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计算系统的自适应体系结构研究博士学位论文 摘要 自适应系统能够通过动态调整自身结构和行为来应对运行过程中出现的性 能衰退，其在设计时也面临着与传统软件开发初期同样的问题，缺乏技术手段指 导软件的需求分析和设计，从而导致系统开发和维护困难。本文着重讨论了自适 应系统体系结构构建中的关键技术，这些技术对提高复杂环境下系统结构的灵活 性和可靠性具有重要的理论意义和应用价值，完成的主要工作和取得的研究成果 如下： ( 1 ) 针对现有的自适应体系结构缺乏内聚性、重用困难等问题，提出了基于 c 2 风格的层次式体系结构模型将自适应系统表示成组件和连接件构成的整体， 并应用于视频点播系统( v o d ) 中。通过随机p e t r i 网形式化建模，定量地分析自适 应v o d 系统的性能参数；通过统一建模语言哪m l ) 从多个视图描述软件体系结 构，减少了自适应系统建模的复杂度。 ( 2 ) 针对现有的自适应系统构架耦合性高、交互困难等问题，提出了两种以 a g e n t 为基础的自适应系统体系结构：基于多a g e n t 和移动a g e n t 的自适应体系结 构模型。利用自主a g e n t 的自主性、社会性及自适应性，并通过多个a g e n t 之间的 协调合作，使得如何让系统实施自适应操作这一复杂问题变得容易解决；利用移 动a g e n t 可以在异构网络和分布式计算机环境中自主、自动地迁移的特性，避免 当网络性能下降时，自治组件间通信可能出现的拥塞问题。为了形式化地分析以 上两种体系结构，论文还分别采用了扩展的g 网、层次时间颜色p e l t r i 网对其进行 建模。 ( 3 ) 采用c o r b a 中间件和a g e n t 技术，构建了一个自适应网格计算系统体系 结构，并用时间颜色p e t r i 网对其进行建模和分析。提出了将传统的冗余技术和软 件抗衰技术相结合的策略构建容错系统体系结构，并分别给出了该系统的非马尔 可夫随机p e t r i 网模型和时间颜色p e t r i 网( t i m e d c p n ) 模型，最后对基于该模型 的系统进行了定量分析。 ( 4 ) 提出了面向服务的自适应即时通信原型系统，它能够在客户端请求数量 不断增加的情况下，通过系统的动态重组( 将一部分请求转交给空闲服务器处 理) ，降低系统负载。并应用多目标遗传算法控制和管理系统的动态重组，使其 满足多个相互冲突的设计目标。 摘要博士学位论文 关键词：软件老化，自适应系统，软件体系结构，u m l ，多a g e n t ，移动a g e n t ， 网格计算，随机p e t r i 网，g 网，时间颜色p e t r i 网，非马尔可夫随机p e t r i 网， 多目标遗传算法 计算系统的自适应体系结构研究 博士学位论文 a b s t r a c t s e l f - a d a p t a b l es y s t e mc a l ld y n a m i c a l l ya d j u s ti t ss 仃u d 眦ea n db e h a v i o u r t od e a l w i t ht h ep e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o n l a c ko fe f f i c i e n tt e c h n i q u e si ng u i d i n gs o f t w a r e r e q u i r e m e n ta n dd e s i g nl e a d st od i f f i c u l t i e si nd e v e l o p i n gs o f t w a r ep r o d u c t sa n d p r o d u c tm a i n t a i n e n c e ，a si ss u f f e r i n gi nd e v e l o p i n gs e l f - a d a p t a b l es y s t e m s t h e s i si n v e s t i g a t e se s s e n t i a lp r o b l e m sa n dt e c h n i q u e si nc o n s t r u c t i n gs o f t w a r e a r c h i t e c t u r eo fs e l f - a d a p t a b l es y s t e m ，w h i c hc o n t r i b u t e st oi m p r o v i n gi t sf l e x i b i l i t y a n dr e l i a b i l i t yo fs o f t w a r e 。硒em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i st h e s i sa les u m m a r i z e da s f o l l o w s ： f i r s t l y c o n s i d e r i n gt h a t t h ee x i s t i n g s e l f - a d a p t a b l ea r c h i t e c t u r e l a c k o f c o h e s i o n , r e u s ed i f f i c u l ti s s u e s ，w ep r e s e n tc 2 - s t y l eu s e di ns e l f - a d a p t a b l e a r c h i t e c t u r ec o m p o s e db yc o m p o n e n t sa n dc o n n e c t o r s ，a n dt h e nw ea p p l yi tt ov o d s y s t e m t h i st h e s i su s e ss t o c h a s t i cp e t r in e tt oa n a l y z et h ep e r f o r m a n c eo fs y s t e m ， u s e su m lt od e s c r i b es o f t w a r ea r c h i t e c t u r ef r o ms o m ev i e w s i nt h i sw a y , i tc a n r e d u c et h ec o m p l e x i t yo f m o d e l i n ga r c h i t e c t u r e s e c o n d l y , t h ee x i s t i n gf r a m e w o r ko ft h es e l f - a d a p t a b l es y s t e mc o u p l i n g , i n t e r a c t i v ed i f f i c u l ti s s u e s ，t w ok i n d so fs e l f - a d a p t a b l ea r c h i t e c t u r eb a s e do na g e n t a r ep r e s e n t e d ：b a s e do nm u l t ia g e n ta n dm o b i l ea g e n t a g e n th a sh i g hi n d e p e n d e n t ， s o c i a l i t ya n da d a p t a b i l i t y s ow e c a l lt a k ee a s yt os o l v eh o wt om a k es y s t e ma g i l e a n da d a p t a b l eb yn e g o t i a t i n gb e t w e e na g e n t s t h e nw ep r e s e n tan e ws e l f - a d a p t a b l e a r c h i t e c t u r eb a s e do nm o b i l ea g e n t ，b e c a u s em o b i l ea g e n tc a nt a k es o m ei m p o r t a n t i n f o r m a t i o nf r o mo n ep l a c et oa n o t h e r , w h i c hc a na v o i dt h ec o n g e s t i o no fn e t w o r l a sd i f f e r e n tc o m p o n e n t so f t e nc o m m u n i c a t et o g e t h e r w h e nw eb e g i nt oa n a l y z e t h e s ea r c h i t e c t u r e s ，t h i sp a p e ru s e se x t e n s i o no fg - n e t , l a y e r e dt i m e dc p nt om o d e l a n da n a l y z e t h i r d l y , w ep r o p o s ec o m p o s i n gr e d u n d a n ts 蜘】c t i ea n dr e j u v e n a t i o ns c h e d u l e f o rc o n s t r u c t i n gf a u l t - t o l e r a n ts y s t e m ，a n dt h e nb s en o n m a r k o v i a ns t o c h a s t i cp e t r i n e t sa n dt i m e dc p n r e s p e c t i v e l yt oa n a l y z e w ep r o p o s e 锄a g e n t - b a s e da r c h i t e c t u r ef o ra d a p t i v e 鲥dc o m p u t i n g , t h e n m o d e la n df o r m a l i z et h ea r c h i t e c t u r ew i t ht i m e d c o l o u r e dp e t r in e t s f i n a l l y , w ep r o p o s eas e r v i c e - o r i e n t e ds e l f - a d a p t a b l ei n s t a n tm e s s a g ep r o t o t y p e i i i 博士学位论文 s y s t e m ，i nt h ef a c eo fc o n t i n u o u s l yi n c r e a s i n gd i e n tr e q u e s t s ，t h r o u g ht h ed y n a m i c r e c o n f i g u r a t i o no fs y s t e mq a r to ft h er e q u e s t sw i l lb ef o r w a r d e dt os p a r es e r v e r ) ， r e d u c es y s t e ml o a d ，t h e nw ep r o p o s em u l t i g e n e t i ca l g o r i t h m st h a tc o n t r o la n d m a n a g ed y n a m i cr e c o n f i g u r a t i o no fs y s t e mf o rs a t i s f y i n gs o m ec o n f l i c t i n gg o a l s k e y w o r d s ：s o f t w a r ea g i n g ，a d a p t a b l es y s t e m ，s o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ，u m l , m u l t i a g e n t ，m o b i l ea g e n t ，c o m p u t i n gg r i d ，s t o c h a s t i cp e t r in e t ，g n e t ， t i m e dc p n ，n o n - m a r k o v i a ns t o c h a s t i cp e t r i n e t s ，m u l t i g e n e t i c a l g o r i t h m s i v 图清单博士学位论文 图清单 图1 1 外置的运行时体系结构3 图1 2 内置的运行时体系结构。4 图1 3 面向组件的体系结构模型4 图1 4 论文结构示意图7 图2 1 自适应系统体系结构9 图2 2 基于c 2 风格的自适应系统体系结构1 0 图2 3v o d 系统体系结构1 1 图2 4c 2 风格的自适应v o d 系统体系结构1 2 图2 5 自适应v o d 系统的p e t r i 网模型! 1 3 图2 6 普通v o d 系统和自适应v o d 系统的平均响应时间比较1 5 图2 7 使用u m l 对系统体系结构建模机制图1 6 图2 8 自适应v o d 系统的u m l 建模。1 8 图2 9 自适应系统用例视图1 9 图2 1 0 自适应系统逻辑视图1 9 图2 1 1 自适应系统配置视图2 0 图3 1o r b 结构2 2 图3 2 基于多a g e n t 的自主计算系统体系结构2 3 图3 3m a n a g e r a g e n t 的扩展g 网模型2 5 图3 4 简化的普通p e t r i 模型2 8 图3 5 随机p e t r i 网模型2 9 图3 6v o d 系统的自适应体系结构3 1 图3 7 普通v o d 系统和基于a g e n t 的自适应v o d 系统的平均响应时间3 1 图3 8 基于移动a g e n t 的自主体系结构3 3 图3 9 移动a g e n t 的自主计算体系结构模型3 6 图3 10 替代变迁a r b 模型3 7 图3 1 1 替代变迁t r a n 模型3 8 图3 1 2 替代变迁a p 模型。3 8 图3 1 3 客户请求数对基于移动a g e n t 的自适应系统和普通系统延时的影响 计算系统的自适应体系结构研究博士学位论文 ：；9 图3 1 4 系统运行时间对基于移动a g e n t 的自适应系统和普通系统延时的影 响3 9 图4 1o g s a 体系结构。4 2 图4 2 基于a g e n t 的自适应网格计算体系结构4 3 图4 3 自适应网格计算系统的结构4 4 图4 4 基于自适应体系结构的网格计算系统的c p n 模型4 5 图4 5 系统的活性分析4 7 图4 6 系统稳定性和客户端数量的关系4 7 图4 7 自适应系统的状态图。4 8 图4 。8 容错系统的状态图4 8 图4 9 容错系统的n m s p n s 模型5 0 图4 1 0 系统的状态变迁图5 1 图4 1 1 系统非稳定性和时间t i m e 的关系5 2 图4 1 2 系统非稳定性和自适应率x 的关系5 3 图4 1 3 容错系统的t i m e d c p n 模型5 4 图4 1 4 系统的状态变迁图5 5 图4 1 5 系统非稳定性和自适应率2 4 的关系5 6 图4 1 6 系统非稳定性和五4 ，五1l 的关系。5 7 图5 1w e bs e r v i c e s 体系结构模型5 9 图5 2 系统的功能结构6 0 图5 3p r o b e r 体系结构。6 1 图5 4i m s e r v e r 体系结构6 1 图5 5 具有p 个节点的h u f f m a n 树6 3 图5 6 五个节点的定级6 5 图5 7 基于p a r e t o 的多目标遗传算法流程图6 6 图5 8 系统自适应操作的工作流程6 8 图5 9 即时通信服务器的工作流程6 8 图5 1 0 具备自适应操作的系统响应时间。7 0 i x 表清单博士学位论文 x 表清单表清早 表2 1u m l 新构造型。l7 表3 1 状态转换矩阵3 0 表4 1 变迁平均实施速率参数选择5 1 表4 2 变迁平均实施速率参数选择5 6 表5 1 客户端负载6 9 计算系统的自适应体系结构研究博士学位论文 缩略词及中英文词汇对照 d s i1 - d i 西t a ls u b s c r i b e rl i n e ，数字用户线 p s n 卜呻i b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k ，公用电话交换网 i d c i n t e m a t i o n a ld a t ac o r p o r a t i o n ，国际数据公司 t c r o t a lc o s to f o w n e r s h i p ，总拥有成本 o i 胍_ c 柚i 1 1 et r a n s a c t i o np r o c e s s i n g ，在线事务处理 s r s o 腑a r er e j u v e n a t i o n ，软件抗衰 n a s a 删a t i o n a la e r o n a u t i c sa n ds p a c ea d m i n i s t r a t i o n ，美国国家航空和宇宙航 行局 c m t s a b l em o d e mt e r m i n a t i o ns y s t e m ，电缆调制解调终端系统 r o c 叫e c o v e 巧o r i e n t e dc o m p u t i n g ，面向恢复的计算 r r - re c u r s i v er e s t a r t a b l i t y ，递归重启 m 1 限m e a l lt i m et of a i l u r e ，平均失效时间 m r r r m c a nt i m et or e p a i r ，平均恢复时间 m 兀帆m 咖t i m et ow a i tr e c o v e r y ，系统等待恢复时间 m n a r _ - m e a nt i m et oa c tr e c o v e r y ，系统反应时间 m n r d 叫e 锄t i m et or e s t o r ed a t a ，数据恢复时间 c t m c - - - - - c o n t i n u o u st i m em a r k o vc h a i n ，连续时间马尔可夫链 g s p n g c n e r a l i z e ds t o c h a s t i cp e t r in e t ，广义随机p e t r i 网 m r g p m 列( 0 v r e g e n e r a t i v ep r o c e s s ，马尔可夫再生过程 s m p s e m i m a r k o vp r o c e s s ，半马尔可夫过程 g s p n - - - - - - - g e n e r a l i z e ds t o c h a s t i cp e t r in e t ，广义随机p e t r i 网 a d l a r c h i t e c t u r e d i s c r i p t i o nl a n g u a g e 体系结构描述语言 s r n _ 一s e r v i c e r e s o u r c en e t ，服务资源网 v o 驴卅d e o o n d e m o n d ，点播电视 p n p e t r in e t ，p e t r i 网 s p n s t o c h a s t i cp e t r in e t ，随机p e t r i 网 o m g 删b j e c tm a n a g e m e n tg r o u p ，国际对象管理组 c o r b a - - - - - c o m m o no b j e c tr e q u e s tb r o k e ra r c h i t e c t u r e ，公共对象请求代理 m a s _ m u l t i - a g e n t ，多a g e n t m a m o b i l e - a g e n t ，移动a g e n t h c p n h i e r 铂斌c a lc o l o r e dp e t r in e t ，层次颜色p e t r i 网 缩略词及中英文词汇对照 博士学位论文 c p n 叫o l o r e dp e t r in e t ，颜色p e t r i 网 o g s 卜嘞e l lg r i ds e r v i c ei n f f a s t r u c t i o n ，开放网格服务基础结构 o g s a 嘞e l lg r i ds e r v i c ea r c h i t e c t u r e ，开放网格服务结构 t c p n - _ t i m e dh i e r a r c h i c a lc o l o r e dp e t r in e t ，时间颜色p e t r i 网 n m s p n - n o nm a r k o vs t o c h a s t i cp e t r in e t ，非马尔可夫随机p e t r i 网 d t m c d i s c r e t e t i m em a r k o vc h a i n ，离散时间马尔可夫链 软件缺陷s o f 、7 l ，a r eb u g s 软件失效s o 脚a r ef a i l u r e 瞬时软件失效- t r a n s i e i l ts o f t w a r ef a i l u r e 永久软件失效p e 锄a 1 1 e n ts o f t w a r ef a i l u r e 瞬时软件缺陷t r a n s i e n ts o f t w a r eb u g s 永久软件缺陷一p e m a i l e n ts o f t w a r eb u g s 软件老化s o f t w a r ea g i n g 软件自适应一s o f f w a r e a d a p t a t i o n 软件性能恢复技术s o 脚a r ec a p a c i t yr e s t o r a t i o n 微重启m i c r o r e b 0 0 t 软件性能恢复技术s o 脚a r ec a p a c i t yr e s t o r a t i o n 自愈系统s e l f - h e a l i n gs y s t e m 自主计算a u t o n 0 1 1 1 i cc o m p u t i n g 软件动态重组s o n w a r ed y n a m i cr e c o n f i g u r a t i o n 自适应性a d 印t a b i l 时 组件c o m p o n e n t 两步t w o s t e p 分布式- d i s t r i b u t e 场景飞c e n a r i o 体系结构风格a r c h i t e c t u r es t y l e 需求分析- re q u i r e m e n ta n a l y s i s 视点叫e w p o i n t 元模型m e t a m o d e l 构造型1 t e 渤t y p e 标记值切g g e dv a l u e 约束。c o n s 仃a i n t s 对象约束语言删e c tc o n s t r a i n tl a n g u a g e 交叉引用c r o s s r e f e r e n c i n g x 计算系竺塑自重查竺墨笙塑婴壅 堡主堂焦丝奎 - _ - - _ _ _ _ _ _ - _ - - _ - _ - _ _ - - - _ - _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ - - _ - _ 一一一 位置p l a c c 变迁t r a n s i t i o n 弧a r c 标记1 r o k e n 实施规则- f 幽gr u l e 标识m a r k i n g 迁移a g e n 卜1 n i 刚i n ga g e n t 执行a g e n 卜- e x e c u t i n ga g e n t 容错系统f a u l t t o l e r a n ts y s t e m 计算网格伽m p u t i n g 鲥d 变异1 i l u t a t i o n 面向服务的体系结构叫e r v i c co r i e n t e da r c h i t e c t u r e 中间件川i d d l e w a r e 声明尸明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：年月 日 计算系统的自适应体系结构研究博士学位论文 1 绪论 在过去2 0 年里，计算机的性能迅速提高，计算机的处理能力和存储能力上升 了几万倍，通信速度提高了上千万倍。计算机已被广泛应用于国民经济的各行各 业，渗透到社会活动的方方面面，并且规模越来越大，正在形成全社会普遍依赖 计算机的局面。在此，我们约定凡有计算机参与的应用系统为计算系统。随着计 算机应用的不断深入，计算系统体系结构也变得越来越复杂，功能越来越强大， 致使复杂系统的代码多达数千万行。在2 0 0 1 年十月中旬，m m 发表了一个宣言声 称，通过近几年的调研发现，i t 工业未来发展的主要障碍是迫近的软件复杂性危 机【1 。5 1 。m m 根据当前应用程序开发的代码量成倍增长这一趋势预测，应用程序 的安装、配置、调整和维护都必须有r r 专业人员才能完成，这就让系统的维护和 性能的保持变得越来越困难；另一方面，人们对各类计算系统的可靠性要求却越 来越高，在许多应用领域，如航空、航天、金融、保险、核反应堆、水电工程、 交通管制、输油管线以及冶金、化工等众多的工业过程控制中，如果计算系统在 运行过程中性能不断衰退，不能在规定的时间内稳定可靠地工作，将会造成巨大 的损失，因此研究和发展计算系统的自适应技术势在必行。 1 1 论文研究背景 软件在长期不问断的运行过程中，由于各种无法检测到或被忽视的错误和异 常均会导致系统资源的损耗，如内存的占用和泄露、打开的文件无法释放、数据 的破坏、存储空间碎片以及不断累积的舍入误差等，导致软件性能下降，当资源 被耗尽时，将导致服务瘫痪【6 1 2 】。对于企业，不断降低的可靠性带来了高的维护 成本，客户的流失；对于普通的科学计算可能直接影响到能否获取结果以及效率 问题；对于军用计算系统造成的后果将是灾难性的。一个常见的例子是提供各种 网络服务的服务器，尤其是提供负荷较重、大数据量访问的服务器，在系统持续 正常的运行一段时间后，往往出现服务质量下降，应答时间增加或拒绝服务等现 象，结果必然导致高成本的停机重启。 引起软件衰退的因素多种多样，其根本原因在于软件开发阶段的某些 b u g s 1 3 - 1 5 。软件编程实现的一些b u g s 通常可以在开发和测试阶段通过调试来解 决，但总有一些b u g s 它们因没有造成程序执行中断和错误的结果而隐藏起来， 另外随着软件系统规模越来越大，开发和测试阶段时间有限，b u g s 的存在不可 避免。还有一些b u g s 是临时性的，所以在下一次运行调试时，不一定会出现， 这更加大了b u g s 留存于交付客户使用的系统中的可能性。 软件的性能衰退现象已经在各种软件的运行过程中被证实。y h u a n g 1 6 最早 绪论博士学位论文 报道了普通u n i x 应用中的性能衰退情况，该应用在运行过程中经历了挂起或崩 溃故障，导致高成本的计划外宕机( 这在w i n d o w s 系统中更加普遍) 。a v r i t z e r 和w e y u k e r t l 。7 】报告了工业通信软件系统出现的软件老化现象，系统在运行过程中 因为性能的衰退而频繁丢失数据包或中断用户连接。s m i t h 和s e l t z e r 1 8 】在对文件 系统的研究中也观测到同样的老化现象，研究显示正常使用一段时间后，存储空 间碎片较多的文件系统的存取吞吐量比一个空间充裕的文件系统低4 0 。 c a s s i d y 1 9 】采用模式识别方法来监测在线事务处理( o l l l i n et r a n s a c t i o np r o c e s s i n g ， o l t p ) 服务器的老化现象，经过五个月的持续监测，发现在发生l a t c h 冲突事件 时，有十三个变量偏离了正常值。 当计算系统性能发生衰退时，常用的恢复策略是终止程序的继续运行，重启 系统以清理其内部状态，对于企业应用，这势必会带来高的停机成本，客户的流 失。针对这一问题，系统应能够通过动态调整自身结构即动态重组 2 0 2 4 】来恢复性 能。 计算系统的自适应技术就是从解决软件性能衰退和软件动态重组两个问题 入手，试图建立一个比较系统和完整的方法体系，为复杂系统提供自适应能力。 国内的中科院计算所【2 5 1 、南京大学【2 6 ，明、上海交通大学【2 8 m 1 和武汉大学【3 2 】 在2 0 0 2 年后都关注了软件自适应的相关技术，对国外的研究成果进行了跟踪介 绍，并开展了部分研究工作。 1 2 基于体系结构的系统自适应技术 研究基于软件体系结构的系统自适应技术是一项基础性的工作，因为任何和 自适应系统实现相关的技术包括缩短m t t r 的快速恢复技术【3 3 。3 6 】、系统重启技 术3 7 4 6 1 、资源耗费和负载数据的采集 4 7 巧o 】、基于时间的自适应策略的实施 5 1 - 5 3 】、 s r 技术和积极的错误处理技术l 5 4 。5 9 】都依赖于软件体系结构的高层抽象能力。 软件的体系结构是对系统的高层抽象，并只对感兴趣的属性进行建模，它是 系统集成的蓝本、系统验收的依据。软件的体系结构为软件系统的构造、行为和 关键性质提供了一个高层的抽象，它包括对组成系统的构件的描述，对构件之间 交互的描述，对构件与构件交互形成的拓扑结构的描述，以及对作用在拓扑结构 上的一组约束规则的描述。实现自适应系统展示了能在运行时动态应对资源变 动，系统故障或性能衰退等异常情况的能力，这种能力恰好是建立在软件体系结 构对系统的高层抽象上的。特别地，体系结构风格或者说是体系结构模式在本质 上反映了一些特定的元素、按照特定的方式组成一个特定的结构，该结构应有利 于上下文环境中的特定问题的解决。m i k i e - r a k i c 等在文 6 0 1 5 b 正是从软件系统的 体系结构风格的角度，探讨了支持自适应软件系统的体系结构应该满足的风格需 2 计算系统的自适应体系结构研究博士学位论文 求，即自适应性，动态性，感知性，自治性，强健性，分布性，灵活性，可追踪 性等，并且建立了与他们在先前做的工作【6 l 6 2 】咔，描述的五个体系结构风格特性即 外部结构、拓扑规则、行为、交互和数据流程特性之间的映射关系，把每一个风 格需要分解到这五个方面来实现。文 6 0 】还提取出了设计自适应软件体系结构时 所需要的、通用的知识和机制，将它们使用在所需要的自适应系统中，将体系结 构的自适应性分析单独分离出来，使系统增加或改变功能相对简单，除此之外， 文中最后还提出了扩展现有的软件结构工具来支持这些通用的动态自适应机制。 在文 6 3 1 中，s h a n g - w e nc h e n g 等人提出了一个基于软件体系结构模型的自适应 系统框架，动态监控运行系统，并且能够实时地改变系统行为。e r i cm d a s h o f y 等在 6 4 文中提出了种基于软件体系结构模型来实现软件自适应的方法，该方 法采用基于事件的模型来构建软件体系结构。在文 6 5 1 中也强调了和文 6 0 d p 提 到的通用自适应机制相类似的自适应策略和基础设施，使得它们可以在不同的系 统中进行复用。在此基础上，w i l e t 鲫给出了自愈系统的基础结构以及自适应机制 在e m a i l 系统中的具体实现。文献 6 7 】提出了一种基于事件的体系结构来实现系 统抗衰，在系统出现故障时，由自主计划代理决定如何修复系统。文 6 8 1 通过一 套系统演化机制来控制运行时刻的体系结构演化，进而完成系统的自适应行为。 d a v i dg a r l a n 等在 6 5 中提出了一种基于软件体系结构模型的研究方向。即 基于系统运行时可配置模型来实现对外部环境或者用户需求变化的监测。如图 1 1 所示。 一构 动态配置管理器 j 卜 、 - 一统 图0 1 外置的运行时体系结构 该方法引入一个动态配置管理器，负责从实际运行的系统中不断提取出最新 的软件体系结构信息，同时在实际系统上执行软件体系结构抽象层面表述的调整 系统结构的命令。这种方法的优点在于可以根据用户的需求定制配置管理器，以 3 绪论博士学位论文 适应不同的环境，但是这种方法需为特定应用作特定的、难以复用的开发 6 9 , 7 0 。 为了解决这个问题，文【7 1 】给出了一种内置的运行时体系结构，如图1 2 所示， 其中在实际运行的系统中引入了显示的、可控的对象实体直接实现出体系结构概 念。 运行时系统 、一， 、 一， 、一一_ 一， ， ， 图0 2 内置的运行时体系结构 在基于体系结构的软件自适应技术中，系统的体系结构会根据用户需求的改 变、运行环境的变化等相关信息驱动系统执行自适应策略，改变其自身的结构和 行为，而这就牵扯到如何在系统运行中动态地完成这些改变。 目前已有多种技术支持软件结构和行为的动态调整。文 7 2 给出了一种基于 组件的设计模式，该模式根据系统设计的组件类型和相互作用来描述软件的体系 结构。文 7 3 给出了一种面向组件技术的软件体系结构模型，如图1 3 ，在模型中， 若干组件通过总线结合在一起，组件之间能通过一个公共接口互相连接，做到组 件即插即用，无缝集成，提高了组件的互操作性。 图0 3 面向组件的体系结构模型 文 7 4 给出了一个基于组件的程序应用框架来支持软件系统的开发，该框架 使得自治组件的动态重组和管理成为可能。文 7 5 1 使用一种内部关联的、基于场 景的动态组件自适应技术将组件平滑地、无缝地集成进原有系统。 面向服务的软件开发是近年来发展起来的一项新的技术，它将系统各种不同 4 计算系统的自适应体系结构研究 博士学位论文 的应用功能进行相应的封装，成为不同的w e b 服务即软件组件，这些w e b 服务 具有良好的封装性、松散耦合、使用协约的规范性以及高度可集成性，不同的服 务可以被自动地查找、组合、重组，以针对不同用户的请求，提供相应的处理方 式 7 6 - 7 9 1 。 为了能够根据用户需求和环境的变化，自主地集成已有的w e b 服务，文 8 0 】 给出了一个上层的框架，支持w e b 服务的自主构建和组合，该框架以w e b 服务 组合图( w s c g ) 为基础，使用图文法和图的变迁，组合w e b 服务。文 8 1 提出 了一个面向w e b 服务组合的体系结构，它能够支持w e b 服务组合的分布式执行， 在执行过程中，通过提供复审和补偿机制使得w e b 服务组合更加可靠和有效。 文 8 2 给出了基于工作流的w e b 服务组合的方法，通过扩展的p e t r i 网服务资源 网( s r n ) 定义和描述w e b 服务组合工作流，很好地描述了具有高动态性和复 杂性的w e b 服务组合过程。为了解决具有最小代价的w e b 服务组合，文 8 3 提 出了一种基于演绎网络的方法，在一系列侯选的服务组合策略中，利用向后的推 演获得具有最小执行代价的策略。文【8 4 】提出了基于动态w e b 组合的软件自适应 模型，利用动态w e b 服务协商机制，将w e b 服务整合成满足用户需求的系统。 1 3 课题来源及本文主要工作 1 3 1 课题来源 课题来源于国防科学技术工业委员会的国防基础科研项目“计算系统性 能保持支撑环境研制 和国家自然科学基金研究项目“计算系统的软件抗衰和自 愈技术研究 ( 编号6 0 2 7 3 0 3 5 ) 。 上述两项目主要旨在分析计算系统在运行时刻因资源不断损耗而引起的性 能衰退，或因软硬件的失误而产生的计算不可信赖或不可用，研究保持系统性能 的软件更新能力和在系统故障时能够自恢复的机制，并试图从软件方法学的着眼 点高效地开发具有自适应能力的软件系统。 1 3 2 选题意义 软件性能衰退现象已经在各种软件的运行过程中被证实，它将引发系统的意 外失效，而软件功能的多样性、重要性及庞大的用户群则意味着系统失效将带来 更大的损失，因此软件老化问题已经对计算系统的可用性和可靠性构成极大威 胁。 自适应系统的体系结构为自适应系统的构造、行为和关键性质提供了一个高 层的抽象，以这种对于软件系统的高层抽象为基础，从全局的角度考虑系统的自 5 绪论博士学位论文 适应活动，对实现系统运行时自适应地应对资源变动、系统故障或性能衰退等异 常情况具有重要的理论意义和应用价值。 1 3 3 本文主要工作 本文主要就软件自适应体系结构展开研究，具体工作如下： 提出了基于c 2 风格的层次式体系结构模型将自适应系统表示成由组件和连 接件构成的整体，并应用于视频点播系统( v o d ) q b 。通过随机p e t r i 网形式化建 模，定量地分析自适应v o d 系统的性能参数；通过u m l 从多个视图描述软件 体系结构，减少了建模的复杂度。 提出了基于多a g e n t 以及移动a g e n t 的计算系统自适应体系结构。利用自主 a g e n t 的自主性、社会性及自适应性，并通过多个a g e n t 之间的协