1 容錯性的研究

    1．1 容錯的定義

    “容錯”原是計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)中的一個概念。容錯(fault—tolerance)就是容忍錯誤的簡稱，是指設(shè)備的一個或多個關(guān)鍵部分發(fā)生故障時，能夠自動地進(jìn)行檢測與診斷，并采取相應(yīng)措施，保證設(shè)備維持其規(guī)定功能，或用犧牲性能來保證設(shè)備在可接受范圍內(nèi)繼續(xù)工作。

    1．2 容錯技術(shù)的發(fā)展

    容錯技術(shù)近2O年發(fā)展很快。首先在先進(jìn)的計算機(jī)中實(shí)現(xiàn)，例如航天飛行控制、人造衛(wèi)星、潛艇導(dǎo)航、空中交通管制、銀行業(yè)務(wù)管理等領(lǐng)域，都要求計算機(jī)成年累月連續(xù)無故障地工作，從而促進(jìn)了容錯計算機(jī)的迅速發(fā)展。目前世界上已有上百家計算機(jī)公司推出了容錯計算機(jī)。容錯計算機(jī)的平均故障間隔時間MTBF可達(dá)15年一2O年。1986年9月，美國國家科學(xué)基金委員會和IEEE控制系統(tǒng)學(xué)會聯(lián)合舉辦的一次專題討論會上，國際控制界52位著名專家匯聚于美國Santa Clara大學(xué)，討論控制科學(xué)的發(fā)展及當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)，容錯控制FTC(Fauh Tolerance Contro1)被列為當(dāng)今和未來的七個挑戰(zhàn)性課題之一。同年，張翰英教授發(fā)表論文，提出在我國“必須加速發(fā)展實(shí)用性容錯系統(tǒng)”的研究。此后，周東華、程一、葛建華、胡壽松等又將容錯技式樣用工夫動態(tài)系統(tǒng)及傳感器失效的研究。1997年，IFAC故障診斷與安全性委員會主席Patton教授撰寫了容錯控制的綜述文章。目前，容錯技術(shù)的研究已經(jīng)有了很大的發(fā)展，并取得了許多重要研究成果。隨著計算機(jī)的廣泛應(yīng)用和智能結(jié)構(gòu)、智能材料與人工智能的發(fā)展，容錯技術(shù)必將得到更快的發(fā)展和更廣泛的應(yīng)用。

2 移動計算環(huán)境

    隨著移動通信和Intemet技術(shù)的發(fā)展，以及便攜式終端設(shè)備的普及，用戶要求更大范圍地移動，希望能在任何時間、任何地點(diǎn)，可以通過便攜式移動設(shè)備很方便地訪問網(wǎng)絡(luò)資源，得到所需要的服務(wù)；不僅是到另外一個地方，甚至在移動過程中仍然能夠保持網(wǎng)絡(luò)連接、同時使用戶訪問不受移動漫游、切換帶來的干擾。這就出現(xiàn)了移動計算。

    2．1 移動計算的定義

    移動計算=分布Stag技術(shù)+移動通信+數(shù)據(jù)庫。

    移動計算是一個全新的概念，是隨移動通信、無線網(wǎng)絡(luò)、Internet、數(shù)據(jù)庫、分布式計算等技術(shù)發(fā)展而新興起的技術(shù)，已成為重要的前沿領(lǐng)域。移動計算是基于無線通信技術(shù)和便攜式移動計算設(shè)備的分布式計算模式。移動網(wǎng)絡(luò)與無線網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常聯(lián)系在一起，但是仍有區(qū)別，移動網(wǎng)絡(luò)很可能是有線的，而無線網(wǎng)絡(luò)很可能是固定的。其關(guān)系圖如圖l所示：

圖1 移動網(wǎng)絡(luò)與無線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系

    2．2 移動計算環(huán)境的組成

    移動計算環(huán)境通常由固定網(wǎng)絡(luò)、移動網(wǎng)絡(luò)、無線通信、筆記本電腦／PDM手機(jī)以及移動著的用戶構(gòu)成。它是傳統(tǒng)的固定網(wǎng)絡(luò)分布計算環(huán)境利用了先進(jìn)無線通信技術(shù)后的擴(kuò)充，也就是說，移動計算的解決方案應(yīng)該包括有線和無線兩個方面。

    如圖2所示，我們考慮一個包含許多移動終端，用戶(Mc)和一些靜態(tài)主機(jī)，即基站(Bs)或者叫做移動支持基站(MSS)的移動計算系統(tǒng)。各基站通過靜態(tài)的有線網(wǎng)絡(luò)相互連接。有線網(wǎng)絡(luò)在提供可靠的信息傳輸過程中必然會產(chǎn)生一定的延遲，但是時間不長�；�站覆蓋的地理范圍稱為“單元(cel1)”。移動終端只有在某個基站的范圍之內(nèi)時才能與基站通信，主機(jī)可以移動到相鄰的單元，例如，隨時都可能跨區(qū)切換，因此，由于相鄰單元信道的不可用性，主機(jī)與基站之間斷接的可能性總是存在的。

圖2 移動計算環(huán)境的典型體系結(jié)構(gòu)

    2．3 移動計算環(huán)境的特點(diǎn)

    移動計算作為分布式計算環(huán)境的一種新的發(fā)展趨勢，．主要存在如下幾個特點(diǎn)：

    (1)移動性。必須適應(yīng)不同地點(diǎn)的連接請求，并且經(jīng)常在移動時要求保持連接；在不同服務(wù)器覆蓋范圍之間移動，跨區(qū)切換比較常見。

    (2)低可靠性。由于其便攜性和工作環(huán)境，移動計算可靠性較低，更容易受到干擾而出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障�？赡荛L時間發(fā)生網(wǎng)絡(luò)斷接，一些假設(shè)條件不同于傳統(tǒng)的分布式系統(tǒng)。移動計算裝置本身也有一些潛在的不安全因素，如碰撞、磁場干擾、易于遺失和失竊等。

    (3)不安全性。無線通信衰落、易受干擾、易被截獲。

    (4)帶寬有限性。從GSM 波特率9．6Kbps，GPRS 170Kbps到EDGE 384Kbps，3G 2Mbps，其帶寬都遠(yuǎn)低于固定網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)帶寬。

    (5)位置相關(guān)性。移動意味著變化，從而導(dǎo)致位置的不斷變換。而應(yīng)用程序可能與位置相關(guān)，或者位置成為不透明因素。

    (6)電源能力有限。通過蓄電電池供電，但容量非常有限，一般只能2—5個小時，而計算密集型程序能耗更大，電源會更加緊張。

    (7)頻繁斷接性。移動計算機(jī)在移動過程中，一般不采用保持持續(xù)聯(lián)網(wǎng)的工作方式，而是主動／被動地間歇性入網(wǎng)、斷接和重接，甚至跨區(qū)切換。

    (8)非對稱性。包括通信與資源安全乃至QoS的非對稱性，訪問的是地理上分布的節(jié)點(diǎn)。由于電源能力的限制，移動設(shè)備上的資源與功能是有限的。

    (9)復(fù)雜性。為支持移動性必須加入更多的功能并最終達(dá)到網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡；移動性也必然要求跨軟、硬件平臺的兼容性。 

3 移動計算容錯性的研究

    與有線的固定環(huán)境相比，移動環(huán)境中的無線網(wǎng)絡(luò)連接更加脆弱，移動主機(jī)可靠性更差，所以移動計算系統(tǒng)更應(yīng)該需要實(shí)現(xiàn)錯誤恢復(fù)的機(jī)制。而且，容錯移動計算系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)將極大地支持如賬務(wù)處理、電子商務(wù)等重要的移動金融業(yè)務(wù)，移動游戲或分布式信息系統(tǒng)的訪問等應(yīng)用也可以從容錯技術(shù)的發(fā)展中受益。

    然而，移動計算系統(tǒng)所處的無線網(wǎng)絡(luò)性能較差，具有誤碼率高、帶寬低、停產(chǎn)衰減不穩(wěn)定等特性；同時網(wǎng)絡(luò)性能變化很大，連接時斷時續(xù)，加上網(wǎng)絡(luò)中移動設(shè)備的移動變化進(jìn)一步惡化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，比如網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓�、帶寬等網(wǎng)絡(luò)資源的變化，使得整個網(wǎng)絡(luò)環(huán)境更加不穩(wěn)定，這些都為移動計算的容錯性提出了進(jìn)一步的挑戰(zhàn)。

    當(dāng)前，針對移動計算環(huán)境的特點(diǎn)，人們提出了多種容錯算法與技術(shù)田，本文將討論其中比較成熟的兩類移動容錯技術(shù)，即基于檢查點(diǎn)和消息日志的容錯恢復(fù)技術(shù)與基于移動Agent的容錯技術(shù)研究。

    3．1 基于檢查點(diǎn)和消息日志的容錯恢復(fù)

    隨著分布式計算系統(tǒng)服務(wù)在移動環(huán)境中的擴(kuò)展，很多支持分布式服務(wù)的算法經(jīng)過修改都可用于移動計算系統(tǒng)。檢查點(diǎn)恢復(fù)是分布式服務(wù)為系統(tǒng)提供的容錯服務(wù)。分布式系統(tǒng)中有很多檢查點(diǎn)和恢復(fù)策略翻，見表1。

表1 無線分布網(wǎng)絡(luò)的檢查點(diǎn)和日志策略

    然而，分布式系統(tǒng)的的檢查點(diǎn)恢復(fù)機(jī)制并不能直接應(yīng)用于移動環(huán)境。根據(jù)移動計算系統(tǒng)環(huán)境的特點(diǎn)，一個支持移動計算容錯性的好的檢查點(diǎn)算法應(yīng)當(dāng)考慮如下因素：

    (1)低帶寬。因為無線網(wǎng)絡(luò)帶寬低、檢查點(diǎn)機(jī)制不應(yīng)當(dāng)包含大量的系統(tǒng)消息或在一條應(yīng)用消息中包含大量的額外信息。

    (2)有限空間。由于MC空間的有限性，MC攜帶的檢查點(diǎn)要通過無線網(wǎng)絡(luò)傳給MSS。所以應(yīng)該控制檢查點(diǎn)的執(zhí)行頻率。

    (3)移動性處理。MC的移動性使得MC的恢復(fù)信息可能存儲于多個MSS中。當(dāng)一個MC出現(xiàn)故障時，應(yīng)提供一個機(jī)制追蹤并搜尋正確的恢復(fù)信息。

    (4)斷接操作。MC與網(wǎng)絡(luò)的頻繁斷接可能會影響MC之間對檢查點(diǎn)或恢復(fù)的同步。

    以下是幾種主要的無線分布網(wǎng)絡(luò)的檢查點(diǎn)和日志策略：

    CCP，協(xié)同檢查點(diǎn)策略，需要系統(tǒng)中的所有進(jìn)程協(xié)調(diào)檢查點(diǎn)行為，需要大量的系統(tǒng)消息，不適用于低帶寬的移動環(huán)境。

    SCP，同步檢查點(diǎn)機(jī)制，只要求相關(guān)進(jìn)程同步執(zhí)行檢查點(diǎn)，減少了協(xié)同消息的數(shù)量，但要保證嚴(yán)格的協(xié)同，即在執(zhí)行檢查點(diǎn)時要阻塞參與進(jìn)程的正常計算。

    通過減少CCP和SCP的協(xié)作消息數(shù)量與參加協(xié)作的進(jìn)程數(shù)量得到的CCP與SCP已經(jīng)在移動計算中提出。

    CICP，基于通信模式的檢查點(diǎn)策略利用一個獨(dú)立的進(jìn)程根據(jù)其通信狀態(tài)的變化執(zhí)行檢查點(diǎn)，在移動環(huán)境中對這個策略進(jìn)行了擴(kuò)展。但是這個策略的檢查點(diǎn)頻率完全依賴于MC的通信模式，無法受控于MC。最壞的情況是MH對于第一條流出消息都要進(jìn)行一次檢查點(diǎn)行為，這是無線網(wǎng)絡(luò)帶寬無法實(shí)現(xiàn)的在CICP引入通信的檢查點(diǎn)策略中，應(yīng)用消息攜帶一個檢查點(diǎn)序列號，使進(jìn)程最終可以獲得一致的檢查點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)了對該算法在移動環(huán)境中的擴(kuò)展。

    但是如果考慮恢復(fù)的話，所有上述檢查點(diǎn)策略都需要顯示的協(xié)作以避免實(shí)時時鐘問題。另外，由于進(jìn)程要回滾到一組一致的檢查點(diǎn)狀態(tài)，故障后重計算的量也很大。

    支持異步恢復(fù)并減少重計算量的一個方法是消息日志。若有系統(tǒng)故障，在異步恢復(fù)中進(jìn)程獨(dú)立決定并回滾。另外回滾之后進(jìn)程可以立即進(jìn)行重計算而無需等待其它進(jìn)程的協(xié)作消息。提出了在移動環(huán)境中基于悲觀消息日志(PML，Pessimistic message logging)的異步恢復(fù)策略。然而，考慮到悲觀消息日志要頻繁地訪問穩(wěn)定存儲器，這個方法仍不適應(yīng)移動環(huán)境的特點(diǎn)。

    CML，隨機(jī)消息日志，可以避免對穩(wěn)定存儲的頻繁訪問，但在應(yīng)用消息中要攜帶大量的依賴信息，無法解決移動計算系統(tǒng)低網(wǎng)絡(luò)帶寬的問題。

    OML，樂觀消息日志，提出的OML可以控制穩(wěn)定日志的頻率實(shí)現(xiàn)異步恢復(fù)，它使用一個很小的信息，vector clock可以檢測到可能引起實(shí)時時鐘問題的異常消息。文獻(xiàn)中在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化，提出移動計算系統(tǒng)中基于樂觀消息日志的異步恢復(fù)策略，充分利用MSS的動態(tài)日志空間由MSS實(shí)現(xiàn)消息日志，MSS同時還負(fù)責(zé)依賴性的追蹤，而MC只攜帶最少的信息，如此則MC的移動性將由MSS實(shí)現(xiàn)完整的追蹤，其消息開銷也比較小。此外，根據(jù)MH和MSS同時故障的可能性，策略通過選擇一個合適的穩(wěn)定日志記錄頻率還可以在一定程度上減少不正確的依賴產(chǎn)生的回滾開銷。

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本文標(biāo)題：移動計算容錯行為研究(上)

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