数字生物系统：一种新的云计算体系结构

© 2013年。出版社：Elsevier B.V.信息工程研究院负责评选和同行评议可在www.sciencedirect.comwww.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectIERI Procedia 4（2013）261 - 2672013年电子工程与计算机科学一种新型云计算系统的体系结构陈建英西南民族大学计算机科学技术学院，成都，中国uestccjy@163.com摘要为了满足当今和未来越来越多的应用需求，一种新型的云计算系统--数字生物系统（DOS）被成功开发。DOS自带的操作系统和数据库管理系统，提供了分布式并行输入输出、故障恢复、大吞吐量、高可靠性/可扩展性、自动管理等完美性能。本文介绍了新的系统结构，主要集中在它的服务器，工作站，客户端和副本的数量。© 2013作者。由Elsevier B. V.在CC BY-NC-ND许可下开放获取。信息工程研究院负责评选和同行评议关键词：云计算;数字组织系统;架构1. 介绍为了满足现在和未来的应用需求，云计算系统必须实现高度的安全性、可靠性和可扩展性，以及智能化管理，对基础设施没有特殊要求（计算机可以是任何PC、PC服务器、小型机或超级机），足够大的吞吐量和存储容量[1-4]等，因此，如果云计算系统的软件具有像生物一样的生物本性，则可以成功解决以下问题：a)从环境中获取信息，然后将其抽象为知识;b)自我适应[5]、自我学习[6]、自我传播和自我复制;c)模拟生物的基因和类群，自动形成生物体;d)模拟人类的抗病毒免疫机制e)模拟生物获得的遗传和进化能力，使系统更2212-6678 © 2013作者由Elsevier B. V.在CC BY-NC-ND许可下开放获取。信息工程研究所负责的选择和同行评审doi：10.1016/j.ieri.2013.11.037262Jianying Chen / IERI Procedia 4（2013）261“绅士f)模拟生物的基因性质，并在几个单元（不是全部）遇到阻力或故障时继续工作;g)模拟生物的繁殖能力，以便在需要时正确复制或复制副本h)采用语义学帮助人们实现逻辑分析和决策。经过多年的研究，一种新颖的云计算系统软件--数字生物系统（DOS）已经开发成功。DOS完全可以满足前面提到的所有应用要求。随着科学理论、科学技术及其应用的发展，DOS的性质将进一步发展。接下来，我们将讨论有关DOS体系结构的几个关键点。所有的问题看起来都很简单，但对我们来说都是挑战，必须首先解决。2. 系统架构DOS的所有计算机通过宽带网络连接，并安装了我们开发的数字生物操作系统（DOOS）、数字生物数据库系统（DODBS）和其他相关应用软件。所有放置在附近或按区域划分的服务器可以形成一个组，这里称为站。站内服务器的数量取决于应用和带宽的要求，可以从几个到几百个甚至无限多个。该站的范围也可以以成都为例，它可能包括郊区和市区，或者只是市区，甚至是一个住宅区。DOS拓扑如图1所示。在这里，我们将计算机或其他设备称为客户端，只是因为它们享受服务器的服务。但是，它与传统的C/S结构不一样。这里定义的客户端可以是PC、便携式计算机、数字机顶盒和电视机，也可以是内置数字机顶盒的电视机等。这里所说的机顶盒具有以下特点：第一，通过这种机顶盒，用户可以上网，通过音频或视频打电话，甚至可以按需选择实时需求，按频道组播或播放电视节目;第二，如果部分服务器发生故障，服务不会停止;第三，它可以支持许多增值服务，如炒股票和股票等。一个客户端可以智能地、动态地与一个站内的多个服务器连接，甚至与整个站的所有服务器连接。为了实现高可靠性和高可用性，它从不与一台服务器静态连接。系统设计保证了如果一个客户端不能从任何先前连接在该站中的服务器接收服务，则服务请求将自动地和智能地转移到其他站，直到提供服务。电视›与Bo×Televi›ionSTB站便携式计算机站站PC站站宽带网图1 DOS站与站之间的关系是平面的。所有电台都是平等和自治的。在一个足够大Jianying Chen / IERI Procedia 4（2013）261263一范围，例如中国大陆，必须有许多站，但对于一个特定的客户请求，服务应尽量在本地工作。如果不能满足要求，服务将转移到其他站点的服务器提供。如果在整个系统中找不到服务器，则需要通过相同的拓扑结构扩展系统。3. 站点内的服务器数量和站点数量本文将用有效并发视频流的数量和周期的概念来讨论一个工作站内服务器的数量和DOS下工作站的数量。1.1. 一个工作站如果一个站点内有足够的带宽，假设站点内服务器服务的客户端数量为m，一个客户端发出请求的概率为Pr，则一个周期内服务器支持i个请求的概率为：鲁姆吉美里q（i）ipr（1pr）（一）在一个周期内收到并完成i个请求的期望值为：Ai E（i）mm（2）阿吉什m有效并发视频流的数量为：B组 E（i）q（i）0米（三）一台服务器在一个周期内支持的最大并发视频流数量为n，一个工作站内的服务器数量为：B n（4）事实证明，服务器支持的并发视频流数量主要取决于硬盘的I/O速度。图2显示了一个工作站内服务器数量和一个工作站内客户端数量之间的关系。1401201008060402000500010000 15000140120100806040200Pr=0.2Pr=0.4Pr=0.6Pr=0.8（b）012500 25000 37500 50000140120100806040200050000100000150000的客户数量的客户数量的客户图2一个工作站Pr=0.2Pr=0.4Pr=0.6Pr=0.8(a)n=100Pr=0.2（c）n=1000Pr=0.4Pr=0.6Pr=0.8的服务器的服务器的服务器264Jianying Chen / IERI Procedia 4（2013）261JK1.2. 整个系统整个系统中的站的数量主要由应用需求和站之间的带宽决定。系统中任意两个站之间是平面关系，并且它们之间存在宽带信道。在DOS平台上可以开发多种应用，如视频点播、实时电视广播、音频电话、可视电话、电视电话、网上信息查询、电子办公、电子商务、银行业务等。作者认为以电视电话为例来研究系统内的站数是合理的。两个客户之间的一个电视电话就像一个电视流。让我们定义一个电视电话的持续时间为一个周期（取其平均值）。如果一个客户端在站之间进行电视电话呼叫的概率为Pt，则在一个周期内从一个站进行j个电视电话呼叫的概率为：m姆吉q（j）2pj（1p）2（5）jt t在公式中，m/2被认为是在两个客户端之间进行的一个呼叫。在一个周期内，j个完成的电视电话呼叫的期望值为：一个j Ajmm 1mE（j））M22（六）有效并发电视电话数为：B q（j）0m2（七）如果站点数为k，一台电视电话占用的带宽为d，则所需最大带宽的总数为：KdBxx1如果两个站之间的带宽是F，那么应该有：C2 F分贝（八）（九）K xx1根据公式（9），给定宽带网络环境（条件），可以得到系统内的站点数量。假设一个电视电话呼叫占用的带宽为1Mbps，一个客户端进行站间电视电话呼叫的概率分别为0.8、0.6、0.4、0.2，则系统内站数与站间电视电话客户端数的关系如图3所示。一Jianying Chen / IERI Procedia 4（2013）261265uu40353025201510500750015000225001401201008060402000 30000 6000090000807060504030201000 300000 600000 900000的客户的客户数量的客户图3系统内的站数与站间的电视电话客户数的关系4. 客户端的副本数和连接数一条消息（例如一个文件）必须有其副本。副本的数量智能地和动态地改变或由抗破产能力或自学习的要求来确定。一个消息的所有副本不能放在同一个地方。例如，为了应对局部停电的可能性，不能将它们放在同一供电区;与面对战争一样，不能将它们放在同一城市等。定义1：抗毁能力DOS在遭遇攻击时的生存能力假设系统由C个单元组成，在时间段t1，系统受到多个攻击-因此，如果击中一个单位的概率是Pu，那么y个单位被击中的概率是Py，点击是yPyyPy，其对系统的影响为u，CyPy1个单位C是抗破产能力的算术表达式。系统抗破产能力和被摧毁的单元数量之间的关系如图4所示。1.00.90.80.70.60.50.40.30.202 4 6 8 10被摧毁的单位数量图4系统抗破产能力与被破坏对于系统，单元代表站;对于站，单元代表服务器;对于文件，单元代表副本;对于客户端，单元代表客户端与不同服务器或站的一个连接。对于可用性，重建率>崩溃率，对于抗破产能力，由于并行攻击的存在，在第一阶段不需要再满足恢复率>崩溃率定义2：攻击间隔指的是第一次攻击开始和第二次攻击开始之间的间隔，它被标记为间隔2。在故障恢复时间为2时，必须采用并行恢复技术，以保证故障恢复时间> 2时，否则系统将无法正常工作。(a)F=100GbpsPt=0.2Pt=0.4Pt=0.6Pt=0.8Pt=0.2Pt=0.4Pt=0.6Pt=0.8(b)F=1Tbps(c)F=10TbpsPt=0.2Pt=0.4Pt=0.6Pt=0.8所述站Pu = 0.2Pu = 0.4Pu = 0.6Pu = 0.8所述站抗破产能力所述站266Jianying Chen / IERI Procedia 4（2013）261uu将失去生存能力。例如，如果一个文件的拷贝数是3，则在一次攻击中会命中一个或两个拷贝然后，必须在随后的第二个周期就像动物为了生存而有不同的性别一样，数字生物系统也有A yPy2这么做该系统具有自学习和自适应能力，一旦发现一个简单的y是接近2或一些紧急需求，它应该增加它的繁殖。当体积太大时，它会自动消除一些，就像自然界中发生的事情一样，因为动物系统会根据需要自动保持平衡[7]。当发现抗破产能力太低时，应采取增加单元数量等措施提高系统的抗破产能力[8]。基于抗破产能力的表达式，可以确定副本的数量和客户端的连接数。例如，如果认为副本数量为3，则抗破产能力较低，会影响系统的生存，则可以将副本数量增加到4。5. 结论为了满足[9-13]引言中提到的用户和应用的所有需求，我们从几年前开始了对DOS（数字生物系统）的研究和开发[14-15]。与单机、小型机、超级机、1：1保护系统热备份、网络计算、网格计算、集群系统等相比，DOS是一种新型的云计算系统。它由一系列软件组成，包括数字生物操作系统（DOOS）、数字生物数据库系统（DODBS）以及在此基础上开发的各种应用软件（特别是人类）实现生物体特性，如抗病毒免疫机制，自适应性，自学习，本文只讨论了系统的体系结构，主要讨论了系统的服务器、工作站、客户端和副本的数量。其次，从不同的角度讨论了DOS中采用和设计的各种方法、手段和机制。虽然我们目前已经取得了一些突破和成功的应用，但还有很长的路要走。引用[1] 吴湾，澳-地Dovey，M. Ng等，BioSimGrid的Web/网格门户实现：生物分子模拟数据库信息技术：编码和计算，2004年。诉讼ITCC 2004年。第二卷国际会议，2004年4月5日至7日，第二卷第50-54页。[2] 文永贤，电力系统的快速恢复，2002年中国输配电大会暨展览会：亚太地区。IEEE/PES，第1卷，2002年10月6-10日，第574- 577卷第1页。[3] 博尔恰角因塔纳贡维瓦角萨克森纳A.伊夫托德湖自路由在普及计算环境中使用智能消息普及计算和通信，2003年。（PerCom 2003）。2003年3月23-26日第一届IEEE国际会议论文集页码：87[4] 吕胜民，杨训年，王国钊，基于大体积数据集的分层曲面重构算法，软件学报，第14卷，第8期，2003，1448-1455。[5] 王海英，Azuaje，F.布莱克，N.，改进生物医学模式发现和可视化的综合和交互式框架，生物医学信息技术，IEEE学报，第8卷，第1期，2004年3月，第16Jianying Chen / IERI Procedia 4（2013）261267[6] 杨兆生;孙建平;杨春晓，基于广义知识模型的多智能体城市快速路控制系统，智能交通系统，2003。诉讼2003 IEEE，第2卷，2003年10月12-15日，页码：1759 - 1763，第2卷。[7] 雷，T. S.哈特，J.分化的多线程数字有机体的进化。智能机器人与系统，1999年。IROS 99年。诉讼1999年IEEE/RSJ国际会议第1卷，1999年10月17-21日页码：1 - 10卷1。[8] Ball，N.R.; Warwick，K.;.使用自组织特征映射控制人工生物。控制理论与应用，IEE会议录D[参见IEE会议录-控制理论与应用]，卷：140，期：3，1993年5月，页：176[9] Dolev，D.，Malki，D.; Yarom，Y.;.使用监听进行热备份。分布式和网络环境，1994年。会议记录，1994年 6月27日至28日举行的第一次服务问题国际讲习班–[10] Maheshwaran，M.，Ali，S.，网络计算系统的分类。《计算机》，卷：37，期：10，2004年10月，页：115[11] 布朗，J.C.，网格计算作为应用的分布式计算：互联网和网格计算研究生研讨会。集群计算和网格，2004年。CCGrid 2004。IEEE国际研讨会，2004年4月19-22日，第239-245页。[12] Patnaik，L.M.，高性能集群计算。并发性，IEEE [参见IEEE并行分布式技术]，卷：8，期：1，1月- 2000年3月，第86 - 87页[13] 刘新松，具有分布式并行I/O接口的分布式并行服务器系统性能研究，电子学报，第30卷，第12期，2002年12月，1808-1810。[14] 刘新松，邱元杰，杨峰等，不停机计算机系统的体系结构研究。电子学报，2004.10.559-564.[15] 刘新松，王殿银，数字生物系统的抗毁体系结构研究，四川博士专家论坛，2004，330-334。