一种Web应用服务器集群管理系统的设计与实现

随着计算机的普及和网络技术的发展，Internet上的Web用户爆炸性增长。作为Web应用主要支撑平台的Web应用服务器经常面临过载的问题。Web应用服务器集群技术是解决这一问题的有效手段。然而，集群规模变大导致的集群拓扑结构复杂、计算环境的高度异构以及应用对性能等非功能需求的多样化使得Web应用服务器集群的安装、配置和维护等管理过程难度大大增加。Web应用服务器集群迫切需要改变目前静态、被动的管理方式，而通过自管理方式来降低其管理成本、适应计算环境变化以及应用的个性化非功能需求。 Web应用服务器集群管理主要包括拓扑结构、资源以及负载等方面的管理。本文设计了一个Web应用服务器集群管理系统。针对集群拓扑结构管理，设计了基于广播的集群节点自配置设施，并通过基于Cookie Insertion的请求会话粘滞设计实现了多个负载均衡器的协同工作；针对集群资源管理，设计了基于Java规则引擎的动态资源管理框架，并在此基础上实现了集群规模的动态调整；针对集群负载管理，设计了基于反馈-控制机制的动态负载均衡算法，可根据节点负载动态调整权值，使集群能够适应负载变化。 基于上述设计，本论文在Web应用服务器系统OnceAS中实现了该集群管理系统，包括支持多种通信模式的集群通信组件，拓扑结构管理器，资源管理器，负载均衡器，以及节点管理器，同时提供了相应的管理工具。系统测试结果表明，该系统支持集群拓扑结构、资源和负载的管理，能够更好地适应负载变化，提高Web应用服务器的整体性能表现。

Web容器性能关键技术研究

基于Java EE技术的Web容器已经成为面向Web计算环境的主流中间件平台，它为创建、部署、运行、集成和管理企业Web组件提供了基础设施支持。然而，企业用户规模的不断增长与企业Web应用程序的日趋复杂使得Web容器的性能面临严峻的威胁。 影响服务器性能的主要因素是服务器的资源与负载。在传统服务器设计领域，研究者已经取得了一系列的研究成果，如资源管理、准入控制、动态缓存、差分服务等。然而，上述传统服务器领域的研究成果难以满足开放、动态的Web计算环境需求。首先，Web容器无法预先获知企业Web应用程序的资源需求与负载特征，这使得它不得不采用一种“尽力而为”的服务策略。其次，传统资源管理技术难以解决不同资源之间的管理冲突，影响了资源的利用率。最后，传统的负载管理技术侧重于负载规模的变化，很少考虑负载的组成特征与行为特征。为解决上述问题，论文提出了一种面向资源的分阶段体系结构ROSA，并研究了基于ROSA的动态缓存技术与差分服务技术，具体研究内容如下： 论文首先提出了面向资源的分阶段体系结构ROSA，它将请求处理所需的处理资源（主要指线程）与共享资源加以区分，并且通过分阶段体系结构设计来有效解决处理资源阻塞。同时，论文扩展Petri网模型给出了ROSA体系结构的描述模型RDM与性能模型RPM，前者用于验证ROSA体系结构设计方案的结构性质与行为性质，后者用于定量的计算ROSA体系结构设计方案的平均响应时间、吞吐率等性能指标。最后，论文提出了相关设计模式用于ROSA体系结构的开发。 论文提出了一种访问模式驱动的动态缓存机制，消除了Web容器、Web组件与动态缓存机制的耦合，并能够利用客户访问模式提高Web容器的缓存效率。首先，论文设计了Web容器动态缓存框架来缓存Web组件动态生成的Web内容，减少Web组件的重复执行。然后，论文设计了模式图描述客户的访问行为，有效的消除了传统马尔可夫模型引入的无效访问行为。最后，论文在模式图基础上分别基于会话和缓存对象设计了两个预测概率函数以及访问模式驱动的缓存替换算法，有效的提高了动态缓存机制的效率。 论文提出了一种自适应差分服务机制以满足Web容器剧烈变化的负载，同时为企业Web应用程序的差分服务需求提供支持。首先，论文基于客户行为特征设计了动态的会话优先级，弥补了传统静态优先级定义（客户优先级、请求优先级）无法描述客户行为优先级的缺点。然后，通过扩展ROSA体系结构设计，提供了准入控制、优先级调度、资源预留等多种差分服务策略，从而适应Web容器的不同负载。最后，论文设计了自适应差分服务策略选择算法，根据Web容器负载状况自适应选择差分服务策略，消除了单一差分服务策略在某些情况下出现的资源浪费、请求“饿死”、不必要的请求丢失现象，保障了关键请求的性能指标。 最后，以上研究成果已经应用在一个高性能的Web容器系统Once Web容器中。在Java EE性能测试基准TPC-W的测试中取得了较好的效果。

Web应用服务器的可扩展管理模型及其实现

Web应用服务器是为事务性web应用提供一系列运行时服务的分布式系统。它既要管理多种不同类型的资源，又要集成以往成熟的网络管理协议和系统，因此，如何统一有效地管理Web应用服务器的资源、应用和服务成为实现web应用服务的一个难点。为此，本文基于JMX(Java~(TM) Management Extensions)技术，提出了一种可扩展管理模型，该模型具有较好的灵活性和开放性，可扩展能力强。同时，本文还给出了实现该模型的若干关键技术包括可扩展管理内核的实现技术、资源远程管理技术、服务可扩展管理技术。目前该模型已在我们研制的Web应用服务器 WebFrame2．O中成功实现。

比例方程组与MPI同步通信静态死锁检测

介绍了一种MPI程序死锁检测的静态方法以及该方法所处理的程序模型.为实现该方法,提出了比例方程组(一种特殊线性方程组)的概念并设计了求解方程组最简解的线性时空复杂度的高效算法.算法由一个四遍扫描过程与一个主控程序构成.主控程序用来处理并行计算节点计算机构成的划分.四遍扫描过程采用深度优先搜索方法确定方程组中各变元之间的比例关系.通过该算法所获得的最简解,任意多个变元之间的比例关系能在常数时间内获得.证明了该算法的正确性,并采用Java语言实现了该算法的标准程序库.该程序库目前已运行于MPI同步通信静态死锁检测的软件框架中.

基于JSF的网格门户设计与实现

网格门户在推广网格应用中起了重要作用,但网格门户在诸多方面如功能和表现能力等仍有待完善。引入JavaSer-verFaces(JSF)这一新的Web框架,设计和实现了一个网格门户。利用JSF的表现能力提供了一个更为丰富的、集成的、易操作并且可定制的用户接口。并且由于JSF与其它Java技术、底层的网格技术实现无缝的衔接,实现了平台无关的、强大的网格资源管理及动态配置功能,同时使系统具有更强的可扩展性。

Kaffe在龙芯2E上的移植

为了在龙芯2E处理器上建立稳定的Java运行环境,丰富龙芯平台的上层软件库,以Kaffe这款开源Java虚拟机为移植对象,分析了其运行机制,确定了其代码结构中平台相关的3个主要模块:SysCallMethod、Trampoline和JTT,并结合龙芯2E处理器的特点,给出了相关模块的修改方案.最后用第三方的测试标准对移植后的虚拟机进行了测试,表明了移植的有效性.

支持EJB动态分布的组件迁移模型与算法

Web应用服务器是Web计算环境下的新型中间件，为基于组件的分布式Web应用提供了基础运行平台．组件静态分布限制了事务性Web应用在运行期间适应执行环境变化的能力．为了满足Web应用的动态分布需求，Web应用服务器需在底层为组件提供一种动态迁移的能力．如何维持组件迁移前后的一致性是组件迁移中最棘手的问题之一．为解决此问题，定义了组件迁移一致性约束CMC(component migration constrains)，并给出了在 J2EE(Java 2 platform enterprise edition)应用服务器中支持EJB(enterprise Java Bean)动态分布的组件迁移模型和 sLB_Copy,SFB_Copy,EB-Copy 3个迁移算法．分析得出sLB_Copy,SFB_copy和EB_copy均满足CMC约束．迁移模型和算法已在自主研制的Web应用服务器WebFrame2．0中实现，并已应用到自适应负载平衡、失效恢复等多个方面．

一种基于JMX的远程作业管理系统设计与实现

文章提出了一种新型远程作业管理系统框架.该框架基于JMX架构,融合了基于企业权限映射模型的安全机制、JSF（Java Server Face）的可视化框架等多项技术,有效地改进了传统的作业管理系统的可扩展性差、安全机制不足和缺乏统一、完善的系统管理三点不足.并基于该框架实现了国家863项目“远程作业管理系统”,实现了灵活的系统组件动态配置,基于企业权限映射模型的高安全和可视化管理界面,比较了实现系统和传统系统的优点,讨论了其中涉及到的关键技术.

异常处理机制研究

介绍了异常处理机制,包括异常的抛出、捕获、传播,并描述了异常的处理模式、传播机制、处理环境。不同应用领域的异常处理机制不同,以Java语言和工作流管理系统为例,分别介绍和讨论了程序设计语言层面和企业层面上的异常处理机制。

Kaffe虚拟机在龙芯2E上的移植研究

Java虚拟机作为Java运行环境的核心，已成为现代计算机平台不可缺少的组成部分。Java虚拟机和平台间的兼容性直接决定了上层Java程序的运行的稳定性。龙芯2E是由中科院计算机研究所自主研发的高性能微处理器。由于采用MIPS指令集，现有Java虚拟机对龙芯的支持并不理想，这极大地限制了龙芯平台的上层应用。 针对这一问题，本文对现有虚拟机进行了分析，选择了移植性较强的Kaffe虚拟机作为移植对象，力求在龙芯2E上建立一个稳定的Java运行环境。以此为目的，本文整理了龙芯2E相关的内容，包括龙芯2E的指令集特点，龙芯下参数传递的方式，龙芯下函数栈的组织等等；研究了Java虚拟机规范中，一般Java虚拟机的体系结构；分析了Kaffe虚拟机的代码结构，确定了移植需要修改的三个主要模块：本地代码调用接口，Trampoline技术和JIT3引擎；给出了移植方案。其中，JIT3引擎作为整个虚拟机的核心，是整个移植工作的重点。本文对其编译过程，寄存器分配策略，Java栈的组织方式，以及标签，常量池等平台相关机制进行了深入的分析。在此基础上，修改了Java栈向本地栈的映射方式，实现了标签机制中平台相关部分的代码，重新描述了寄存器信息并重新实现了本地汇编指令。 针对Java虚拟机调试困难的问题，本文总结了龙芯平台下Kaffe虚拟机的调试方法。在调试过程中发现了Kaffe原有代码中的编码错误，并给出了修改方案。 最后采用第三方的评测工具对移植后的虚拟机进行测试，验证了移植的有效性。

面向大规模数据分发的发布订阅系统关键技术研究

随着Internet的迅猛发展，陆续出现众多面向分发的应用，其数据源具有分布性、多样性、自治性和异构性，用户则具有大规模和数据需求的高度重叠性，数据流则呈现出从源到消费者的非对称性等特征。发布/订阅技术与传统的通信范型(消息传递、RPC/RMI和共享空间)相比，所具有的松散耦合、多点通信、匿名性和高可伸缩性等，使得它成为一种适用于大规模数据分发的理想通信方式。 现有的发布/订阅技术在表达能力、匹配的全面、准确和效率以及及时性服务质量保障等方面尚存在问题，不足以支持大规模的数据分发。本文研究的目标是，针对分布式环境下大规模的数据分发，深入研究发布/订阅系统的关键技术，重点解决发布/订阅系统的数据模型、匹配算法和及时性保障等三方面的问题，并开发出原型系统，为大规模的数据分发提供发布/订阅中间件支持，具体内容如下： 1) 语义数据模型 分布式计算环境下，数据源和数据消费者要跨越系统边界进行数据交互，就迫切需要解决事件和订阅的语义异构问题。已有的发布/订阅系统的数据模型的语义表达能力尚存在不足，且难以表达用户偏好。因此，针对该语义异构问题和已有数据模型的不足，采用了一种公共词汇表和语义上下文相结合的方法，建立了发布/订阅系统的语义数据模型，解决了在语义异构的数据环境下事件和订阅如何表示的问题。其中，提出了一种语义订阅语言SPS-EL来表示订阅条件，订阅条件中用属性过滤器的阈值和权重信息反映用户偏好。该模型考虑了事件和订阅所处的数据环境，增强了系统的表达能力，提高了用户表达订阅需求的灵活性。接着，提出了一种基于语义上下文的自动化的事件和订阅的转换机制，消除事件和订阅存在的语义异构，提高了转换效率。 2) 匹配算法 大规模数据分发环境下，订阅者的规模是巨大的，往往到几万甚至上百万，而且用户需求具有模糊性，如何准确、全面和高效地对发布事件进行匹配，确定对其感兴趣的订阅集仍然是一个挑战性问题。而目前已有的系统基本上都是从语法上进行事件与订阅的匹配，主要集中于提高匹配的效率，而缺乏对语义匹配的考虑且较少考虑匹配的全面性和准确性；认为订阅中的属性约束的重要性相同，属性匹配为布尔匹配，没有考虑匹配的相似度，难以匹配出更符合用户偏好的结果。针对该匹配问题和已有方法的不足，基于本文提出的语义数据模型，提出了一种基于语义的多阶段优化的事件匹配算法。该算法利用应用领域的公共词汇表的概念语义关系信息和订阅条件中的阈值和权重表示的用户偏好信息辅助匹配，提高匹配的全面性和准确性。同时，该算法采取多阶段优化的方法，建立高效索引，减少订阅搜索空间和属性过滤器比较次数，从而提高匹配效率。实验结果表明，该算法能够明显提高匹配的全面和准确性，匹配结果更符合用户偏好，并能保持较高的匹配效率。 3) 及时性保障 一些领域的应用对发布/订阅系统设施提出了及时性需求，如何在大规模动态分布式网络环境下满足订阅者的及时性需求并提高系统的有效性是一个挑战性问题。已有的传统的基于连接的资源保留的方法，会带来资源的浪费，违反了发布/订阅系统松散耦合的特性，不适合大规模数据分发场景；静态优先级的方法，其优先级是固定不变的且数目是有限的，不适应动态网络环境。因此，针对及时性保障问题和已有方案的不足，借鉴了经济学的方法，提出了一种支持及时性需求的传播、事件调度和分发机制，并保持了发布/订阅系统固有的松散耦合特性。在该机制中，建立了发布/订阅系统的延迟模型，引入了事件的期望收益、预期违约成本和推迟成本等度量指标，提出了一种基于收益机制的分布式发布/订阅系统及时性保障技术和使系统获益最大化的动态优先级调度算法MTEP（Maximum Total Earning Priority）。该调度算法利用价格、违约成本和延迟等信息，对事件进行及时有效地调度分发。实验结果表明，该机制能满足订阅者和发布者指定延迟约束的需求，能在系统高负载情况下使订阅者能接收到的有效事件明显增多并使系统收益显著改善。 最后，设计并实现了面向大规模数据分发的发布/订阅原型系统OnceDI/PS。该原型系统采用Java技术开发实现了本文提出的数据模型、匹配算法和及时性保障机制。

OnceCluster：一种易扩展WEB应用服务器集群框架的设计与实现

随着Internet的迅速发展，大型的企业信息化系统以及以B2C和C2C等模式为代表的电子商务领域的应用逐渐成为当今软件技术的主流趋势和竞争焦点。在该领域，作为信息系统基础平台的应用服务器面临极大的负载压力，通过应用服务器集群系统来扩展平台的计算能力是目前业界重要的研究课题。 然而，目前广泛适用的应用服务器集群系统尚存在一些不足，一方面，集群架构缺乏静态可扩展性。用户无法根据当前的网络状态和软硬件环境，灵活的配置集群系统所需的底层通讯框架以及负载平衡算法。另一方面，集群系统缺乏动态可扩展性。目前的集群框架无法根据当前负载的大小动态地伸缩规模，在高负载时无法提供足够的计算能力，而在负载低时，会产生空闲节点造成资源浪费。 针对集群系统的动态扩展需求，本文提出了一种易扩展的集群框架：OnceCluster，并针对该框架的设计以及实现过程当中遇到的相关技术问题展开研究和讨论。 首先，本文对当今主流的J2EE应用服务器集群的现状进行了分析，总结几种主要集群架构的特点，并在此基础上提出了一种易扩展的集群架构：OnceCluster。该架构研究主要包括三部分：高效易扩展的负载平衡器，易扩展的集群基础设施，以及集群成员动态扩展机制。 其次，本文分别针对OnceCluster的三个主要组成部分的设计与实现进行阐述。在负载平衡器部分，本文研究了负载平衡器的实现方式和负载平衡算法的设计，分析了影响负载平衡器性能的关键问题，并在此基础之上设计并实现了灵活易插拔的负载平衡器框架，该框架利用XML结构化对象模型和Java虚拟机的运行时动态绑定机制，实现了一个基于的IoC的对象生成机制，并基于该机制实现了组通讯管理模块，负载平衡算法模块和线程池模块。在集群基础设施部分，本文研究了集群系统和应用服务器之间交互关系，集群信息状态同步和失效恢复机制，并设计与实现了一种可灵活替换的集群基础设施通讯框架。在集群成员动态扩展机制部分，本文通过研究了一种分布式的集群成员管理机制，及时侦测集群成员的存活信息及负载状态，自动的启动或关闭集群成员，对集群规模进行动态地伸缩。 论文的研究成果已经应用于中国科学院软件研究所自主研发的基于J2EE规范的应用服务器OnceAS当中，目前，OnceAS已成功用于电子政务，电子商务和ERP系统等领域。

冷却存储环虚拟加速器的数据交互系统

介绍了兰州重离子加速器冷却存储环(HIRFL-CSR)为重离子治癌而改造的控制系统中的数据交互系统,数据交互系统是CSR虚拟加速器的核心。该系统能实现对256个能量级的束流控制,为以后深层重离子治癌做好准备。系统主要采用Java,COM,Oracle,ARM,DSP,FPGA等技术实现了对磁铁电源的实时、同步控制,已达到对束流的控制及束流在不同能量级间的切换控制。该系统已经运行于冷却存储环主环(CS-Rm)的束流慢引出调试中,性能稳定,能满足物理人员的要求。

RIBLLⅡ与CSRe中束流控制系统的设计

介绍了兰州重离子加速器冷却存储环(HIRFL-CSR)的实验环CSRe以及次级束线RIBLLⅡ中束流控制系统的设计。该系统主要采用了Java,COM,Oracle,ARM,DSP,FPGA等技术实现了对磁铁电源的实时、同步控制,已达到对束流的控制。该系统已经运行于现场的束流调试中,并在RIBLLⅡ的束流调试中运行正常、性能稳定。

InCoME软件成本估算工具

针对现行的成本估算软件存在算法支持不够、算法不公开、对建模支持不够等问题,提出了一种基于最优加权算法的集成软件成本估算方法InCoME,并且在此基础上采用Eclipse RCP框架、Java开发语言、HSQLDB关系数据库开发出了In-CoME成本估算软件。该软件不仅实现了驱动因子管理、集成模型支持、模型校准、模型精度分析等模块,而且还实现了基于不确定性的成本估算和风险分析功能,解决了国内一些企业急需成本估算软件等问题。