普适资源管理关键技术研究

论文摘要

普适计算是下一代计算模式发展的主要方向之一，普适资源管理技术是普适计算研究的重要课题。2003年IEEE Pervasive Computing期刊主编提出了“建立随机意义下普适资源管理的概念”。本文研究的是随机意义下、面向用户的适应性普适资源管理技术，目标是提供随时随地的资源可用性。本文结合国家自然科学基金课题“下一代计算机体系结构和系统软件”和国家自然科学基金课题“面向复杂分布实时应用的自适应资源管理模型与机制研究”，从理论和实践两个方面探讨了随机意义下的、面向用户的、以可用性为目标的适应性普适资源管理问题。本文完成的主要工作成果包括以下几个方面。●针对普适资源强异构、高度动态和随时移动的特点，本文建立了按设备、任务和用户，逐层管理的三层适应性活动资源空间模型ARS，实现了可平滑过渡的层次化普适资源自适应管理机制。●针对现有资源描述方法缺乏对资源随机信息表示的支持，应用概率模型的思想，提出了一个基于OWL-S扩展的普适资源描述方法OWL-SP，增加了对随机信息部分的表示，扩展部分包括相应的顶层本体、属性和约束。OWL-SP较为全面地支持了普适资源描述的服务化、语义化、用户化和随机化需求，形成了一个较为完整的普适资源描述。●资源分配是资源管理系统的重要组成部分，现有研究大多考虑确定性情况下的动态资源分配问题。本文针对普适环境下用户任务随机演化的特点，提出了一个两阶段的普适资源随机预分配算法，以解决随机任务意义下的普适资源优化分配问题。建立了一种基于随机规划的普适资源随机分配模型，以支持随机意义下的资源优化分配。实验分析表明，该方案能够保障概率条件下的用户任务执行，并且能够有效降低用户任务的资源等待延迟，提高用户服务质量。●针对资源可用性随机变化情况下，需要执行资源适应性调整的问题，本文建立了一个基于控制马尔可夫链的资源级适应性调整模型，模型能够同时考虑资源管理行为和资源状态两者对资源可用性的影响，最终提供一个优化的资源适应性调整策略。●针对现有研究大多从定性角度分析普适资源的可用性，本文建立了基于马尔可夫重生过程的普适资源可用性定量分析模型，包括用户会话可用性分析模型和用户请求可用性分析模型。前者针对用户会话特点，放松了用户状态驻留时间须为指数分布的约束，扩展到任意分布情况，因此包含了离散和连续马氏链的特例情况，是一类更为泛化的可用性分析模型；后者针对用户请求特点，放松了在用户行为重生点之间资源状态不变的约束，并且支持任意分布，因此能够更加准确和细化地描述用户请求级上的可用性变化。●为了使定量计算更有针对性，本文提出了三类普适资源可用性度量指标，包括单步用户资源同步预留可用性度量TURS+、用户会话可用性度量和用户请求可用性度量。其中，TURS+能够刻画普适资源可用性中用户与资源的同步关系和预留特征：用户会话和用户请求可用性度量能够分别从全局会话和局部请求层次描述资源的可用性变化。实验分析表明，TURS+能够更为严格地保障用户会话和请求的执行，并且其预留性质可以为普适资源预管理活动提供参考；用户会话和用户请求可用性度量能够为系统的设计和选择提供指导。●在以上研究成果的基础上，本文以军事应用为例，设计并实现了普适计算环境原型系统-UbiPresn，探讨了普适资源管理技术的应用问题，验证了相关技术的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 普适计算
• 1.1.2 普适资源管理
• 1.2 应用背景
• 1.2.1 数字化战场
• 1.2.2 智能住宅
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 普适计算系统和平台
• 1.3.2 普适资源管理
• 1.4 论文的主要工作
• 1.5 论文的组织结构
• 第二章 层次化的普适资源自适应管理
• 2.1 引言
• 2.2 普适资源管理特征
• 2.3 普适资源管理原则
• 2.3.1 思想与目标
• 2.3.2 管理原则
• 2.4 普适资源管理功能与结构
• 2.4.1 多维功能
• 2.4.2 层次结构
• 2.5 活动资源空间模型
• 2.5.1 普适环境多层适应性
• 2.5.2 活动资源空间模型:ARS
• 2.5.3 基于ARS的普适环境结构
• 2.6 本章小结
• 第三章 普适资源描述
• 3.1 引言
• 3.2 普适资源描述需求
• 3.3 当前资源描述方法
• 3.3.1 UDDI、RDF、WSDL和DAML-S资源描述方法
• 3.3.2 支持语义服务描述的OWL-S
• 3.3.3 面向用户扩展的OWL-S+
• 3.3.4 OWL-S对普适资源描述的支持以及不足
• 3.4 基于OWL-S扩展的普适资源描述OWL-SP
• 3.4.1 OWL-S的结构和描述能力
• 3.4.2 针对随机性描述的扩展:OWL-SP
• 3.4.3 OWL-SP标记普适资源随机性示例
• 3.5 本章小结
• 第四章 普适资源随机预分配
• 4.1 引言
• 4.2 普适资源随机预分配
• 4.2.1 智能住宅场景描述
• 4.2.2 普适资源分配特点
• 4.2.3 资源随机预分配问题
• 4.2.4 资源随机预分配模式
• 4.3 两阶段资源随机预分配算法
• 4.4 用户级随机预分配
• 4.4.1 任务演化的多段描述
• 4.4.2 普适资源随机分配模型
• 4.4.2.1 一阶资源分配的随机规划模型
• 4.4.2.2 二阶资源分配的随机规划模型
• 4.4.2.3 高阶资源分配的随机规划模型
• 4.4.2.4 语义资源的扩展情况
• 4.4.3 马尔可夫约束近似算法
• 4.4.4 预分配的动态规划方程
• 4.4.5 随机预分配的前摄算法
• 4.5 资源级适应性调整
• 4.5.1 多状态资源描述
• 4.5.2 控制马尔可夫链模型
• 4.5.3 策略优化算法
• 4.6 实验分析
• 4.6.1 资源随机分配结果
• 4.6.2 无前摄与单步前摄
• 4.6.3 K步前摄
• 4.7 相关研究
• 4.8 本章小结
• 第五章 面向用户的普适资源可用性度量
• 5.1 引言
• 5.2 普适资源可用性特点
• 5.3 用户行为描述
• 5.4 面向用户的普适资源可用性分析模型
• 5.4.1 用户会话可用性分析模型
• 5.4.2 用户请求可用性分析模型
• 5.5 面向用户的普适资源可用性度量定义
• 5.5.1 用户资源同步预留可用性度量
• 5.5.2 用户会话可用性度量
• 5.5.3 用户请求可用性度量
• 5.6 普适资源可用性的SPN描述
• 5.7 实验分析
• 5.7.1 不同用户模型下的普适资源可用性分析
• 5.7.2 用户会话可用性分析
• 5.7.3 用户请求可用性分析
• 5.8 相关研究
• 5.9 本章小结
• 5.10 本章附录A:用户会话可用性分析模型局部核与全局核的推导
• 5.10.1 局部核推导
• 5.10.2 全局核推导
• 5.11 本章附录B:用户行为状态分布设定
• 第六章 UbiPresn原型系统及应用实例
• 6.1 引言
• 6.2 战场监控普适环境原型系统
• 6.2.1 原型系统结构及组成
• 6.2.2 系统构成
• 6.2.3 系统设汁
• 6.2.3.1 信息采集
• 6.2.3.2 信息分发
• 6.2.3.3 信息呈现
• 6.3 普适资源管理技术的应用
• 6.3.1 层次化普适资源自适应管理技术的实现
• 6.3.2 普适资源随机预分配技术的实现
• 6.3.3 面向用户的普适资源可用性度量技术的实现
• 6.4 UbiPresn战场监控系统运行结果
• 6.4.1 监控原型系统部署环境
• 6.4.2 系统运行显示
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论和展望
• 7.1 论文工作总结
• 7.2 进一步的工作
• 参考文献
• 在学期间的研究成果及发表的论文
• 致谢