支持多保障策略的软件系统可靠性滚动优化机制研究

The heterogeneity and dynamic nature of large-scale distributed systems prompt the adoption and integration of a variety of fault-tolerant strategies, which introduces the complexity to evaluate and optimize system reliability. It is difficult to maintain system reliability continuingly under the static optimized configuration of single or few reliability improvement strategies. To allocate multiple reliability improvement strategies in a uniformed form dynamically, the reliability optimization model and algorithms for large complex systems are explored. Using the idea of predictive control, the research on rolling optimization mechanism for multiple strategies is conducted. ① First of all, on the top of the thorough research on reliability evaluation model using random process analysis, the feedback correction method for reliability prediction model is established using software behavior monitoring. ② Secondly, based on the analysis of complex state space formed by multiple strategies variables, hybrid evolutionary optimization algorithm is implemented using state space clustering and dimensionality reduction. ③ Finally, reliability predictive control model is built on top of dynamic reliability prediction function aiming at maintaining certain reliability constraint in finite horizon and the rolling mechanism using feedback control is also constructed. This approach is compared with static reliability optimization mechanism using single or multiple strategies to show the effectiveness of the proposed model and algorithm and the advantage of this approach in reliability continuous optimization. On the theoretical side, this study can promote the in-depth research of the dynamic optimization control method based on the feedback correction; on the application side, it provides continuous optimization solutions for system optimal reliability design.

大型分布式软件系统的异构性与动态性促使了多种可靠性保障策略的采用与融合，增加了可靠性评估与优化的复杂性。仅采用单一或少量策略进行静态优化配置，难以达到持续保障系统可靠性的目的。为对多类保障策略进行统一动态分配，探索复杂软件系统可靠优化模型与算法，结合预测控制思想，开展面向多策略的滚动优化机理研究。①在深入研究基于随机过程理论的可靠性评估模型基础上，结合软件行为监控，建立面向多策略的可靠性预测模型及反馈校正方法。②在分析多策略变量形成的复杂状态空间特征基础上，实现基于状态空间降维与聚类的混合进化优化算法。③ 针对有限时域可靠性目标，建立可靠性预测控制模型和滚动反馈优化机制。通过与单一或多类策略的静态可靠性优化方案对比分析，验证模型和算法的有效性及在可靠性持续优化中的优势。在理论方面，本研究可促进基于反馈校正的动态优化控制方法的深入研究；在应用方面，可为系统可靠性设计提供持续优化的解决方案。

软件系统具备的分布性和调用结构复杂性等特征造成了系统中可靠性保障策略的多样性及差异性。采用混合多保障策略的软件系统可靠性变化规律复杂；在系统持续运行时，优化策略设置不能始终保持其可靠性达到稳定水平。故本项目旨在通过对多种保障策略参数不断进行优化配置调整，达到保证系统可靠持续运行和降低系统资源消耗的目的。从支持多保障策略的软件系统特征分析出发，主要研究包含多类型变量的动态系统建模方法，不确定的时变可靠性优化模型，面向复杂状态空间的求解算法和系统配置方案滚动调整机制四个方面。① 以长时间持续运行和动态不确定的高可靠软件系统为研究对象，通过系统状态迁移分析，基于随机过程和概率分析方法建立了具有膨胀状态空间和复杂迁移规律的软件系统抽象模型。② 针对冗余、监控、维修、替换等策略混合的三种不同容错机制，基于抽象模型对采用了混合保障策略的系统完成可靠性分析，并针对可靠性条件建立了面向有限时域目标的策略配置优化模型。③ 针对具有复杂搜索空间的NP-难不确定优化问题，在状态空间特征分析基础上，利用敏感度分析的设计搜索领域，提出了混合进化搜索算法。通过局部搜索算子和自适应调整策略的改进，提高算法的搜索广度和深度，降低局部最优解产生率。④ 利用混合进化搜索算法求解策略优化模型在一定时域范围内对系统进行预测配置，通过监控反馈等手段获取实时数据，建立基于递推贝叶斯估计的误差评估和错误检测策略判断系统状态，评估实时可靠性指标，以此触发滚动的模型校正、策略更新和系统演化，保障系统可靠性在无限时域内达到预设条件。在理论方面，本项目可促进实际环境中的复杂动态系统建模及分析方法的深入研究，也可促进基于反馈校正的动态优化控制方法在软件可靠性设计领域中的交叉融合。在应用方面，本项目为包含混合多策略的计算机系统可靠性设计提供可行的分析和配置方案，另一方面也为实时动态系统的可靠性持续保障提供监控应变及在线控制的解决方案。