自適應(yīng)實(shí)時(shí)資源管理技術(shù)研究

摘要:分析了自適應(yīng)實(shí)時(shí)資源管理面臨的問(wèn)題，研究了自適應(yīng)實(shí)時(shí)資源管理的構(gòu)造和常用模式，并指出其不足，最后提出一種基于控制論的實(shí)時(shí)資源管理模式，對(duì)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行自適應(yīng)實(shí)時(shí)資源管理#65377;通過(guò)建立抽象的實(shí)時(shí)資源裝置，給出反饋控制#65380;自適應(yīng)控制和智能控制這三種基本模型，將控制論映射到實(shí)時(shí)資源管理，更好地滿(mǎn)足實(shí)時(shí)系統(tǒng)的需求#65377;

關(guān)鍵詞:實(shí)時(shí);資源管理;控制;服務(wù)質(zhì)量

中圖分類(lèi)號(hào):TP391文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1001-3695(2007)10-0061-04

0引言

實(shí)時(shí)計(jì)算在當(dāng)前與未來(lái)的許多應(yīng)用領(lǐng)域中都是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，如軍事指揮自動(dòng)化系統(tǒng)#65380;工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)#65380;電信系統(tǒng)#65380;消費(fèi)電子#65380;航空電子綜合系統(tǒng)等#65377;實(shí)時(shí)資源管理是實(shí)時(shí)系統(tǒng)的關(guān)鍵保障#65377;由于需要對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)提供可預(yù)測(cè)性和柔性，并且實(shí)時(shí)應(yīng)用的運(yùn)行環(huán)境在資源的需求上，其本質(zhì)是不穩(wěn)定的并難以事先預(yù)測(cè)，在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中進(jìn)行資源管理具有相當(dāng)?shù)碾y度#65377;這是由不同原因造成的#65377;首先，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)包括一些底層機(jī)制，用來(lái)提高應(yīng)用的平均性能，但不幸的是使任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間發(fā)生高度變化#65377;在另一些情況下，如在多媒體系統(tǒng)中，進(jìn)程可以有高度變化的執(zhí)行時(shí)間#65377;因此，一個(gè)計(jì)算系統(tǒng)的總負(fù)載會(huì)顯著變化，這將造成不可預(yù)載并降低系統(tǒng)的整體性能#65377;對(duì)于軍事系統(tǒng)#65380;電信系統(tǒng)#65380;消費(fèi)電子#65380;工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中的小嵌入式設(shè)備特別關(guān)鍵#65377;事實(shí)上，為了滿(mǎn)足一組關(guān)于重量#65380;容量和能量消耗的約束，上述系統(tǒng)通常會(huì)使用具有較低處理能力和有限資源的微處理器來(lái)構(gòu)造#65377;對(duì)于這些系統(tǒng)，基于一個(gè)嚴(yán)格的離線(xiàn)設(shè)計(jì)#65380;最壞情況下假設(shè)和一個(gè)優(yōu)先級(jí)保證的典型實(shí)時(shí)方法，將會(huì)造成在大多數(shù)時(shí)間內(nèi)資源不能被充分利用#65377;因此基于效率的原則就不能采用#65377;當(dāng)資源缺乏時(shí)，資源就不能被浪費(fèi)#65377;一個(gè)基于平均行為情況下的離線(xiàn)設(shè)計(jì)也會(huì)造成問(wèn)題，因?yàn)樗谫Y源請(qǐng)求過(guò)載時(shí)將難以保證應(yīng)用的時(shí)限約束#65377;

動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)系統(tǒng)需要應(yīng)用的運(yùn)行能更好地適應(yīng)變化的環(huán)境，而不是采用過(guò)于悲觀(guān)的硬實(shí)時(shí)技術(shù)#65377;在自適應(yīng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，應(yīng)用的資源需求通常是高度依賴(lài)于數(shù)據(jù)并隨時(shí)變化#65377;為了防止由于過(guò)載造成性能不可預(yù)測(cè)的降級(jí)，一個(gè)實(shí)時(shí)資源管理系統(tǒng)必須根據(jù)負(fù)載的變化進(jìn)行響應(yīng)，調(diào)節(jié)其性能#65377;這是一個(gè)系統(tǒng)性能的控制處理，如一個(gè)負(fù)載變化的函數(shù)，可以歸類(lèi)為服務(wù)質(zhì)量(QoS)管理#65377;執(zhí)行有效的QoS管理和資源管理需要在該實(shí)時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不同層級(jí)提供特殊的支持#65377;因此需要在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中研究新的自適應(yīng)實(shí)時(shí)資源管理技術(shù)#65377;

1自適應(yīng)實(shí)時(shí)資源管理

動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)系統(tǒng)有大量可能的運(yùn)行時(shí)情況:一個(gè)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的外部負(fù)載可能會(huì)有極大的變化[4];一些硬件設(shè)備可能會(huì)出故障;一些時(shí)候用戶(hù)也可能會(huì)改變一個(gè)應(yīng)用的功能需求#65377;一個(gè)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)系統(tǒng)不得不在這些情況下滿(mǎn)足時(shí)限需求#65377;但是，傳統(tǒng)的靜態(tài)資源管理通常會(huì)造成動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的資源利用率非常低，或會(huì)頻繁地違反時(shí)限需求#65377;因?yàn)榧词乖谶\(yùn)行情況已經(jīng)發(fā)生了變化，一個(gè)靜態(tài)的資源管理器也不能改變一個(gè)應(yīng)用的配置#65377;為了保障一個(gè)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的性能，應(yīng)該使用自適應(yīng)實(shí)時(shí)資源管理，即它必須針對(duì)環(huán)境的變化來(lái)調(diào)節(jié)其內(nèi)部的策略，以保證該系統(tǒng)的性能能夠保持在期望值之上#65377;

如圖1所示，自適應(yīng)實(shí)時(shí)資源管理監(jiān)視一個(gè)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)系統(tǒng)#65377;當(dāng)系統(tǒng)的性能接近一個(gè)極限時(shí)，或估計(jì)到系統(tǒng)要發(fā)生關(guān)鍵狀態(tài)變化時(shí)，決定如何最佳地重新分配可利用的資源來(lái)防止和更正任何需求的違反，并指導(dǎo)資源的重新分配，將該系統(tǒng)的性能保持在所要求的范圍內(nèi)#65377;

自適應(yīng)實(shí)時(shí)資源管理需要在動(dòng)態(tài)環(huán)境下操作，因此其開(kāi)發(fā)者需要面臨以下問(wèn)題:

a)可調(diào)度性#65377;通過(guò)運(yùn)行時(shí)的資源分配，一個(gè)自適應(yīng)資源管理應(yīng)該有能力針對(duì)環(huán)境的變化快速地重新分配資源，以維持一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的可調(diào)度性#65377;這對(duì)外部負(fù)載#65380;實(shí)際故障和應(yīng)用的功能上的需求是不變的#65377;

b)穩(wěn)定性#65377;自適應(yīng)實(shí)時(shí)資源管理也應(yīng)該支持一個(gè)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性#65377;就某種意義來(lái)說(shuō)當(dāng)該環(huán)境的變化相對(duì)較小時(shí)要避免頻繁的實(shí)時(shí)系統(tǒng)配置調(diào)節(jié);否則，系統(tǒng)配置的不必要調(diào)節(jié)將會(huì)浪費(fèi)許多資源，并降低系統(tǒng)性能#65377;

c)收斂性#65377;一個(gè)最優(yōu)的重分配能使系統(tǒng)產(chǎn)生最多的收益通常是NPhard[5]#65377;所以，首先通過(guò)一個(gè)自適應(yīng)實(shí)時(shí)資源管理器進(jìn)行的重新分配可能是次最優(yōu)的#65377;當(dāng)該環(huán)境沒(méi)有發(fā)生變化時(shí)，如果有可用的資源，該自適應(yīng)實(shí)時(shí)資源管理器應(yīng)該調(diào)節(jié)配置，并使該實(shí)時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生更大的收益#65377;這是一個(gè)自適應(yīng)實(shí)時(shí)資源管理應(yīng)該提供的收益收斂性能力#65377;

為了解決上述問(wèn)題，需要從自適應(yīng)實(shí)時(shí)資源管理的內(nèi)部構(gòu)造和設(shè)計(jì)模式兩方面入手#65377;在此，內(nèi)部構(gòu)造主要研究采用什么樣的組件對(duì)合理地構(gòu)造自適應(yīng)實(shí)時(shí)資源管理#65377;設(shè)計(jì)模式是指對(duì)已經(jīng)成熟的自適應(yīng)實(shí)時(shí)資源管理解決方案，可以用模式的形式進(jìn)行描述#65377;這樣，就能一次又一次地使用該方案而不必進(jìn)行重復(fù)性勞動(dòng)#65377;

2自適應(yīng)實(shí)時(shí)資源管理構(gòu)造

2.1QoS管理

QoS已經(jīng)被定義成一個(gè)服務(wù)和性能的集合，以決定服務(wù)的滿(mǎn)意度#65377;這個(gè)滿(mǎn)意度通常與非功能的需求或QoS特性相關(guān)，如可靠性#65380;安全性#65380;時(shí)限#65380;健壯性#65380;吞吐率等#65377;

為了確保用戶(hù)能夠獲得一個(gè)最優(yōu)化的系統(tǒng)輸出質(zhì)量，QoS管理與應(yīng)用和資源管理器進(jìn)行交互(協(xié)商)#65377;協(xié)商基于一個(gè)契約模型，即通過(guò)資源進(jìn)行質(zhì)量的交易#65377;最終目標(biāo)是以一種有效的方式來(lái)使用資源，并且使系統(tǒng)的質(zhì)量最大化#65377;協(xié)商將取決于應(yīng)用的重要性#65380;用戶(hù)設(shè)置#65380;可利用的資源等因素#65377;

目前，許多大范圍部署的實(shí)時(shí)資源管理方法都有同樣的QoS管理[6]，如QoS管理在QuO中應(yīng)用;DQM接受一個(gè)應(yīng)用的QoS性能測(cè)量，并且基于該QoS性能發(fā)送消息到應(yīng)用;DeSiDeRaTa使用一個(gè)類(lèi)似于QuO的QoS描述和通信方法#65377;因此，QoS管理是自適應(yīng)實(shí)時(shí)資源管理的一個(gè)基本模式，實(shí)時(shí)資源管理依賴(lài)于QoS管理以確保實(shí)時(shí)系統(tǒng)能有適當(dāng)?shù)男阅?65377;

2.2分配管理

分配管理器需要一種方法來(lái)執(zhí)行其決策，以便獲得適應(yīng)性的行為#65377;如果動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)系統(tǒng)要改變其行為以適應(yīng)動(dòng)態(tài)環(huán)境所造成的條件變化，就必須有一定的適應(yīng)機(jī)制#65377;對(duì)系統(tǒng)提供自適應(yīng)的行為是控制資源分配的一種至關(guān)重要的方式#65377;這一模式完成分配管理，它解決了如何獲得自適應(yīng)行為的問(wèn)題#65377;

適應(yīng)被定義成調(diào)節(jié)行為以響應(yīng)環(huán)境中的條件變化#65377;必須在動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)系統(tǒng)中建立一類(lèi)機(jī)制以使它能夠根據(jù)所運(yùn)行的動(dòng)態(tài)環(huán)境進(jìn)行自調(diào)節(jié)#65377;這是一個(gè)難題#65377;例如，在指揮控制系統(tǒng)中，如果對(duì)跟蹤評(píng)估的實(shí)時(shí)處理出現(xiàn)過(guò)載，就要決定將這個(gè)處理遷移到一個(gè)更有處理能力的主機(jī)#65377;這就需要有一種機(jī)制來(lái)執(zhí)行遷移[7]#65377;

文獻(xiàn)[8]提供方法來(lái)控制動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)系統(tǒng)#65377;例如，提供機(jī)制以處理遷移和復(fù)制#65377;這可以在一個(gè)操作系統(tǒng)中高效地實(shí)現(xiàn)，但也可以使用通用的處理控制服務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)#65377;另外的通用機(jī)制是通過(guò)改變一個(gè)或多個(gè)算法的精度來(lái)調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的資源使用#65377;

如上所述，資源分配管理的模式通常都要與QoS適應(yīng)集成在一起，即根據(jù)對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)性能的分析和當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行響應(yīng)#65377;實(shí)際的分配管理可以采用不同的方式，根據(jù)所強(qiáng)調(diào)的要求來(lái)處理它#65377;

2.3資源監(jiān)視

一個(gè)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)系統(tǒng)必須有能力監(jiān)視其性能和資源需求，而且還必須能確定資源的狀態(tài)和利用率;否則，就不能確定是否滿(mǎn)足了系統(tǒng)的截止期#65380;資源需求以及不能進(jìn)行資源分配決策#65377;這一模式有助于完成分配管理#65377;資源監(jiān)視對(duì)所有資源組件的使用情況和系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)提供即時(shí)檢測(cè)，對(duì)會(huì)造成實(shí)時(shí)系統(tǒng)性能下降或故障的異常信息給出警告#65377;如對(duì)任務(wù)狀態(tài)#65380;CPU利用率狀態(tài)#65380;錯(cuò)過(guò)率狀態(tài)等的監(jiān)視#65377;

監(jiān)視應(yīng)用資源使用的通常方法是時(shí)間戳#65377;DQM就采用了這一方法[9];MOSIX采用了不同的方法，它不是輪詢(xún)每個(gè)節(jié)點(diǎn)，而是每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送其可利用的資源信息給群集中一個(gè)隨機(jī)的節(jié)點(diǎn)子集;KURTLinux也是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，依賴(lài)于對(duì)資源的監(jiān)視，它通過(guò)以微秒級(jí)的精度來(lái)監(jiān)視時(shí)鐘滴答#65377;

有了以上自適應(yīng)實(shí)時(shí)資源管理的三個(gè)基本組件，如何將它們?cè)趯?shí)時(shí)系統(tǒng)中有效地搭配起來(lái)，構(gòu)造自適應(yīng)實(shí)時(shí)資源管理，進(jìn)行協(xié)同高效的工作，以使該自適應(yīng)實(shí)時(shí)資源管理能夠保證滿(mǎn)足任務(wù)的時(shí)限約束，同時(shí)使系統(tǒng)的性能最優(yōu)化#65377;這需要研究實(shí)時(shí)資源管理的模式#65377;

3自適應(yīng)實(shí)時(shí)資源管理模式

Alexander認(rèn)為模式就是一個(gè)對(duì)于特定系統(tǒng)的通用解決方案本身的重復(fù)[10]#65377;將設(shè)計(jì)模式引入軟件設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程的目的在于充分利用已有的軟件開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，這是因?yàn)樵O(shè)計(jì)模式通常是對(duì)某一類(lèi)軟件設(shè)計(jì)問(wèn)題的可重用解決方案#65377;在實(shí)時(shí)系統(tǒng)領(lǐng)域中，自適應(yīng)實(shí)時(shí)資源管理必須在動(dòng)態(tài)環(huán)境中操作，因此開(kāi)發(fā)者需要面臨許多問(wèn)題#65377;目前已經(jīng)解決了一些問(wèn)題，并以模式的形式進(jìn)行了描述#65377;

前攝和反應(yīng)式資源分配是確保滿(mǎn)足QoS約束的兩種自適應(yīng)實(shí)時(shí)資源管理模式[11]，即當(dāng)有資源重新分配的需求發(fā)生時(shí)的反應(yīng)式資源分配，以及在資源重新分配的需求發(fā)生之前已計(jì)劃的前攝資源分配#65377;

3.1反應(yīng)式資源分配

反應(yīng)式資源分配廣泛用于商業(yè)和國(guó)防分布式實(shí)時(shí)與嵌入式系統(tǒng)當(dāng)中#65377;反應(yīng)式資源分配設(shè)計(jì)模式通過(guò)觀(guān)察當(dāng)一個(gè)計(jì)算系統(tǒng)的性能接近相交或交叉到一個(gè)極限時(shí)，決定如何最佳地重新分配可利用的資源來(lái)防止和更正任何需要的違反，并指導(dǎo)資源的重新分配，將該系統(tǒng)的性能保持在需求的范圍內(nèi)#65377;

在許多已知的解決方案中使用了反應(yīng)式資源分配，如DeSiDeRaTa使用多個(gè)對(duì)象實(shí)現(xiàn)了監(jiān)視功能[9]，每個(gè)對(duì)象監(jiān)視系統(tǒng)行為的一個(gè)或多個(gè)方面#65377;監(jiān)視的數(shù)量可以是系統(tǒng)性能的直接測(cè)量或間接測(cè)量#65377;當(dāng)觸發(fā)功能提出一個(gè)重新分配時(shí)，分配決定功能實(shí)現(xiàn)觀(guān)測(cè)器模式的通知，分配決定函數(shù)可以選擇延遲或忽略重新分配建議#65377;一旦一個(gè)新的分配在其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了單獨(dú)的QoS控制，就必須重新配置應(yīng)用#65377;但是，反應(yīng)式資源重分配模式需要較長(zhǎng)的時(shí)間，以對(duì)突然變化的服務(wù)需求作出反應(yīng)#65377;

3.2前攝資源分配

要使一個(gè)系統(tǒng)的性能保持在所要求的范圍內(nèi)，前攝資源分配模式通過(guò)估計(jì)系統(tǒng)關(guān)鍵狀態(tài)的變化，預(yù)先計(jì)劃適合于這些變化的資源分配，對(duì)于這些變化監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)，并在系統(tǒng)狀態(tài)改變時(shí)實(shí)現(xiàn)適合的預(yù)先計(jì)劃的資源分配#65377;

前攝模式支持關(guān)鍵系統(tǒng)變化不能預(yù)計(jì)的情況，該解決方案需要知道一組準(zhǔn)確的情況#65377;系統(tǒng)可能不得不對(duì)事先的確定作出適應(yīng)，并且必須先于重新分配決定一個(gè)可接受的重新分配#65377;該模式部分解決了關(guān)鍵任務(wù)系統(tǒng)有時(shí)限約束#65380;必須被滿(mǎn)足，以便確保該系統(tǒng)的行為適當(dāng)#65377;這種方法的一個(gè)不足之處是不可能預(yù)計(jì)所有的模式#65377;

許多已知的解決方案使用了前攝式資源分配，如DeSiDeRaTa使用策略模式實(shí)現(xiàn)觸發(fā)功能，可以使觸發(fā)決策邏輯在設(shè)計(jì)或運(yùn)行時(shí)易于改變[9]#65377;分配決定功能可以是系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程的一部分或管理軟件的一部分，引導(dǎo)模式改變#65377;

前攝式資源分配通常與反應(yīng)式資源分配相結(jié)合，前攝用于系統(tǒng)的絕對(duì)使命和安全關(guān)鍵的方面;反應(yīng)用在其余的部分#65377;在這些混合方法中，反應(yīng)式資源分配器在一個(gè)由前攝資源分配器定義的資源封裝內(nèi)操作#65377;在這種方式中，前攝分配器確保反應(yīng)式資源分配器不能與關(guān)鍵的系統(tǒng)功能相交互#65377;

3.3基于控制論的實(shí)時(shí)資源管理

以上兩種模式對(duì)一個(gè)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的可調(diào)度性#65380;穩(wěn)定性和收斂性三個(gè)特性缺乏理論上的分析和證明#65377;這樣，采用這些模式的一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)可能會(huì)錯(cuò)過(guò)它的截止期#65380;或保持變化配置#65380;或產(chǎn)生非常小的收益，使該實(shí)時(shí)系統(tǒng)不實(shí)用#65377;

為了解決這個(gè)問(wèn)題，本文運(yùn)用實(shí)時(shí)計(jì)算和控制論集成的概念對(duì)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)系統(tǒng)提出了一種模式——基于控制論的實(shí)時(shí)資源管理模式，即基于控制論的自適應(yīng)實(shí)時(shí)資源管理來(lái)獲得動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的性能保證#65377;

將控制論映射到實(shí)時(shí)資源管理，并將該概念用在資源管理的開(kāi)發(fā)中，可以獲得顯著的進(jìn)步#65377;例如，實(shí)時(shí)資源管理可以利用控制論進(jìn)行可控性#65380;穩(wěn)定性和敏感性分析#65377;

將一個(gè)采用自適應(yīng)實(shí)時(shí)資源管理的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)系統(tǒng)作為一個(gè)具有反饋控制的系統(tǒng);再將一個(gè)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的負(fù)載和運(yùn)行時(shí)的配置建模成它的輸入;并將每個(gè)應(yīng)用的可調(diào)度性建模成輸出#65377;自適應(yīng)實(shí)時(shí)資源管理器向反饋控制器提供服務(wù)，監(jiān)視運(yùn)行時(shí)信息，并且動(dòng)態(tài)地改變實(shí)時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的配置#65377;因此，一個(gè)采用自適應(yīng)資源的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)系統(tǒng)可以用一個(gè)控制系統(tǒng)來(lái)建模和控制#65377;同時(shí)，在控制論中已經(jīng)研制出可控制性和穩(wěn)定性分析方法[3，12，13]，該理論可以用來(lái)保證一個(gè)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的可調(diào)度性#65380;穩(wěn)定性和收斂性#65377; 

4基于控制論的實(shí)時(shí)資源管理模型

基于控制論的自適應(yīng)資源管理模型可以使用很多工業(yè)研究與實(shí)踐中采用的控制論方法#65377;同時(shí)，該模型可以系統(tǒng)地對(duì)實(shí)時(shí)資源管理系統(tǒng)進(jìn)行建模[1，2]#65377;

一個(gè)基于控制論的實(shí)時(shí)資源管理系統(tǒng)可分為兩個(gè)主要的實(shí)體，即實(shí)時(shí)資源管理系統(tǒng)和它的環(huán)境#65377;環(huán)境是一個(gè)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，其運(yùn)行狀態(tài)是其先前狀態(tài)的一個(gè)函數(shù)，實(shí)時(shí)資源管理系統(tǒng)在其上運(yùn)行具有時(shí)限性#65377;它通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)膭?dòng)作來(lái)滿(mǎn)足外部定義的目標(biāo)#65377;

實(shí)時(shí)資源管理系統(tǒng)如裝置一樣是可控制的#65377;實(shí)時(shí)資源管理的主要對(duì)象就是實(shí)時(shí)資源裝置，它監(jiān)視硬件資源如計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)等的狀態(tài)(如可用性和利用率)#65377;下面在實(shí)時(shí)資源管理中引入控制問(wèn)題，描述控制領(lǐng)域?yàn)榻鉀Q這些問(wèn)題而開(kāi)發(fā)的控制模型#65377;這些模型增加了一個(gè)實(shí)時(shí)資源管理系統(tǒng)的基本功能，以便在整個(gè)系統(tǒng)中能引進(jìn)多種級(jí)別的自適應(yīng)#65377;

4.1反饋控制

實(shí)時(shí)資源管理反饋控制模型按照一個(gè)控制規(guī)則來(lái)選擇實(shí)時(shí)資源裝置的輸入#65377;反饋控制模型將系統(tǒng)分為實(shí)時(shí)資源裝置#65380;控制器和激勵(lì)器#65377;控制器確定資源分配的原則;激勵(lì)器進(jìn)行資源重新分配#65377;圖2顯示了反饋控制系統(tǒng)的信息流#65377;信息上的箭頭說(shuō)明該模型的控制運(yùn)行方向#65377;無(wú)源箭頭是從環(huán)境的輸入;沒(méi)有目標(biāo)的箭頭是對(duì)環(huán)境的輸出#65377;

這個(gè)模型明確地將實(shí)時(shí)資源裝置的輸出立即反饋到該控制器，是一種反應(yīng)式實(shí)時(shí)資源管理模式#65377;雖然控制論假定該裝置進(jìn)行直接反饋，但不能在實(shí)時(shí)資源管理系統(tǒng)作出這樣的假定，通常必須引入一個(gè)QoS激勵(lì)器對(duì)資源按照QoS保證的方式進(jìn)行分配#65377;為了能提供實(shí)時(shí)QoS(RTQoS)保證，本文采用了RTQoS激勵(lì)器，它主要關(guān)注實(shí)時(shí)服務(wù)質(zhì)量，如截止期#65380;重要性#65380;周期等#65377;在一些情況下，它在計(jì)算中將該反饋的值作為一個(gè)函數(shù)的輸入和輸出變量;在其他情況下它可能會(huì)考慮一個(gè)外部輸入(如用戶(hù)方式)，并基于所有獲取的信息來(lái)計(jì)算該反饋值#65377;控制器使用實(shí)時(shí)資源裝置產(chǎn)生的反饋來(lái)計(jì)算控制輸入，再送到RTQoS激勵(lì)器中#65377;

圖3顯示了一個(gè)具有RTQoS激勵(lì)器的反饋模型，可以將該控制模型更精確地表示成一個(gè)反饋環(huán)#65377;在每個(gè)環(huán)循環(huán)中，RTQoS激勵(lì)器從環(huán)境接收輸入并產(chǎn)生輸出信號(hào)，它將這些信號(hào)發(fā)送到實(shí)時(shí)資源裝置并繼續(xù)進(jìn)行控制#65377;為了進(jìn)行決策，RTQoS激勵(lì)器中使用從控制器得來(lái)的輸入，就像感知器輸入的內(nèi)部狀態(tài)信息那樣#65377;控制器通過(guò)反饋環(huán)接收實(shí)時(shí)資源裝置的輸出，然后評(píng)價(jià)是否滿(mǎn)足控制目標(biāo)#65377;如果不滿(mǎn)足，則改變它對(duì)實(shí)時(shí)資源裝置的輸入以獲得所期望的控制目標(biāo)#65377;

反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)在受到外擾之后#65380;在被調(diào)參數(shù)未發(fā)生變化以前，調(diào)節(jié)器是不會(huì)進(jìn)行調(diào)節(jié)的，所以這種調(diào)節(jié)作用總是落后于干擾作用#65377;可以使用前饋調(diào)節(jié)按照干擾作用進(jìn)行調(diào)節(jié)#65377;當(dāng)干擾一出現(xiàn)，前饋調(diào)節(jié)器就對(duì)調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整以補(bǔ)償干擾對(duì)被調(diào)參數(shù)的影響#65377;這種前饋的調(diào)節(jié)作用如果調(diào)整恰當(dāng)，可以使被調(diào)參數(shù)完全不受干擾的影響#65377;這也是一種前攝式與反應(yīng)式資源分配相結(jié)合的模式#65377;

4.2先進(jìn)控制

今天許多控制問(wèn)題對(duì)控制器都有很高的要求#65377;這些控制問(wèn)題包括各種類(lèi)型的大范圍動(dòng)態(tài)干擾和嚴(yán)格的時(shí)間需求#65377;同時(shí)，這些干擾的發(fā)生和變化是不可預(yù)測(cè)的，因?yàn)閷?shí)時(shí)資源裝置的非線(xiàn)性特征會(huì)造成一個(gè)不可預(yù)測(cè)的響應(yīng)，而且目標(biāo)的變化也會(huì)增加其他類(lèi)型的干擾#65377;

為解決這個(gè)問(wèn)題，Karl Astrom提出了自適應(yīng)控制，它可以處理控制實(shí)時(shí)資源裝置模型參數(shù)的不確定性#65377;在自適應(yīng)控制器設(shè)計(jì)時(shí)不需要知道這些控制器參數(shù)的準(zhǔn)確值#65377;自適應(yīng)控制雖然比傳統(tǒng)的反饋控制更具有柔性，但有其自身的局限性#65377;最明顯的限制是識(shí)別和決策的邏輯功能需要在控制器設(shè)計(jì)時(shí)實(shí)現(xiàn)，并且始終保持不變#65377;這樣，自適應(yīng)控制器更新控制規(guī)則的能力就受到了限制，它只能更新預(yù)先定義好的模型分類(lèi)中的控制規(guī)則參數(shù)，不能處理非參數(shù)不確定類(lèi)型，包括高頻無(wú)模型動(dòng)態(tài)特性和傳感器噪聲#65377;有時(shí)由于實(shí)時(shí)資源裝置的一個(gè)特征與假定的自適應(yīng)控制器設(shè)計(jì)稍微不同時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性結(jié)果，如當(dāng)一個(gè)裝置的動(dòng)態(tài)特性不能準(zhǔn)確地建模時(shí)，不確定性將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的參數(shù)偏移和實(shí)時(shí)資源裝置不穩(wěn)定#65377;此外，即使一個(gè)自適應(yīng)控制器可以自適應(yīng)于新的情況，一個(gè)受控實(shí)時(shí)資源裝置的非線(xiàn)性特征也會(huì)周期性地出現(xiàn)#65377;這種每次循環(huán)情況的自適應(yīng)是不合理的#65377;一種更經(jīng)濟(jì)的方法是對(duì)一個(gè)特殊的動(dòng)態(tài)特性學(xué)習(xí)一種控制規(guī)則，存儲(chǔ)在控制器的數(shù)據(jù)庫(kù)中，當(dāng)該一致情況重復(fù)發(fā)生時(shí)就能識(shí)別出來(lái)#65377;這需要具有自適應(yīng)和學(xué)習(xí)能力的智能控制器，不僅能自適應(yīng)而且可以記下該新規(guī)則并選擇一個(gè)適合的控制規(guī)則#65377;

以上傳統(tǒng)的反饋控制和自適應(yīng)控制在理論和技術(shù)上是比較成熟的，但在復(fù)雜的對(duì)象控制中傳統(tǒng)的控制就顯得無(wú)能為力#65377;而智能控制在解決諸如不確定的或難定義的過(guò)程控制#65380;非線(xiàn)性被控對(duì)象的控制#65380;隨機(jī)變化的過(guò)程控制等復(fù)雜過(guò)程控制方面具有獨(dú)特的能力[3]#65377;

智能控制是對(duì)自適應(yīng)控制的改進(jìn)，是控制系統(tǒng)中的新穎模型，適合控制實(shí)時(shí)資源裝置需要不可預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)改變的結(jié)構(gòu)#65377;這也意味著在不同的時(shí)間點(diǎn)，實(shí)時(shí)資源裝置的動(dòng)態(tài)模型公式中的變量將會(huì)不同，并且數(shù)學(xué)算法也不同#65377;智能控制主要的方法是監(jiān)視狀態(tài)#65380;識(shí)別系統(tǒng)變化，并實(shí)時(shí)地重新設(shè)計(jì)控制器以彌補(bǔ)該系統(tǒng)的變化#65377;

可以在許多情況下應(yīng)用智能控制，如資源裝置損壞，在許多情況下，控制狀態(tài)的劇烈變化會(huì)彌補(bǔ)這一毀壞，這在受控系統(tǒng)存在冗余時(shí)是可行的#65377;本文處理的裝置是軟件的實(shí)時(shí)資源管理系統(tǒng)#65377;因?yàn)檐浖菢O其柔性的，可以簡(jiǎn)便地重構(gòu)資源裝置#65377;在此過(guò)程中，從環(huán)境得到控制的輸入，就可以自由地改變資源裝置的算法，這只要保證能獲得控制目標(biāo)即可#65377;

5結(jié)束語(yǔ)

本文分析了自適應(yīng)實(shí)時(shí)資源管理所面臨的問(wèn)題，研究了構(gòu)造自適應(yīng)實(shí)時(shí)資源管理的QoS管理#65380;分配管理和資源監(jiān)視這三個(gè)基本組件，并確保實(shí)時(shí)資源管理滿(mǎn)足QoS約束的兩種常用模式，即前攝和反應(yīng)式資源分配#65377;但它們無(wú)法從理論上確保一個(gè)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的可調(diào)度性#65380;穩(wěn)定性和收斂性#65377;因此，提出一種基于控制論的實(shí)時(shí)資源管理模式來(lái)建模和控制一個(gè)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)系統(tǒng)#65377;建立了抽象的實(shí)時(shí)資源裝置，再總結(jié)出反饋控制#65380;自適應(yīng)控制和智能控制這三種基本模型，將控制論映射到實(shí)時(shí)資源管理，滿(mǎn)足實(shí)時(shí)資源管理的可調(diào)度性#65380;穩(wěn)定性和收斂性#65377;由于本文提出的是一組抽象的模型，在實(shí)際使用過(guò)程中還需要解決一些具體的問(wèn)題#65377;

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