一種基于運(yùn)行時(shí)模型的云計(jì)算容錯(cuò)機(jī)制配置方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種容錯(cuò)機(jī)制配置方法，針對(duì)云計(jì)算中多樣化的容錯(cuò)需求，提出了一 種基于運(yùn)行時(shí)模型的容錯(cuò)配置方法，進(jìn)行容錯(cuò)機(jī)制的選擇和容錯(cuò)配置的規(guī)劃，屬于軟件技 術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 云計(jì)算可以便捷地從可配置的資源池中獲得計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等形式的資源，這 些資源能夠便捷地申請(qǐng)和釋放，使資源管理和使用成本大大降低。隨著云平臺(tái)的普及和 其規(guī)模的擴(kuò)大，其可靠性所面臨的問題也越來越嚴(yán)重。而容錯(cuò)技術(shù)可保證云平臺(tái)發(fā)生故 障時(shí)，使系統(tǒng)持續(xù)提供有效服務(wù)，提升系統(tǒng)的可靠性。容錯(cuò)是指系統(tǒng)在出現(xiàn)錯(cuò)誤的情況下 繼續(xù)對(duì)外提供服務(wù)的能力。容錯(cuò)一般包括兩個(gè)步驟：錯(cuò)誤檢測和恢復(fù)。錯(cuò)誤檢測的目的 是及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)的錯(cuò)誤，恢復(fù)的目的是將系統(tǒng)恢復(fù)到正確狀態(tài)并防止錯(cuò)誤再次發(fā) 生，包括錯(cuò)誤處理和故障處理兩個(gè)階段。研究表明，容錯(cuò)技術(shù)是防止系統(tǒng)失效的有效手段 (AvizienisA.；LapriJ-C. ,RandellB.；LandwehrC. 2004.BasicConceptsandTaxonomy ofDependableandSecureComputing.IEEETransactionsonDependableandSecure Computing. 1:11-33)，并已在航空航天、醫(yī)療、銀行等系統(tǒng)實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。
[0003] 容錯(cuò)配置是根據(jù)軟件和運(yùn)行環(huán)境對(duì)容錯(cuò)機(jī)制進(jìn)行選擇、部署和測試。在傳統(tǒng)單機(jī) 和局域網(wǎng)環(huán)境下，上層軟件獨(dú)占底層基礎(chǔ)設(shè)施，軟件部署時(shí)容錯(cuò)需求明確，軟件運(yùn)行時(shí)容錯(cuò) 需求不變或基本不變，因此，可針對(duì)固定的容錯(cuò)需求實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)配置。在云計(jì)算環(huán)境下，由于 基礎(chǔ)設(shè)施共享、資源規(guī)模超大、應(yīng)用種類多、數(shù)量大且容錯(cuò)需求多樣化，云計(jì)算容錯(cuò)配置面 臨開放性挑戰(zhàn)。為保證用戶部署的服務(wù)持續(xù)可用，容錯(cuò)配置過程中的容錯(cuò)機(jī)制選擇和部署 等步驟，均需結(jié)合應(yīng)用業(yè)務(wù)邏輯來實(shí)現(xiàn)。而由于應(yīng)用的多樣性和規(guī)模化，目前云平臺(tái)更多 在系統(tǒng)層提供通用的容錯(cuò)機(jī)制及配置方式，無法結(jié)合應(yīng)用業(yè)務(wù)邏輯實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)配置。這種未 考慮應(yīng)用業(yè)務(wù)邏輯的容錯(cuò)配置方式，難以滿足多樣化應(yīng)用的容錯(cuò)需求。例如，在容錯(cuò)機(jī)制 選擇時(shí)，考慮到可靠性與容錯(cuò)成本比最大化的需求，需要在應(yīng)用結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，為各個(gè) 構(gòu)件選擇不同的容錯(cuò)機(jī)制，如對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件選擇可靠性高且容錯(cuò)成本高的雙工機(jī)制（Zhang Y;ZhengZ；LyuMR. 2011.BFTCloud:Abyzantinefaulttoleranceframeworkfor voluntary-resourcecloudcomputing.CloudComputing(CLOUD),IEEEInternational Conferenceon. 444-451.)，對(duì)非關(guān)鍵構(gòu)件選擇可靠性較低且容錯(cuò)成本低的溫備份機(jī) 制(DantasJ.；etal.2012.Anavailabilitymodelforeucalyptusplatform:An analysisofwarm-standyreplicationmechanism.IEEEInternationalConferenceon Systems,Man,andCybernetics. 1664-1669. )〇

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)云平臺(tái)中容錯(cuò)配置開放性問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于運(yùn)行時(shí)模型 的容錯(cuò)配置方法。本發(fā)明通過對(duì)目標(biāo)應(yīng)用結(jié)構(gòu)分析，選擇合適的容錯(cuò)機(jī)制，根據(jù)容錯(cuò)機(jī)制以 及用戶需求，制定合適的容錯(cuò)部署方案，并在運(yùn)行時(shí)模型中實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)測試。
[0005] 本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0006] -種基于運(yùn)行時(shí)模型的容錯(cuò)機(jī)制配置方法，其步驟為：
[0007] 1)管理員構(gòu)造目標(biāo)應(yīng)用的構(gòu)件依賴圖，該圖描述了應(yīng)用中各個(gè)構(gòu)件之間的依賴關(guān) 系。云平臺(tái)容錯(cuò)配置框架對(duì)該構(gòu)件依賴圖進(jìn)行分析，對(duì)目標(biāo)應(yīng)用的各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行排序。進(jìn) 一步的，按照此排序結(jié)果和動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法為各個(gè)構(gòu)件推薦容錯(cuò)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)效果與容錯(cuò) 成本的最優(yōu)比；
[0008] 2)云平臺(tái)容錯(cuò)配置框架構(gòu)造云容錯(cuò)運(yùn)行時(shí)模型，維護(hù)運(yùn)行時(shí)模型與運(yùn)行時(shí)云平臺(tái) 的雙向同步，即運(yùn)行時(shí)云平臺(tái)系統(tǒng)狀態(tài)變化會(huì)實(shí)時(shí)同步至運(yùn)行時(shí)模型，反之，運(yùn)行時(shí)模型的 變化也會(huì)同步至系統(tǒng)；
[0009] 3)云平臺(tái)容錯(cuò)配置框架根據(jù)步驟一中推薦的容錯(cuò)機(jī)制，制定容錯(cuò)部署方案，并將 容錯(cuò)機(jī)制部署到運(yùn)行時(shí)模型中。利用步驟二中運(yùn)行時(shí)模型與運(yùn)行時(shí)云平臺(tái)的同步能力，將 容錯(cuò)機(jī)制代碼部署至運(yùn)行時(shí)云平臺(tái)中。
[0010] 4)云平臺(tái)容錯(cuò)配置框架對(duì)運(yùn)行時(shí)模型進(jìn)行錯(cuò)誤注入，并評(píng)估容錯(cuò)效果。
[0011] 進(jìn)一步的，在分析目標(biāo)應(yīng)用結(jié)構(gòu)特征的過程中，對(duì)該目標(biāo)應(yīng)用的構(gòu)件重要性程度 進(jìn)行排名，按照該排名，從容錯(cuò)機(jī)制庫中為各個(gè)構(gòu)件選擇容錯(cuò)機(jī)制（容錯(cuò)庫中包括雙工、熱 備、冷備、重啟、重試、優(yōu)先迀移和軟件恢復(fù)七種容錯(cuò)機(jī)制），以實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)性價(jià)比的最優(yōu)化，其 中，容錯(cuò)效果使用軟件可靠性進(jìn)行度量，容錯(cuò)成本使用容錯(cuò)機(jī)制對(duì)硬件資源的消耗進(jìn)行度 量。
[0012] 進(jìn)一步的，云平臺(tái)容錯(cuò)配置框架中的用戶需求，包括可靠性〇〇、可用性％)、故 障轉(zhuǎn)移時(shí)間（TJ。
[0013] 進(jìn)一步的，容錯(cuò)機(jī)制的選擇過程包含兩個(gè)步驟：（1)構(gòu)件排名。為實(shí)現(xiàn)可靠性與容 錯(cuò)成本的最優(yōu)比，本文針對(duì)目標(biāo)應(yīng)用的結(jié)構(gòu)信息，基于場景的可靠性分析算法SBRA(Sherif Y.,BojanC.,andHanyH.Ammar.AScenario-BasedReliabilityAnalysisApproachfor Component-BasedSoftware.IEEEtransactionsonreliability2004,53(4):465-480.) 實(shí)現(xiàn)構(gòu)件重要性排名，（2)針對(duì)各個(gè)構(gòu)件分別推薦容錯(cuò)機(jī)制。本發(fā)明提出動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法，以 實(shí)現(xiàn)目標(biāo)應(yīng)用的容錯(cuò)性價(jià)比最優(yōu)化，該動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法中，將可靠性與容錯(cuò)成本比作為優(yōu)化 目標(biāo)，將用戶需求（包括可靠性、可用性、故障轉(zhuǎn)移時(shí)間）作為約束。
[0014] 進(jìn)一步的，構(gòu)件重要性排名的思路是，分別對(duì)單個(gè)構(gòu)件提升其可靠性，然后利用 SBRA計(jì)算整個(gè)應(yīng)用的可靠性，根據(jù)整體可靠性的提升程度對(duì)構(gòu)件重要性進(jìn)行排名。算法流 程圖如圖2所示，所有構(gòu)件的可靠性初始值為0. 8,構(gòu)件個(gè)數(shù)為N，對(duì)單個(gè)構(gòu)件可靠性分別提 升〇. 2,然后使用基于場景的可靠性分析算法SBRA，對(duì)全局可靠性Rapp1進(jìn)行計(jì)算，最終按照 整體應(yīng)用可靠性提升程度對(duì)構(gòu)件排名。
[0015] 進(jìn)一步的，對(duì)單個(gè)構(gòu)件進(jìn)行容錯(cuò)機(jī)制推薦，包括兩個(gè)步驟。首先，根據(jù)故障類型和 故障源對(duì)容錯(cuò)機(jī)制進(jìn)行過濾：
[0016] set: ={mjwEEsst's 其中，set。是所有容錯(cuò)機(jī)制構(gòu)成的集合， set是經(jīng)過對(duì)故障源以及故障類型進(jìn)行匹配后滿足該條件的容錯(cuò)機(jī)制集合。Ul描述用戶指 定的故障類型，u2描述用戶指定的故障源。ft;和fs;分別表示第i個(gè)容錯(cuò)機(jī)制能夠處理的 故障類型集合以及故障源集合。然后，根據(jù)用戶約束選擇容錯(cuò)機(jī)制。此處的用戶約束包括 可靠性0U、可用性（Ai)、故障轉(zhuǎn)移時(shí)間（TFi)三個(gè)屬性。Ul，u2，u3分別表示用戶在可用性， 可靠性，故障轉(zhuǎn)移時(shí)間方面的約束，在滿足約束的前提下最優(yōu)化可靠性與資源消耗比。動(dòng)態(tài) 規(guī)劃數(shù)學(xué)公式為：
[0017] 最大化目標(biāo)：
[0024] e{0,l}
[0025] 上述公式中，m表示容錯(cuò)機(jī)制個(gè)數(shù)，n表示某個(gè)目標(biāo)應(yīng)用的構(gòu)件個(gè)數(shù)。R?表示為第j個(gè)構(gòu)件選擇第i個(gè)容錯(cuò)機(jī)制，（V表示第j個(gè)構(gòu)件選擇第i個(gè)容錯(cuò)機(jī)制所消耗的資源，A? 表示第j個(gè)構(gòu)件選擇第i個(gè)容錯(cuò)機(jī)制后的可用性，TF?表示第j個(gè)