（计算机软件与理论专业论文）基于服务组合与环境感知的自适应计算技术研究.pdf

上海交通大学博士学位论文 摘要 随着软件种类的日益增多和应用规模的不断增大，计算技术在保证计算系 统能力持续增长的同时，也导致了计算系统复杂性的持续增加。这种情形促进 了人们对计算机观念的改变，从原来的单纯追求运算速度转变为现在的对计算 的可控性、自适应性、方便性及用户接口的友善性等方面的需求。自适应计算 正是为满足这种需求而发展起来的。本文基于网格服务环境来研究自适应计算 技术，以提供一种按需计算的自适应软件构造方法，提高应用在动态环境下的 服务质量及适应能力。 自适应计算是指：根据应用运行过程中执行环境的变化或者用户的需求变 化，系统能够自动地改变软件结构或调整执行行为。当采用网格来作为计算基 础设施时，基于服务组合的软件模型方便了系统构建随需应变的操作环境和相 应的应用软件。此时，如何组合各种分布的、自治的服务资源，成为面向服务 体系结构下实现按需计算的关键。在众多服务组合方法中，基于服务语义的研 究方法受到了更多的关注，本文希望借助这种服务语义的特征抽象来研究服务 的组合规划。 在一个动态网络环境下，运行实体对上下文的感知能力决定了它的适应能 力。这些上下文信息反映了环境状态的变化，以及协作对象间的特征信息。网 格系统的监测服务将有助于应用的环境感知。而交互对象间的协作模型及应用 的行为调整则需要相关的领域知识。当把这些知识组织到系统中作为自适应策 略时，将能够有效地提高系统的服务质量。 根据国内外已有的研究成果和应用情况，本文系统地研究了动态网络环境 下的自适应调节和基于需求驱动的服务组合规划算法。提出了将群集智能方法 应用于对等服务环境下的优化控制，通过对等节点间的协作和环境感知来提高 系统的服务质量：根据服务的特征抽象，通过服务的组合规划来满足应用需求， 提出了将遗传规划、基于实例的推理等智能计算方法应用于服务的组合规划中： 提出了个策略驱动的服务运行自适应方法，以克服普适计算设备的资源受限 性问题。本文的创新主要体现在如下五个方面： 1 针对动态网络环境下的服务质量问题，提出了一个基于环境感知的对 等服务机制，提供了基于对等节点自治组模型的自适应方法，在此基 础上建立了一个对服务质量敏感的网络视频点播系统g r i d v o d 。 g r i d v o d 利用对等节点间的协作行为特征和系统监测服务，来提高视 频组播的服务质量。 2 针对自组织系统行为模式中迭代趋优的特性，提出了一个基于群集智 i 上海交通大学博士学位论文 能的计算方法，以规范和控制对等节点的行为。通过各个自治节点的 协同运作，g r i d v o d 从整体上表现出一种自组织系统的行为模式。由 于g r i d v o d 自优化的内在机制建立在群集智能方法之上，因而可以通 过简单个体间的群体行为来提供一种优化的分布式解决方案。实验结 果表明，基于群集智能的对等服务方法可以获得良好的视频服务质量。 3 针对基于需求驱动的服务组合问题，提出了一个适用于服务组合规划 的遗传规划方法。在借鉴已有服务语义研究的基础上，本文将网格环 境下的服务元素抽象为服务规则单元，从而将满足用户需求的服务组 合问题抽象为一个动作规划过程，并在此基础上来设计遗传规划方法， 以满足基于服务组合的应用软件的适应性要求。 4 利用网格系统经常接收到相同或相似的服务需求信息的特点，本文提 出了基于实例的推理来改进服务组合的规划算法，将多次任务求解的 规划方案看作为相互关联的过程，利用前面积累的经验知识来提高后 面规划的效率。仿真实验结果表明，遗传规划、基于实例的推理方法 能够有效提高服务组合的效率及组合服务的质量。 5 针对普适计算设备的资源受限性和无线网络环境的动态性问题，提出 了一个策略驱动的服务运行自适应方法，提供了一个优化应用执行的 服务调节算法p r o f i t e x e 。在该自适应方法中，上下文感知事件驱动着 服务的执行规划，以决定哪些服务组件放在移动设备本地执行，哪些 服务组件被配置到远程服务端执行。仿真实验结果表明，p r o f i t e x e 算 法能够有效地减少电池的消耗，或者是加快应用程序的执行速度。 关键词：自适应计算，环境感知，服务组合，网格，面向服务的体系结构 上海交通大学博士学位论文 a b s t r a c t i no r d e rt om e e tm en e e d so fi n c r e a s i n ga p p l i c a t i o nt y p e sa n ds c a l e s ，c o m p u t i n g t e c h n 0 1 0 百e se n s u r e t l l ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fm ec o m p u t a t i o n a ls y s t e mi n a b i l i t ya sw e l la si nc o m p l e x i 妙c o n s e q u e n u y ，i t i sn e c e s s a r yt oc h a n g eo u rp e r c e p t i o n o fc o m p u t e r sf r o mt h ee x c l u s i v ep u r s u i to fc o m p u t i n gs p e e dt ot h ec o n c e mo fm e c o m p u t i n gi nt l l ea s p e c t so fc o 耳t r 0 1 1 a b i l i 坝a d a p 讪i l i 饥c o n v e n i e n c e ，a n da m i c a b i l i t y b e t w e e nm a na n dm a c h i n e a d a p t i v ec o m p u t i n gd e v e l o p st os a t i s 匆t 1 1 i sn e e d i nt 1 1 i s p a p e r ，b a s e do ns e i c e sc o m p o s i t i o ni ng r i de n v i r o n m e n t s ，a d a p t i v ec o m p u t i n gi s s t l j d i e di no r d e rt op r o v i d es e i c e so nd e m a n d ，a n di m p r o v et h ea d a p 讪i l i t yo ft h e s y s t e ma n da p p l i c a t i o n si nd y n a m i c e n v i r o l i l e n t s “ a d a p t i v ec o m p u t i n gr e f e r s t ot h ep h e n o m e n o nt h a tt h es y s t e mc a nc h a n g e s o f t w a r es t m c t u r eo rb e h a v i o r sa u t o m a t i c a l l yi nr e s p o n s et oc h a n g e si ni t so p e r a t i n g e n v i r o n m e n to ri nu s e r s r e q u i r e m e n t s w h e nt h ec o m p u t i n gi n f r a s t n j c t u r ei sb u i l t b a s e do ng r i d ，t h es e r v i c e c o m p o s i t i o nb a s e ds o f t w a r em o d e lp a t haw a yf o rt h e c o n s t r u c t i o no ft h eo p e r a t i n ge n v i r o n m e n t sa n da p p l i c a t i o n sw i t ht l l em e t h o do f c o m p u t i n go nd e m a n d u n d e rt h i sm o d e l ，m ek e y t or e a l i z ec o m p u t i n go nd e m a n di s h o wt oc o m p o s et h e s ed i s t r i b u t e d ，a u t o n o m o u ss e r v i c er e s o u r c e s a m o n gm a n y s e i c ec o m p o s i t i o nm e m o d s ，m ea p p r o a c hb a s e do ns e m a n t i cs e r v i c ed r a w sm o r e a t t e n t i o n ，b yw h i c hw ew i l ls t u d yt h ep l a n n i n gp o l i c yf o rs e r v i c ec o m p o s i t o n i nd ) ，1 1 a m i cn e t 、o 也t h ea d a p a b i l i t ) ，o ft h er u 皿i n ge n t i t yi sd e t e n l l i n e db yi t s c o n t e x t a w a r e n e s s c o n t e x tr e n e c t st 1 1 ec h a n g e so fe n v i r o n m e n t sa n df e a t u r e so f c o o p e r a t i n go b je c t s t h e m o n i t o rs e r v i c ei ng r i d h e l p s t h e a p p l i c a t i o n o f e n v i r o n m e n t - a w a r e n e s s ，a n dt h ed o m a i nk n o w l e d g eh e l p st h ec o o p e r a t i o na m o n g t h e s ei n t e m c t i v eo b j e c t sa n dt h ea d a p t a t i o no fe x e c u t i v eb e h a v i or w ec a ni m p r o v et h e s y s t e m sq o sw i t hk n o w l e d g e b a s e da d a p t i v ep 0 1 i c i e s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w es y s t e m a t i c a l l ys t u d yt h ea d a p t i v ea l g o t h mi nd y n a m i c e n v i r o i l i n e n t sa n dt h er e q u i r e m e n t d r i v e np l a 衄i n gp 0 1 i c yf o rs e r v i c ec o m p o s i t o n w e d e s i g nas w a n ni n t e l l i g e n tm e t h o dt oo p t i m i z et h eq o si np 2 pe n v i r d n m e n t s b a s e d o nt h ef e a t u r ea b s t r a c t i o no fs e r v i c e s ，w eu s et h es e r v i c e c o m p o s i t i o np l a i u l i n gt o s a t i s 母t h ea p p l i c a t i o n sr e q u i r e m e n t s ，a n dd e s i g nt h ep l a n n i n gp o l i c yw i t hg pa n d c b r w ea l s o d e s i g n a na d a p t i v e a l g o d t h mf o r t l l es e r v i c ee x e c u t i o nw i t l l c o n s t r a i n t e dr e s o u r c e s t h em a j o ri n n o v a t i v ew o r ki nm i sd i s s e n a t i o ni sa sf 0 1 1 0 w s 1 ) t 1 1 i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e sap 2 ps e i c em e c h a n i s mt os u p p o r tq o s - a w a r e 一卜海交通大学博士学位论文 v o da p p l i c a t i o n t h i ss y s t e m ，n a m e dg r i d v o d ，i sd e s i g l l e db a s e do nt h e p 2 pa u t o n o m o u sg r o u pm o d e l ，w h i c hf - o 眦sm ec o n t e x t - a w a r eo p e r a n n g e n v i r o n m e n t t bi m p r o v et h eq o s ，s t r e 锄m e d i ai sm u l t i c a s t e da m o n g 廿1 e s e c o o p e r a t i v ep e e r sw i 也t h eh e l po fs y s t e mm o n i t o r w ed e s i g nas w a n ni n t e l l i g e n tm e t h o dt or e g u l a t ea n dc o n t i d lt h eb e h a v i o r o fp e e r si ng r i d v o d 1 h o u 曲t h ec o o p e r a t l o na m o n gp e e r sm a u t o n o m o u s g r o u p s ，g r i d v o de x h i b i t sg e n e r a l l yas e l f - o r g a n i z a t i o ns y s t e mi nb e h a v i o r m o d e b e c a u s em ei n n e rm e c h a n i s mo fg r i d v o d ss e l f - o p t i m i z a t i o ni s b a s e do nt h es w a 唧i n t e l l i g e n tm e t h o d ，ad i s t r i b u t e do p t i m i z i n gs 0 1 u t i o ni s p r o v i d eb yt h eg r o u pb e h a v i o ro fs i n 9 1 e i n d i v i d u a l s s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tg r i d v o dw o r k sw e l lf o rab e t t e rq u a l i t ) ，o fv i d e os e i c e w ep r o p o s eas e r v i c ec o n l p o s i t i o nm o d e lb a s e do na c t i o np l a n n i n g ，a n dt h e p l a 肌i 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o n m e n t a w a r e n e s s ， s e i c e c o m p o s i t o n ，g r i d ，s e i c e o r i e n t e da r c h i t e c t u r e l v 劢 动 $ 上海交通大学博士学位论文 图表目录 图1 1 规范动态软件体系结构3 图1 2 自适应系统的适应性分析5 图l 一3 支持上下文感知与应用分离的信息流结构6 图2 1 网格五层沙漏结构与i n t e m e t 协议结构的比较1 4 图2 2 网格分层体系结构特征1 4 图2 3 服务与资源的关系15 图2 4 普适计算的系统组成1 8 图2 5 普适计算相关技术发展流图1 8 图2 6 自治系统组件模型2 0 图3 1 基于p 2 p 刚格的视频点播系统结构2 4 图3 2 基于流合并的视频组播2 6 图3 3 基于自治组模型的虚拟子网2 8 图3 4n w s 对网络可用带宽及延迟的监测示意图3 4 图3 5n w s 中基于团( c l i q u e ) 的层次结构3 4 图3 6 基于网络感知的组播示意图3 6 图3 7g r i d v o d 网络自适应组播算法3 7 图3 8g r i d v o d 的p 2 p 协同缓存机制3 8 图3 9g 稍v o d 中自治个体的行为描述4 3 表3 1 实验使用的部分参数设定4 4 图3 1 0 不同用户请求强度下的请求撤消率4 6 图3 一1 1 不同用户请求强度下的平均延时4 6 图3 1 2 不同m i n i s e e r 数量时的请求撤消率4 7 图3 1 3 不同m i n i s e r v e r 数量时的平均延时4 7 图3 1 4 缓存命中率4 8 图3 1 5 系统由初始状态开始运行一段时间内的请求撤消率变化4 8 图3 1 6p 2 p 环境下不同用户请求强度下的请求撤消率4 9 图4 1 服务组件5 2 图4 2 基于服务的软件开发过程5 3 上海交通大学博士学位论文 图4 3 动态服务组合中的上下文信息处理5 3 图4 4 服务组合框架5 5 图4 5 基于角色的服务交互模型5 6 图4 6 服务规则单元5 8 图4 7 基于需求驱动的随机规划算法砌) r p 6 2 图4 8 基于服务聚集的启发式规划算法s c b h p 6 4 图4 9 基于遗传规划的服务组合规划算法g p 4 s c 6 6 图4 1 0g p 4 s c 中的个体表示形式6 7 图4 1 1 基于显式知识指导的群体进化过程6 9 图4 1 2 不同相似度情况下的服务组合规划时间7 2 图4 13 不同相似度情况下的服务组合规划质量对比( g p 4 s c s c b h p ) 7 2 图4 1 4 不同服务元素数量时的服务组合规划时间7 3 图4 1 5 不同服务元素数量时的服务组合规划质量对比( g p 4 s c s c b h p ) 7 3 图4 1 6 不同服务元素数量时的服务组合规划成功率7 4 图5 1 实例推理流程图7 6 图5 2 基于实例推理的服务组合规划8 0 图5 3 基于实例推理和遗传规划的服务组合规划算法c b r g p 4 s c 8 3 图5 4 服务组合规划时间对比( c b r g p 4 s c g p 4 s c ) 8 5 图5 5 服务组合规划质量对比( c b r g p 4 s c g p 4 s c ) 8 5 图5 6 不同五尼相似度情况下的服务组合规划成功率8 6 图6 一l 普适计算环境示意图9 0 图6 2 基于p 2 p 协作及基于b r o k e r 的服务组合模型9 1 图6 3 服务运行的自适应管理框架9 2 图6 4 策略模型一9 6 图6 5 基于规则a g e n t 的自适应服务模型9 7 图6 6 针对可用内存不足的策略描述9 8 图6 7 服务运行调节中的模糊语言控制规则9 9 图6 8 隶属函数1 0 0 图6 9 基于服务重配置的移动应用运行模式】0 1 图6 1 0 用于电池优化及性能优化的p r o f i t e x e 算法1 0 4 图6 1 1 相对于r e m o t e e x e 的应用执行电池用量对比1 0 7 图6 一1 2 相对于r e m o t e e x e 的应用执行时间对比1 0 8 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体己经发表或撰写过的作品成果。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。 眺一虢刀门前 日期：驰年6 月日 上海交通大学 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，同意学校保留 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 人授权上海交通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。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 指导教师答名：玩屠 日期：纽舞f 明 6 日 廿 日 省“ 句 明 别 妒 名 每 ，l _ 卜r r ，个， j 文 狮 蹦 别 1+岁 学 日 上海交通大学博士学位论文 1 1 论文研究背景 第一章绪论 这些年来，计算机的计算能力越来越强，计算机价格的不断降低使得计算机得 以广泛普及。随着高性能宽带网、无线通信网等基础通信设施的迅猛发展，分散在 刚络上各处的资源将得到充分利用。为了协调各不同组织拥有的多个资源的使用， 需要建立一个计算基础设施【l 】，使得该计算基础设施能够充分集成地理上、组织上分 布的各种资源，以获得理想的服务质量。与此同时，无所不在的计算( p e r v a s i v e c o m p u t i n g ) 向传统意义上的计算机概念提出了挑战【z 】：使用更方便、移动更容易、功 能多样化的各种具有计算能力的设备将大量出现，并且在需要时可以随时连接到网 络中，以便高效地获得各种信息服务。 在这些计算需求的驱动下，软件的种类在日益增多，应用的规模在不断增大， 计算技术在保证计算系统能力持续增长的同时，也导致了计算系统复杂性的持续增 加，并最终使系统的复杂性增长到人类能力难以控制的地步。这种情形促进了人们 对计算机观念的改变，从原来的单纯追求运算速度改变为现在的对计算的可控性、 自适应性、方便性及计算的整体效率等方面的要求【3 】，使得易用性、可靠性、可用性 和成本等技术应用的因素变得越来越重要。为了解决计算系统面临的这些问题，需 要探索新的系统架构、新的计算技术及计算方式，而自适应计算技术( a d a p t i v e c o m p u t i n g ) 将是一个有效的途径【4 i 。 自适应计算是指：根据应用运行过程中执行环境的变化或者用户的需求变化， 系统能够自动地改变软件结构或调整执行行为【5 。7 】。自适应计算系统可以采用开放式 自适应或者是封闭式自适应，开放式自适应允许在运行时引入新的应用行为和调整 规划；而封闭式自适应只允许自包含的调整而不能够支持加入新的行为。通过利用 内置于系统中的各种知识，系统或者应用软件能够获得应对各种复杂情形的适应能 力。当前动态软件体系结构的发展则为自适应软件( a d a p t i v es o r w a r e ) 的构建打下了 基础。基于面向服务的软件体系结构( s e r v i c e o r i e n t e da r c h i t e c t u r e ，s o a ) ，自适应软 件可以通过各服务元素的动态组合来进行即时构建，从而通过软件结构的适应性获 得软件功能的适应性。在这种自适应软件模型下，服务组件的实现与服务组件的使 用能够做到相对分离，服务组件的智能、自治、自描述等特性，则提高了自适应软 件的灵活性( a g i l i t y ) 。自适应软件支持多种自治类型，如全自治、自包含调整和人机 交互调整等。 在网格环境下，所有资源都通过网格服务的方式进行封装【8 】。这些被封装的资源 上海交通大学博士学位论文 包括：计算能力、数据、存储资源、网络资源、仪器设备资源、软件组件、程序等。 网格服务都带有定义明确的可调用接口，而网格系统则可以动态地定位、重定位、 平衡和管理大量的服务。网格环境下的这种面向服务的软件架构( s o a ) 既是体系结构 。 模型，又是编程模型，是一种构建自适应软件的有效方式。在这种自适应软件模式 下，用户只需要在应用的业务层面上描述需求，网格则负责将用户的需求和对服务 的质量等要求映射到具体的满足需求的服务集合之上，整个应用的执行过程即为这 些按需组合的服务实体间的协同运作过程。此时，技术的复杂性被隐藏起来，通过 专家集成在系统中的技术，用户能够根据业务需求做出灵活的选择。 传统网格起源于高性能计算。这种传统网格采用了许多高性能计算机，这些高 性能计算机大多通过静态网络相连【9 j 。随着网格技术的发展，人们对动态网络下的网 格应用表示了更多的关注。如何在网格环境下支持用户间的对等服务【i o ，1 1 j ，让用户 能够在一个开放的系统上组织更为灵活的应用，并能够保证这些应用的服务质量， 是当前网格研究中的难点问题。本文希望基于自适应计算技术来研究这种对等计算 模式下的服务质量问题。为此，本文提出了一个基于环境感知的对等服务机制，该 机制利用系统的监测服务来支持应用对环境的感知，利用相关的领域知识来提高系 统的自组织能力。该机制关注的是对等计算模式下的服务质量问题，为此，本文通 过建立一个对服务质量敏感的网络视频点播系统g r i d v o d ，来阐述该机制下的自适 应算法。 对等服务机制为用户的应用提供了一个灵活而强有力的计算平台。但是，基于 预定程序定制方式的传统应用软件将很难适应这种计算环境。此时，需要基于面向 服务的软件体系结构来构建自适应软件。为了实现不同服务实体间有效的功能集成， 研究人员对服务的抽象描述、组织、管理以及服务的动态组合等方面进行了大量的。 研究【l 卜m j 。本文希望基于服务组合的自适应软件模型来构造用户的应用程序，以满 足不同的应用需求。当前，基于业务逻辑、工作流、语义标识等的服务组合方法表 现出较好的效果【l5 1 9 】，这些方法能够较好地解决服务组合的可行性问题，但对于服 务组合的质量问题则尚有不足。本文希望借鉴已有的服务语义抽象方法，找到能够 同时满足服务组合的功能性及非功能性需求的途径。 基于服务组合的软件构造方法能够根据用户需求构造个性化的应用程序，从而 能够支持普适计算的透明服务。但是，这种用户程序的运行效果将严重受制于移动 设备的资源有限性和无线通信的不稳定性【2 0 1 。本文希望基于自适应计算技术来提高 普适计算环境下的服务执行能力。 本文基于面向服务的网格基础架构，研究自适应计算技术，以提供一种按需计 算的自适应软件构造方法，提高应用在动态环境下的服务质量及适应能力。 上海交通太学博士学位论文 1 2 自适应计算关键问题 当计算机软件从传统以服务器为中心的静态封闭环境变迁到现在动态开放的劂 格环境时，软件的管理、使用及软件自身的形态都发生了很大的变化。针对附格环 境的开放、动态和多变，要求软件能够根据环境或实体需求的变化进行适应性调整。 基于面向服务的软件体系结构，自适应软件将可以通过各服务体的动态组合来进行 即时构建，从而通过软件结构的适应性获得软件功能的适应性。此时，软件的服务 质量、软件功能的增加或调整完全由软件的在线演化来主导。软件的这种在线演化 通过上下文感知来改变软件内容。软件的适应能力可以通过实体间的协调或者实体 的自学习来获得。 12 l 软件体系结构 建立一个灵活的自适应软件架构是自适应计算中的关键问题之一，月前这方面 的研究j i ：作大多是基于软件体系结构来进行【2 ”。软件体系结构是一组构件、连接件 以及约束所描述的软件系统总体结构，它为软件系统提供了结构、行为利属性的高 级抽象 2 2 。 在网格计算、普适系统等动态环境下，系统在功能方面的适应性不仅要求软件 系统能够在不同的软硬件环境下可靠地运行，而且需要在不同的运行环境中能够调 整自身的状态，达到最佳服务的目的。这些软件系统的体系结构在执行期间是变化 的，即程序的状态或体系结构的拓扑结构在运行时由于不能满足要求而发生了改变。 一般情况下，这种动态体系结构需要从三个方面来加以规范f 如图1 1 所示1 ，即：系 统结构规范、重构规范、构件行为规范f 2 ”。 图1 1 规范动态软件体系结构 f i g1 一ls p e c 西c a 石o no f d y n a 咖cs o f 【、v a r ea r c h i t e c n 鹏8 ，3 一 上海交通大学博士学位论文 为了管理软件开发及运行时的复杂性，为实现和描述变动提供基础，需要在体 系结构的层次上来描述和设计系统运行时的总体结构和适应机制。运行时的动态变 化包括：装载构件、卸载构件、升级替换构件、检查变动构件与连接件间的一致性 、 关系、改变体系结构的拓扑结构等。为了描述和指导在线演化的这些动态变化，要 求动态软件体系结构描述语言应当具备以下特性： 组合性( c o m p o s i t i o n ) ：具备将软件系统描述为独立构件和连接组成的能力； 抽象性( a - b s 仃a c t i o n ) ：具备构件和连接的抽象描述能力； 动态性( d y n a m i c ) ：能够描述系统的体系结构在运行时动态变化； 复用性( r e u s a b i l i t y ) ：构件、连接和体系结构风格的复用性； 配置( c o n f i g u r a t i o n ) ：能够抽象出系统的结构，将它独立于其中的元素，并 且能够支持动态重配置； 分析( a n a l y s i s ) ：能够理解系统的动态信息，分析出现的变化，如，构件连。 接的一致性及兼容性检查。 传统高性能计算应用中使用的软件适应性机制针对性较强，开放程度不是很高， 如，a d v e 等的支持分布式应用在线调整的程序控制语言p c l 及其编译器【24 l 、支持网 格计算性能优化的基于需求驱动的并行语言p a r o c 抖【2 5 1 、支持网格应用运行时自调 整及自优化管理的软件框架p r a g m a 【2 6 j 等。 软件应用中的两个难题是：异构和改变。为了在这些异构的技术、系统和应用 程序中实现无缝计算，并能够快速响应环境、业务需求等的变化，研究人员提出了 面向服务的软件体系结构框架。面向服务的软件体系结构框架通过服务组件的装配 米快速动态地交付应用程序，由于集成点是规范而不是实现，因而更易于集成和管 理复杂性。现在，面向服务的软件体系结构正成为开发响应性好、可适应的新型应 t 用程序的流行方式。 1 2 2 软件适应性 在一个复杂的动态环境中，软件的自适应能力是保证系统高可靠性、鲁棒性、 可用性及灵活性的关键。根据对环境、行为等变化的预期情况及其适应性途径，自 适应系统的适应度方法分析如图1 2 所示【5 】。通常情况下，图中靠近底部的部分将软 件调整机制和应用特定行为结合在一起进行，难以对适应性进行独立的理解、分析 和修改；图中靠近顶部的部分则将软件调整关系从应用特定功能块方面比较明晰地 分离出来，利于软件调整关系的独立性分析和扩展。由此可知，适应性方法越靠近 图的底部，其适应性策略与应用的相关程度越高。 _ d 上海交通大学博士学位论文 1 2 3 上下文感知 自适应方法依赖于对当前上下文的感知。上下文感知( c o n t e x t a w a r e ) 主要解决的 问题是应用发现和利用环境信息。 上下文( c o n t e x t ) ，指应用运行环境中任何可以影响应用行为的因素。文献 2 7 针 对上下文所给出的定义为：上下文是应用所关注的环境状态和设置的集合，决定应 用的行为或应用事件发生的场合。根据移动计算的需要，s c h i l i t 等在1 9 9 4 年首次提 出上下文感知计算( c o n t e x t a w a r ec o m p u t i n g ) 2 8 ，2 9 1 ，当时其定义为软件能够根据使用 的位置、邻近的人员和对象集合以及这些对象随时间的变化等而加以调整。一个上 下文感知应用支持三类特征：向用户展示信息及服务、为用户自动执行一个服务、 以及标记上下文信息以支持以后的利用。早期的上下文感知计算主要是针对用户的 位置相关性，在当前应用环境下，需要进一步考虑大范围的硬件和软件异构性引发 上海交通大学博士学位论文 的变化，并将计算集成到物理环境中从而使计算环境能够反映物理事件的变化【3 m 3 3 j 。 具体来说，要求考虑的变化包括：可用带宽、延迟、可用的c p u 或内存、存储系统、 传感器等底层信息，以及位置信息、信息传送的相互关系、服务、用户喜好等应用 层信息。 为了摆脱应用程序需要针对具体环境进行行为调整的困境，需要将应用和上下 文感知子系统进行分离，其办法是引入相应的中间层，将上下文的监测通过系统架 构的服务来实现( 如图1 3 所示) 。这种上下文服务的功能是收集环境的所有源信息， 并向需要服务的应用提供当前的上下文信息及其变化情况【3 2 1 。上下文服务同时还提 供上下文信息的语义定义和特征综合。从传感部分获得的原始信息经过预处理成为 表达一定语义的下层上下文，并在此基础上进行知识推理形成可被用户理解和使用 的高层上下文。 图1 3 支持上下文感知与应用分离的信息流结构 f i g 1 3a d a t a f l o ws t n l c t u r ef o rs 印a r a t i o no fc o n t e x t - a w a r e n e s sa n da p p h c a t i o n 不同类型的上下文信息需要不同的方式对它们进行表达和建模。由于很多系统 并没有统一的模型表达上下文信息，彼此的交换还比较困难。随着网格计算中对语 义研究的深入，基于本体论( 0 n t o l o g y ) 的x m l 模式使各计算主体以统一规范的本体 语言来理解存在于他们之间的客观事物，以此来提高语义的互操作性。 1 2 4 协调 在一个开放、动态的环境中，计算主体可以通过不断的交互，逐步协调与环境 以及各自之间的关系，使得由这些计算主体组成的系统整体体现出一种很强的适应 能力。 协调是一个涉及计算机科学、经济学、运筹学、组织论、生态学的跨学科研究 领域。协调的定义有多种，一种较简单的定义是：协调是指一组主体完成一些集体 活动时相互作用的