一種分布式軟件系統(tǒng)可靠性加強(qiáng)模塊設(shè)計(jì)

孫曉冬

摘要：針對分布式的軟件系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種可靠性加強(qiáng)模塊。該模塊監(jiān)控分布式軟件各個處理單元的運(yùn)行狀態(tài)，并記錄關(guān)鍵內(nèi)存數(shù)據(jù)和I/O數(shù)據(jù)，當(dāng)處理單元失效時(shí)重啟該處理單元，載入關(guān)鍵內(nèi)存數(shù)據(jù)和I/O數(shù)據(jù)以恢復(fù)重啟前的狀態(tài)，達(dá)到提高分布式軟件系統(tǒng)的可靠性的目的。

關(guān)鍵詞：分布式軟件系統(tǒng);軟件可靠性;故障恢復(fù)

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）20-0067-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

1 背景

分布式軟件系統(tǒng)（Distributed Software Systems）分布式系統(tǒng)就是由多個相互連接的處理資源組成的軟件系統(tǒng)，合作執(zhí)行一個共同的任務(wù)[1-2]。依靠分布式軟件系統(tǒng)，我們可以把數(shù)據(jù)放到最合理的地方去處理[3]。而分布式軟件系統(tǒng)常見的一個問題就是如果一部分處理單元因各種原因崩潰，將導(dǎo)致整體性能下降甚至失效。軟件在運(yùn)行中一旦失效有可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，有時(shí)甚至是致命的[4]。為提升分布式軟件系統(tǒng)的可靠性，需要有模塊專門監(jiān)控各處理單元的運(yùn)行狀態(tài)，記錄關(guān)鍵內(nèi)存數(shù)據(jù)和I/O數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)生處理單元意外崩潰時(shí)，及時(shí)重啟處理單元，并將記錄的關(guān)鍵內(nèi)存數(shù)據(jù)和I/O數(shù)據(jù)輸入到重啟后的處理單元中[5]，達(dá)到提高軟件可靠性的目的。

2 軟件架構(gòu)

可靠性加強(qiáng)模塊REM（Reliability Enhanced Module/Middleware）是增加分布式軟件系統(tǒng)可靠性的一個軟件模塊，以達(dá)到降低軟件失效率，保障分布式軟件系統(tǒng)整體正常運(yùn)行，提高軟件開發(fā)、維護(hù)效率等目的。REM運(yùn)行于操作系統(tǒng)OS與軟件配置項(xiàng)CSCI（Computer Software Configuration Item）之間，與通信中間件處于同一層級，參見圖1。本文中的通信中間件使用的是數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)DDS（Data Distribution Service），也可替換成其他支持分布式軟件系統(tǒng)的通信中間件。REM軟件模塊的功能主要包括主守護(hù)模塊、狀態(tài)監(jiān)控/看門狗、關(guān)鍵內(nèi)存區(qū)域監(jiān)控、I/O數(shù)據(jù)監(jiān)控、日志記錄和統(tǒng)計(jì)等。

REM的部署方案如圖 2所示，REM在部署上分為主守護(hù)模塊（以下稱為主REM）與分布式模塊（以下稱為分布式REM）。主REM單獨(dú)占據(jù)一個運(yùn)算節(jié)點(diǎn)，在每個CSCI的運(yùn)行實(shí)例中，均有一個分布式REM，運(yùn)行于CSCI與操作系統(tǒng)之間。

3 軟件模塊設(shè)計(jì)

3.1 主守護(hù)模塊

負(fù)責(zé)啟動守護(hù)進(jìn)程，讀取全局配置文件信息并廣播到其他分布式REM上，接收CSCI啟動、停止、重啟、編譯等命令并廣播到分布式REM，接收分布式REM發(fā)送的配置項(xiàng)運(yùn)行狀態(tài)信息。主守護(hù)模塊只駐留在主節(jié)點(diǎn)上，包括為主守護(hù)進(jìn)程和配置項(xiàng)狀態(tài)控制兩個子模塊。

1）主守護(hù)進(jìn)程

在操作系統(tǒng)啟動后自動運(yùn)行，加載全局配置文件，等待其他分布式REM的守護(hù)進(jìn)程啟動后向后者廣播配置信息，至此初始化完成，進(jìn)入命令輪詢狀態(tài)，等待全局控制命令的輸入。全局控制命令由用戶通過命令發(fā)送的程序以網(wǎng)絡(luò)報(bào)文方式將其發(fā)送至主守護(hù)進(jìn)程。

全局配置文件包括：

2）配置項(xiàng)狀態(tài)控制子模塊

負(fù)責(zé)和分布式REM進(jìn)行交互，廣播/分發(fā)全局控制命令，收集分布式REM的運(yùn)行狀態(tài)報(bào)告等。

3.2 狀態(tài)監(jiān)控/看門狗模塊

負(fù)責(zé)監(jiān)控配置項(xiàng)程序的狀態(tài)，及時(shí)捕獲異常并通知守護(hù)模塊恢復(fù)配置項(xiàng)程序至異常前的運(yùn)行狀態(tài)，接收并響應(yīng)全局控制命令等。該模塊屬于分布式REM。

1）守護(hù)線程

系統(tǒng)開機(jī)時(shí)啟動的守護(hù)線程，負(fù)責(zé)接收全局控制命令并產(chǎn)生相應(yīng)的動作，同時(shí)從配置項(xiàng)狀態(tài)監(jiān)視和看門狗子模塊接收其所管轄的配置項(xiàng)的運(yùn)行狀態(tài)，并上報(bào)給主守護(hù)模塊和日志記錄模塊，同時(shí)守護(hù)線程還需要根據(jù)配置信息決定對出現(xiàn)異常的配置項(xiàng)如何處置（重新啟動，重置或不動作等）。

2）配置項(xiàng)狀態(tài)監(jiān)視

配置項(xiàng)狀態(tài)監(jiān)視子模塊設(shè)計(jì)為由REM創(chuàng)建的一個進(jìn)程，該進(jìn)程負(fù)責(zé)創(chuàng)建一個子進(jìn)程并在子進(jìn)程中啟動各CSCI，并通過waitpid等待子進(jìn)程的運(yùn)行結(jié)束或異常，捕獲子進(jìn)程的返回碼，將異常的狀態(tài)報(bào)告上報(bào)給守護(hù)線程和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊。

3）看門狗

看門狗子模塊的設(shè)計(jì)原理為：啟動一個進(jìn)程和一個定時(shí)器，進(jìn)程初始化時(shí)睡眠（可采用獲取信號量的方式睡眠），定時(shí)器一旦到期即喚醒該進(jìn)程（釋放信號量），此時(shí)認(rèn)為看門狗餓死，即軟件異常;另有一進(jìn)程負(fù)責(zé)接收配置項(xiàng)發(fā)來的狀態(tài)報(bào)告，接收到報(bào)告后重置定時(shí)器，即執(zhí)行喂狗動作，定時(shí)器重新計(jì)數(shù)。

3.3 關(guān)鍵內(nèi)存區(qū)域監(jiān)控模塊

該模塊負(fù)責(zé)維護(hù)配置項(xiàng)程序的關(guān)鍵內(nèi)存區(qū)域，響應(yīng)配置項(xiàng)的關(guān)鍵內(nèi)存申請請求，并在重新啟動配置項(xiàng)程序后將保存的關(guān)鍵數(shù)據(jù)加載至其內(nèi)存地址空間等。需要注意的是，該模塊除了流程圖所示的業(yè)務(wù)邏輯外，還應(yīng)當(dāng)提供給配置項(xiàng)若干接口，包括：

l 注冊關(guān)鍵內(nèi)存區(qū)域

配置項(xiàng)通過此接口來注冊所有需要用到的空間，該接口需要配置項(xiàng)程序員嚴(yán)格考慮好數(shù)據(jù)的相關(guān)性，如果需要恢復(fù)一個完整的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，需要該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)例化的結(jié)構(gòu)池和其相關(guān)的所有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

l 申請關(guān)鍵內(nèi)存區(qū)域

本接口輸入?yún)?shù)為內(nèi)存ID號和內(nèi)存大小，則根據(jù)內(nèi)存大小參數(shù)開辟出共享內(nèi)存空間，將空間首地址返回給調(diào)用者，記錄該ID下已分配了內(nèi)存。

l 釋放關(guān)鍵內(nèi)存區(qū)域

釋放制定ID的內(nèi)存空間，記錄該ID下的內(nèi)存已被釋放。

3.4 I/O數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊

按時(shí)間序記錄近一段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)定制的I/O數(shù)據(jù)，如狀態(tài)修改命令、操作等，在配置項(xiàng)重啟后將這些命令的恢復(fù)給配置項(xiàng)。

該模塊分為I/O數(shù)據(jù)注冊、I/O數(shù)據(jù)監(jiān)控和I/O數(shù)據(jù)恢復(fù)三個子模塊。

1）I/O數(shù)據(jù)注冊

配置項(xiàng)在啟動時(shí)向本模塊發(fā)送的注冊請求，注冊成功后，本模塊則會對已注冊的I/O數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和記錄，而對未注冊的數(shù)據(jù)不進(jìn)行該處理。

注冊的數(shù)據(jù)類型包括兩種：序列型和唯一型。序列型數(shù)據(jù)表示該數(shù)據(jù)的所有歷史均需要按照時(shí)間序保存下來，在執(zhí)行配置項(xiàng)的I/O數(shù)據(jù)恢復(fù)時(shí)按照時(shí)間序?qū)⑦@些數(shù)據(jù)序貫到配置項(xiàng);唯一型數(shù)據(jù)則表示該數(shù)據(jù)只需要保存最新一次的記錄即可，在執(zhí)行配置項(xiàng)的I/O數(shù)據(jù)恢復(fù)時(shí)將這個最新記錄恢復(fù)給配置項(xiàng)。

2）I/O數(shù)據(jù)監(jiān)控

該子模塊位于配置項(xiàng)的DDS中間層，監(jiān)控I/O數(shù)據(jù)的流入流出，包括：

l DDS數(shù)據(jù)接收

從DDS接收到報(bào)文，如果該報(bào)文為已注冊報(bào)文，則錄入統(tǒng)計(jì)信息，將統(tǒng)計(jì)信息發(fā)送給統(tǒng)計(jì)模塊，按照報(bào)文的注冊類型（序列型、唯一型）保存下來，最后把該數(shù)據(jù)返回給配置項(xiàng)。

l DDS數(shù)據(jù)發(fā)送

配置項(xiàng)需要發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文，先通過本子模塊處理，如果該報(bào)文為已注冊報(bào)文，則錄入統(tǒng)計(jì)信息，將統(tǒng)計(jì)信息發(fā)送給統(tǒng)計(jì)模塊，按照報(bào)文的注冊類型（序列型、唯一型）保存下來，最終通過DDS的數(shù)據(jù)發(fā)送接口將數(shù)據(jù)發(fā)送給目的地。

需要注意的是，所有已注冊的I/O數(shù)據(jù)直接都需要保存時(shí)間序列的關(guān)系，在I/O數(shù)據(jù)恢復(fù)時(shí)，不同的I/O數(shù)據(jù)的恢復(fù)順序是按照時(shí)間序的。

3）I/O數(shù)據(jù)恢復(fù)

在接收到配置項(xiàng)的I/O數(shù)據(jù)恢復(fù)請求后，按照時(shí)間序?qū)⑺杏涗浀腎/O數(shù)據(jù)通過DDS報(bào)文方式發(fā)送至配置項(xiàng)重置命令。

本模塊也需要向配置項(xiàng)提供接口，包括：

l I/O數(shù)據(jù)注冊接口

配置項(xiàng)在啟動時(shí)對需要關(guān)注的I/O數(shù)據(jù)進(jìn)行注冊;

l I/O數(shù)據(jù)發(fā)送和接收

配置項(xiàng)通過這些接口發(fā)送和接收網(wǎng)絡(luò)I/O數(shù)據(jù)，I/O數(shù)據(jù)監(jiān)控子模塊根據(jù)注冊信息處理I/O數(shù)據(jù)，并最終通過DDS的接口將數(shù)據(jù)接收或發(fā)送。

l I/O數(shù)據(jù)恢復(fù)請求

配置項(xiàng)在執(zhí)行路徑上需要顯式的調(diào)用一次I/O數(shù)據(jù)恢復(fù)請求接口來觸發(fā)恢復(fù)動作。配置項(xiàng)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮調(diào)用此接口的時(shí)機(jī)，即要保證在此處的I/O數(shù)據(jù)恢復(fù)是有效且安全的。

3.5 日志記錄模塊

該模塊負(fù)責(zé)記錄各配置項(xiàng)程序的運(yùn)行情況，以及各配置項(xiàng)注冊的I/O數(shù)據(jù)或軟件內(nèi)部數(shù)據(jù)等。分為記錄信息注冊和數(shù)據(jù)記錄兩個子模塊。

1）記錄信息注冊

接收從主守護(hù)線程發(fā)送來的全局配置信息的記錄信息等級，本子模塊根據(jù)記錄信息等級決定數(shù)據(jù)記錄子模塊在接收到某數(shù)據(jù)時(shí)是否記錄。

2）數(shù)據(jù)記錄

接收各分布式REM守護(hù)線程的運(yùn)行狀態(tài)報(bào)告，各配置項(xiàng)的I/O數(shù)據(jù)、軟件內(nèi)部數(shù)據(jù)等予以記錄。

3.6 統(tǒng)計(jì)模塊

該模塊用來統(tǒng)計(jì)出各配置項(xiàng)I/O、負(fù)載等情況，供操作或維護(hù)人員參考分析用。模塊接收分布式REM的狀態(tài)監(jiān)控模塊和I/O數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊發(fā)來的統(tǒng)計(jì)信息并按照時(shí)間順序保存到本地文件中。

通過全局配置文件指定統(tǒng)計(jì)周期，在每個周期內(nèi)統(tǒng)計(jì)：

1）CPU使用率，內(nèi)存使用率;

2）I/O吞吐率，包括網(wǎng)絡(luò)發(fā)送多少次，共多少字節(jié)，接收多少次，共多少字節(jié);文件讀取多少次，共多少字節(jié)，寫入多少次，共多少字節(jié);

3）故障周期，故障次數(shù)，故障間隔時(shí)間。

4 結(jié)束語

本文論述了一種針對分布式軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性加強(qiáng)模塊，該模塊分為主守護(hù)模塊與分布式模塊兩個部分。主守護(hù)模塊單獨(dú)運(yùn)行于一個運(yùn)算節(jié)點(diǎn)上，分布式模塊運(yùn)行于分布式軟件系統(tǒng)的各個軟件配置項(xiàng)之中。可靠性加強(qiáng)模塊監(jiān)視各軟件配置項(xiàng)的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)記錄各配置項(xiàng)的關(guān)鍵內(nèi)存數(shù)據(jù)和I/O數(shù)據(jù)。在配置項(xiàng)因故退出時(shí)自動重啟配置項(xiàng)并恢復(fù)成退出前的狀態(tài)，為提高分布式軟件系統(tǒng)的可靠性提供了一種可行的方法。

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