（计算机科学与技术专业论文）分布计算环境中冗余服务管理机制的研究与实现.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 i 目前的分布计算中间件能够提供良好的开发平台和通信支持，但它们大多缺乏对分 布式应用的管理功能。尤其随着计算技术的发展，在大规模事务处理、军事抗毁等应用 的推动之下，越来越多的分布式应用采用冗余服务( r e d u n d a n ts e r v e r ) 技术提高系统的 性能和可用性，冗余服务的管理问题逐渐成为实现分布计算中间件管理功能的关键。 为此，) 本文以性能、可用性、可扩展性为目标，针对三层客户j r 务器体系结构，研 究分布计算环境中冗余服务的失效管理、性能管理和配置管理，并在此基础之上开发一 个自动、自适应、透明和开放的冗余服务管理系统。厣文的主要工作包括： 1 针对现有的冗余服务概念模型的不足，本文首免利用分布对象技术定义h o r i s 对象模型；然后基于h o r i s 模型，本文通过引入基于“事件一条件一动作”规则的a g e n t 模型，创建冗余服务的全局管理框架a m a 以及冗余对象管理框架r o m a 。 2 本文对基于分布对象的负载平衡管理机制进行了系统、深入的研究：本文首先对 负载平衡算法进行了系统地分类描述，然后，对分布计算环境中冗余服务的负载索引进 行定义，对负载信息收集方式进行改进：在此基础之上，引入两类负载平衡算法。 3 随着分布计算技术的发展，对大多数分布式应用的用户而言，性能和可用性是不 可或缺的实现目标。因此，本文从用户的角度出发，将冗余服务的性能管理和失效管理 结合在一起，从如下三方面对冗余服务的性能和可用性进行有效地权衡： ( 1 ) 从冗余服务性能管理的角度出发，本文首先对基于分布对象的负载平衡算法进行 改进。然后利用请求冗余机制，提出自适应的高可用负载平衡算法a h a - - l o b a ，以及 确定负载阈值的遗传算法d t g a 。 ( 2 ) 从冗余服务失效管理的角度出发，本文通过引入负载平衡机制对a c t i v er e 口l i c a t i o n 和p r i m a r yb a c k u p 算法进行权衡，提出一个基于冗余服务的动态容错算法r a w a 。 ( 3 ) 从冗余访问配置管理的角度出发，本文首先针对对象管理者o m 和实例对象，给 出了配置管理的计算公式。然后面向实例对象的冗余度配置，通过改进性能索引p i 模 型，引入r o d o 权衡模型。 4 基于上述研究，本文采用c o r b a 软件平台，针对三层客户服务器体系结构的 大规模事务处理应用，设计并实现了冗余对象管理服务r o m s ，包括针对应用服务器的 a f l s 和c m s 管理服务，以及针对数据库服务器的d f l s 管理服务。最后，本文将r o m s 服务与目前基于c o r b a 平台的管理系统进行了简单的比较。 j 关键字： 冗余服务，分布式系统管理，分布对象，a g e n t ，容错，负载平衡 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，s y s t e mi n t e g r a t e d m i d d l e w a r ec o u l d p r o v i d e e x c e l l e n t d e v e l o p m e n tp l a t f o r m a n d c o m m u n i c a t i o ns u p p o r t ，b u tm o s to f t h e ml a c km a n a g e m e n tf a c i l i t i e so f d i s t r i b u t e da p p l i c a t i o n s e s p e c i a l l y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd i s t r i b u t e dc o m p u t i n gt e c h n o l o g i e s ，a n dd r i v e nb yt h ed e m a n d so fl a r g e - s c a l e t r a n s a c t i o np r o c e s s i n ga n dm i l i t a r yc r a s h r e s i s t a n t a p p l i c a t i o n s ，m o r ea n dm o r ed i s t r i b u t e da p p l i c a t i o n s a d o p tr e d u n d a n t s e r v e r st oi m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c ea n da v a i l a b i l i t y t h em a n a g e m e n tp r o b l e m so f r e d u n d a n ts e r v e r sb e c o m e st h ek e yp o i n tt oi m p l e m e n tt h em a n a g e m e n tf a c i l i t i e so fs y s t e mi n t e g r a t e d m i d d l e r w a r e s o ，t h i st h e s i st a k e sp e r f o r m a n c e ，a v a i l a b i l i t ya n ds c a l a b i l i t ya si m p l e m e n tg o a l s ，a n da c c o r d st o3 - t i r e c l i e n t s e r v e ra r c h i t e c t u r et os t u d yp e r f o r m a n c e ，f a i l u r ea n dc o n f i g u r a t i o nm a n a g e m e n to fr e d u n d a n ts e r v e r s i nd i s t r i b u t e dc o m p u t i n ge n v i r o n m e n t b a s e do na b o v er e s e a r c h ，w et r yt od e v e l o pa n a u t o m a t i c ，a d a p t i v e ， t r a n s p a r e n ta n do p e nm a n a g e m e n ts y s t e mf o rr e d u n d a n ts e r v e r s t h ep r i m a r yc o n t r i b u t i o n so ft h i st h e s i s i n c l u d e ： 1 a c c o r d i n gt ot h ed r a w b a c k so f c u r r e n tc o n c e p t i o nm o d e lf o rr e d u n d a n ts e r v e r s t h et h e s i sf i r s t a d o p t sd i s t r i b u t e do b j e c tt e c h n o l o g i e st od e f i n eh o r i so b j e c tm o d e l b a s e do nh o r i sm o d e l ，t h et h e s i s c r e a t e sg e n e r a lm a r l a g e m e n ta r c h i t e c t u r ea m aa n dr e d u n d a n to b j tm a n a g e m e n ta r c h i t e c t u r er o m a b y i n 仃o d u c i n ga g e n tm o d e lb a s e do n e v e n t - c o n d i t i o n - 4 c d d ”r u l es e t 2 t h et h e s i sm a k e sd e e pa n ds y s t e m a t i c a lr e s e a r c ho nl p a db a l a n c i n gm a n a g e m e n to fd i s t r i b u t e d o b j e c t s ：i ts y s t e m a t i c a l l yc l a s s i f i e st h e l o a db a l a n c i n ga l g o r i t h m so fd i s t r i b u t e do b j e c t s ；t h e n i tm a k e s d e f i n i t i o n so nl p a di n d e xo fr e d u n d a n ts e r v e r si nd i s t r i b u t e dc o m p u t i n ge n v i r o n m e n ta n di m p r o v e st h e b a s i cl p a di n f o r m a t i o nc o l l e c t i n gm e c h a n i s m s b a s e do na b o v er e s e a r c h i tp r o v i d e s2k i n d so fl p a d b a l a n c i n ga l g o r i t h m s 3 w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd i s t r i b u t e dc o m p u t i n gt e c h n o l o g i e s p e r f o r m a n c ea n da v a i l a b i l i t ya r et w o c r i t i c a li m p l e m e n tg o a l st ot h em o s tu s e r so fd i s t r i b u t e da p p l i c a t i o n s s o ，f r o mt h ep o i n tv i e wo fu s e r s ，t h e t h e s i si n t e g r a t e sp e r f o r m a n c em a n a g e m e n tw i t hf a i l u r em a n a g e m e n to fr e d u n d a n ts e r v e r s i tp r o v i d e st h e f o l l o w i n g3a p p r o a c h e st om a k e t r a d e o f f b e t w e e nu s e r sp e r f o r m a n c ea n da v a i l a b i l i t yd e m a n d s ： ( 1 ) f r o mt h ep o i n tv i e wo fp e r f o r m a n c em a n a g e m e n to fr e d u n d a n ts e r v e r s ，t h et h e s i sf i r s tm a k e s i m p r o v e m e n to nl o a db a l a n c i n ga l g o r i t h m s o fd i s t r i b u t e d o b j e e l s t h e n ，a d o p t i n gr e q u e s tr e d i r e c t i o n m e c h a n i s m s ，i tp r e s e n t sa l la d a p t i v e ，h i g ha v a i l a b l el o a d - b a l a n c i n ga l g o r i t h ma h a l o b a ，a n dag e n e t i c a l 目b r i t h md t g at od e t e r m i n ei p a dt h r e s h o l d ( 2 ) f r o mt h ep o i n tv i e wo ff a i l u r em a n a g e m e n to fr e d u n d a n ts e r v e r s ，t h et h e s i si n t r o d u c e s 】o a db a l a n c i n g i n t of a u l tt o l e r a n c et or e a c ht r a d e o f fb e t w e e n 协ea c t i v er e p l i c a t i o na n dp r i m a r yb a c k u pa l g o r i t h m s i t p r o v i d e sad y n a m i cf a u l t i o l e r a n ta i g o r i t h mr a w a f o rr e d u n d a n ts e r v e r s ( 3 ) f r o mt h ep o i n tv i e wo fc o n f i g u r a t i o nm a n a g e m e n to fr e d u n d a n ts e r v e r s ，t h et h e s i sf i r s tp r o v i d e s c a l c u l a t i n gf o r m u l a so fc o n f i g u r a t i o nm a n a g e m e n tf o ro b j e c tm a n a g e ro ma n di n s t a n c eo b j e c t s t h e n ， a c c o r d i n g t or e d u n d a n c y c o n f i g u r a t i o no fi n s t a n c e s ，i ti n 扫o d u c e sr o d o m o d e lb yi m p r o v i n g p e r f o r m a n c e i n d e xp im o d e l + 4 b a s e do nt h er e s e a r c ha b e v e t h et h e s i sa d o p t sc o r b as o f t w a r e p l a t f o r ma n da c c o r d st ol a r g e s c a l e t r a n s a c t i o np r o c e s s i n ga p p l i c a t i o n si n3 - t i r ec l i e n t s e r v e ra r c h i t e c t u r et od e s i g na n di m p l e m e n tr e d u n d a n t m a n a g e m e n ts e r v i c el 的m s i n c l u d i n ga f l sa n dc m sm a l l a g e m e n ts e r v i c ef o ra p p l i c a t i o ns e r v e r sa n d d f l ss e r v i c ef o rd a t a b a s es e r v e r s i nt h ee n d ，t h et h e s i sm a k e sas i m p l ec o m p a r i s o nb e t w e e nr o m s s e r v i c ea n do t h e rm a n a g e m e n ts y s t e mo nc o r b a p l a t f o r m k e y w o r d s ：r e d u n d a n t s e r v e r ，d i s t r i b u t e ds y s t e mm a n a g e m e n t ，d i s t r i b u t e do b j e e t ， a g e n t ，f a u l tt o l e r a n c e ，l o a db a l a n c i n g 第1 i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 九十年代以来，随着个人计算机的普及以及网络通信技术的发展，计算资源和信息 资源被分布在网络的各个节点上，这使得计算模式由原来的主机系统向客户服务器模 式发展，分布计算逐渐成为计算技术的主流。为了实现分布计算，使用户能够透明、 有效地使用分布在网络上的丰富的信息资源和计算资源，除了底层的网络环境和面向 最终用户的交互环境这两大使能( e n a b l e ) 技术外，分布计算框架和开发平台，即分布 计算中间件【1 是实现分布计算的关键技术。 1 1 研究背景 1 1 1分布计算中间件 在分布计算环境中，分布计算中间件基于网络平台，介于系统软件和应用软件之问： 它一方面利用底层的网络资源，实现各个分布实体之间的通信；另一方面，它为应用 开发者和系统管理员提供了开发、组织和管理分布式应用的框架。目前，有许多较为 成熟的分布计算中间件标准和产品。例如，开放软件基金会o s f ( o p e ns o f t w a r e f o u n d a t i o n ) 的分布式计算环境d c e ( d i s t r i b u t e dc o m p u t i n ge n v i r o n m e n t ) 1 2 1 ，国际标 准化组织i s 0 ( i n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o rs t a f i d a r d i z a t i o n ) 的开放分布处理o d p ( o p e n d i s t r i b u t e dp r o c e s s i n g ) f 3 】，对象管理组o m g ( o b j e c tm a n a g e m e n tg r o u p ) 的通用对象请 求代理框架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 ) 4 1 和m i c r o s o f t 的分布 式组件对象模型d c o m ( d i s t r i b u t e dc o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) 口1 等。 它们有两大特点，一是大多能够提供良好的开发平台和通信支持，例如o m g 的 c o r b a 1 4 1 ，它采用分布对象的观点，支持异构环境下应用的开发和互操作；二是大多 数的分布计算中间件往往忽视了系统管理功能，即不能对分布式应用进行有效地配置 管理、性能管理、失效管理、帐户管理和安全管理，不能为系统管理员提供一个动态 监测和控制系统的接口。然而一个应用系统质量的好坏，不仅在于系统的开发，更重 要的在于开发后对系统的管理和维护f 6 1 。据文献【7 1 统计，软件用户8 0 一9 0 的开销与 软件的管理和维护相关。因此，加强分布计算中间件的管理功能已成为实现分布计算 的关键。 目前，世界上许多领先的计算机组织和厂商都意识到管理功能的重要性，纷纷在自 己的标准和产品中尝试增加系统管理功能。例如，x o p e n 组织的通用系统管理功能 x c m f ( x o p e n c o m m o nm a n a g e m e n t f a c i l i t y ) 【8 】，o s f 的分布式管理环境d m e ( d i s t r i b u t e dm a n a g e m e n t e n v i r o n m e n t ) 1 9 1 ，i b m 的c o m p o n e n tb r o k e r i ”1 和b e a 的m 3 t “1 等。 1 1 2 分布式系统管理 在任何一个计算机系统中，有效的管理是必不可少的，因为系统管理的目标是使系 统正常运转并完成各项工作1 2 1 。不仅如此，分布计算环境还把系统管理提到前所未有的 高度。r a m a nk h a n n a ( 1 9 9 4 ) 指出：“网络之所以不能成为分布式计算环境，就在于它 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 缺乏分布式计算基础结构和系统管理1 1 2 】，。由此可见，系统管理在分布计算环境中有着 更加举足轻重的地位。 1 1 2 1 概念 一般说来，一个完备的计算机系统有三类使用者：最终用户、应用开发者和系统管 理员。系统管理通常被定义为：通过系统管理员在一定的管理平台上运行管理任务， 对系统资源进行管理，以此保证系统的正常运行i ”】。因此，系统管理主要包括系统管 理员、管理任务和被管理的资源三个要素3 】。其中，随着人工智能和a g e n t 技术的发展， 系统管理员将不仅仅是人，也可以由a g e n t 替代；而且在操作系统的支持之下，许多管 理任务被编写成运行在管理平台上的管理应用，可以自动实现一部分的管理功能。 按照计算机的组成和系统结构，计算机的发展已经历了四代，系统管理模式的发展 也经历了四代：集中式、分散式、网络式和分布式。从总体上讲，可以分为单一系统 管理和多系统管理两类，如表1 1 所示2 】： 表1 1四种系统管理模式的比较 单一系统管理 多系统管理 集中式分散式网绍式 分布式 ( c e n t r a l i z e d )( s e p a r a t e d )( n e t w o r k c a ) r d i s t r i b u t c a ) 第一台计算机诞生个人计算机诞生至 时间8 0 年代 9 0 年代 至今今 有多个终端的大、基于网络的p c 机或者 基于网络的p c 机或者 硬件基础p c 或个人工作站 中、小型机 个人工作站个人工作站 有专门的系统管理系统管理员既是用 出现本地系统管理员 系统员，与用户分开，户又是开发者，一 l s a ( l o c a l s y s t e m 有本地系统管理员l s a 管理员一个管理员对多个 个管理员对一个用 a d m i n i s t r a t o r ) 和中心 和中心系统管理员 系统管理员c s a ( c e n t e r c s a ，多个系统管理员 用户户 对多个用户 s y s t e ma d m i n i s t r a t o r ) 出全局的操作系统 由专用的系统管理 由各个节点上的软件和各个节点上的系统软件 管理平台软件和独立的操作 管理应用提供相对独立 和管理应用构成本地的 提供管理服务的管理平台，全局管理管理平台全局管理环 系统构成 环境不完善境完善 分布式管理环境由分布计算环境中各个节点上的系统软件、管理平台和全局管理平 台组成，它们构成分布计算中间件的一部分，为系统管理员提供了管理功能。从总体 上讲分布式系统管理介于分散和集中之间，是一种有序的分散，灵活的集中。它与网 络管理模式的区别在于它提供了服务的透明性( t r a n s p a r e n c y ) 和任务执行的并发性 ( p a r a l l e l i s m ) ，使系统的潜能得到了最大的发挥，从而造成了网络和分布式系统的根 本不同。 1 1 2 2 管理内容 在分布计算环境中，系统管理的内容十分繁杂，通常按照被管理的对象、管理功能 和开发周期三维空间对它进行分类【”1 ( 图1 1 ) 。 在分布计算环境中，被管理的资源将不仅是硬件、软件、任务和用户，还包括网络 资源。对每一类系统资源，都有五类管理任务： ( 1 ) 配置( c o n f i g u r a t i o n ) 管理：是一切系统管理的基础，它将系统资源放置在合适的位 置，调整成合适的状态。在此基础之上，才能运行其他管理任务： 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 开发周期 图1 1分布式系统管理的分类 ( 2 ) 失效( f a u l o 管理：处理各种错误，并提供防范措施防止问题的再次出现； ( 3 ) 性能( p e r f o r m a n c e ) 管理：对系统资源进行协调、优化，以便获得最大的性能和利 用率； ( 4 ) 安全( s e c u r i t y ) 管理：提供安全机制，对系统资源进行安全的访问和使用； ( 5 ) 帐p ( a c c o u n t ) 管理：收集资源使用数据，根据资源消耗情况计费。 分布式系统管理的内容还可以按照管理应用的开发周期进行分类，通常可分为规 划、开发和维护三个阶段。 1 1 2 3 管理目标 、 一般说来，一个分布式管理系统应满足以下要求m l ： ( 1 ) 开放( o p e n ) ：一方面支持不同管理系统之间的互操作，另一方面能够管理异构 环境中的系统资源： ( 2 ) 自动( a u t o n o m o u s ) ：除了具有收集、显示管理信息和实时检测管理资源等基本 功能外，管理系统应具有一定的自动管理功能，能主动帮助系统管理员执行一些管理 任务； ( 3 ) 自适应( a d a p t i v e ) ：根据被管理资源的不同类型和状态( 如错误类型和负载状 况等) 采取相应的管理策略，包括可扩展性( s c a l a b i l i t y ) ，即支持被管理资源的数目动 态地改变： ( 4 ) 为系统管理员和用户提供不同的界面：通过g u i 界面为系统管理员提供统一的 管理视图，但对用户应当是透明的( t r a n s p a r e n c y ) 。 1 2 应用背景 由于分布式系统管理的对象十分繁多，下面我们将从分布计算环境中典型的应用实 例出发，结合具体的应用背景，分析、定义本课题的管理目标和内容。 目前，客户服务器体系结构已成为分布计算技术的主流1 。它采取请求应答的分 布处理模式，具有自然、简捷的开发模式以及易于扩展的结构特征，能够适应系统资 源的物理分布，实现分布计算环境中各类资源的交互与共享。因此，我们将以三类典 型的基于客户服务器体系结构的分布式应用为例，分析它们的应用需求。 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 2 1实例1 ：大规模的分布式事务处理应用 事务处理1 是计算机系统的传统应用，它在金融、电信和商业等领域都得到了广泛 的应用。随着9 0 年代后期以i n t e m e t i n t r a n e t e x l r a n e t 为代表的计算机技术的飞速发展， 事务处理应用的发展和业务规模的不断扩大，出现了基于三层客户服务器体系结构的 分布式事务处理应用。它将表现逻辑、业务逻辑和数据信息存储分离开来，进一步提 高了系统的可伸缩性、可管理性和可靠性。同时，分布式应用的计算目标也由原来的 高性能计算h p c ( h i g hp e r f o r m a n c ec o m p u t i n g ) n 高吞吐率计算h t c ( h i g ht h r o u g h p u t c o m p u t i n g ) 方向发展【1 】，事务处理应用面临新的挑战：一方面要求扩大系统的规模， 能够支持成千上万个在线客户：另一方面，要求应用系统在单位时间内能响应更多客 户的请求，即系统具有更高的吞吐率。这给传统的基于客户朋务器体系结构的分布式 应用提出了新的挑战。 1 2 r 2 实例2 ：军事抗毁应用 随着军事高科技的发展和世界政治格局的演变，各国之间的武器装备竞赛对现代战 争提出了新的要求，越来越多的电子、通信和计算机技术被应用于军事领域。特别是 由于现代战争地域分布的广阔性，使得基于客户n 务器体系结构的分布计算技术被广 泛地应用于军事决策、后勤保障以及战场医疗等领域。例如，位于战场前沿的指挥哨 所可以实时将战斗的执行情况通过客户端发送给位于后方总指挥部的服务器，由它根 据这些军事情报进行相应的战略决策。但是由于战争的残酷性，存储有重要军事信息 以及进行关键决策的服务器通常是敌方所攻击的主要目标。为此，出现了一种新的分 布式应用一一军事抗毁应用。它要求服务器即使被敌方摧毁，也不会影响分布式应用 的正常执行。这对服务器的可用性提出了很高的要求，然而现有的单服务器环境无法 满足这一要求。 1 2 - 3实例3 ：多数据库管理应用 。随着数据库应用规模的扩大和网络通信技术的发展，传统的单机数据库系统已正逐 渐向物理多节点环境下的多数据库系统| 1 6 】发展。越来越多的数据信息通过本地的局部 缓存机制，被物理分布在网络的各个节点上。它们互为备份，以支持数据库复杂和高 效的查询处理能力，以及对已经存在的高度分布的数据的有效处理和快速检索能力。 然而，如何实现对多数据库系统的管理，为客户提供一个透明、快捷的查询处理环境， 以及实现各个数据库系统之间的数据一致性和数据库节点的动态可扩展，是基于客户 服务器体系结构的多数据库管理应用所面l 晦的新的课题。 通过对实例1 、2 两类典型的客户服务器应用进行分析，我们可以看出基于客户 服务器体系结构的分布式应用存在着吞吐率和可用性两方面的迫切需求：一是要求服 务器能在单位时间内响应更多的客户请求，另一方面要求提高服务器的可用性。然而， 传统的单服务器的分布计算环境无法满足这些要求：当单个服务器失效时，整个应用 系统将会崩溃；而且随着客户数目的增加，服务器将成为处理请求的瓶颈。为此，多 个互为备份的服务器，即冗余服务( r e d u n d a n ts e r v e r ) 被引入分布计算环境中：一方面， 通过增加数据和计算的冗余度，提高了系统的可用性：另一方面，多个服务器并行地 响应客户的请求，提高了系统的吞吐率。 除了新的应用需求推动冗余服务的产生外，分布计算环境中也存在着大量遗留的冗 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 余服务应用。例如在实例3 中，数据信息被物理分布在多个冗余的数据库服务器中。 综上所述，在新的应用需求以及遗留应用的推动之下，冗余服务被引入分布计算环 境中，它同时带来了相应的管理问题。例如，如何在多个具有相同处理能力的服务之 间分配请求，当服务失效时如何进行处理，如何保证冗余服务的数据一致性，如何确 定冗余服务的个数以满足应用系统性能和可用性两方面的要求等。尤其在引入三层客 户服务器体系结构之后，如何对冗余的中间层应用服务器和第三层的数据库服务器进 行管理，等等。 上述问题主要涉及了冗余服务的性能管理、失效管理和配置管理，它们直接影响了 冗余服务在分布计算环境中的处理能力，解决得不好反而会降低系统的性能和可用性。 因此只有通过有效的管理才能真正发挥冗余服务的作用，实现分布式应用的性能和可 用性目标。 1 3研究目标 通过对研究背景、应用背景的分析，我们确立了本课题的管理对象以及研究目标： 针对三层客户服务器体系结构，以性能、可用性和可扩展性为目标，研究分布计 算环境中冗余服务的失效管理、性能管理和配置管理，并在此基础之上开发一个自动、 自适应、透明和开放的冗余服务管理系统。 分布式管理系统的四个特征，已在第1 1 2 节中进行了描述。关于性能、可用性和 可扩展性的衡量标准如下： ( 1 ) 性能：以提高系统的吞吐率和利用率为目标。一方面，要求系统在单位时间内能 处理更多用户的请求：另一方面，要均衡各个冗余服务的请求负载。 ( 2 ) 可用性( a v a i l a b i l i t y ) ：被定义为服务器可以被客户访问的概率m 】，通常以服务器 在一段时间内的损耗时间( o u t a g et i m e ) 或服务器的失效率( f a i l u r ep r o b a b i l i t y ) l j 8 来衡量。 ( 3 ) 可扩展性( s c a l a b i l i t y ) ：允许冗余服务动态地加入、离开或者转移到其他节点执 行，系统的规模根据冗余服务的个数动态改变。 随着计算机硬件技术的发展，计算机系统的性能价格比逐渐提高，越来越多的分布 式应用采用冗余服务技术以提高系统的性能和可用性，冗余服务的管理问题也逐渐成 为分布计算领域的研究热点。 1 4 1相关工作 针对冗余服务的性能管理、失效管理和配置管理，一些计算机研究机构和公司分别 提出了相应的管理协议和算法，并实现了一些面向性能或可用性的管理系统。其中， 具有代表性的如下： 口h o r u s 系统： 由美国c o m e l l 大学于九十年代初研制，它为冗余服务提供了组通信机制，并在此 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 基础之上，将冗余服务的失效管理和性能管理结合在一起考虑，定义了基于容错和负 载平衡的管理模型【2 0 】；但它没有区分请求的类型，没有实现与其他管理系统的开放接 口，而且对失效的服务只采取请求转发的容错机制。 口a r j u n a 系统川： 由英国n e w c a s t l eu p o nt y n e 大学于1 9 9 0 1 9 9 5 年研制，它针对具有状态信息的冗余 服务和多个服务之间的嵌套访问，提供了一致性控制协议和三种容错机制，同时还为 冗余服务提供了永久存储和生命周期服务；但是它没有实现冗余服务的性能管理，没 有提供全局的管理界面以及与其他管理系统的接口。 口c o m a n d o s 系统【2 2 | ： 由爱尔兰d u b l i n 大学的t r i n i t y 学院在九十年代初研制，它针对分别封装了数据和 计算资源的两类冗余服务，利用p r i m a r y b a c k u p 和断点( c h e c k g i o i n t ) 保存机制实现失 效管理，利用事务管理实现服务状态的一致性控制协议：但它没有实现冗余服务的负 载平衡机制以及配置管理功能，没有提供全局的管理界面以及与其他管理系统的开放 接口，且编程接口对客户不透明，要由它们自己选择复制和一致性控制协议。 口r o m a n c e 系统： 由葡萄牙的l i s b o a 技术大学在1 9 9 3 年研制，它在r o m a n c e 对象模型中引入复 制服务的概念，并提供三种手段以支持客户对冗余服务的高效、一致性访问，并通过 接1 ：3 描述语言i d l ( i n t e r f a c ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 为客户实现了透明的访问接口：但 它针对的只是被动( p a s s i v e ) 对象，即服务器中只封装了数据信息，而且它基于特定 的组通信协议，没有实现与其他管理系统的接口，没有提供全局的管理界面。 口 s p r i n g 系统： 由美国t e x a sa & m 大学在1 9 9 5 年提出，它为冗余服务定义了h o tr e p l i c a t i o n 失 效控制算法”，并通过在客户方和服务方驻留r e p l i c o n 模块，实现一致性控制协议，而 且它提供了配置策略，允许冗余服务的动态加入和离开；但它没有提供支持状态更新 的有力手段，而且没有实现对冗余服务的性能管理，以及与其他管理系统的开放接口。 口m v o ( m u l t i v e r s i o n o b j e c t ) 系统1 ： 由美国s o u t h e r nm e t h o d i s t 大学在1 9 9 7 年研制，它采用复带l j ( r e p l i c a t i o n ) 和恢复 ( r e c o v e r y ) 机制对冗余服务进行失效处理，通过对象实现的多样性避免软件错误，并提 供了冗余服务的故障检测机制；但所有类型的服务信息保存在系统唯一的节点上，以 集中的方式进行管理，容易成为瓶颈且可靠性差，并且未考虑如何提高冗余服务的性 能，以及如何对冗余服务进行配置。 口 b a l a n c e 系统i ”1 ： 由香港科技大学在1 9 9 7 年研制，它为冗余服务提供了负载信息的收集机制以及实 现多种负载平衡算法的自适应平台，并提供了与其他管理平台的开放接口：但它没有 考虑冗余服务的失效管理、配置管理，而且系统采用集中的请求调度机制，所有的管 理信息被存储在全局唯一的数据库服务器中，可靠性较低。 口p i r a n h a 系统【2 8 】： 由瑞士苏黎士大学的s i l v a n om a f f e i s 在1 9 9 7 年设计实现，它将冗余服务定义为服 务组( s e r v e rg r o u p ) 8 ”，并提供了a c t i v er e p l i c a t i o n 和p a s s i v e r e p l i c a t i o n 两种失效管 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 理方式，而且为系统管理员提供了图形用户界面，能够对冗余服务进行动态地复制、 删除和迁移；但它没有提供与其他管理系统的开放接口，而且管理系统的透明性和自 动化程度不够，要由用户自己确定冗余服务的个数和所驻留的节点。 口h i d r a 系统m 1 ： 由西班牙p o l i t e c n i c ad ev a l e n c i a 大学在九十年代末研制，它基于c o r b a 标准，为 冗余服务提供了c o o r d i n a t o r c o h o r t 的容错机制，在一定程度上实现了负载平衡；但是 它基于特定的对象请求代理o r b ( o b j e c tr e q u e s tb r o k e r ) 4 1 ，没有提供与其他管理系 统的开放接口，而且它采取分散管理模式，系统管理开销较大。 口p h o i n i x 系统1 3 1 l ： 由台北科学院以及国立交通大学在1 9 9 7 年研制，它作为c o r b a 的系统服务实现， 无需修改o r b 内核，而且提供了两个层次可选择的容错机制：重启( r e s t a r t ) 和恢复： 但它没有采取空间冗余的容错手段，未考虑冗余服务的性能管理，而且采取集中控制 方式，注册管理者l m ( l o gm a n a g e r ) 容易成为系统性能和可用性的瓶颈。 口b e e h i v e 系统： 由美国v i r g i n i a 大学在1 9 9 8 年研制，它建立在c o r el e g i o n 对象模型【3 3 1 的基础上， 将冗余服务的失效管理、实时调度和安全机制结合在一起，提供了基于规则的动态管 理机制；但是c o r el e g i o n 对象模型未定义冗余服务的概念，而且它基于特定的系统平 台，没有提供与其他管理平台的开放接口。 国内的一些大学和研究机构，也开展了这方面的研究。例如，南京大学的多服务 器开放模型【3 4 ”1 、基于j a v a 的容错系统【”1 以及电子科技大学的高可用c o r b a 等印，3 8 。 针对分布计算环境中的冗余服务，一些国际计算机厂商也推出了相应的管理产品，如： 口i b m 的c o m p o n e n t b r o k e r 3 9 】： 它基于c o r b a 平台为冗余服务提供了r o u n d r o b i n 等三种负载平衡机制；但它 没有提供针对冗余服务的失效管理和配置管理，无法实现与其他管理系统的接口，而 且它采用分散管理模式，冗余服务的转发机制对客户不透明，管理的开销较大。 口b e a 的m 3 1 6 】： 继事务处理中间件产品t u x e d o 4 0 】之后，b e a 公司推出了与c o r b 标准结合的对象 事务管理o t m ( o b j e c tt r a n s a c t i o nm a n a g e m e n t ) 产品一- - b e am 3 1 ”，它将冗余服务 定义为服务类( s e r v e rc l a s s ) ，分别提供了失效管理和动态负载平衡管理，还为系统管 理员提供了全局的管理界面以及动态配置冗余服务的接口；但它只采用恢复机制维护 失效服务，而且没有将冗余服务的失效管理和性能管理结合在一起考虑。 1 4 2 存在不足 虽然上述管理系统针对分布计算环境中冗余服务的管理问题，给出了一定的解决方 案。但通过分析，我们认为它们具有以下不足： 1 4 2 1 对冗余服务的概念没有明确定义 目前，有多种方式定义分布计算环境的系统模型。例如文献j 通过状态机来描述分 斫j 计算环境，它引入了复制和状态一致性，但没有采用面向对象的观点：c o r el e g i o n 对象模型【3 3 l 虽然完全采用面向对象技术建模，但它基于l e g i o n 系统，而且没有引入冗 余服务的概念；r o m a n c e 模型1 2 ”引入了复制对象，但它只是对数据进行封装，实现 丽了页一 国防科学技术大学研究生院学位论文 的是被动( p a s s i v e ) 对象：在a r j u n a 系统口”中对象可以嵌套调用，但它只实现了有状态 的服务，而且没有对冗余服务进行明确的定义：在文献口”和文献【3 5 1 中分别对对象组( o b j e c t g r o u p ) 和对等服务( e q u a is e r v i c e ) 进行了定义，但它