基于隨機Petri網的網絡應用系統負載仿真模型

何通 劉俊艷 李杏

摘? 要： 提出基于隨機Petri網的網絡應用系統負載Petri網（NSLPN）模型的定義，并給出該模型的一般構造方法，基于應用功能調用鏈將應用劃分模塊，根據調用鏈分析模塊間調用關系構建出應用調用網絡，并將其抽象為NSLPN模型，添加用于滿足標準SPN模型以及人工干涉系統狀態的輔助結構，求解系統負載穩態分布規律，具備模擬人工干涉下系統負載演變過程的能力。實例研究表明，該模型能夠直觀體現網絡應用負載演變過程，能夠為系統優化提供科學準確的數據參考。

關鍵詞： 網絡應用;隨機Petri網;系統負載;仿真分析

中圖分類號： TP391.9? ? 文獻標識碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.01.022

【Abstract】： The definition of the network-based system load Petri net （NSLPN） model based on stochastic Petri nets is proposed， and the general construction method of the model is given. The partitioning module and calling network is constructed according to the calling relationship between the calling chain analysis modules based on the system function call chain， and abstracted into an NSLPN model. An auxiliary structure for satisfying the standard SPN model and the state of the artificial interference system is added to solve the steady-state distribution law of the system load， and the ability to simulate the system load evolution process under artificial interference is provided. The case study shows that the model can intuitively reflect the evolution process of network application load and provide scientific and accurate data reference for system optimization.

【Key words】： Network application; SPN; System load; Simulation analysis

0? 引言

在互聯網時代，軟件的運行環境和開發方法發生了重要變化，中國學者將這種新范型命名為網構軟件，網構軟件對包括操作系統在內的軟件技術體系帶來一系列新挑戰[1]。應用系統復雜度日益增加，由于網絡系統中存在大量跨應用、跨服務調用關系，為實現系統功能提供服務的模塊數量更多，因而系統復雜化趨勢在網絡應用系統中尤為明顯，此外應用系統模塊遵循單一職責原則、抽象化程度提高導致了功能調用鏈延長，多個調用鏈相互交叉致使系統各模塊的負載更加難以預測。針對網絡應用系統負載動態演變過程進行建模分析，明確模塊間負載變化相互作用的機制與規律，有助于采取更具針對性的系統優化措施。

軟件系統性能是一個覆蓋面非常廣泛的概念，主要包括執行效率、資源占用、穩定性、安全性、兼容性、可擴展性、可靠性等[2]，系統性能從多方面保證系統正確發揮作用，包括自動化測試生命周期方法學[3]、DTMC理論和卷積原理[4]、隨機Petri網模型瞬態概率分析[5]等多種理論被應用于包括網絡應用系統在內的多種軟件系統的性能分析與負載下可靠性的相關研究，隨著大數據等先進技術的引入，研究目標系統日益復雜化，傳統方案無法完成系統負載分析[6]，復雜網絡理論被引入Linux類協作軟件圖中，把其中的實體和關系轉換成為網絡拓撲的形式，實現了復雜網絡的特性的研究，提出利用網絡拓撲特征可以改善軟件系統的設計、開發和測試方法[7]。針對網構軟件，有學者使用層次著色Petri網構建了網構軟件性能建模，實現了外部負載對服務進而對網構軟件性能影響的仿真分析[8]。

當前已有研究（1）未能提現系統負載水平沿調用鏈傳播過程及系統功能調用過程對隨機性;（2）未能給出由網絡應用系統抽象為數學模型等一般方法，不便于實現仿真分析過程自動化;（3）未能將人工對應用系統運行狀態對控制考慮在哪，難以體現人為操作對系統負載產生的影響。本文根據系統功能調用鏈將網絡應用系統劃分為模塊，將模塊抽象為庫所，將模塊間調用關系抽象為變遷，構建網絡應用節點負載Petri網（NSLPN）模型，添加輔助變遷，使其滿足執行SPN系統性能分析的必備條件，并為人工干涉系統運行狀態提供入口，計算應用系統接受隨機訪問狀態下系統穩態負載分布概率，實現對網絡應用系統負載動態演變過程對建模與分析。