互联网软件服务的一致性量化模型与控制机制研究

Online services have become an important software form thanks for the boosting of Internet, cloud computing and mobile computing.Due to the unreliability of Internet and data center environments and the abruptness of large-scale cocurrent access, performance and availability are two severe challenges for online software services. As an important solution to performance and availability issues, the replication mechanism suffers from consistency problems among replicas.Strict strong consistency will limit the impact the increase of availability and performance using replication. This project aims at exploring the quantitative relationship between consistency, availability and performance centering around replication-based Internet software services. The specific research issues are as follows: (1) In light of flexible consistency, we will study the quantitative tradeoff model of consistency v.s.availability and consistency v.s. performance respectively and related controlling methods;(2) We will study the performance optimization of replication protocols with strong consistency; (3) We will study a unified consistency description model and a flexiable configurable replication protocol framework; (4) We will validate our proposed methods using a prototyped online Internet service. In all, the outcome of this project will enable software service providers to guarantee the optimization of service availability and performance by tuning consistency quantitatively.

在互联网、云计算和移动计算等技术的推动下，在线服务已成为软件的重要形态。由于互联网及数据中心环境的不可靠性和大规模高并发访问的突发性，使得可用性和性能成为在线软件服务面临的重要挑战。副本机制是提高软件可用性和性能的重要方法，但同时也引入了副本状态的一致性问题，而严格的强一致性会制约可用性和性能的提升，从而影响了副本机制的有效性。针对以上问题，本项目以基于副本机制的互联网软件服务为研究对象，以探索一致性和可用性及性能之间的量化关系为研究目标，重点研究以下内容：(1)在柔性一致性前提下，分别研究一致性和可用性及性能的量化模型与控制方法(2)强一致性副本协议的服务性能优化(3)一致性的统一描述模型及柔性可配置的副本协议框架(4)基于在线互联网服务原型系统进行技术验证。基于本项目的研究成果，服务提供商可根据应用特点，自主对一致性进行量化配置，同时在给定的一致性下能够保障软件服务的可用性和性能的优化。

在互联网、云计算和移动计算等技术的推动下，在线服务已成为软件的重要形态。由于互联网及数据中心环境的不可靠性和大规模高并发访问的突发性，使得可用性和性能成为在线软件服务面临的重要挑战。副本机制是提高软件可用性和性能的重要方法，但同时也引入了副本状态的一致性问题，而严格的强一致性会制约可用性和性能的提升，从而影响了副本机制的有效性。针对以上问题，本项目面向提高网络化软件的质量，以基于副本机制的在线软件服务为研究对象，目标在于探索一致性和可用性及性能之间的量化关系。首先，提出了副本协议的量化分析模型和优化框架，为分析各类副本协议提供了基础；第二，提出了RSM-d的副本状态机模型，并基于此面向数据库、内存等设计了一系列一致性与性能可灵活调控的模型，与国际相关工作的对比实验表明，在提供相似一致性保障的基础上，所提出的方法能够获得更好的系统性能；第三，提出了面向Quorum模型的一致性与可用性的量化分析模型，面向最终一致性和因果一致性系统设计了可用性保障的副本机制，并在Cassandra等系统进行了实现；第四，优化了基于Paxos协议的强一致性Web服务系统的执行性能。最后，将所设计的副本控制协议实现到了面向服务的云平台中，并在上海市民服务云中进行了成功应用。此外，我们发现群智计算系统采用了类似副本系统的方法，即通过个体冗余实现系统整体的可靠性，为此我们研究了群智计算系统中的个体贡献汇聚问题，本质上是如何在多样的个体贡献上获取一致的结果。本项目有效解决了副本系统中由于副本同步开销所带来的一致性、性能与可用性的不可控问题，所提出的方法可解决实际系统对一致性和性能等不同偏好的需求，在传统定性管理的基础上实现了副本系统的定量优化控制。本项目的研究也为群智计算系统中的个体贡献汇聚提供了新思路。