一种面向自愈计算的OS体系架构的研究

论文摘要

传统OS的主要设计目标是为用户提供一个屏蔽各种硬件细节的虚拟机,从而导致OS过分层次化,造成OS重要的状态数据分散在OS的各层之中,使OS不能轻易地收集或修改自身的状态信息,最终增加了系统中错误诊断和错误恢复的难度。此外,传统的OS对上层面向自愈计算应用的支持不够,如:i.上层应用系统中的监控进程和该应用系统的普通进程均运行在同一权利级别下,造成监控进程不能便捷地实施监控。ii.监控进程本身行为的正确性一般由该监控进程开发者负责,缺乏运行时对监控进程本身行为的制约机制。针对上述问题,本文提出了一种新的面向自愈计算的OS体系架构,该体系架构设计思想来源于章鱼和社会组织中权力的制约机制,在该体系架构下,系统中的所有重要状态均放在共享内存中集中统一管理。并且采用两层闭环反馈,由运行在高权力级别上的闭环反馈对运行在低权力级别上的闭环反馈进行监控。另外,该架构还引入了多监控进程,以对监控进程本身的行为进行一定程度的制约。最后,该架构通过一个来源于列车自动控制的原型系统进行了验证。该架构主要的创新点在于:i.将OS和应用看成一个系统整体,并将该系统整体中的重要状态集中统一存放。ii.位于高权力级别的,并且相互之间存在制约的多监控进程对位于低权力级别的应用进程实施监控。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1. 引言
• 1.1 研究背景和目标
• 1.2 论文结构
• 2. 相关工作
• 2.1 OS体系架构
• 2.1.1 通用型OS体系架构
• 2.1.2 专用OS体系架构
• 2.1.3 主流OS内核与章鱼体系架构下OS内核的比较
• 2.2 多版本软件体系架构
• 2.2.1 Recovery Block （RB）
• 2.2.2 N-Version Programming （NVP）
• 2.2.3 N-Self checking Programming（NSCP）
• 2.3 自愈软件体系架构
• 2.3.1 层次化语义规则，状态分散式的体系架构
• 2.3.2 分散式语义规则，状态集中式的体系架构
• 2.3.3 对等式语义规则，状态分散式的体系架构
• 2.4 错误恢复技术
• 3. 章鱼体系架构概述
• 4. 自愈机制的设计
• 4.1 状态的保存
• 4.1.1 保存完整状态的方式
• 4.1.2 保存部分状态的方式
• 4.2 状态的恢复
• 4.2.1 完整状态保存方式下的恢复
• 4.2.2 部分状态保存方式下的恢复
• 4.3 多监控进程的设计
• 4.3.1 SAUMP的设计
• 4.3.2 MAUMP的设计
• 5. 章鱼体系架构的实现
• 5.1 状态数据管理器语义模型
• 5.2 状态数据管理器体系架构的设计
• 5.3 状态数据管理器中存储管理器的设计和实现
• 5.3.1 状态数据管理器中存储管理器的设计
• 5.3.2 状态数据管理器中存储管理器的实现
• 5.4 状态数据管理器数据的存取
• 5.4.1 地址映射过程的本质
• 5.4.2 地址映射过程的实现
• 5.5 MAEF优化
• 5.5.1 Balls into Bins 分配器
• 5.5.2 仿真
• 5.5.3 Balls into Bins 分配器在MAEF中的实现
• 5.6 实现WCID的关键技术
• 5.6.1 实现弱一致性的关键技术
• 5.6.2 实现弱隔离性的关键技术
• 5.7 实现OS内核的关键技术
• 5.7.1 进程调度
• 5.7.2 进程间通信
• 5.7.3 内存的分配与释放
• 5.7.4 设备的访问与控制
• 5.8 实现状态保存的关键技术
• 6. 实验
• 6.1 实验环境
• 6.1.1 实验平台配置
• 6.1.2 实验平台搭建
• 6.2 实验内容
• 6.2.1 实验内容概述
• 6.2.2 监控进程进行比对监控的实验
• 6.2.3 Checkpoint
• 7. 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间完成的论文
• 攻读博士学位期间参加的科研