云环境中容错软件结构模型设计方法

Cloud computing has emerged as a widely accepted computing paradigm over the past few years, which has been applied in vast areas such as industry, transportation and healthcare. However, due to the complexity of cloud computing system, it is a great challenge to effectively design a software system in cloud environment to meet the actual requirements. This project will investigate the software architecture modeling method for cloud computing systems from three aspects: formal language, fault-tolerant mechanism and enforcement method. Formal model language of cloud software is defined to accurately describe its software structure and fault behavior. By constructing the extensible fault models of cloud computing systems, we can characterize the operational mechanism and fault behaviors of cloud computing. Based on the mapping relationship between the components of cloud computing and cloud service, the replacement of cloud services and Service Level Agreement, we propose the selection rules of cloud service and its enforcement method.The fault-tolerant strategies of cloud computing are proposed based on weighing the competition and cooperation relationship between various software developers, and the corresponding enforcement method is given based on the idea of aspect-oriented programming and Reflective mechanism. Model checking techniques are used to verify the correctness of the enforcement of fault-tolerant software architecture. This research is of both theoretical and practical significance in revealing structural and behavioral characteristics of cloud computing, building fault-tolerant software architectural model for cloud computing, and improving reliability of cloud computing systems.

云计算近年来已成为一种被广泛接受的计算模式，在商业、交通、卫生等领域的应用日益广泛。然而，云计算的复杂特征对如何有效地设计满足应用需求的软件系统提出了巨大挑战。本项目从形式化语言、容错机制及实施方法三个方面研究云环境中软件结构模型设计方法。定义云软件的形式化模型语言，用于精确描述其软件结构和故障行为。通过构建可扩展的云计算软件结构模型，以刻画软件的运行机理、故障行为等特性；依据云计算的组件与云服务之间的映射关系，立足云服务的可替换性和服务等级协议，提出云服务选择规则和实施方案；协同云软件间竞争与合作关系，提出云计算容错策略，并基于面向方面和反射机制给出相应实施方法；利用模型检查技术验证容错软件结构实施的正确性。本项目研究对于揭示云计算的结构和行为特征、建立云计算容错软件结构模型、提高云计算可靠性具有理论意义和应用价值。

云计算作为下一代计算模式，在科学计算和商业计算领域均发挥着重要作用，受到当前学术界和企业界的广泛关注。然而，云计算的结构和行为特征复杂，如何高效地设计满足应用需求的容错软件成为具有挑战性的研究课题。本项目“云环境中容错软件结构模型设计方法”对云环境中容错软件的需求分析、形式化模型语言、建模方法和模型验证技术四个方面进行了系统的研究。本项目研究的主要成果包括：（1）从云计算功能性和非功能性需求着手，分析混合云平台下任务和资源调度特征，建立云计算容错软件和资源调度优化的需求。（2）立足云环境下软件的层次结构和领域特征，建立适合云计算容错建模的形式化语言，并给出相应的执行语义、运行机理和实际映射等支撑理论。（3）扩展和丰富传统的Petri网来对云服务、云组件等基础元素进行描述，建立面向效用的云计算容错模型、云计算攻防博弈模型和云数据中心资源调度模型。（4）从多租户间博弈关系出发，研究效用均衡的云容错策略和实施方法，以优化云容错的效用。从云服务、云组件等角度出发，提出多层次的云计算可靠性评估方法和云计算的最佳防御策略选择方法。基于此，给出基于混合云平台即时性能的容错策略和任务运行失败情况下的自适应资源调度策略。（5）提出模型检查、定理证明技术的业务流程模型验证方法。以云计算环境下“文化创意云平台”和“云中医疗数据共享平台”为案例，分析方法的正确性和有效性。本项目研究对于揭示云容错软件结构的本质特性、建立云容错软件设计理论、提高云容错软件可复用性和可信度具有理论意义和应用价值。 .通过本项目研究，在国内外重要刊物上发表学术论文35篇（含录用），其中SCI源刊7篇、EI收录23篇、培养骨干教师3名，5名研究生完成博士学业、5名硕士生获得硕士学位。