（计算机应用技术专业论文）基于移动agent的服务器集群研究.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 摘要 随着计算机技术和网络技术的发展，分布式系统得到越来越广泛的应用一单 个服务器受到处理能力的限制，很可能会成为网络访问的新瓶颈。服务器集群系 统具备高可用性和负载均衡性，并且易于扩展，成为解决这一问题的最佳方法。 移动a g e n t 技术在i n t e r n e t 领域中显示了强大的优势，具有节约网络带宽和克 服网络延迟、支持实时远程交互、封装网络协议、支持异步自主执行、支持离线 计算( 断连操作) 、支持平台无关性、具有动态适应性、提供个性化服务、增强应 用的强壮性和容错能力，广泛用于电子商务、网络管理、分布信息检索和发布、 并行处理等各个方面。 目前，服务器集群的负载均衡系统大多采用集中控制和分布服务的结构，存 在两点不足：( 1 ) 实现集中控制功能的负载均衡器有成为系统瓶颈的可能；( 2 ) 集群中的服务器设备个体自我智能性差，对负载均衡器的依赖性高，再分配能力 差。移动a g e n t 在对等网络中的广泛应用，表现出其良好的智能性。将移动a g e n t 引入服务器集群系统，能够克服集群系统的上述不足，改善集群系统性能。 针对服务器集群的不足，结合移动a g e n t 的移动性和智能性等技术优势，在 现有的基于负载均衡器的集群系统基础上，本文提出一种基于移动a g e n t 的服务 器集群系统。一方面，弱化了负载均衡器的分配功能，降低其成为系统瓶颈的可 能性；另一方面，提高了服务设备的智能性和降低了其对负载均衡器的依赖性， 使得整个系统在工作负荷的分配上更加合理。在蚁群优化算法的基础上改进了迁 移的选择策略，提高了分布式并行计算的效率，还有效避免了a g e n t 的无效迁移， 并通过简单实验证明其可行性。在分析了现有负载均衡技术的基础上，为了改善 集群的负载均衡效率，定义了负载域概念，为服务器网络建立层次结构，同时提 出一种负载均衡算法，体现了移动a g e n t 应用于服务器集群系统的特点。 本学位论文得到湖北省自然科学基金项目( 2 0 0 8 c d b 3 4 2 ，2 0 0 8 c d z 0 0 3 ) 和湖 北省教育厅重点项目( d 2 0 0 8 1 4 0 5 ，d 2 0 0 8 1 4 0 2 ) 的资助。 关键词：服务器集群，移动代理，负载均衡，蚁群算法 湖北工业大学硕士学位论文 曼i ；i i l ! 曼! ! 苎詈皇! ! ! 曼! ! ! ! ! ! 曼! ! ! ! ! 曼! ! ! ! 鼍! 曼鼍! ! 曼! ! ! ! ! ! ! 曼! 曼 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dn e t w o r kt e c h n o l o g y , t h e d i s t r i b u t e ds y s t e mi sa l r e a d ya p p l i e dw i d e l y t h es i n g l es e r v e ri sl i k e l yt ob et h en e w b o t t l e n e c ko fn e t w o r kv i s i t i n gf o ri t sl i m i t e dc a p a b i l i t y t h es e r v e rc l u s t e rh a st h e f e a t u r e so fh i 【g ha v a i l a b i l i t y , a n dl o a db a l a n c i n g , a n ds c a l a b i l i t y s oi tb e c o m e st h eb e s t s o l u t i o nf o r t h ep r e c e d i n gp r o b l e m m o b i l ea g e n ts h o w st h es t r o n ga d v a n t a g ei ni n t e r n e t f i e l da b o u tt h em o v a b i l i t y , a u t o n o m yn a t u r e ，r e s p o n s i v i t y , l e a d i n gg o a l n a t u r ea n d d i r e c t i n ga g a i n s t t h e e n v i r o n m e n to ft h em o b i l ea g e n t ，e c o n o m i z et h eb a n d w i d t ho ft h en e t w o r ka n d o v e r c o m et h en e t w o r kt od e l a y , i ti sr e a l - t i m ea n dl o n g - r a n g ea n dm u t u a lt os u p p o r t , e n c a p s u l a t i o np r o t o c o l ，s u p p o r t i n g t o c a r r y o u t a s y n c h r o n o u s l yi n d e p e n d e n t l y , s u p p o r t i n gc a l c u l a t e ( o p e r a t eb r o k e n l y i n s u c c e s s i o n ) a n dt h ei n d e p e n d e n c eo ft h e p l a t f o r m ，d y n a m i ca d a p t a b i l i t y , o f f e r i n gt h ep e r s o n a l i z e ds e r v i c e ，s t r e n g t h e n i n gt h e s t r o n ga n df a u l t - t o l e r a n ta b i l i t yt ou s eo f f - l i n e i tu s e di na l lr e s p e c t se x t e n s i v e l y , s u c ha s e - c o m m e r c e ，n e t w o r km a n a g e m e n t ，d i s t r i b u t i n gi n f o r m a t i o nr e t r i e v a la n dr e l e a s i n g ， p a r a l l e lt r a n s a c t i o np r o c e s s i n g , e t c 。 a tp r e s e n t ，t h ec e n t r a l i z e dc o n t r o la n dd i s t r i b u t i o ns e r v i c ea t ew i d e l yu s e di n l o a d - b a l a n c i n gs y s t e m so fs e r v e rc l u s t e r t h e r ea r et w os h o r t c o m i n g s ：( 1 ) i t sp o s s i b l e t h a tl o a dd i s t r i b u t o ri sl i k e l yt ob et h en e wb o t t l e n e c ko fc l u s t e rs y s t e m ；( 2 ) t h es i n g l e s e r v e r e q u i p m e n t i s l o w i n t e l l i g e n c e ，h i g h - d e p e n d e n c e o nl o a dd i s t r i b u t o ra n d l o w a b i l i t yo nr e d i s t r i b u t i o n m o b i l ea g e n th a sg o o dp e r f o r m a n c eo ni n t e l l i g e n c e i t w i l lo v e r c o m et h es h o r t c o m i n g sa n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h es e r v e rc l u s t e r s y s t e mb yi n t r o d u c i n gm o b i l ea g e n t f o ro v e r c o m i n gt h es h o r t c o m i n g so fs e r v e rc l u s t e r w i t ht h ea d v a n t a g e so fm o b i l e a g e n t ，o nt h ee x i s t i n gs e r v e rc l u s t e rb a s e do nl o a dd i s t r i b u t o r ，t h i sp a p e rp r e s e n t san e w s e r v e rc l u s t e rs y s t e mb a s e do nm o b i l ea g e n t t h es y s t e mh a sr e d u c e dt h ep o s s i b i l i t yo f l o a dd i s t r i b u t o rb e i n gb o t t l e n e c k ，h a si m p r o v e dt h ep e r f o r m a n c eo fi n t e l l i g e n c eo f s e r v e r s ，h a sr e d u c e dt h ed e p e n d e n c eo nl o a dd i s t r i b u t o r t h i sp a p e ra n a l y s e st h et a c t i c s o fm i g r a t i n gi ns e r v e rc l u s t e r , h a si m p r o v e dt h ec h o i c et a c t i c so fm i g r a t i n gr o u t eo nt h e b a s i so fa n tc o l o n ya l g o r i t h m s ，h a sa v o i d e do s c i l l a t i o no fm i g r a t i n ge f f i c i e n t l y , h a s i m p r o v e dt h ee f f i c i e n c y o fd i s t r i b u t e dp a r a l l e l c o m p u t a t i o n a tl a s tw ed e f i n e da c o n c e p t i o no fl o a da r e aa n dp r o p o s e da na l g o r i t h mb a s e do nl o a db a l a n c i n g ，i m p r o v e d t h ep e r f o r m a n c e sg r e a t l y k e y w o r d s ：s e v e r ，c l u s t e r m o b i l ea g e n t ，l o a d - b a l a n c i n g ，a n tc o l o n ya l g o r i t h m s 湖彬二堂大学 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 工考日期：z 四年月7 - , o i j 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 指导教师签名：魄转 吼6 删日 湖北工业大学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第1 章引言 针对网络的高速发展，服务器集群技术应运而生。因为，在这样的要求下， 这对网络服务的可靠性提出了越来越高的要求。用分布式技术集合多台服务器协 同工作为用户提供服务，就是服务器集群系统的根本思想。当用户需要实现高性 能与高可靠性的目标，来提供了尽可能多的计算机处理能力和数据的透明访问能 力，完成任何任务时分布式集群计算。同时，服务器集群还是最经济的计算模式。 既提高了系统的性能，同时也降低了成本，集群系统允许用户把普通商用硬件系 统组成机群，提高系统的伸缩性和可用性，并根据需要随时在机群中增加新的硬 件，从而能够享用过去只有高端系统才具备的高可伸缩性和高可用性，而价格却 是相对低廉的中低端平台。 使之不致于出现一台设备过忙、而别的设备却未充分发挥处理能力的情况， 如何在多个网络设备之间实现合理的负载量分配，就成了一个关键，负载均衡服 务能够平衡所有的服务器和应用之间的通信负载，根据实时响应时间进行判断， 因此，负载均衡技术也因此应运而生。负载均衡技术为了实现真正的智能通信管 理和最佳的服务器集群性能，将任务交由负载最轻的服务器来处理。 传统的服务器集群负载均衡技术大多采用一个负载均衡器( 或负载分配器) ， 统一接收用户请求，统一分配负载到各台服务器。采用这种结构的服务器集群系 统主要有：m i c r o s o f t 公司的m i c r o s o f tc l u s t e rs e r v e r ( m c s ) 、i b m 公司的w e bs p h e r e 和章文嵩博士等人开发的l i n u x 服务器集群自由软件项目l i n u xv i r t u a ls e r v e r ( l v s ) 。这几种最流行的集群系统都采用集中的负载均衡控制。负载均衡器不但 要对数据包进行改写转发，还要定时与各个网络设备交流信息，以便更新负载均 衡策略，同时为了实现均衡，分配器往往采用复杂的算法。很显然，在这类系统 中负载分配器很容易成为系统瓶颈。 而与此同时，国内外对p 2 p 、对等网络和移动a g e n t 技术的研究正如火如荼的 进行。移动a g e n t ( 代理) 节省了网络带宽，克服了网络延迟，移动能力是其基本 要求，是按照一定的规则在网络上漫游的，移动代理技术减少了中间数据的传输 量，迁移策略是移动代理的基础核心技术。尤其在低速、高延迟、连接不可靠的 网络环境中或中间数据传输量非常大时，尤其显示出移动代理技术的效率优势。 湖北工业大学硕士学位论文 移动代理技术具有性能优越和结构灵活等优势，和现有的网络分布计算技术 相比，该模式下开发的网络应用有以下优点： ( 1 ) 可有效降低网络负载； ( 2 ) 可支持移动设备的网络断开操作； ( 3 ) 支持分布并行计算； ( 4 ) 具有自然异构性； ( 5 ) 具有较高的环境应变能力； ( 6 ) 具有较高坚定性和容错能力； 移动代理计算将成为未来的分布计算模式。移动代理计算模式目标不在于完 全替代现有的技术，而在于借助其高性能和高灵活性，它提供了一种灵活的基于 i n t e r n e t 的分布式程序设计，充分发挥i n t e r a c t 的潜能。本文通过对国内外相关研 究的综合分析，提出基于移动a g e n t 的服务器集群，结合移动a g e n t 的如上优势， 改进现有服务器集群系统。 本学位论文得到以下基金资助项目的资助： 湖北省自然科学基金项目( 2 0 0 8 c d b 3 4 2 ) 基于深度扫描的对等网络监控机制研究 湖北省自然科学基金项目( 2 0 0 8 c d z 0 0 3 ) 基于对等网络环境下的信任构建和评估 湖北省教育厅重点项目( d 2 0 0 8 1 4 0 5 ) 基于d e e p s c a n 的p 2 p 监控机制研究 湖北省教育厅重点项目( d 2 0 0 8 1 4 0 2 ) 基于p 2 p 的网络信任机制研究 1 2 国内外研究现状 1 2 1 集群系统研究 集群系统作为一种可伸缩的并行处理系统，主要分为两类【1 】： ( 1 ) 高可用性集群，主要是提供不问断的服务； ( 2 ) 高性能集群，主要是将多台机器连接起来同时处理复杂的计算问题； 集群系统采用的操作系统主要有v m s 、u n i x 、w i n d o w sn t 和l i n u x 。基于 u n i x 的集群系统由于它集高可靠性、高可用性和易管理性于一身。被许多大公司 所采用，如：d e c 、h p 、s u n 、m m 等公司。基于u n i x 的集群系统由于其运行 稳定、安全性好而，是关键业务计算机系统的理想解决方案。 基于l i n u x 的集群系统自2 0 世纪9 0 年代末迅速发展，它发展很快【2 1 。由于 l i n u x 的开放源代码的特性，并在普通p c 机上提供了对高性能网络的支持，因此 使其不断走向成熟。现在出现了各种各样的l i n u x 集群解决方案，在集群计算方面， 2 湖北工业大学硕士学位论文 基于l i n u x 的m o s i x 是一个高性能的集群系统。 在我国的科研院所中，在集群系统、网络计算及分布式处理方面研究较多的 单位有：中国科学研究院、清华大学、南京大学、国防科学技术大学、武汉大学 垄纠3 】 寸。 另外，联想公司在1 9 9 9 年9 月推出了用于高性能计算的n s l 0 0 0 0 高性能集群 服务器；朗新公司推出了高可用性集群系统l o n gs h i n e 、c l u s t e rs e r v e r , 1 9 9 9 年9 月，国内首例l i n u x 安全集群系统通过公安部认证；2 0 0 0 年9 月，我国自主研发 的高性能计算机集群系统“自强2 0 0 0 s u h p c 在上海大学诞生。这些是国内一些 公司在集群系统方面进行了研发。 1 2 2 移动a g e n t 研究 著名a g e n t 理论研究者、英国的w o o l d r i d g e 博士和j e n n i n g s 教授认为：a g e n t 是一个具有自主性、社会能力、反应性和能动性等性质的基于硬件或( 更经常的) 基于软件的计算机系引4 1 。a g e n t 的具体实践开始于9 0 年代，并对软件a g e n t 有了 进一步的认识，其间人们进行了一些非常成功的尝试( 如p l e i a d e s ，a r c h o n 计 划等) 。 目前的移动代理系统都很不成熟，存在着各种各样的缺陷，处在实验室研究 阶段，离真正大规模的商业应用还有很大的距离。许多大学，研究机构和企业在 国内和国外投资大量的人力，财力资源，以研究为基础的网络管理系统移动代理 一个又一个，已经取得了一些成就，产生了大量一些移动a g e n t 系统，如i b m 东 京实验室的a g l e t 、r e c u r s i o n 公司的v o y a g e r 、美国d a r t m o u t h 大学的d a g e n t 、 i k v + + 公司的g r a s sh o p e r 、o p e ng r o u p 公司的m o a 、s t u t t g a r 大学的m o l e 、 o c h a n o m i z u 大学的m o b i l es p a c e s 等【9 1 。 国内的研究有南京大学的软件新技术重点实验室发布了一个移动平台 m o g e n t l 0 等。他们存在的安全性，互操作性，标准化等还不够好的问题，同时利 用这些平台进行相关的应用和发展，需要进一步进行相关研究。虽然它们都可以 为移动代理应用提供基本服务，而且这些平台有些是商用，有些是开源。 1 3 本文主要工作 ( 1 ) 本课题在参考了现有服务器集群系统的基础上，引入移动a g e n t 技术， 提高服务器的智能性，使服务器设备组成具有较高自适应性的对等网络，缓解集 群的瓶颈压力和提高集群的可用性； 3 湖北工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 研究了移动a g e n t 在集群环境中的迁移策略，在蚁群优化算法的基础上 改进了迁移的选择策略； ( 3 ) 综合考虑了移动a g e n t 和负载均衡，借鉴近邻和层次网络的思想，提出 负载域的概念，和基于负载域的负载计算算法。 1 4 组织结构 第一章介绍本文的课题背景，说明本文的研究内容及任务； 第二章概述服务器集群和移动a g e n t 及其关键技术； 。 第三章提出“基于移动a g e n t 的服务器集群系统，从整体上说明移动a g e n t 在集群中的应用范围和实现原理； 第四章分析现有迁移技术，讨论其存在的问题。借鉴蚁群优化算法，提出对 迁移策略的改进，并用简单实验证明其优越性； 第五章借鉴近邻和层次网络的思想，提出负载域的概念，和基于负载域的负 载计算算法； 第六章总结全文，总结本文的工作及创新点，并指出未来工作的方向。 4 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章综述 集群用于网络服务是网络技术的发展趋势，具有广阔的应用前景。但是，组 织多个网络设备协同工作，有效地发挥集群系统的技术优势不是一个简单的课题。 不同的设计对集群系统的性能影响很大。考虑到集群和对等网络的相似性，和移 动a g e n t 在对等网络中的应用，于是产生将移动a g e n t 引入服务器集群的想法。本 章就对集群和移动a g e n t 两个技术领域进行系统研究，寻找它们的结合方向。 2 1 集群系统概述 2 1 1 集群的概念 一般来说，可以这么理解集群的概念：集群系统是通过高性能网络( l a n 或 删) 进行物理连接的计算机集合，集群并没有一个严格的定义。用户和应用程 序与集群系统进行交互时，同时为用户和应用程序提供单一的系统映像，集群系 统就像一台高性能的服务器，这些计算机协同工作以完成共同的任务。一般称集 群中的计算机为节点( n o d e ) ，集群的节点可以是任意类型的计算机，包括p c 、 工作站、对称多处理机s m p ( s y m m e t r i c a lm u l t i p r o c e s s i n g ) ，甚至是大型机1 1 0 j 。 集群系统的结构如图2 1 所示。 编程环境和应用程序 丁t 可用性与单一系统隐射基础设施 工 工 工 操作系操作系操作系 统节点统节点统节点 王 王 王 互联设备 图2 1 集群系统的典型结构 5 湖北工业大学硕士学位论文 应用数据被存储在共享的数据空间内，任何一台服务器运行一个应用时。一 个c l u s t e r 包含多台( 至少二台) 拥有共享数据存储空间的服务器。每台服务器的 操作系统和应用程序文件存储在其各自的本地储存空间上。 当一个应用服务发生故障时。应用服务将被重新启动或被另一台服务器接管。 当一个节点服务器故障，应用程序运行在此服务器将接管另一节点服务器自动。 每一个节点服务器通过相互沟通的一个内部局域网在集群。当上述任何麻烦发生， 客户可以连接到新的应用服务迅速。 集群，发挥整体优势以提高服务质量，可看作是一组通过网络连接的工作站、 p c 或服务器所组成的集合，它们以统一的方式对外提供透明的服务。 2 1 2 集群的分类 集群的分类有两种办法，一是按照应用特性；二是按照技术特性。按照应用 特性，集群可以分为三大类【1 6 1 ：高可用性集群、高性能计算集群和负载均衡集群。 下面对这三种集群做一简单的介绍。本文将重点研究负载均衡集群，该集群在w e b 领域有广泛的应用。 高可用( h i g h a v a i l a b i l i t y ) 集群，简称h a 集群。高可用性的目标作用是恢复 时间尽量减少机器的时间和麻烦。这种集群致力于提供高度可靠的服务，指的是 服务器集群技术和服务以减少和切断时间为目的，目的是继续提供服务，同时向 外界打破系统。新的强大的应用程序需要不间断的、稳定的计算机系统，使得商 业和社会机构对日常操作的计算机化要求达到了空前的程度，趋势非常明显。 任何系统的崩溃会造成严重的损失，关键的r r 系统故障可能导致整个商业运 作的系统瘫痪，企业的很多公司和组织几乎完全依赖于计算机系统，现在适当的 机器意味着收入，生产和损失每分钟的利润，甚至减少的市场份额。快速增长的 这种需求，提出的要求，系统的可用性非常重要。 高性能计算集群( h i g hp e r f o r m a n c ec o m p u t i n gc l u s t e r ，简称h p cc l u s t e r ) ， 是指以提高科学计算能力为目的计算机集群技术。高性能计算( h i g h p e r f o r m a n c e c o m p u t i n g ) 研究并行算法和开发相关软件，它致力于开发超级计算机，是计算机 科学的一个分支，即是采用集群技术来研究高性能计算。并行计算是指将一个应 用程序分割成多块可以并行执行的部分并指定到多个处理器上执行的方法。 负载均衡集群技术的目的是提供和节点个数成正比的负载能力，也就是带均 衡算法的服务器集群。这类集群很适合提供大访问量的网络服务。为了减少系统 的平均响应时间等，负载均衡集群通过在系统节点间合理分配工作负载来提高系 统的整体性能。负载均衡建立在现有网络结构之上，增加的吞吐量，提高处理能 6 湖北工业大学硕士学位论文 力的数据，同时可避免单交点麻烦。负载平衡群集提供价格低廉有效的方法扩展 服务器带宽，分发网络或计算量按照一定的策略( 算法) 在许多节点。 2 1 3 集群技术 如果按照集群的技术特性分类，也可以分为三种：基于d n s 、基于服务器和 基于分配器( 负载均衡器) 。网景公司的浏览器在访问网景公司网站时，是基于客 户的集群系统的分类，可随机选择服务器，在早期的一些文献中，目前已很少见 到此方面的研究。这需要客户必须能够得到服务器集群申所有服务器的地址或是、 通过客户方的代理服务器，这在实际中是不现实的。下面对这三种集群做一简单 的介绍。本文将重点研究基于分配器的集群。 通过请求重定向机制允许集群中的所有服务器均可参与平衡集群的负载，它 是一种分布式调度方案。w e b 服务器集群主要有两种实现方式：h 1 r p 重定向和包 重写( d p r ：d i s t r i b u t e dp a c k e tr e w r i t i n g ) 技术。唧重定向( r e d i r e c t i o n ) 是利 用h t r p 协议提供的重定向机制：w e b 服务器可重定向输入的请求。w e b 服务器 需要一种机制在w e b 服务器之间交换各自的负载状况，它估计请求的处理时间结 合自己的负载状况决定是否转发。 基于分配器透明w e b 集群系统意味着对w e b 浏览器和w e b 服务器而言都是透 明的。根据由分配器集中接收所有客户m t p 请求后，调度策略从w e b 集群服务 器池中选择一个服务器来处理请求。如图2 2 所示。 图2 2 基于分配器的w e b 集群 需要指出的是很多商业方案都采用这种架构并不断完善，基于分配器的集群 系统是集群技术发展的主要方向。下面介绍几种典型的集群系统。 7 湖北工业大学硕士学位论文 2 2 移动a g e n t 概述 2 2 1 移动a g e n t 概念 移动a g e n t 是一种新型的分布式计算技术，具有对象传递、异步计算等特性。 本节针对其概念和特征分析了移动a g e n t 的体系结构和关键技术，并简单介绍了 目前国际上发展现状和研究趋势。 移动a g e n t ( m o b i l ea g e n t ，即m a ) 是能在同构或异构网络主机之间自主地 进行迁移的程序。移动a g e n t 包括移动性和通常的a g e n t 特性两个方面【1 刀。它指 自包含和可标识的、能在网络中移动并接受用户或其它实体的利益活动的计算机 程序。移动a g e n t 技术近年来得到了飞速的发展，是起源于人工智能和分布式系 统领域的一项新兴技术。 a g e n t 能够暂停执行，将自己的执行代码、数据和运行状态传送到网络中的其 它节点，然后从暂停点继续执行。移动a g e n t 不固定于它开始执行的系统，可在 网络各主机间自由移动。在某个执行环境中被建立后，移动a g e n t 可携带自身状 态和代码在网络中转移到另一环境中去，并可在该环境中恢复执行。目前，a g e n t 研究朝着移动a g e n t 系统结构的设计和实现的最优化方向进行。 移动a g e n t 通过环境交互模块与外界环境通信，在感知周围环境并与环境交 互的时候需要安全服务模块提供支持，执行安全策略，阻止外界环境对a g e n t 内 部数据的非法访问。如果任务在本地不能完成，则根据路由策略通过环境交互模 块向移动a g e n t 平台发出迁移请求。 2 2 2 移动a g e n t 的结构 通常的移动a g e n t 系统由移动a g e n t ( m a ) 和移动a g e n t 运行环境( m a e ) 两部分组成。m a e 也被称为移动a g e n t 服务器或移动a g e n t 平台。m a 则是只能 存活在m a e 中的软件实体，可以从一个m a e 迁移到另一个m a e 并且与本地的 服务或者资源进行交互完成任务。 通常，一个m a e 上驻有多个服务a g e n t ，分别提供不同的服务，如文件服务、 黄页服务等系统级服务，定票服务、数据库服务等应用级服务。主要功能移动代 理完成指定的任务，用户需要，实现好，移动语义，安全控制，与外部的通讯功 能。不符合代理和有能力采取行动，其主要职能是提供服务，本地代理人或访问 代理。可以直接访问系统资源，只能访问“可控的( c o n t r o l l e d ) ，安全的( s e c u r e ) ， 通过服务接口，代理提供移动代理访问，这可以防止敌对代理攻击主机的计算机， 8 湖北工业大学硕士学位论文 ! ! ! ! ! ! ! ! 苎皇! ! ! 曼! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! i 一一；一一一m ；m m ；。! 曼詈! ! ! ! ! ! ! ! 曼! ! ! 曼 移动代理安全策略，系统采用经常。 由于系统a g e n t 是不移动的并且只能由它所在m a e 的管理员启动和管理，因 此保证服务a g e n t 不会是非法的。移动a g e n t 可以从一个移动a g e n t 运行环境移动 到另个移动a g e n t 运行环境，在移动a g e n t 运行环境中执行，并通过a c l ( a g e n t c o m m u n i c a t i o nl a n g u a g e ) 与其它移动a g e n t 通信或访问m a e 提供的服务。 2 3 本章小结 本章首先介绍了服务器集群的特点，以及采用集群技术提高服务器性能的优 势。对集群系统进行分类总结，按照应用特性和技术特性，分别讨论了3 种集群 系统。这部分的研究是负载均衡技术的支撑平台，对把握国际上有关此方面的最 新实用技术和研究负载均衡技术具有重要的指导意义。然后介绍了移动a g e n t ，及 其结构和安全问题。 通过对二者的研究，本文希望在服务器集群中引入移动a g e n t ，提高集群的自 适应性和智能性，提高服务器对于负载的再分配能力。 9 湖北工业大学硕士学位论文 3 1 引言 第3 章基于移动a g e n t 的服务器集群 通过第二章的研究发现，移动a g e n t 技术给服务器集群系统的设计、实现和 维护都带来了新的活力，它有着许多传统集群模型无法比拟的优势。 ( 1 ) 移动a g e n t 可以直接访问该主机上的资源，避免了大量数据在网络中的 传输，与源主机间的交互变少，通过将服务请求代理移动到目标主机，使得降低 了整个系统对网络带宽的依赖，缩短了通信时延，提高了服务质量。 ( 2 ) 移动a g e n t 的智能路由还减少了用户在浏览或搜寻时所做的判断。移动 代理可以按照负载的服务器和网络确定移动目标的动态，有利于负载平衡，可以 认为它的运行环境，并作出适当反应的环境变化。 ( 3 ) 可以将要完成的任务封装到移动a g e n t 中，并通过网络将其派遣出去， 然后就可以断开源主机与目标主机之间的连接。从那以后，在产生它和非同步的 自治操作过程中在独立上的移动的剂。源主机可能是在与结果有关并且得到的随 后的目标主人里的适当的时间。这是移动设备或者移动的用户的将来特别有用， 因为移动设备的计算依赖昂贵和脆的网络连接，它在移动的设备里要求并且修理 在继续之间的网络连接，这样的一个请求用经济观点和技术观点方式不太好【2 5 1 。 ( 4 ) 分布式网络计算平台往往是异构的，而移动a g e n t 通常独立于特定的软 硬件环境，仅仅依赖于其运行环境，所以移动a g e n t 是进行无缝系统集成的最优 条件。 ( 5 ) 移动a g e n t 在进行任务处理时可以动态创建多个代理并行工作，提高效 率并降低作业的响应时间。移动代理的趋势分发自己的独特能力合理主机电脑之 间的网络更多，可以继续解决优化配置的某些特定问题，根据一定的规则。 ( 6 ) 移动代理必须预计节点和适应变化的事件，这使其构建良好的分布式系 统相对容易的中坚和容错，当一个主机电脑关机时，有足够的时间将在另一个主 机电脑，并继续运行，因为所有的运动主体是经营本主机的计算机会被警告。 总之，在对等网络和集群逐步走向实用的阶段，将移动a g e n t 技术用于服务 器集群有着非常明显的优势。 1 0 湖北工业大学硕士学位论文 3 2 设计思想 基于以上研究和分析比较，本文提出一种基于移动a g e n t 的集群系统。它能 够提供负载均衡的功能，使得多台服务器协同工作，共同完成客户的请求，从而 将一组服务器构成一个高性能的、具有高可靠性和良好的可扩展性的虚拟服务器。 整个系统的结构对客户透明，无需修改客户端程序。 本集群是在基于负载分配器的集群的基础上，保留分配器的同时引入移动 a g e n t 技术，因此本文的总体思想有三点： ( 1 ) 弱化分配器强化服务器。方面，分配器采用更为简单的分配算法实现 第一次分配，减弱分配器在整个系统中的权重。算法可以采用轮转或随机，这类 算法是静态算法，不需要分配器与服务器之间通信，目的是降低分配器的工作负 荷和网络带宽的消耗。而保留分配器是为了保持服务器集群对客户的透明性，使 服务器集群有一个统一的对外接1 3 。另一方面，通过引入移动a g e n t ，使服务器具 有对负载的二次分配能力。单个分配器的能力是一定的，而多个服务器协作所表 现出的能力是要强于前者的。当然，协作会带来网络带宽和计算资源的额外开销， 所以好的系统结构和算法的设计尤为重要。 ( 2 ) 服务器分层次。在服务器集群中，服务器的数量可以从几台到几百台甚 至上千台，服务器的计算能力和容量也可以是千差万别的，因此，服务器集群不 能只存在一个层次，要对服务器进行区别，也就是创建层次。本文认为，双层或 多层服务器集群结构是有必要的。根据一个统一的标准，每台服务器计算出自己 的权值，根据权值，拥有相应的负载职责。而且，围绕某一台能力较强的服务器， 几台近邻服务器可以组成一个局部负载域，中心服务器要担负一定的控制任务。 ( 3 ) 安全的集群。由于引入了移动a g e n t ，使得集群的组织更加灵活。在时 间上，会有不同服务器先后经常地加入和退出集群；在空间上，集群系统可能遍 布整个地球。因此，应该有一种节点的准入和准出机制。甚至可以把一台服务器 当成一个人，一个集群就是一个社区。 3 3 系统结构 根据以上所述，设计如下，如图3 1 所示： 湖北工业大学硕士学位论文 图3 1 网络结构图 根据分布性和有序性的思想【2 7 1 ，本文设置了负载域和控制节点。邻近节点可 以构成负载域，负载均衡优先在负载域内进行，避免了由于a g e n t 可能的过度迁 移而带来的网络带宽的额外消耗。可以看出，本服务器网络结构不是完全松散的， 这和生命体是类似的，一个负载域相当于一个细胞，域内具有一定的自治性，域 和域之间有信息交流，同时域还依附于整个系统。 负载域内的区域自制和负载均衡的实现是通过控制节点的引入。根据有层次 的网络思想，一部分节点具备管理功能，负责区域内的协调调度任务。这一方面 是为了更有效的组织服务器，提高系统协同工作的效率；另一方面，是为系统维 护人员管理整个负载系统提供方便。事实上，每个安装了集群系统的节点都拥有 控制组件，根据网络情况和自我状态，可以开启和关闭控制功能。当一个节点开 启控制组件的功能后，它就由一般节点成为控制节点，同时担负响应客户请求和 维护负载域的工作。 可以看出本系统的服务是分布式的，控制和管理是集中的。这样既有良好的 可扩展性，又有很强的可控制性。 系统结构如图3 2 所示： 1 2 湖北工业大学硕士学位论文 图3 2 系统结构图 系统组成介绍： ( 1 ) 负载均衡组件 负载均衡组件主要用来实现一些底层的负载均衡操作，如进程迁移，包括目 标节点的选择，被迁移进程的选择，以及迁移的时机等。这些功能的实现需要利 用相关的均衡策略以及系统参数。 ( 2 ) 移动a g e n t 组件 移动a g e n t 组件提供了移动a g e n t 的运行环境。同时，用户可以根据需要，通 过移动a g e n t 生成环境，修改现有的移动a g e n t ，或者创建新的移动a g e n t 。移动 a g e n t 组件接收系统主控程序分派的任务，创建并派遣相应的移动a g e n t 予以实现， 它可以与其余节点交互。 ( 3 ) 域控制组件 域控制组件为控制节点提供了管理负载域的工具，包括负载域内的管理和负 载域间的交互。域控制组件的开启和关闭受到身份和权值组件的控制，当节点获 得控制权后才开启域控制组件。 ( 4 ) 系统安全组件 移动a g e n t 为对等网络提供了更开放的能力的同时，也增加了系统安全的危 险隐患。系统安全组件从3 个方面保护系统：身份认证、权限管理和信息监控。 ( 5 ) 容错组件 移动a g e n t 的迁移主要通过网络数据传输完成，因此，很有可能会发生传输 1 3 湖北工业大学硕士学位论文 故障，单纯地依赖网络协议进行a g e n t 迁移，很难保证其正确性和完整性。因此， 必须提供迁移的容错处理服务。 3 4 系统功能 ( 1 ) 异步的信息搜集 在移动a g e n t 方式下，节点a 只要发出一个携带着需要访问节点的信息表信 息的搜集a g e n t ，逐_ 访问目标节点，最后将结果返回源节点a ，简单高效。在传 统系统中，节点a 要访问m 个节点就要建立m 条链接，节点之间的信息交互是直 接的和一对一的，分别获取信息。 ( 2 ) 网络成员组织 当节点a 就成为了系统的一员，就可以共享整个系统的资源，并可与其余节 点进行负载均衡。当新的节点a 想要加入系统，节点a 可以发送一个拓扑结构管 理移动a g e n t ，通过轮询系统的所有节点，以发布节点a 的信息，如节点号、节点 的处理能力、节点的网络地址等。 如果某个节点b 通过正常的方式退出服务系统，它也可以通过上述类似的方 式，来通知各个节点，以避免其余节点将任务转移到该节点。如果节点b 非正常 退出( 如死机，断电等) ，也很容易被发现。因为，会有a g e n t 定期的检查各个节 点的激活状态，若发现节点b 在一段时间内没有任何响应，则可以认为该节点非 法退出。同样，a g e n t 把这个消息通知其余节点。 ( 3 ) 任务的转移 如果节点a 需要转移某个任务到另外一个节点b ，节点a 需要和节点b 协商， 在节点b 同意后，才能转移该任务。如果失败，还需要重新选择其余节点，重复 上述操作。 在本系统中，节点a 只要发送携带了任务信息和若干备选节点信息的a g e n t ， 依次询问目标节点，直到找到合适节点并返回结果。上述过程由移动a g e n t 自动 完成，大大降低了节点a 的负担，体现了移动a g e n t 的智能性。 3 5 本章小结 ，本章阐述了关于移动a g e n t 应用于服务器集群系统的设计思路，讨论了网络 结构和系统结构，对关于服务器集群系统的研究进行了补充。接下来，本文将重 点研究在服务器集群系统中移动a g e n t 的迁移策略和系统的负载均衡问题。 1 4 湖北工业大学硕士学位论文 第4 章移动a g e n t 的迁移策略 为了有效地将移动a g e n t 应用于集群网络，满足网络服务对于集群内信息交 流、网络维护和负载均衡的要求，有必要对a g e n t 的迁移策略进行研究，使得a g e n t 的移动在满足系统要求的同时，占用尽量少的网络带宽和计算资源，真正提高集 群的服务质量。本章将结合服务器集群的特点和蚁群优化算法，研究合适的迁移 策略。 移动a g e n t 在网络中移动时，首先需要解决两个最基本的问题：移动a g e n t 何时开始移动和移动到何地的问题。至于何时开始，移动代理属于当资源无法满