（计算机应用技术专业论文）osgi及其qos获益的自适应web中间件架构研究.pdf

摘要 随着软件工程技术的发展，软件系统在后运行阶段所体现出来的 动态性和自适应性显得越来越重要，成为学术界和工业界研究的热点 问题之一。另一方面互联网高速发展，w e b 应用系统的日益普及，使 得w e b 中间件服务器的q o s ( q u l i t yo f s e r v i c e ) 控制技术成为很有价值 的研究课题。 首先，本文引入了一个动态软件系统结构框架实例o s g i ( o p e n s e r v i c eg a t e w a yi n i t i a t i v e ) ，就其规范性、动态性以及可扩展性的特点 进行了介绍。在o s g i 系统框架的基础上，以提高用户的服务请求质 量q o s 为目标，对o s g i 所提供的基础服务进行扩展，提出了一个动 态自适应的w e b 中间件服务器调度框架。 其次，该w e b 中间件服务器框架扩展了传统的w e b 服务器调度 框架，以o s g i 规范的b u n d l e 的形式提供了q o s 管理控制模块和资 源管理调度模块，实现了对用户请求q o s 的需求管理，用户请求的 多级队列管理，用户请求的q o s 获益评估，系统资源的动态规划以 及业务服务的实例池管理。通过引入这些关键技术，使得该w e b 中 间件服务器从体系结构上提供了针对应用q o s 需求的控制机制，进 一步提高了用户请求的q o s 服务质量。 第三，在初步的仿真实验中，实现了一个基于该w e b 中间件服务 器的身份验证应用系统，并且在用户的服务请求q o s 上与传统的w e b 服务器做了相应的结果分析比较。实验结果表明该基于o s g i 的动态 自适应w e b 中间件能够进一步提高w e b 应用系统对于用户请求的 q o s 服务质量。 最后，对所做的研究与设计工作进行了总结，并阐述了将来进一 步的工作计划。 关键词软件体系结构，o s g i ，w e bq o s ，w e b 服务器 a b s t r a ct w i 也t h ed e v e l o p m e n to fs o f t w a r e e n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y ，t h e d y n a m i c a n d a d a p t i v ec a p a b i l i t y o fs o f t w a r e a r c h i t e c t u r ei n p o s t d e v e l o p m e n tp h a s eh a sd r a w ns om u c ha t t e n t i o na n db e c o m eo n eo f t h eh o t t e s tr e s e a r c hp o i n t si na c a d e m ea n di n d u s t r i a la r e a o nt h eo t h e r h a n d ，t h er a p i dd e v e l o p m e n ta n dp o p u l a r i t yo fi n t e r n e ta n d 佬b a p p l i c a t i o nh a sa l s om a k et h ep r o b l e mo fq o sc o n t r o lt e c h n o l o g y 南零 w e b a p p l i c a t i o ns e r v e rb e c o m eav a l u a b l er e s e a r c hs u b j c c t _ j _ 一 f l r s t l y , t h i st h e s i si n t r o d u c e sad y n a m i cs o f t w a r ea r c h i t e c t u r en a m e d o s g i ( o p e ns e r v i c eg a t e w a yi n i t i a t i v e ) ，a n dg i v e sab r i e fi n t r o d u c t i o no f i t ss t a n d a r d ，d y n a m i c ，e x t e n s i b l ec h a r a c t e r i s t i c b a s e do nt h eo s g i s y s t e mf r a m e w o r k , t h i st h e s i sp r o p o s e sa l la p p r o a c ht ot h ea d a p t i v ea n d d y n a m i c 胁bm i d d l e w a r es e r v e ra r c h i t e c t u r e b ye x t e n d i n g t h e f u n d a m e n t a ls e r v i c eo r i e n t e do s g if r a m e w o r kt oi m p r o v et h eq u a l i t yo f s e r v i c ef o ru s e rr e q u i r e m e n t s e c o n d l y , t h em i d d l e w a r es e r v e re x t e n d st h et r a d i t i o n a ls c h e d u l i n g f r a m e w o r ko fn o r m a l 佬ba p p l i c a t i o ns e r v e r , p r o v i d e st w oc o r em o d u l e s i nf o r mo fo s g ib u n d l e , i n c l u d i n gq o sm 鹕a g e m e n tc o n t r o la n d r e s o u r c em a n a g e m e n ts c h e d u l i n gc o m p o n e n t s ，w h i c ha r eu s e dt om a n a g e t h eq o sr e q u i r e m e n t ，s e r v ef o rd i f f e r e n tq u e s t ，e v a l u a t e st h eq o s b e n e f i t s ， a n da l s or e a l l o c a t e ss y s t e mr e s o u r c e f u r t h e r m o r e 。t h i sm i d d l e w a r es e r v e r u s e st h ei n s t a n c ep o o lf o rb u s i n e s sc o m p o n e n tm a n a g e m e n t a i lo f 也e s e k e yt e c h n o l o g i e sa d daq o sc o n t r o lm e c h a n i s mf o rw e bm i d d l e w a r e s e r v e r , a n da l s om a k eas i g n i f i c a n tc o n t r i b u t i o no fi m p r o v i n gt h eu s e r r e q u e s tq o s 。 t h i r d l y , d u r i n gt h ep r i m a r ye m u l a t i o n a le x p e r i m e n t , a ni d e n t i t y v e r i f i c a t i o ns y s t e mb a s e dt h eo s g io r i e n t dq o sd r i v e n 、bm i d d l e w a r e s e r v e ri si m p l e m e n t e d t h ea s s o c i a t e de x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n a l y s ea n d c o m p a r i s o n sw i t ht r a d i t i o n a lw e ba p p l i c a t i o ns e r v e ra r ea l s oc a r r i e do u t e x p e r i m e n t a lr e s u l t s c o n f i r mt h ep r o g r e s s i n g 腑6 q o si n s u r a n c e c a p a b i l i t yo ft h i so s g io r i e n t dq o sd r i v e n 缪的m i d d l e w a r es e r v e r f i n a l l y , t h ew o r ko fr e s e a r c ha n dd e s i g ni nt h i st h e s i si ss u m m a r i z e d ， a n dt h ef u t u r ew o r ki sa l s od i s c u s s e d k e yw o r d ss o f t w a r ea r c h i t e c h t u r e ，o s g i ，w e bq o s ，w e bs e r v e r i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：菇函盛 日期：型堡年翊日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：么啦导师签名缚日期：互丛年月j 日 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 2 1 世纪是一个商业全球化、电子化快速发展的时代，在软件领域中，随着移 动计算、分布计算和w e bs e r v i c e 等技术的迅速发展，随之而来的是越来越开放、 复杂、多元的软件计算环境，如何构建一个灵活、健壮的软件系统来应对日益变 化的计算环境，对于传统的软件工程实践来说是一个不小的挑战。人们在开发软 件系统时候关注的重点应该从以前的各个功能的实现慢慢过渡到动态地调整软 件模块来构建自适应的软件系统上来。如果说模块化开发思想是软件工程史上的 一次革命，那么网络服务以及软件动态性需求对软件工程理论和实践来说是由一 次大的突破【l 。j 。 在软件工程里面，软件是为解决客观世界中问题而产生的，是对客观世界的 建模，是客观事物的一种反映【2 , 4 , 5 1 。客观世界是永恒变化的，因此，动态性、自 适应性是优秀软件的重要特征。静态软件只是客观世界的一个特定时空、特定状 态的截图，动态软件才能完整地刻画客观世界的面貌。i n t e m e t 成为主流软件运 行环境之后，网络的开放性和动态性使得客户需求与网络资源更加频繁地变化， 导致软件自适应性的复杂性和必要性进一步增强。 软件的动态性、自适应性是指各个组成部分可以增加，删除和更新，软件系 统的内部结构可以自身调整，软件可以在运行时刻改变自身的构件组成情况，即 边运行边调整 6 - 8 1 。它需要在提供用户持续服务的同时，对自身成分和结构进行 更新。软件具有动态自适应特性，将大大提高系统的敏捷性，延长系统的生命周 期。软件这种运行时刻动态自适应的能力日益重要，伴随着i n t e m e t 互联网络的 发展，动态软件势必成为软件工程领域里面研究的重点【9 】。 随着i n t e m e t 互联网络的发展，动态软件的需求在w e b 应用领域也变得越来 越明显。以电子商务应用系统的发展为例，i n t e m e t 的服务模式正由传统的数据 通信与信息浏览向电子交易与服务转变，企业和服务提供商越来越崇尚将重要的 服务转移到w e b 上去，例如，在线银行、股票交易、网上预订和网上购物等， 都是目前流行的通过w e b 前端提供的电子交易与服务的形式，这种变化使得电 子商务应用系统所提供的服务变得越来越多样化，而作为w e b 应用的主要支撑 平台的w e b 应用服务器将面临越来越高要求的动态性需求。 电子商务应用系统充分利用了i n t e r n e t 网络的开发性和动态性特点，极大程 度上刺激了企业核心业务的增长，但同时面向i n t e m e t 的用户需求多样化复杂化， 硕士学位论文第一章绪论 基予阙络的分布式系统资源频繁变化，如何构建一个动态岛适应w e b 中间彳牛服 务器系统，充分有效地管理利用好系统服务资源，为用户提供越来越高效、稳定 的服务质量应对其复杂多变的需求，从两保证企业公司业务增长的强劲动力，成 为了电子商务应用系统中至关重要的问题。 1 2 动态软件体系结构 1 2 。l 软件体系结构的动态性特点 随着网络的发展，资源的异构亿，用户服务请求质量的不断提高，软件的动 态演化自适应的研究在整个软件体系结构研究中吸引了越来越多的注意【t o , n l 。 传统的软件体系结构研究设想体系结构总是静态的，即软件的体系结构一旦 建立，就不会在运行时刻发生变动【1 2 】。但人们在实践中发现，现实中的软件往 往具有动态性，即它们的体系结构会在运行时发生改变。软件在运行时发生麴变 化包括两类【1 2 1 。一类是软件内部执行所导致的体系结构改变，比如很多服务器 端软件会在客户请求到达时创建新的构件来嚷应用户的需求，某个自适应的软件 系统可能根据不同的配置状况采用不同的连接子来传送数据；另一类变化是软件 系统外部的请求对软件进行的重配置。比如有很多高安全性的软件系统，这些系 统在升级或进行其袍修改时不能停机，因为修改是在运行时刻迸行的，体系结构 也就动态地发生了变化。在高安全性系统之外也有很多软件需要进行动态修改， 比如很多操作系统期望能够在井级时无须重薪窟动系统，在运行过程中就完成对 体系结构的修改【1 3 】。 幽于软件系统会在运行时刻发生动态变化，这就给体系结构的研究提出了很 多新的问题。如何在设计阶段捕获体系结构的这种动态性，并进一步指导软件系 统在运行时刻实施这些变化，从而达到系统的在线演化或融适应甚至自主计算， 是动态体系结构所要研究的内容。 现阶段，动态软件体系结构研究可分为两个部分【1 4 】： 1 ) 体系结构设计阶段豹支持。主要包括变化的描述、檄据变化如何生成修 改策略、描述修改过程、在高抽象层次保证修改的可行性以及分析、推理修改所 带来的影响等。 ( 2 ) 运行时刻基础设施的支持。主要包括系统体系结构的维护、保证体系结 构修改在约束范围内、提供系统的运行时刻信息、分析修改后的体系结构符合指 定的属性、正确映射从体系结构构造元素到实现模块的交化f 巧l 、保证系统的重 要子系统的连续执行并保持状态、分析和测试运行系统等。 2 硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 动态软件体系结构的研究现状 动态软件体系结构由于其重要性引起理论界和工业界的广泛关注，国内外已 有许多这方面的研究成果。目前对动态体系结构的研究上主要集中在两个方面： 语言描述和动态模型上面【1 2 , 1 6 , 1 7 , 1 5 。 动态体系结构描述语言的研究思路目前主要是在体系结构描述语言中专门 添加用于演化的策略。这些策略是预先设定的。如在d a r w i n 1 2 】语言中，允许运 行时的构件复制、删除和重绑定；r a p i d e 1 2 】语言允许在w h e r e 语句中重新建立关 联；d y n a m i cw r i g h t t l 2 】语言使用标签事件的技术。这些语言的动态演化性要求体 系结构在运行时的变化事先预知。从这个意义上说，这些语言所提供的演化机制 仍带有静态性的痕迹，未能达到真正的动态性。 在模型方面，为开发能随着环境和需求变化而动态自适应的系统，j d o w l i n g 等人设计了k c o m p o n e n t 元模型【1 3 1 。在k - c o m p o n e n t 元模型中，一个有向配置 图被用来表示应用系统的软件体系结构，其中的图节点表示构件接口，类型标签 表示构件，有向边表示连接件。一个反射机制被设计用来在这个有向配置图和目 标系统之间建立因果连接，有向配置图和目标系统是模型和实现的关系，从而使 得配置图反映系统的真实软件体系结构。 国内，南京大学马晓星等提出了一种面向服务的动态协同架构【i 引，该架构引 入了内置的运行时体系结构对象来解耦系统中的各个服务构件，一并通过该对 象，从体系结构的视角来重新解释服务构件之间的引用和交互。这样，就把体系 结构这一抽象的概念具体化为可以直接操作的对象。从而可以利用面向对象程序 设计语言的继承和多态等机制，导出一种面向体系结构的系统动态演化技术。支 撑平台a r t e m i s a r c t l 8 】为具有动态演化能力的面向服务应用系统的开发、运行和 监控提供了一套集成环境。 中国科学院的韩燕波等人提出一种可视化、个性化的服务组合语言 v i n c a 1 9 】。v i n c a 使用户可以从网络服务中定制出业务应用。v i n c a 提供了 一种适应用户需求变化和网络服务变化的方式。这个方式是让用户对网络服务进 行手动的编程组合。v i n c a 有一个实际的应用背景，即2 0 0 8 年北京奥运会。 v i n c a 是一种组合语言，它虽然能动态地适应用户需求，但在运行的过程中仍 然需要用户的主动干涉，而且它采用了微观的研究方式，并没有将其与一般软件 的构造过程( 即需求的求精过程) 联系起来，这使得v i n c a 在普遍性上有所欠缺。 总的看来，上面提到的描述语言、平台模型都不同程度地推动了动态软件体 系结构的研究的发展。但诚如文献 3 】 7 】 2 0 】 2 l 】所言，这些模型还都是留在抽象 的高层概念模型层面上，还没有能够形成一个实用、具体的应用参考模型。如何 将这种动态演化的软件模型应用在具体的软件开发实施过程中，仍然是一个值得 硕士学位论文 第一章绪论 期待的研究点。 1 3o s g i 规范 通过对动态软件体系结构的介绍，可以看出动态软件体系结构的核心特点体 现在自适应性上，也就是具备动态性和可调整性。o s g i ( o p e ns e r v i c eg a t e w a y i n i t i a t i v e ) ：这_ 种由开源组织联盟提出的为了给新的网络开放强大的服务的技术规 范，以其自身的规范性和动态性特点使得动态软件体系结构的研究从抽象的高层 概念模型层面向实用、具体的应用模型的转变成为可能。 1 3 1o s g i 规范核心框架 o s g i 规范的核心组件是o s g i 框架( f r a m e w o r k ) ，如图1 1 所示【2 2 】。该框架 为应用程序提供一个标准化的环境。这个框架被分为以下几个层次： ( 1 ) 执行环境层( e x e c u t i o ne n v i r o n m e n t ) 。 ( 2 ) 组件模块层( m o d u l e s ) 。 ( 3 ) 组件生命周期管理层( l i f ec y c l e ) 。 ( 4 ) 服务注册层( s e r v i c er e g i s t r y ) 。 ( 5 ) 系统安全层( s e c u r i t y ) 。 l操作系统层i 硬件层l 图1 - 1o s g i 系统架构 执行环境就是j a v a 环境的规范。j a v a 2 配置和p r o f i l e s ，如j 2 s e ，c d c ，m i d p 等都是可用的执行环境【2 3 】。o s g i 标准化了一个基于p r o f i l e 的执行环境和一个可 用于o s g i 应用程序的最小执行环境的规范。 模块层定义了类加载策略【2 4 , 2 5 , 3 5 】。o s g i 框架是一个健壮而严格定义的类加载 模型，它基于j a v a 但是更加模块化。在j a v a 中通常只有一个单独的c l a s sp a t h 包含所有的c l a s s 和r e s o u r c e 2 6 州。o s g i 模块层为一个模块添加私有类，并控 制模块之间的关联关系。 4 硕士学位论文 第一章绪论 生命周期层能够动态地安装、启动、停止、升级和卸载的o s g i 构件单元， 称之为b u n d l e 2 8 一o l 。b u n d l e 加载c l a s s 时依赖于模块层。生命周期层引入了通常 不属于应用部分的动态性，而且它所提供的依赖机制过去常用于确认环境的当前 操作。 服务注册层添加了一个服务注册器，服务注册器为b u n d l e 之间提供了一个 协作模块用于动态注册【3 1 1 。b u n d l e 可以通过传统的c l a s s 共享来协作，但是c l a s s 共享与动态安装和卸载的代码不太协调。服务注册器提供了一个全面的模块使 b u n d l e 之间可以共享对象。一些事件被定义来处理服务的加载和卸载。服务只 是一些能够代表任何东西的j a v a 对象。其中一些服务，象一个h t t p 服务器， 可以为b u n d l e 提供基础设施的服务。其他一些服务可以代表真实世界中的对象， 比如附近一个带b l u et o o t h 功能的手机。 安全模块基于j a v a 2 的安全机n t 3 5 2 6 。语言的设计限制了许多可能的威胁。 比如在病毒中常用的缓冲区溢出是不可能出现的。语言中的访问控制限制了其他 开发者对代码的可见度。o s g i 通过允许在标准的j a v a 中不可见的私有类来扩展 这个模型。j a v a 2 的安全模块提供了一个全面的模型来检查代码对资源的访问权 限，o s g i 也添加了全面的动态权限管理。 1 3 2o s g i 规范动态性特点 软件体系结构的动态性，体现在动态地调整软件组件模块上，这样的调整必 须需要一个规范的组件模块的管理机制来支撑。o s g i 框架体现了价值所在，它 采用了b u n d l e 这种统一的方式来组织和部署系统的，一切运行在o s g i 系统平 台上的单元都可以看成是一个b u n d l e 。o s g i 是一个基于服务、面向服务的架构， 它的关注点是服务，而服务的定义，服务的实现，都是已b u n d l e 的形式来实现 的。b u n d l e 和普通的j a v a 工程的不同点是在于需要提供b u n d l e 的元数据信息， 通过该元数据的描述，o s g i 系统平台可以对该b u n d l e 进行生命周期的管理，对 其提供的服务进行注册，以及查找请求其所引用的服务。o s g i 通过b u n d l e 的形 式为软件的规范性提供了解决方案，基于o s g i 的系统采用规范的模块开发、部 署方式构建系统，这样一来为今后已有软件模块的积累和复用提供很好的支持。 除了采用规范的b u n d l e 的形式来组织和部署系统，o s g i 还提供了对b u n d l e 生命周期的管理，使得动态、自适应特点成为可能【3 1 】。基于o s g i 的系统，可通 过安装新的b u n d l e 、更新或停止现有的b u n d l e 来实现系统构件的起停。o s g i 平台负责b u n d l e 的生命周期的管理，为b u n d l e 的动态安装、启动、停止、更新 和卸载提供支持，在b u n d l e 提供的模块类加载机制的基础上，提供给外部应用 系统一个用于动态管理操作的b u n d l e 的接口，可以说该可操作性是整个o s g i 框架动态性的基石。图1 2 是o s g i 平台上b u n d l e 生命周期的管理。 5 硕士学位论文第一章绪论 图1 2o s g - i 系统上b u n d l e 的生命周期【3 2 】 o s g i 平台基于服务、面向服务的特性，它为b u n d l e 之间提供了一个动态的 协作模型【3 引。如果说b u n d l e 可被管理控制的生命周期是o s g i 动态性的基石， 那么服务机制则是o s g i 动态性展现的有力工具，服务注册为b u n d l e 间o b j e c t 级别的共享提供了一种可用的模型。o s g - i 提供了一堆的事件来通知服务的使用 者关于服务的注册和卸载。通过对运行在o s g i 系统平台上b u n d l e 的生命周期 的管理，结合o s g i 强大的服务注册机制和服务管理机制，使得基于o s g i 的系 统成为了一个能够方便在运行时刻动态改变行为的系统p 4 】。 1 4w e bq o s 研究和发展现状 随着互联网络的发展，i n t e r n e t 的服务模式正由传统的数据通信与信息浏览 向电子交易与服务转变【3 7 , 3 8 】，企业和服务提供商也越来越崇尚将重要的服务转移 到w e b 上去，电子商务、在线社区都是目前流行的通过w e b 前端提供的在线交 易与服务的形式。这种变化使得面向i n t e m e t 的w e b 应用越来越关注提供给用户 的服务质量( q o s ) ，比如信息门户和电子商务应用等，难以容忍的响应时间和服 务失败将给应用带来损失。因此w e bq o s 问题成为目前w e b 应用发展所迫切需 要解决的问题【眇, 4 0 1 。 1 4 1w 曲q o s 研究概况 w 曲q o s 的研究属于应用层范围内的q o s 问题，它量度的是用户在与w 曲 站点进行交互时所感受到的服务性能。例如，下载时间、交易时间( 如银行结算、 股票交易、网上购物) 、服务器的可用性、遇到的错误( 如失败的连接、丢失的 页面或组件、中断的链路、交易失败) 等。由于w e b 基础设施的复杂性，影响 6 硕士学位论文 第一章绪论 w 曲q o s 的因素很多。实际上，w e bq o s 控制涉及到构成w 曲应用的每一个元 素，从网络技术和协议，到w 曲服务器( 以及代理服务器) 的硬件、软件( 包括服 务器应用软件、操作系统以及中间件) 体系结构。由于大多数w e b 基础设施的 组件通常都无法轻易进行控制，所以实现w e bq o s 并非易事。概括地讲，w e b 服务供应商可以实施的w e b 系统解决方案可以分为以下两类【4 l 】： ( 1 ) 有区分的w 曲服务机制与策略。它是通过定义用户或请求的类别，确定 优先级，利用基于优先级的请求分配策略，资源监控和调度机制来保证不同的服 务水平协议。 ( 2 ) w e b 服务器系统的体系结构设计。它的目的是确定能够向所有w e b 用户 或请求提供服务水平协议保证的正确体系结构。可以分为三个方面：通过增加内 存和c p u 来扩大单个服务器的处理能力；在局域范围内通过复制服务器内容建 立w e b 集群来增强本地处理能力；在地理上的广域范围内通过复制服务器集群 来扩大全局处理能力。 目前，w e bq o s 的研究已经越来越受到国外学界和业界的重视，许多网络及 w 曲领域的著名国际会议都已把w 曲q o s 作为一个重要的议题【4 2 】。制造网络负 载均衡设备的c i s c o 公司已经和生产w e bq o s 服务质量软件的h p 公司结为战略 同盟，联手推出下一代w e bq o s 整体解决方案。此外i b m 以及许多其他生产第 七层交换机的公司也都不断推出支持w 曲q o s 的软硬件产品【4 3 】。但是目前国内 在这方面的研究还处于初步探索刚起步阶段，还很少见到这方面的研究论文以及 相关产品。 1 4 2w e b 中间件服务器的q o s 控制机制 w e b 应用服务器是w e b 应用的主要支撑平台，同样必须具备建立和支持q o s 的机制与策略，这是目前w 曲q o s 问题研究所迫切需要解决的关键环节l 。目 前传统的w e b 服务器应用软件对客户或请求不加区分，收到请求便可立即进行 处理。这样分配给某个服务类( 即一组服务，其资源的计量和调度与其他组分离) 的系统资源就与该服务类所处理的请求数量成正比，即请求到达速率较高的服务 类可以获得比其它服务类更高比例的资源，这种一视同仁的服务模式无法实现 w e bq o s 的控制。 通过修改w e b 服务器应用软件，对客户的h t t p 请求进行分类，并且通过 实现接纳控制请求优先调度、资源调度与分配等机制【4 5 1 ，从而为不同的客户或 请求提供区分的q o s ，这是最直接的，也是目前研究得最多的一类方法。这类研 究解决了在w e b 中间件服务器中实施服务区分和优先化处理的问题。目前基于 w 曲中间件服务器的q o s 控制技术的研究主要分为以下几个方向【4 6 4 7 】： ( 1 ) 服务器的优先调度。w e b 服务器中的优先化调度机制是一种最基本的 7 硕士学位论文第一章绪论 q o s 控制方法。美国波士顿大学( b o s t o nu n i v e r s i t y ) 的c r o v e l l a 等人研究了w e b 服务器的连接调度问题，提出了一种优先处理短连接的策略：最短连接优先 ( s h o r t e s tc o n n e c t i o nf i r s t ) 。在此基础上，美国卡内基梅隆大学( c a m e 百em e l l o n u n i v e r s i t y ) 的h a r c h 0 1 b a i t e r 等人对最短剩余处理时间“s r p t ( s h o r t e s tr e m a i n i n g p r o c e s s i n gt i m e ) 调度策略进行了分析。这种调度策略是在处理完前一轮循环后 统计出各队列平均等待时间，按照各队列平均等待时间由大到小的顺序来进行下 一轮处理。 ( 2 ) 有效的接纳控制机制。在服务器请求过载的情况下对实现w e b 中间件服 务器的q o s 控制十分关键，它能够保证丢弃速率和任务的延迟界线。c h e r k a s o v a 和p h a a l 提出了基于用户的会话( s e s s i o l l ) 而非每个请求的接纳控制机制。一个会 话是指由某一用户在一预先规定的时间段内发出的一系列请求，由于目前许多 w e b 服务本质上都是事务性的【4 引，包含许多申请w e b 服务的请求，因此基于会 话的接纳控制具有重要的意义。 ( 3 ) w e b 内容自适应。w e b 内容自适应( a d a p t a t i o n ) 是一种比接纳控制更加灵 活的机制，它可以在服务器重载的情况下自适应地提供连续的内容降级服务而不 是简单的拒绝服务，从而更好地提供w e bq o s 控制机制的支持。a b d e l z a h e r 和 b h a t t i 提出了一种依靠w e b 内容自适应机制来实现服务区分的q o s 管理体系结 构。其策略是在每个服务器商存储多份不同质量的w e b 内容，在服务器超载的 情况下，可使服务器选择性地为客户提供某种质量的w e b 内容，以体面的方式 为低优先级客户提供平滑的服务降级，而保证高优先级客户的性能不受影响。这 种q o s 管理方法可以通过直接修改服务器软件来实现( 也可以使用对服务器透明 的中间件) ，缺点是需要同时维护多份w 曲内容，因此存储的费用比较大 4 9 , 5 0 。 ( 4 ) 基于控制理论的方法。使用控制理论【5 l 】的方法解决w 曲q o s 控制问题是 一个非常新颖的思路，并且已经引起研究者们的关注。美国维吉尼亚大学的w e b q o s 研究小组提出了基于控制理论方法在w e b 服务器中实现相对的延迟保证的 技术。他们通过离线系统辨识建立一个w e b 服务器模型( 实验表明可以用一个 二阶差分方程来对w e b 服务器进行建模) ，使用基于控制理论的性能规范( 如稳 定性、调节时间、稳态误差等) 来描述w e b 服务器的性能需求，使用根轨迹( r o o t l o c u s ) 方法设计一个反馈控制器以满足w e b 服务器的性能要求。他们通过修改 a p a c h ew e b 服务器软件实现了这种自适应的体系结构。 综上所述，通过改进w e b 服务器应用软件来提供w e bq o s 支持是一种非常 直观的w 曲q o s 控制思路，以上的这些研究方法对于q o s 控制问题本身是有效 的，他们从请求分发控制，选择性分配资源等方面来提高服务器对应用q o s 的 保证保障。但是由于很多控制方法本身还不够成熟和统一，基于中间件服务器的 8 硕士学位论文第一章绪论 w e bq o s 控制技术在i n t e r n e tw e b 应用上还没有得以广泛的应用，在实际应用中 仍存在着通用性和可扩展性等方面的局限。 1 5 本文研究内容及结构 1 5 1 本文研究内容 通过对o s g i 动态框架和w e bq o s 研究现状的介绍，本文考虑采用o s g i 这种 动态的软件系统框架来作为w e b 中间件服务器的基础架构，借助其在运行时刻灵 活性、动态性的特点，来自适应地调整w e b 中间服务的系统构件，以此来提高对 w e bq o s 的保障能力。本文在o s g if r a m e w o r k 的基础上，从用户服务请求q o s 出 发，扩展了一个核心的控制结构单元，根据用户q o s 需求以及具体的调度算法来 动态地调整软件相应模块，提出了一种基于o s g i 的q o s 获益驱动自适应软件体系 架构。具体来说，本文的研究内容包括如下： 首先，鉴于o s g i 框架的规范性、动态性、易扩展性的特点，本文在o s g i 已 经提供的基础服务的基础上进行扩展，所有的构件都是以o s g i 所要求的规范的 b u n d l e 的形式运行于o s g ir u n t i m e 微内核上，能够借助o s g i 系统框架动态的、 灵活的接口实现对构件的运行时刻动态管理配置工作。 其次，在该w e b 中间件服务器的控制模块中采用多级请求队列实现对不同 q o s 需求级别的请求实现有差别的服务，通过评价函数进行q o s 获益分析评估， 并以此驱动系统动态重配置策略，实施动态的、优化的系统资源重配置。同时该 中间件服务器采用了服务实例池机制对系统服务组件进行管理，从而进一步提供 了系统的w e bq o s 保障能力。 最后，如何对这种w e b 中间件服务器的性能进行评价也是本文研究的重点之 一。本文实现了一个简易的身份认证的w e b 应用系统，它能够根据用户的不同需 求动态地调整自身构件的运行情况，在用户请求q o s 质量需求上，与传统的w e b 中间件服务器相比较，体现了该基于o s g i 框架的w e b 中间件的动态自适应的特 性。 总之，本文拟在标准规范的o s g i 系统框架上进行相应的扩展，设计了以用户 q o s 为驱动的w c b q b 间件服务器系统，并且借助o s g i 灵活性、动态性的特点，在 运行时刻能够自适应地调整、配置、管理系统的资源组件，从而一定程度地提高 了w e bq o s 的保障能力。 1 5 2 本文结构 本文重点研究该基于o s g i 动态运行时框架的q o s 获益的自适应w e b 中间 件服务器架构，着重探讨用于请求q o s 管理和系统资源管理的关键模块及其相 9 硕士学位论文第一章绪论 关技术，并透过实验原型系统，检验系统设计的合理性和有效性。论文全文共分 五章： 第一章，绪论。首先介绍了课题研究的背景意义，在动态软件体系结构的基 础上，着重介绍了o s g i 这种动态的软件系统框架实例，并且结合w e bq o s 的 研究现状，提出了本文的研究内容，最后对文章的结构作简单介绍。 第二章，s 获益的自适应w e b 中间件系统总体架构。分析了传统w e b 中 间件服务器在q o s 保障能力上的不足，提出了该q o s 驱动的w e b 中间件的设计 思想和总体结构。 第三章，系统关键技术。着重介绍了该q o s 获益的w e b 中间服务器架构所 涉及到的关键技术和核心算法，包括q o s 需求管理、请求管理、系统资源管理 左查 守0 第四章，系统原型实现及其结果分析。实现了一个简易的基于w e b 的身份验 证应用系统，并且最后总结和分析了实验结果。 第五章，结论与展望。对所做的研究与设计工作进行了总结，并阐述了将来 进一步的工作计划。 l o 硕士学位论文 第二章q o s 获益的自适应w 曲中间件系统总体架构 第二章q o s 获益的自适应w e b 中间件系统总体架构 前文介绍的采用各种w e b 中间件服务器端q o s 控制技术来提高w e b 应用端 对端q o s 的保证，这些方案从一定程度上提供了对w e b 应用的q o s 保证，但都 不能完全满足w e b 应用复杂、灵活的q o s 需求。主要的不足体现在： ( 1 ) 缺乏在体系结构上对应用q o s 需求的保障。由于中间件提供的q o s 保障 涉及到对应用q o s 需求的管理、请求调度以及资源优化等多个环节，因此必须 在体系结构上完善中间件的调度框架。 ( 2 ) 缺乏对应用q o s 需求的保障能力。如对于不同类型的请求，其q o s 需 求可能并不相同，对应用的影响也不相同，服务器提供的q o s 保障需要充分考 虑这种需求。 ( 3 ) 缺乏针对应用q o s 需求的资源管理能力。当服务器过载时，不能根据应 用q o s 需求来优化资源分配。 针对如此灵活多变的w e bq o s 需求，本文从w e b 中间件服务器针对应用 q o s 需求管理和系统资源管理的角度上考虑，利用o s g i 系统框架规范性和动态 性的特点，在其基础服务框架上扩展了一种q o s 获益驱动的自适应w e b 中间件 服务器系统。本章给出了该系统的总体架构的设计。 2 1 传统的w e b 服务器调度框架 目前w e b 服务器普遍采用的是一种先到先服务( f i r s t c o m ef i s t s e r v e ，简称 f c f s ) 的调度框架和“尽力而为( b e s te f f o r t ) 的服务策略，即对所有应用请求一 视同仁，尽最大努力地分配任务和资源【4 9 】。然而，i n t e m e t 环境的高度开放、动 态演变的特点，以及应用需求的复杂多样和快速增长，使得w e b 应用服务器的 “尽力而为 服务模型很难满足应用的高可靠、实时和安全的需求。 例如在一个复杂的电子商务系统中，会包含不同规模的子系统，也可能并存 多种类型的资源，视频、音频文件显然具有与文本文件不同的资源需求。当发生 大规模的用户并发访问时，如果w e b 应用服务器采用尽力而为、先来先服务的 策略，那么具有高负载性质的请求( 如多媒体资源请求) 可能会先被w e b 服务器尽 力处理，造成系统在一段时间内过于繁忙而导致阻塞甚至崩溃，或者某些低级别 的用户请求可能会占用过多的资源，从而会影响w e b 应用服务器对其他更重要 的应用请求的响应。 如图2 1 所示【4 7 】，传统的w e b 中间件服务器的尽力而为模型包括如图三个元 硕士学位论文第二章q o s 获益的自适应w e b 中间件系统总体架构 素：进入w 曲服务器的h r r p 请求( 包含经网络q o s 机制分类和未经分类的 h 1 r p 请求) ；一个用以排列并存储在服务器端等待处理到来请求的队列；和用以 处理到来请求以及提供w e b 服务的处理器。基本的尽力而为服务模式采用f i f o 的规则来处理队列中到来的服务请求。在队列处于过载的状况，到来的请求在队 列中的等待时间超过已定义的“超时阀值 ( 例如，9 0 s ) 时，就会被w e b 服务器 图2 1f c f s 调度框架 从体系结构上考虑，普通的w e b 应用服务器缺乏对应用q o s 需求的考虑， 它只有单一的请求队列，调度资源只能提供一种先到先得式的管理策略，因此无 法实现请求的区分以及根据应用请求的q o s 需求进行系统资源的有效管理。 f c f s 调度公平性较好，先到达的请求总是会优先得到服务。然而当服务器过载 时，由于服务器处理能力不足造成大量请求不能得到及时处理，关键的请求也必 须在请求队列中长时间等待，或是因为不能进入请求队列而导致服务失败。因此， 应用在服务器过载时对所有用户表现出一种“无响应 状态。而响应时间是w e b 应用用户最关注的w 曲q o s 指标，因此传统w e b 中间件服务器的f c f s 调度框 架是不具备应对服务器过载的能力的。 2 2 系统设计的基本思想 传统的w e b 中间件服务器是不能提供对w 曲应用的q o s 需求保证的，从体 系结构和调度框架上都没有办法满足复杂多变的w e b 应用的q o s 的需求。针对 传统w 曲服务器的这些不足，为了使w 曲中间件能够提供针对应用q o s 的保障 能力，需要在中间件的体系结构和请求调度框架上充分考虑应用复杂的q o s 需 求。为了在过载时保障应用和用户的q o s 需求，中间件服务器需要具备以下