面向可靠性優(yōu)化設計的分布式系統(tǒng)資源分配研究.pdf

1、可靠性定義了系統(tǒng)在一段時間內能夠持續(xù)正常工作的能力，是系統(tǒng)設計中的一個重要指標，而提高系統(tǒng)可靠性往往會造成系統(tǒng)資源消耗的增加。為了在保障系統(tǒng)長時間可靠運行的同時，達到可靠性增長與資源消耗的平衡，自上個世紀六十年代開始，系統(tǒng)可靠性優(yōu)化設計作為一個熱點研究課題吸引了眾多的科研工作者的關注。隨著系統(tǒng)規(guī)模的增大和復雜性的提升，如何優(yōu)化系統(tǒng)可靠性變得更為重要，難度也逐步增加。
　　 本文研究課題來源于國家自然科學基金重大項目“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)可靠性優(yōu)化相比，分布式系統(tǒng)可靠性保障措施產生了改變，從而產生了新的可靠性優(yōu)化問題。首先，分布式系統(tǒng)規(guī)模較大，通常采用多層系統(tǒng)結構表示，如何為多層結構系統(tǒng)合理分配冗余資源成為一個新的難題。其次，分布式系統(tǒng)可靠性無法完全通過傳統(tǒng)的測試方式保障，為了提高組件的可靠性，分布式系統(tǒng)中常采用監(jiān)控機制對組件進行動態(tài)替換，如何通過資源分配對基于監(jiān)控的系統(tǒng)進行可靠性優(yōu)化也是一大難題。針對分布式系統(tǒng)可靠性優(yōu)化設計中出

3、現(xiàn)的新問題，本文從多層冗余分配和監(jiān)控資源分配兩方面入手，針對優(yōu)化系統(tǒng)可靠性設計的目標，研究了多層系統(tǒng)冗余分配算法，多目標的監(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。現(xiàn)將論文的主要研究內容和成果概括如下：
　　 ①對系統(tǒng)可靠性的評估方法，基于資源分配的可靠性優(yōu)化模型及算法進行了綜述?？偨Y了系統(tǒng)可靠性的多種表示方法及相應的應用場合，歸納了單個組件可靠性及系統(tǒng)可靠性的多種評估方法。對現(xiàn)有的基于資源分配的可靠性優(yōu)化問題進行了分

4、類總結，重點對冗余分配問題和測試資源分配問題的研究現(xiàn)狀進行了分析，并對常用的優(yōu)化算法，包括精確方法和各種啟發(fā)式算法進行了分析比較。
　　 ②研究了多層結構系統(tǒng)冗余分配問題，根據多層冗余系統(tǒng)的復雜性，提出了新的系統(tǒng)編碼方式，并改進了相應的冗余度分配算法。首先，分析了代價約束下通過多層冗余分配達到可靠性優(yōu)化的問題模型，研究了該分配問題編碼和最優(yōu)解搜索的難點。然后，針對已有分層編碼方式的缺點，采用二維數(shù)組的方式對多層冗余系統(tǒng)的結構進行

5、編碼。在此基礎上，使用改進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漫步策略的局部搜索算子。最后，通過與其它多層冗余分配算法的比較實驗驗證了該算法的有效性：采用二維編碼方式，算法多次運行的穩(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針對分布式系統(tǒng)松耦合和動態(tài)配置的特點，提出采用監(jiān)控資源分配達到系統(tǒng)可靠性提高和資源優(yōu)化的目的，研究了多目標監(jiān)控資

6、源分配問題和相應算法。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)控機制的兩種不同代價；再次選擇了系統(tǒng)可靠性約束下最小化監(jiān)控代價的多目標監(jiān)控資源分配模型。針對該模型，采用基于第二代非支配排序方法和隨機漫步局部搜索策略的改進模因算法搜索問題的平衡解集。最后，將監(jiān)控資源分配模型及算法應用于多層系統(tǒng)中。通過實驗驗證了監(jiān)控資源分配的必要性和在可靠性優(yōu)化中的作用，分析了監(jiān)控資源分配隨系統(tǒng)時間變化的規(guī)律，并將所采用

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

8、資源分配模型。在現(xiàn)有組件冗余策略可選的編碼機制基礎上，采用了新的三元組編碼方式表示組件對保障措施的選擇以及相應的冗余度和監(jiān)控頻率，改進了模因算法中的遺傳算子和局部搜索算子使其能夠對三元數(shù)組進行操作。通過實驗驗證了：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)境條件變化時能為系統(tǒng)提供了更多的資源配置方法。將改進模因算法與已有三元組編碼遺傳算法進行了比較，結果顯示：改進模因算法在解空間的搜索廣度和最優(yōu)解選擇上效果