面向可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)的分布式系統(tǒng)資源分配研究.pdf

1、可靠性定義了系統(tǒng)在一段時(shí)間內(nèi)能夠持續(xù)正常工作的能力，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要指標(biāo)，而提高系統(tǒng)可靠性往往會(huì)造成系統(tǒng)資源消耗的增加。為了在保障系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間可靠運(yùn)行的同時(shí)，達(dá)到可靠性增長(zhǎng)與資源消耗的平衡，自上個(gè)世紀(jì)六十年代開(kāi)始，系統(tǒng)可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)作為一個(gè)熱點(diǎn)研究課題吸引了眾多的科研工作者的關(guān)注。隨著系統(tǒng)規(guī)模的增大和復(fù)雜性的提升，如何優(yōu)化系統(tǒng)可靠性變得更為重要，難度也逐步增加。
　　 本文研究課題來(lái)源于國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目“大型分布式軟

2、件系統(tǒng)的行為監(jiān)控與可信演化”。與傳統(tǒng)系統(tǒng)可靠性?xún)?yōu)化相比，分布式系統(tǒng)可靠性保障措施產(chǎn)生了改變，從而產(chǎn)生了新的可靠性?xún)?yōu)化問(wèn)題。首先，分布式系統(tǒng)規(guī)模較大，通常采用多層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)表示，如何為多層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)合理分配冗余資源成為一個(gè)新的難題。其次，分布式系統(tǒng)可靠性無(wú)法完全通過(guò)傳統(tǒng)的測(cè)試方式保障，為了提高組件的可靠性，分布式系統(tǒng)中常采用監(jiān)控機(jī)制對(duì)組件進(jìn)行動(dòng)態(tài)替換，如何通過(guò)資源分配對(duì)基于監(jiān)控的系統(tǒng)進(jìn)行可靠性?xún)?yōu)化也是一大難題。針對(duì)分布式系統(tǒng)可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)中出

3、現(xiàn)的新問(wèn)題，本文從多層冗余分配和監(jiān)控資源分配兩方面入手，針對(duì)優(yōu)化系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)的目標(biāo)，研究了多層系統(tǒng)冗余分配算法，多目標(biāo)的監(jiān)控資源分配方法以及組件保障策略可選的系統(tǒng)資源分配?，F(xiàn)將論文的主要研究?jī)?nèi)容和成果概括如下：
　　 ①對(duì)系統(tǒng)可靠性的評(píng)估方法，基于資源分配的可靠性?xún)?yōu)化模型及算法進(jìn)行了綜述。總結(jié)了系統(tǒng)可靠性的多種表示方法及相應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)合，歸納了單個(gè)組件可靠性及系統(tǒng)可靠性的多種評(píng)估方法。對(duì)現(xiàn)有的基于資源分配的可靠性?xún)?yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了分

4、類(lèi)總結(jié)，重點(diǎn)對(duì)冗余分配問(wèn)題和測(cè)試資源分配問(wèn)題的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，并對(duì)常用的優(yōu)化算法，包括精確方法和各種啟發(fā)式算法進(jìn)行了分析比較。
　　 ②研究了多層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)冗余分配問(wèn)題，根據(jù)多層冗余系統(tǒng)的復(fù)雜性，提出了新的系統(tǒng)編碼方式，并改進(jìn)了相應(yīng)的冗余度分配算法。首先，分析了代價(jià)約束下通過(guò)多層冗余分配達(dá)到可靠性?xún)?yōu)化的問(wèn)題模型，研究了該分配問(wèn)題編碼和最優(yōu)解搜索的難點(diǎn)。然后，針對(duì)已有分層編碼方式的缺點(diǎn)，采用二維數(shù)組的方式對(duì)多層冗余系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行

5、編碼。在此基礎(chǔ)上，使用改進(jìn)的模因算法搜索冗余系統(tǒng)的最優(yōu)解，在模因算法中采用了基于二維數(shù)組的交叉變異算子和基于隨機(jī)漫步策略的局部搜索算子。最后，通過(guò)與其它多層冗余分配算法的比較實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該算法的有效性：采用二維編碼方式，算法多次運(yùn)行的穩(wěn)定性得到了提高；局部搜索策略提高了算法的全局搜索能力，能夠獲得更好的近優(yōu)解。
　　 ③針對(duì)分布式系統(tǒng)松耦合和動(dòng)態(tài)配置的特點(diǎn)，提出采用監(jiān)控資源分配達(dá)到系統(tǒng)可靠性提高和資源優(yōu)化的目的，研究了多目標(biāo)監(jiān)控資

6、源分配問(wèn)題和相應(yīng)算法。為了建立監(jiān)控資源分配模型，首先建立了監(jiān)控策略下的系統(tǒng)的可靠性模型；其次分析了監(jiān)控機(jī)制的兩種不同代價(jià)；再次選擇了系統(tǒng)可靠性約束下最小化監(jiān)控代價(jià)的多目標(biāo)監(jiān)控資源分配模型。針對(duì)該模型，采用基于第二代非支配排序方法和隨機(jī)漫步局部搜索策略的改進(jìn)模因算法搜索問(wèn)題的平衡解集。最后，將監(jiān)控資源分配模型及算法應(yīng)用于多層系統(tǒng)中。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了監(jiān)控資源分配的必要性和在可靠性?xún)?yōu)化中的作用，分析了監(jiān)控資源分配隨系統(tǒng)時(shí)間變化的規(guī)律，并將所采用

7、的模因算法與若干種已有多目標(biāo)方法進(jìn)行了比較，解集的覆蓋率和超體積指標(biāo)結(jié)果表明：針對(duì)監(jiān)控資源分配問(wèn)題，改進(jìn)算法無(wú)論在最優(yōu)解還是解的多樣性方面都有更好的效果。
　　 ④為了彌補(bǔ)系統(tǒng)中單一的資源配置方案的不足，本文提出了對(duì)可選的監(jiān)控資源和冗余資源同時(shí)進(jìn)行選擇分配的資源分配方案，建立了面向可靠性約束的多目標(biāo)資源分配模型并改進(jìn)了相應(yīng)算法。針對(duì)單層和多層系統(tǒng)，分別分析了組件保障性措施可選的系統(tǒng)可靠性與代價(jià)模型，并建立了面向可靠性約束的多目標(biāo)

8、資源分配模型。在現(xiàn)有組件冗余策略可選的編碼機(jī)制基礎(chǔ)上，采用了新的三元組編碼方式表示組件對(duì)保障措施的選擇以及相應(yīng)的冗余度和監(jiān)控頻率，改進(jìn)了模因算法中的遺傳算子和局部搜索算子使其能夠?qū)θ獢?shù)組進(jìn)行操作。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了：策略可選的資源分配方案不僅包含單純的冗余資源或監(jiān)控資源分配方案，而且在環(huán)境條件變化時(shí)能為系統(tǒng)提供了更多的資源配置方法。將改進(jìn)模因算法與已有三元組編碼遺傳算法進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示：改進(jìn)模因算法在解空間的搜索廣度和最優(yōu)解選擇上效果