基于软件体系结构的容错机制动态配置技术研究

论文摘要

软件实现的容错技术是保障软件可用性和可靠性的主要方法之一,它在运行时刻检测功能构件中的错误,并将错误状态恢复正常,从而避免整个软件系统因一个构件发生故障而不能向用户提供正确的服务。容错技术的一个固有特性是特定于具体的软件系统:容错技术必须要与软件系统的故障假设、应用领域、运行环境和系统特征等因素相匹配。这种特定性限制了容错技术对环境和需求的应变能力。作为Internet上的一种新型软件形态,网构软件在开放、动态、多变的环境中运行,并以包括第三方构件在内的异构构件作为其构成单元,这种运行环境和构成单元上的“开放性”导致网构软件的运行时行为体现出一定程度的“变化性”。当在网构软件中使用容错技术时,网构软件的变化性与容错技术有限的应变能力之间的矛盾变得突出。为了能够在因外部运行环境发生变动或内部构件更新升级而造成软件的故障假设、容错需求或特定应用的约束发生改变的情况下,继续保持网构软件的高可用性和高可靠性,一种可行途径是在运行时刻根据需要为不具备容错能力的构件增加容错能力,或者调整其已有容错能力(去除或替换为另一种容错技术)。本文将这种调整称为对容错机制的动态配置,并基于这一思路,对网构软件的容错机制动态配置需要解决的两个关键问题进行了研究:(1)如何清晰区分软件的功能部分与容错部分,并刻画出二者之间的关系,从而使动态配置容错机制成为可能;(2)如何确保动态配置结果的正确性和有效性。为了解决上述问题,本文建立了一套基于软件体系结构的容错机制动态配置技术框架,其主要特色和贡献包括:(1)从软件体系结构的角度解释容错机制动态配置问题,并将每一种适用于网构软件的容错机制规约为一种支持容错的体系结构风格(即容错风格)。容错风格明确了容错机制的结构、行为以及对应用构件的影响,并作为动态配置过程中的核心知识。同时,给出了容错体系结构的形式化模型,以支持对动态配置结果的验证。(2)提出一种基于模型检查的容错风格选择方法,解决了为网构软件选择适宜容错风格的问题。该方法的基本思想是把容错风格抽象为一种模型检查中的计算模型,把容错需求和特定于应用的约束抽象为容错属性,通过自动检查每一种容错风格对应的计算模型是否满足给定属性,从而找到满足给定容错需求且不违反特定于应用的约束的容错风格。(3)提出一种基于模型合并技术的容错配置自动生成方法。该方法根据应用构件之间的依赖关系,确定出受容错机制动态配置影响的构件集合;通过比对容错风格实例元素与应用体系结构元素得到二者之间的匹配关系;根据匹配关系使用模型转换技术实现容错风格实例与应用体系结构的自动化合并,生成容错配置。这种容错风格实例和应用体系结构的自动化合并方法有助于保证使用容错机制时的正确性,而且合成结果可以直接用于有效性验证。(4)设计并实现了一个支持容错机制动态配置的中间件支撑框架。在这个支撑框架中,构件容器被扩展成为一个容错“沙盒”,并作为容错管理的基本单元。对应于不同容错机制的截取器组合在运行时被加入到容错沙盒中,并在容错管理服务的控制下进行动态配置和容错处理。通过使用运行时软件体系结构,体系结构规划阶段生成的容错配置可以用来指导中间件层的动态调整。框架对应用屏蔽了容错细节,实现透明的容错支持和透明的容错机制动态配置,并很好地适用于目前的主流中间件。JEE应用ECperf做为研究实例贯穿了整篇论文,并通过这个实例展示了相关主要方法的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 问题的提出
• 1.2 发展与现状
• 1.2.1 软件故障与容错技术
• 1.2.2 构造容错软件的方法
• 1.2.3 容错机制动态配置
• 1.3 尚待解决的问题
• 1.4 本文的研究内容与主要工作
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 工作基础
• 1.5 本文的组织
• 第2章 基于软件体系结构的容错机制动态配 置技术框架
• 2.1 研究实例
• 2.2 网构软件容错机制动态配置问题的难点
• 2.2.1 网构软件容错机制动态配置的基本要求
• 2.2.2 依赖关系对容错机制动态配置的影响
• 2.3 基于软件体系结构的容错机制动态配置方法
• 2.3.1 软件体系结构的抽象规约能力
• 2.3.2 软件体系结构的推理分析能力
• 2.4 中间件支撑框架
• 2.5 动态配置流程
• 2.6 小结
• 第3章 容错风格和容错体系结构
• 3.1 容错风格的描述
• 3.2 容错风格实例
• 3.2.1 公共容错构件、连接子和接口
• 3.2.2 公共容错构件、连接子和接口的组合
• 3.2.3 几种典型的容错风格实例
• 3.3 容错体系结构的形式化规约
• 3.3.1 容错体系结构的基础模型
• 3.3.2 故障建模
• 3.3.3 容错风格建模
• 3.3.4 依赖关系对容错体系结构形式化模型的影响
• 3.4 小结
• 第4章 容错机制动态配置的规划
• 4.1 选择容错风格
• 4.1.1 基于模型检查的风格选择方法概述
• 4.1.2 从体系结构模型到验证模型的转换
• 4.1.3 实例研究
• 4.1.4 讨论
• 4.2 使用容错风格
• 4.2.1 基于模型合并的容错配置生成方法概述
• 4.2.2 确定待配置的构件集合
• 4.2.3 生成模型元素匹配关系
• 4.2.4 执行合并操作
• 4.3 性能和可靠性分析
• 4.3.1 性能分析
• 4.3.2 可靠性分析
• 4.4 工具实现
• 4.5 小结
• 第5章 中间件支撑框架与实现
• 5.1 框架概述
• 5.2 容错沙盒
• 5.2.1 构件容器和截取器
• 5.2.2 扩展构件容器为容错沙盒
• 5.2.3 容错沙盒的组合
• 5.3 容错管理服务
• 5.3.1 容错配置和恢复策略
• 5.3.2 配置管理器
• 5.3.3 恢复管理器
• 5.4 从体系结构容错配置描述到中间件容错配置文件
• 5.5 基于JEE 应用服务器的实现
• 5.5.1 基于PKUAS 的实现
• 5.5.2 实验设计和结果
• 5.6 小结
• 第6章 结束语
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 相关工作比较
• 6.2.1 容错机制动态配置的中间件支撑技术
• 6.2.2 容错软件的体系结构建模和分析
• 6.3 未来工作展望
• 参考文献