分布式系統(tǒng)軟件部署策略及其可靠性研究.pdf

1、隨著互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn),計(jì)算機(jī)軟件所面臨的環(huán)境發(fā)生了變化,由靜態(tài)、封閉轉(zhuǎn)為動(dòng)態(tài)、開放。為了適應(yīng)這種變化,軟件系統(tǒng)從集中式逐漸演化為分布式。另外,從20世紀(jì)90年代開始,基于組件的軟件開發(fā)迅速發(fā)展并成為主流技術(shù),基于組件的分布式軟件(component-based distributed software,CBDS)得到廣泛發(fā)展,這類軟件廣泛應(yīng)用在應(yīng)急反應(yīng)、工業(yè)自動(dòng)化、導(dǎo)航、衛(wèi)生保健等各個(gè)領(lǐng)域。隨著分布式軟件系統(tǒng)的規(guī)模越來(lái)越大、功能越來(lái)越復(fù)雜,

2、人們對(duì)其可靠性、可用性等性質(zhì)提出了更高的期望和要求。
　　隨著分布式軟件和網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展,軟件部署成為整個(gè)軟件生命過(guò)程中的一個(gè)獨(dú)立階段。在普適、移動(dòng)和分布式環(huán)境中,這種環(huán)境具有高度動(dòng)態(tài)配置、未知的操作剖面和波動(dòng)的執(zhí)行環(huán)境,分布在這樣環(huán)境下的軟件的部署對(duì)系統(tǒng)性能有重要影響,并且部署在應(yīng)急反應(yīng)系統(tǒng)、導(dǎo)航、民用基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域的軟件要執(zhí)行關(guān)鍵任務(wù),要滿足嚴(yán)格的可靠性要求。為了使部署后的系統(tǒng)滿足一定的可靠性要求,部署需要考慮多方面的信息,如

3、待部署主機(jī)節(jié)點(diǎn)的可靠性、軟件組件的可靠性、軟件組件的互聯(lián)性、主機(jī)節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、硬件資源占用(如CPU、內(nèi)存)、軟件架構(gòu)風(fēng)格、軟件組件復(fù)制等等。
　　本文首先分析軟件部署方法和軟件架構(gòu)風(fēng)格(software architectural styles),提出一種將基于組件的軟件部署和 CS(client-server)、LCS(layered-client-server)架構(gòu)風(fēng)格結(jié)合的方法。該方法分析軟件部署和架構(gòu)風(fēng)格對(duì)系統(tǒng)可靠性的

4、影響。給出軟件架構(gòu)風(fēng)格研究假設(shè),在 CS風(fēng)格中,軟件組件分為服務(wù)組件和客戶組件;在LCS風(fēng)格中,軟件組件分為服務(wù)組件、中間組件和客戶組件。為了分析軟件組件在不同主機(jī)節(jié)點(diǎn)上部署情況對(duì)軟件組件失效率的影響,本文提出軟件組件的調(diào)整前失效概率。為了分析同一架構(gòu)風(fēng)格中不同類型的軟件組件對(duì)系統(tǒng)失效率的影響,本文提出軟件組件的調(diào)整后失效概率和軟件組件類型的影響因子。
　　由于系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境內(nèi)在動(dòng)態(tài)性和不可預(yù)測(cè)性,使得影響系統(tǒng)部署的參數(shù)也不斷發(fā)生變

5、化,沒(méi)有一種部署架構(gòu)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行期間來(lái)說(shuō)都是最優(yōu)化的,因此系統(tǒng)需要重部署來(lái)提高可靠性。然而,找到最大化可靠性的部署架構(gòu)需要時(shí)間( m是主機(jī)節(jié)點(diǎn)數(shù)目, n是軟件組件數(shù)目),是一個(gè)指數(shù)復(fù)雜性問(wèn)題,需要設(shè)計(jì)近似算法來(lái)重部署系統(tǒng)。影響系統(tǒng)部署因素分為不確定的和確定性,很難用精確理論來(lái)描述所有的影響因素。因此,本文引入模糊理論來(lái)描述這些影響因素,并設(shè)計(jì)近似算法來(lái)重部署系統(tǒng),從而提高系統(tǒng)可靠性。
　　當(dāng)系統(tǒng)可靠性低于某一規(guī)定值時(shí),通過(guò)系統(tǒng)重

6、部署可提高系統(tǒng)可靠性。然而,系統(tǒng)重部署需要某些軟件組件從一個(gè)主機(jī)節(jié)點(diǎn)遷移到其它主機(jī)節(jié)點(diǎn),某些軟件組件提供的服務(wù)將暫時(shí)不能用,而如果這些軟件組件有副本,即使某個(gè)軟件組件失效,其它的組件副本仍能繼續(xù)提供服務(wù),因此,通過(guò)軟件組件復(fù)制來(lái)提高系統(tǒng)可靠性是另一個(gè)研究重點(diǎn)。由于額外的軟件組件將消耗系統(tǒng)資源,需要在系統(tǒng)可用資源、服務(wù)的重要性和可靠性三者之間找到一個(gè)折中策略,Malek給出一個(gè)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)OF。在分析目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)OF和貪婪算法的基礎(chǔ)上,本

7、文設(shè)計(jì)了啟發(fā)式的貪婪復(fù)制算法,該算法根據(jù)單位帶寬的優(yōu)化值增量OB和單位內(nèi)存的優(yōu)化值增量OM來(lái)選擇將被復(fù)制的軟件組件,從而得到更高的優(yōu)化值。雖然系統(tǒng)仍可以正常工作,但失效的軟件組件會(huì)將故障傳播給與其進(jìn)行直接交互的其它軟件組件。本文也對(duì)相關(guān)的主機(jī)節(jié)點(diǎn)失效和軟件組件組件失效引起的故障傳播進(jìn)行了分析。
　　大多數(shù)架構(gòu)層次可靠性方法都認(rèn)為軟件組件對(duì)系統(tǒng)可靠性的評(píng)估有重要影響,并且假設(shè)系統(tǒng)中的軟件組件可靠性是已知的,或者軟件組件提供服務(wù)的可靠

8、性是已知的。軟件組件的失效率受外部因素和內(nèi)部因素的影響,隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的增加,這些影響因素的值將發(fā)生改變,那么軟件組件的失效率也將隨時(shí)間發(fā)生改變,因此軟件組件的失效率是一個(gè)與時(shí)間相關(guān)的函數(shù)。Xie模型假設(shè)組件軟件系統(tǒng)為由n個(gè)組件組成的串行系統(tǒng),所有組件并行開發(fā),獨(dú)立測(cè)試,組件失效均為系統(tǒng)失效,并假設(shè)每個(gè)組件的失效過(guò)程可建模為 NHPP(non-homogeneous Poisson process)。這里,也采用Xie模型的假設(shè),將部

9、署階段的軟件組件失效行為建模為NHPP過(guò)程。此外Yacoub提出的ALRRA方法基于如下的假設(shè):組件執(zhí)行的頻率越高,失效的可能性越大。本文將軟件組件的失效率設(shè)為與軟件組件執(zhí)行頻率相關(guān)的函數(shù)。在基礎(chǔ)上,分析系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間內(nèi),參數(shù)ρ、軟件組件復(fù)制、系統(tǒng)重部署、軟件組件間的交互頻率矩陣類型對(duì)可靠性的影響。用連接器的方式建模集成架構(gòu)風(fēng)格,將集成架構(gòu)風(fēng)格中不同風(fēng)格的軟件組件用恰當(dāng)?shù)母怕史植己瘮?shù)來(lái)建模,分析在同一時(shí)間下的軟件組件可靠性、不同時(shí)間下