面向服务的分布式操作系统及其上的服务组合关键技术研究

摘要

随着编程范型、分布式计算以及业务计算这三个领域的技术发展，面向服务的体系结构SOA和面向服务的计算SOC得到了学界和业界广泛的关注和发展。SOA提出了一种松耦合的、基于服务来组织计算资源的软件系统架构风格。 本文首先针对现有 SOA 应用的体系结构进行了分析。分析表明，目前“服务”抽象是在 SOA 应用体系结构中较为中间的层次实现的，其底层却仍然依赖于传统的进程/线程抽象，不能直接有效地支持基于 SOA 的应用。针对这一现象，本论文提出如下问题：能否使操作系统或者分布式操作系统直接以“面向服务”这个统一的概念来实现它们之间或者与已有的分布式计算系统之间的互操作?针对这个问题，本文对建立一种面向服务的分布式操作系统进行了系统、深入的研究与实践。 建立面向服务的操作系统最关键也是最基本的问题是要给出服务在操作系统级上的抽象。本文将服务的概念引入操作系统的基本抽象中，对本实验室提出的服务体/执行流模型进行了概念上的扩展，并依此提出了面向服务的操作系统的基本结构。在扩展后的服务体/执行流模型中，服务体是服务的载体，端口是服务通信和访问的接口，而小端口则是服务的实例。 对于面向服务的分布式操作系统 SODOS，本文对如下几个方面的关键技术进行了深入的研究与探讨，主要包括 SODOS 的体系结构、具有单一系统映像的服务界面、服务的发布、远程服务请求的代理、命名和名字服务、多执行流调度、服务副本和服务实例迁移以及一致性维护等。 从面向服务应用的需求看，除了要有一个面向服务的分布式操作系统来提供服务的发布与发现以及服务通信之外，还必须为 SOA 应用提供基础服务的部署方案，并为它提供服务组合路径优化方法。然而在这两个方面现有的研究大多是针对大规模网络的，如 Internet、服务网格以及服务覆盖网络等，而不是针对局部密集服务环境的。在局部密集服务环境中，无论是服务部署还是服务通信，其系统特征都有别于上述大规模网络。据此，本文对服务的部署和服务组合的路径优化问题分别进行了深入研究，提出了相应的算法并进行了模拟实验。研究中所做出的新贡献如下： 1) 首次将“服务”这一概念引入到操作系统的基本抽象中，并对服务体/执行流模型 SEFM 进行了概念上的扩展，使其能够有效支持面向服务的计算； 2) 首次提出面向服务的分布式操作系统的概念，并对此进行了总体设计，深入研究了其中的透明的远程服务请求技术、位置无关的服务命名方法、名字空间的组织与管理等关键技术，并给出了解决方案； 3) 针对局部密集服务环境下所特有的服务局部分布特性和密集分布特性，本论文提出了一种静态的服务部署方法，该方法依次考虑了网络流量最小化、负载平衡以及服务最小分布这三个约束条件。 4) 针对局域分布式系统中节点间通信距离近似相等的特征，本文提出了一种服务组合路径优化算法。与大规模网络环境下不同，在局部密集环境中，服务组合路径的长度不再大于成员服务的个数，为此引入了两个新的参数来调整服务节点的选择，从而减少了服务路径的长度，进一步降低了系统的网络流量。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第1章绪论

1.1概述

1.2分布式计算机系统

1.2.1 分布式计算机系统的定义

1.2.2 分布式计算机系统的优点

1.2.3 实现分布式计算的难点

1.3分布式计算技术

1.3.1 分布式计算技术的发展

1.3.2 操作系统对分布式计算的支持

1.4分布式操作系统

1.4.1 分布式操作系统的经典定义

1.4.2分布式操作系统的发展

1.5面向服务的计算理念与实现技术

1.5.1 编程范型及其发展

1.5.2 SOA的应用

1.5.3 面向服务的操作系统

1.6研究目标及思路

1.6.1 问题的提出

1.6.2 问题的分析

1.6.3 问题的解决

1.7文献综述

1.8本论文的组织

第2章SOA与服务组合

2.1概述

2.2面向服务的体系结构SOA

2.2.1 SOA的基本定义

2.2.2 SOA的特征

2.2.3 SOA中的三种角色

2.2.4 SOA中的抽象级别

2.2.5 SOA服务的特征

2.2.6 SOA实现平台的功能组件

2.3通信

2.3.1 通信模式

2.3.2 同步通信协议模型

2.3.3 异步通信协议模型

2.3.4 简单对象访问协议SOAP

2.4服务的发布与发现

2.5服务组合

2.6研究现状

2.7小结

第3章操作系统与分布式操作系统

3.1概述

3.2操作系统的基本功能

3.3传统操作系统的抽象模型

3.3.1 操作系统的进程模型

3.3.2 操作系统的线程模型

3.3.3 与cc-NUMA多处理机系统的类比

3.4操作系统的体系结构

3.4.1 简单结构的操作系统

3.4.2 单一内核结构的操作系统

3.4.3 层次结构的操作系统

3.4.4 微内核结构的操作系统

3.4.5 混合内核

3.4.6 外核

3.4.7 操作系统结构小结

3.5分布式操作系统

3.5.1 分布式操作系统的设计目标

3.5.2 分布式操作系统的体系结构

3.5.3 分布式操作系统的基本功能

3.6经典的分布式操作系统

3.6.1 Mach

3.6.2 Amoeba

3.6.3 Chorus

3.6.4 Spring

3.7传统操作系统的性能瓶颈

3.7.1 传统操作系统的性能分析

3.7.2 相关工作

3.8小结

第4章服务体/执行流模型SEFM和MiniCore

4.1概述

4.2服务体/执行流模型SEFM

4.2.1 基本抽象

4.2.2 端口和小端口

4.2.3 基于SEFM的操作系统构造模型

4.2.4核心服务体

4.2.5 端口的授权访问

4.2.6并发引流机制

4.2.7 服务体地址空间

4.2.8 消息推动通信机制

4.2.9 中断处理模型

4.3基于SEFM的操作系统MiniCore

4.3.1 MiniCore V3.0的体系结构

4.4性能测试与比较

4.4.1实验一、Echo服务器

4.4.2实验二、路由器

4.4.3 实验三、视频解码播放

4.5小结

第5章面向服务的分布式操作系统

5.1概述

5.2面向服务的分布式操作系统SODOS

5.2.1 SODOS的体系结构

5.2.2 具有单一系统映像的服务界面

5.2.3服务体的发布

5.2.4 服务体部署节点的变迁

5.2.5按名查询服务

5.2.6 端口的连接/断开

5.3 SODOS的远程服务请求

5.3.1 端口的代理

5.3.2代理的建立

5.3.3远程服务的请求

5.3.4 Stub/skeleton端口对间的低级通信

5.4 SODOS中的命名和名字服务

5.4.1 命名方法

5.4.2 名字空间及其组织

5.4.3 名字空间的管理

5.5服务的绑定

5.5.1 DCE RPC中的绑定

5.5.2 远程对象调用中的绑定

5.5.3 SODOS中服务的绑定

5.5.4 多执行流调度及其定义

5.5.5 容错调度

5.6服务体副本的变迁和维护

5.6.1 服务实例的迁移

5.6.2 服务体一致性的维护

5.7小结

第6章服务静态部署

6.1概述

6.2相关工作

6.3服务体静态部署问题模型

6.3.1 局部密集服务环境

6.3.2 服务体部署问题

6.3.3 服务体静态部署问题模型

6.4均衡节点负载

6.4.1 负载平衡条件

6.4.2 节点分类

6.5最小化通信量

6.6最小分布及近似算法

6.6.1 SDMmin的近似生成算法

6.7算法模拟和结果分析

6.7.1 运行实例

6.7.2服务分布规模分布对比

6.7.3 服务部署的单点失效容错分析及算法改进

6.8小结

第7章服务组合路径优化

7.1概述

7.2局域密集服务环境中服务组合路径问题模型

7.3保持因子

7.3.1 实验1:保持因子对负载平衡和服务路径长度的影响

7.4匹配长度因子

7.4.1 实验2：匹配长度因子对向后匹配次数的作用

7.4.2 实验3：保持因子和匹配长度因子的共同作用效果

7.4.3 保持因子和匹配长度因子的选择策略与选择方法

7.5小结

第8章结束语

8.1本文的主要工作

8.2本文的主要贡献与创新点

8.3进一步工作展望

参考文献

致谢

在读期间所参加的科研项目

在读期间发表的学术论文

其他研究成果