n a g e d ) ：可以使用系统管理技术将来自不同系统 的信息收集到较少的控制台上，从而当r r 环境变得更加复杂时帮助管理员节省 收集信息及对其进行综合处理所需的时间，因此工作效率得到了提高 3 9 1 。 ( 3 ) 预测级( 级别3p r e d i c t i v e ) ：使用能够使部分基础设施组件相关的新 技术来进行模式识别，预报最优配置，为管理员提供更快和更好的决策建议 【3 9 】。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 4 ) 适应级( 级别4a d a p t i v e ) ：i t 系统敏捷性和弹性增强，系统尽量减 少与人员的交互，并且自身可以根据获得的内部信息和外部信息自动发起执 行正确的行动3 9 1 。 ( 5 ) 自治级( 级别5a u t o n o m i c ) ：管理员只需发布业务策略和目标的命 令，对i t 基础设施的运行进行管理。系统自主运行予以实现，实现自我管理 1 3 1 1 3 9 1o 从2 0 0 1 年3 月，i b m 的研究高级副总裁p a u lh o r n 在哈佛大学首次提出 “自主计算 的概念起，各大i t 公司、科研单位纷纷投入了大量的努力来研 究自主计算系统。在国内，很多知名高校、科研院所也积极投身于自主计算 的研究。 2 2 自主元素 自主元素( a u t o n o m i ce l e m e n t ，a e ) 主要由自主管理者( 么m ) 、被管资 源( 尬) 、传感器效应器组( s e n s o r s e f f e c t o r s ) 2 5 1 ，其结构如图2 1 所示。 图2 1 自主元素的结构 在图2 1 中，被管资源是指被自主管理者控制的系统组件，可以是硬件 资源( 如储存器，c p u 或打印机等) ，可以是软件资源( 如数据库、目录服 务或大型的传统系统等) ，也可以是其他的自主元素。自主计算系统 9 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 ( a u t o n o m i cc o m p u t i n gs y s t e m ) 由自主元素组成冽。 自主元素通过其自身的传感器和效应器实现对被管理资源的控制。传感 器提供用于收集组件状态和状态迁移信息的机制。传感器可以使用一组“g e t 操作集合获取被管资源m r 的状态特征，或者使用由m r 主动报告的管理事 件集合，当m r 状态特征显著改变时生成管理事件流。效应器提供改变m r 状态的可执行动作集【2 5 j 。效应器可以使用一组“s e t 命令或应用编程接i ：1 ( a p i ) 的集合，以此在必要时改变m r 的相关配置。自主管理者( 也有文献称为自 主管理器) 是自主架构中的重要部分，负责管理被管理的资源，同时还要与 外部环境进行通信、和其他自主元素交互。 自主管理者由四个部分组成：监测( m o n i t o r ) 、分析( a n a l y z e ) 、规划 ( p l a n ) 和执行( e x e c u t e ) ，这四个部分有一个共享的知识库( k n o w l e d g e ) 。 ( 1 ) 监测部件：收集、过滤、管理、上报m r 信息、指标、配置、属性 设置等 3 1 。一些数据是静态的或变化缓慢，而其他的数据是动态的，随着时 间的推移不断变化。监测部件聚集、关联和过滤这些细节，直到它确定一个 需要加以分析的特征。 ( 2 ) 分析部件：该部件能提供机制来观察和分析形势，以确定m r 是否 有变更需求。该分析功能负责确定自主管理者是否可以遵守既定的策略。 ( 3 ) 规划部件：该部件生成相应的修改计划，这代表了理想的m r 的变 化集，逻辑上通过了执行部件的修改计划。 ( 4 ) 执行部件：该部件安排和执行对系统进行必要的修改。 本文的研究重点是分布式应用系统的自我管理( 自主计算的本质【l 】) ，因 此本文中所指自我管理的内容即为：分布式系统应用软件的自我配置、自我 优化、自我保护、自我修复，因而不必过多关注c p u 、内存等硬件层面和操 作系统等方面的问题。对于分布式应用系统来讲，自主元素的传感器s e n s o r s 可以由一组护f o 函数来实现，效应器e f f e c t o r s 可以由一组s e t o 函数来实现， 在本文的设计中要求m r 必须实现带一组有g e t o # e t o 函数的接口，具体设计 参见下一章。 1 0 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 自主计算系统的工作流程是一个反馈控制循环过程，传感器s e n s o r s 通 过秽哟函数得到必要的监控点信息，这决定了自主系统关注的问题范围，由 监测部件通过循环控制流传入自主管理者，分析部件结合知识库对其进行分 析，当发现有必要对m r 进行配置、优化、修复、保护时由规划部件生成相 应调整计划，并交由执行部件生成一组动作序列，效应器e f f e c t o r s 结合这组 动作序列，通过矽哟函数对m r 进行调整，至此，一个循环过程结束，系统 进入下一个循环过程。 2 3c s 结构分布式应用系统 2 3 1c s 结构分布式应用系统简介 分布式应用系统是将应用程序逻辑分布到网络上的两台或者多台计算机 上来实现的系统。它对用户看起来像集中的单机系统，而实际是由多个相互 连接的处理资源组成的计算系统，它们在整个系统的控制下可合作执行共同 的任务，其中的处理资源可以是物理上相邻的，也可以是分布的，从体系结 构上看，常见的分布式应用系统可以分为c s ( 客户杌月艮务器) 结构和b s ( 浏览器服务器) 结构两种。 在客户杌月艮务器( c l i e n t s e r v e r ，c s ) 结构中，分为c l i e n t 和s e r v e r 两 层，c l i e n t 端一般执行业务逻辑和表示逻辑，而s e r v e r 则提供对数据的访问 等操作。在分布式应用系统的软件中，c l i e n t 和s e r v e r 都是指通信中所涉及 的应用进程。在c s 结构中，s e r v e r 是系统的核心，而c l i e n t 是系统的基础。 2 3 2c s 结构分布式应用系统的特点 c s 结构的分布式应用系统具有响应速度快、操作界面美观、即时事务处 理能力较强、处理复杂的业务流程能力较强等优点，但是随着应用范围的扩大， 它表现出客户端更新和升级困难、缺乏集中控制、安全可靠性较差等许多缺点。 另外，随着软件复杂度的不断提高，系统的管理成本也在不断增加，因此，在 c s 结构的分布式应用系统中实现自主计算的必要性便十分明显。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 c s 结构分布式应用系统的优势 ( 1 ) 服务器运算负荷较轻。c s 结构的分布式应用系统可以将较大部分的 运算操作放在c l i e n t 进行，因此s e r v e r 端的运算负荷相对较轻。 ( 2 ) 数据的储存管理较为透明。在分布式应用系统中，数据的储存管理 功能，是由s e r v e r 和c l i e n t 端应用程序分别进行，存在一定异构性的程序和 数据在s e r v e r 中不进行集中管理。 2 c s 结构分布式应用系统的劣势 ( 1 ) 需要部署专门的c l i e n t 端程序。c s 结构的分布式应用系统的部署特 点决定了必须在c l i e n t 端安装专门的程序，因此带来了很多问题，其中最主 要的是高昂的维护成本。 ( 2 ) 分布能力较弱。如果分布式应用系统的节点较多，物理上过于分散， 由于其管理维护的劣势，c s 结构便不太适合。 ( 3 ) c s 结构的一大缺点是c l i e n t 端软件更新的工作量大。一方面，这是 c s 结构的分布式应用系统与生俱来的弊端，另一方面，在某种程度上，不 断的更新也是软件的魅力所在。因此，c l i e n t 端软件的自动更新成为一个不 可回避的问题。 2 4 自主元素工作机制和反馈控制循环 2 4 1 反馈控制循环简介 反馈控制循环( f e e d b a c kc o n t r o ll o o p ) 已在各种工程领域应用多年【4 5 1 ， 目前比较成功的分布式系统自主计算的案例很多借鉴于反馈控制的框架进行 具体设计。 自主计算系统通常可以组织成为反馈控制循环，反馈控制循环含有监视 组件、分析组件和多种工具集。在分布式系统自主计算领域，目前提出的成 果，很多都是采用这种模式，成功的先例如文献【1 7 】、【1 8 、 1 9 都是在这种 模式下使用自己创造的“工具集”进行研究。反馈控制循环可以集成到分布 式系统的很多地方，实际的开发和部署是十分灵活的。反馈控制系统的逻辑 1 2 哈尔滨t 程大学硕七学位论文 组织结构如图2 2 所示 4 0 l 。 不可控参数( 干扰噪声) 图2 2 反馈控制系统的逻辑组织结构 反馈控制循环有三个要素。第一，系统的监n - 自主计算系统需要对被管 资源的各个方面指标进行测量；第二，测量值的分析：将得到的监测数据与参 考值进行比较，进而生成各种调整方法，这部分是控制循环的核心部分。第三， 调整方法：调整方法可以由不同的机制组成，将直接作用于被管系统 4 0 l 。 2 4 2 自主元素工作机制和反馈控制循环比较分析 容易看出，自主元素和反馈控制循环在结构和工作机制上有着很大的相 似之处：在自主元素中，监控( m o n i t o r ) 部件相当于反馈控制循环中的尺度 预测部件；分析( a n a l y z e ) 部件相当于反馈控制循环中的分析部件，计划 ( p l a n ) 部件相当于调整方法；执行( e x e c u t e ) 相当于纠正。 另外，例如：m r 通过可控输入参数驱动，但它们的行为会受所有不可 控输入( 又称干扰或噪声输入) 影响，对于分布式应用系