網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器故障自動編碼修復(fù)方法仿真與研究

汪海枝，李 磊

(西安工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710021)

1 引言

計算機技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)水平不斷攀升，服務(wù)器[1]在軍事、醫(yī)療以及金融等眾多極具重要性的行業(yè)領(lǐng)域中占據(jù)著舉足輕重的地位，廣泛應(yīng)用于一系列關(guān)鍵業(yè)務(wù)的處理。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中運行的服務(wù)器肩負(fù)著處理系統(tǒng)后臺任務(wù)的重大職責(zé)，是保障各應(yīng)用程序正常工作的有力支撐，一旦服務(wù)器發(fā)生故障[2]，就會產(chǎn)生系統(tǒng)數(shù)據(jù)丟失或異常停機等風(fēng)險性較高的安全隱患問題，這不僅威脅著信息系統(tǒng)的自身安全，而且對服務(wù)器的整體使用對象都存在較大威脅。因此，服務(wù)器故障的相關(guān)研究逐漸演變成了有關(guān)科研人員的熱點課題。

服務(wù)器故障檢測水平作為系統(tǒng)總體是否可用的主要決定因素之一，是當(dāng)前學(xué)者的主要探索方向。例如：唐琳等人[3]以視頻圖像識別技術(shù)為基礎(chǔ)，創(chuàng)建故障特征庫，采集故障視頻，經(jīng)逐幀分析、對比后，由輔助診斷系統(tǒng)給出服務(wù)器故障的判定結(jié)論；王紅霞[4]則面向艦船云計算系統(tǒng)的服務(wù)器故障，根據(jù)采集到的故障識別數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)展開分析、建模，構(gòu)建出分類器模型。

上述方法能夠準(zhǔn)確檢測出服務(wù)器故障，為后續(xù)故障處理奠定基礎(chǔ)，因此，本文展開進(jìn)一步探討，將服務(wù)器的固定型故障修復(fù)作為研究課題，基于構(gòu)建的虛擬化組態(tài)軟件，提出一種冗余故障自修復(fù)方法。設(shè)計服務(wù)器冗余故障識別算法，為自修復(fù)提供參考依據(jù)；組態(tài)軟件通過節(jié)省設(shè)備更替與系統(tǒng)更新步驟，使修復(fù)方法更高效、更便捷；利用基于周期循環(huán)碼的修復(fù)編碼規(guī)則，有助于準(zhǔn)確地自修復(fù)各類冗余故障發(fā)生節(jié)點。

2 服務(wù)器冗余故障識別

將邏輯值賦予指定節(jié)點，經(jīng)過大量蘊含操作，利用學(xué)習(xí)法則學(xué)習(xí)所得的蘊含結(jié)果，取得多個全局邏輯值。

假設(shè)節(jié)點M的邏輯賦值是w，蘊含操作之后得到的蘊含結(jié)果是[N，v]，其中，v指代的是賦予節(jié)點N的邏輯值，則采用下列推導(dǎo)式界定蘊含操作

[M，w]?[N，v]

(1)

1)當(dāng)故障集的冗余故障具有不可控性時：若推導(dǎo)式[g，1]?[k，?]成立，則有S0∪=k/?。其中，節(jié)點k的特定邏輯值是?；

2)當(dāng)故障集的冗余故障具有不可觀測性時，識別步驟如下所述：

①前向傳播并標(biāo)記(g，?)，得到故障(k，?)，其中，節(jié)點k歸屬于服務(wù)器邏輯門g的輸入mi；

③基于各無扇出區(qū)域的邏輯門g，若其為非扇出源的重匯聚門，則前向傳播并標(biāo)記(g，?)；反之，則后向傳播并標(biāo)記(g，?)；

3 虛擬化組態(tài)軟件結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)服務(wù)器的屬性與特點，組態(tài)軟件通常由組態(tài)與運行兩種程序環(huán)境組成，如圖1所示。組態(tài)環(huán)境的組成部分為人機界面、通信連接、實時數(shù)據(jù)庫等多種組態(tài)程序；而運行環(huán)境則由與組態(tài)程序一一對應(yīng)的人機界面、通信連接等多種運行程序架構(gòu)而成。

圖1 組態(tài)軟件的軟件環(huán)境框架示意圖

虛擬化組態(tài)軟件功能相對獨立，其框架結(jié)構(gòu)可看作為軟件集成平臺，構(gòu)成組件如圖2所示。

圖2 組態(tài)軟件結(jié)構(gòu)示意圖

各組件的具體作用描述如下：

1)即時性數(shù)據(jù)庫模塊：作為虛擬化組態(tài)軟件的核心部分，該模塊質(zhì)量對整個組態(tài)軟件效用具有直接影響。此數(shù)據(jù)庫中涵蓋的是經(jīng)由數(shù)據(jù)庫技術(shù)[5]管理的全部數(shù)據(jù)對象集合。模塊功能是存儲服務(wù)器工作時生成的動態(tài)數(shù)據(jù)與支持服務(wù)器正常運行的內(nèi)部信息。

2)輸入輸出設(shè)備驅(qū)動模塊：作為數(shù)據(jù)塊模塊與設(shè)備模塊的連接層，該模塊的作用是為整個服務(wù)器提供設(shè)備信息與即時訪問設(shè)備協(xié)議封裝，將抽象出的設(shè)備轉(zhuǎn)換成一個具有可配置性的服務(wù)器單元，減小其與組態(tài)軟件之間的相關(guān)性，賦予該單元數(shù)據(jù)交換服務(wù)能力。

3)程序管理模塊：該模塊相當(dāng)于一個專用管理工具，主要用于提供備份、建立新程序、搜索以及解壓縮等功能，簡化局部組態(tài)成果的使用任務(wù)。

4)通信與第三方應(yīng)用接口模塊：該模塊負(fù)責(zé)實現(xiàn)組態(tài)軟件與第三方應(yīng)用的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問與交互。

5)圖形組態(tài)模塊：利用此模塊劃分現(xiàn)場過程的圖形畫面為具有不同外觀屬性的線、文本以及填充圖形三個目標(biāo)，其功能包括預(yù)警通知、過往數(shù)據(jù)查詢等，通過組態(tài)即可完成動畫連接目標(biāo)的數(shù)據(jù)源指定。

4 服務(wù)器冗余故障自修復(fù)

4.1 服務(wù)器周期循環(huán)碼

以構(gòu)建的組態(tài)軟件為基礎(chǔ)，假設(shè)均分初始文件μ為t組含有κ個數(shù)據(jù)塊的聚類，利用(?3n/2」，κ)極大距離可分碼[6]，編碼處理各聚類中的數(shù)據(jù)塊，取得數(shù)量為?3n/2」的編碼數(shù)據(jù)塊集合{d1，d2，…，d?3n/2」}，復(fù)制各編碼數(shù)據(jù)塊后，通過不斷迭代的形式將其保存至部分修復(fù)聚類中的n個節(jié)點里，即{V1，V2，…，Vn}，因此，各節(jié)點內(nèi)含有三套編碼數(shù)據(jù)塊，且鄰近兩節(jié)點之間的相同編碼數(shù)據(jù)塊數(shù)量不小于1，如圖3所示，該周期循環(huán)碼編碼結(jié)構(gòu)的矩陣分布形式如下所示。

(2)

其中，矩陣行表示修復(fù)聚類的n個節(jié)點，矩陣列表示各聚類中的?3n/2」個編碼數(shù)據(jù)塊，矩陣元素0和1分別表示當(dāng)前節(jié)點上是否儲存了對應(yīng)編碼數(shù)據(jù)塊，0表示未存儲，1表示存儲。

圖3 周期循環(huán)碼編碼結(jié)構(gòu)示意圖

若修復(fù)聚類中任意節(jié)點發(fā)生冗余故障，則根據(jù)上列矩陣分布內(nèi)編碼數(shù)據(jù)塊相同的鄰近節(jié)點，即可迅速重構(gòu)出服務(wù)器冗余故障節(jié)點的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在保證極大距離可分碼屬性的同時，為自修復(fù)編碼構(gòu)建奠定修復(fù)特性基礎(chǔ)。

4.2 冗余故障自修復(fù)編碼規(guī)則

為實現(xiàn)冗余故障節(jié)點的準(zhǔn)確自修復(fù)，需在修復(fù)聚類中融入周期循環(huán)碼。先均分節(jié)點，令t組修復(fù)聚類中各有n個節(jié)點，再利用周期循環(huán)碼保存編碼數(shù)據(jù)塊，儲存方式按照節(jié)點數(shù)量n的奇偶取值，分為兩種狀況：當(dāng)節(jié)點數(shù)量n=2x，x為任意正整數(shù)時，依據(jù)循環(huán)碼結(jié)構(gòu)在各節(jié)點上儲存三套編碼數(shù)據(jù)塊，并在鄰近節(jié)點內(nèi)進(jìn)行一次復(fù)制；當(dāng)節(jié)點數(shù)量n=2x-1時，通過兩副本復(fù)制模式[7]在各節(jié)點上保存編碼數(shù)據(jù)塊，關(guān)于最后的編碼數(shù)據(jù)塊則進(jìn)行三次復(fù)制。

根據(jù)圖4所示的最小編碼結(jié)構(gòu)，設(shè)定各修復(fù)聚類中含有4個節(jié)點，且4無法被t整除，則經(jīng)分組后，得到nmod 4=1，2，3。

若nmod 4=1，則前t-1個修復(fù)聚類內(nèi)的節(jié)點數(shù)量是4，最后的聚類節(jié)點數(shù)是5；若nmod 4=2，則前t-2個修復(fù)聚類內(nèi)的節(jié)點數(shù)量是4，最后兩個聚類節(jié)點數(shù)是5；若nmod 4=3，則前t-3個修復(fù)聚類內(nèi)的節(jié)點數(shù)量是4，最后三個聚類節(jié)點數(shù)是5；以此類推，直到各聚類中的節(jié)點編碼數(shù)據(jù)塊存儲完全。

4.3 冗余故障自修復(fù)

當(dāng)服務(wù)器的節(jié)點發(fā)生冗余故障時，在各修復(fù)聚類中采取周期循環(huán)碼完成故障自修復(fù)。服務(wù)器節(jié)點相互獨立，修復(fù)聚類內(nèi)多個鄰近節(jié)點同步發(fā)生冗余故障概率極小，故基于自修復(fù)編碼規(guī)則，根據(jù)修復(fù)聚類中發(fā)生冗余故障時的不同節(jié)點情況，制定出以下自修復(fù)流程：

1)單一節(jié)點冗余故障自修復(fù)：根據(jù)圖4所示，若服務(wù)器節(jié)點V2發(fā)生冗余故障，則利用鄰近節(jié)點V1、V3重構(gòu)故障節(jié)點V2的編碼數(shù)據(jù)塊d2、d3以及dn+2，將在鄰近節(jié)點上采集到的編碼數(shù)據(jù)塊傳輸至故障節(jié)點V2后，冗余故障即可實現(xiàn)自動修復(fù)。

圖4 單一節(jié)點冗余故障自修復(fù)示意圖

2)一對不鄰近節(jié)點冗余故障自修復(fù)：根據(jù)圖5所示，若服務(wù)器節(jié)點V2、V4發(fā)生冗余故障，則利用鄰近節(jié)點V1、V3、V5重構(gòu)故障節(jié)點V2、V4的編碼數(shù)據(jù)塊，在故障節(jié)點V2的鄰近節(jié)點V1與V3上采集編碼數(shù)據(jù)塊，將所得的編碼數(shù)據(jù)塊傳輸至故障節(jié)點V2后，自動修復(fù)冗余故障；同理，實現(xiàn)節(jié)點V4的冗余故障自修復(fù)。

圖5 一對不鄰近節(jié)點冗余故障自修復(fù)示意圖

5 服務(wù)器冗余故障自修復(fù)仿真實驗

5.1 仿真實驗環(huán)境搭建

基于虛擬化組態(tài)軟件架構(gòu)某服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)置結(jié)構(gòu)中的節(jié)點數(shù)量為30，分布形式呈隨機性，如圖6所示。

圖6 某服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中節(jié)點分布示意圖

其中，8個方形指代冗余故障節(jié)點，22個圓形指代正常存活節(jié)點。冗余故障節(jié)點的剩余能量與信任度參數(shù)如表1所示。

表1 冗余故障節(jié)點相關(guān)參數(shù)信息

5.2 冗余故障自修復(fù)效果分析

為驗證方法的優(yōu)越性與可行性，采用本文方法自動修復(fù)目標(biāo)服務(wù)器中含有的冗余故障，并分別從冗余故障自修復(fù)移動開銷[8]、服務(wù)器生存周期以及修復(fù)時長三個角度展開分析，前兩個評估指標(biāo)的實驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 移動開銷與生存周期走勢圖

其中服務(wù)器生存周期使用剩余總能量多少來判定，若剩余總能量多則表示服務(wù)器生命周期長；關(guān)于修復(fù)時長模擬實驗環(huán)節(jié)，則對8個冗余故障節(jié)點共進(jìn)行三組自修復(fù)仿真實驗，每組修復(fù)時長結(jié)果如表2所示。

表2 自修復(fù)時長實驗數(shù)據(jù)(單位：s)

結(jié)合以上圖7和表2顯示的實驗結(jié)果可以看出，該方法的8個冗余故障的移動開銷保持在500-600bit區(qū)間，沒有出現(xiàn)較大波動，且服務(wù)器隨著故障的修復(fù)，剩余能量越來越大，生存周期越長，指標(biāo)均具有較為顯著的優(yōu)越性，數(shù)據(jù)走勢始終處于理想范圍中；對于自修復(fù)時長來說，不論是最后一列對應(yīng)的各故障節(jié)點自修復(fù)時長均值，還是最后一行對應(yīng)的每組實驗自修復(fù)時長均值，都能夠充分說明本文方法在修復(fù)時效性方面的明顯優(yōu)勢。這都得益于本文方法構(gòu)建的服務(wù)器冗余故障識別算法與虛擬化組態(tài)軟件，不僅準(zhǔn)確識別出因不同賦值而造成的故障集，而且使人機交互、圖形組態(tài)等作用得到了極大發(fā)揮，簡化了局部組態(tài)成果的使用任務(wù)；根據(jù)節(jié)點數(shù)量的奇偶取值，采取不同策略在修復(fù)聚類中融入設(shè)計的周期循環(huán)碼，直到各聚類中的節(jié)點編碼數(shù)據(jù)塊存儲完全；按照修復(fù)聚類中單一節(jié)點與一對不鄰近節(jié)點兩種冗余故障情況，通過傳輸編碼數(shù)據(jù)塊給故障節(jié)點實現(xiàn)自修復(fù)。

6 結(jié)論

對于以往科技水平來說，冗余故障的檢測與識別具有極大挑戰(zhàn)性，如今，該類型故障的難點與關(guān)鍵點已逐漸從檢測、識別階段轉(zhuǎn)變?yōu)楹罄m(xù)的修復(fù)階段。在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)時代的涌動下，組態(tài)軟件演變?yōu)楣た仡I(lǐng)域的重要環(huán)節(jié)，為此，本文以虛擬化組態(tài)軟件為基礎(chǔ)，面向服務(wù)器冗余故障，提出一種自修復(fù)方法。由于研究存在一定的局限性，故需將以下幾個優(yōu)化點作為今后的探索方向：針對組態(tài)軟件，采用驅(qū)動層協(xié)議添加離線編程功能，實現(xiàn)本文方法的離線自修復(fù)性能，使組態(tài)軟件更具可控性；應(yīng)結(jié)合更優(yōu)越的技術(shù)與策略，彌補欠缺的大數(shù)據(jù)處理能力，提升數(shù)據(jù)負(fù)荷應(yīng)對性與數(shù)據(jù)分析能力；本文研究對象僅限于服務(wù)器產(chǎn)生的冗余故障，應(yīng)涉及其他系統(tǒng)組件、不同故障類型的情況，進(jìn)一步探討方法適用性。