基于環(huán)境感知的云服務(wù)自適應(yīng)演化研究

李星星+徐洪珍

摘要：在目前開放動態(tài)的互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，為了適應(yīng)多樣的外部環(huán)境以及用戶需求信息的變化而引發(fā)的諸多問題，云服務(wù)系統(tǒng)需要用靈活，自適應(yīng)的方法來管理和提供服務(wù)。因此該文提出一個基于多Agent系統(tǒng)的的環(huán)境感知框架，該框架將環(huán)境實體分為兩類，分別采用基于事件發(fā)布-訂閱的被動感知和基于軟傳感器的主動感知兩種方式來感知外部環(huán)境及用戶需求的變化，然后通過自適應(yīng)演化模型根據(jù)自適應(yīng)演化算法來自主地調(diào)整自身行為以應(yīng)對感知到的外部環(huán)境及用戶需求的變化。

關(guān)鍵詞：環(huán)境感知；云服務(wù)；自適應(yīng)演化

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）26-0067-02

Abstract： In the current open dynamic Internet environment， in order to adapt to some problems cause by a variety of external environment and changes in user demand information. Cloud services systems need to manage and provide services in a flexible and adaptive way. Therefore， this paper proposes an environment-aware framework Based on multi-agent system. The framework divides the environment entities into two types， which are the two ways of passive perception Based on event release-subscribe and active perception Based on soft sensor to perception the changes of external environment and user demand.And then through the adaptive evolution model Based on adaptive evolution algorithm to adaptively adjust their behavior to respond to the changes of external environment and user demand.

Key words： environment perception； cloud services； adaptive evolution

1 背景

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)迎來了新一輪技術(shù)變革，云計算應(yīng)運(yùn)而生，軟件技術(shù)也將隨著云計算的產(chǎn)生和深入應(yīng)用發(fā)生深遠(yuǎn)變化，并對原有的軟件工程理論提出了新的要求。近年來，由于云計算技術(shù)越來越成熟，云服務(wù)得到快速發(fā)展，IT 資源服務(wù)化的思想日益普及，呈現(xiàn)“一切皆服務(wù)”（X as a Service， XaaS）的趨勢[1]。

由于互聯(lián)網(wǎng)上云平臺的大量部署和使用，云服務(wù)的數(shù)量和類型在不斷增加，它們通常都是分布在私有云、公共云和混合云等3種不同類型的云上。由于云服務(wù)類型的不同，云服務(wù)具有異構(gòu)性和分布性的特性。為了使云服務(wù)平臺能夠為用戶提供合適的服務(wù)資源，需要一種合理有效的方法來管理這些資源。這個過程如果完全通過人工來完成時非常復(fù)雜和困難的，因為互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境自身是開發(fā)動態(tài)和持續(xù)變化的，云服務(wù)是分散部署在互聯(lián)網(wǎng)上的，因此每個云所處環(huán)境都是不同的，并且呈現(xiàn)出局部化的特征。為了實現(xiàn)對所有云服務(wù)資源的有效管理，就需要通過一種自適應(yīng)演化的方式來對服務(wù)資源進(jìn)行有效管理。此外，為了滿足應(yīng)用需求并能針對應(yīng)用需求的變化靈活自主地分配、調(diào)度和提供云服務(wù)資源，同時需要保證云資源的有效利用，這就需要云服務(wù)感知其所處的上下文環(huán)境，根據(jù)其自身的狀態(tài)和環(huán)境變化信息自主地調(diào)整其行為。

2 基于多Agent系統(tǒng)的環(huán)境感知框架

一般來說，環(huán)境感知、推理決策、動態(tài)調(diào)整是自適應(yīng)演化的三個關(guān)鍵技術(shù)。為了識別、度量和表示環(huán)境的變化以便支持云服務(wù)自適應(yīng)，本節(jié)提出一個全局環(huán)境感知框架，該框架除了對環(huán)境指標(biāo)參數(shù)的監(jiān)測方法研究外，主要是對如何進(jìn)行環(huán)境變化的識別進(jìn)行較深入的研究。

Agent 的思想和技術(shù)源于 20 世紀(jì) 70 年代人們對人工智能（AI，Artificial Intelligence）的研究，它是人工智能和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。Agent 是指處于一定的環(huán)境下，為了達(dá)到設(shè)計目標(biāo)而能夠采取靈活自治行為的計算實體，簡稱智能體。自主性是Agent的基本特性，因此本文將自適應(yīng)云服務(wù)中的實體抽象為Agent，將自適應(yīng)系統(tǒng)云服務(wù)視為由多個Agent交互作用所構(gòu)成的多Agent系統(tǒng)。

2.1 環(huán)境的定義和分類

通常來講，在一般的多 Agent 系統(tǒng)中，環(huán)境是指Agent所處的物理環(huán)境，如內(nèi)存、CPU和溫度等，或者是系統(tǒng)本身的運(yùn)行狀態(tài)。而本文所指的環(huán)境不僅僅是傳統(tǒng)的環(huán)境，還包括 Agent的狀態(tài)、Agent的行為、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的改變等等。為了解決云服務(wù)系統(tǒng)對環(huán)境動態(tài)感知的問題。就需要將環(huán)境進(jìn)行形式化的描述，本文將環(huán)境分為兩類：全局環(huán)境和局部環(huán)境，詳細(xì)的定義如下[2]。

1） 全局環(huán)境（Global Environment）：與系統(tǒng)運(yùn)行平臺相關(guān)，包括Agent的增加，刪除和替換、演化策略的改變等全局的信息，可以用一個三元組來描述，GE =，AIDs表示多個不同的Agent的集合，ACapabilitys表示當(dāng)前各個Agent能力的集合，AStrategys表示當(dāng)前系統(tǒng)演化策略的集合。

2） 局部環(huán)境（Partial Environment）：與Agent個體相關(guān)，包括Agent之間的通信內(nèi)容、Agent功能缺失情況和Agent異常等個體局部的信息，用一個四元組來描述，PE =，其中AID表示Agent的唯一標(biāo)識，AState表示當(dāng)前Agent的運(yùn)行狀態(tài)，AType表示Agent的類型，AValue表示Agent的功能狀態(tài)。

2.2 動態(tài)環(huán)境感知框架

云服務(wù)自適應(yīng)演化的執(zhí)行依賴于Agent對環(huán)境的感知，為了支持Agent對環(huán)境的感知，本文提出了如圖1所示的動態(tài)環(huán)境感知框架。

如圖1所示，將環(huán)境實體分為兩類：第一種環(huán)境實體是處在框架頂層的云服務(wù)Agent，這類環(huán)境實體本身就可以控制自身行為，也能夠判斷是否需要將自身變化的信息以事件的形式向外發(fā)布.Agent對這類環(huán)境實體的感知通過“被動監(jiān)聽”的方式來實現(xiàn)。為了有效地對處于頂層的其他云服務(wù)Agent的變化進(jìn)行感知（如圖中的a云服務(wù)Agent需要對b和c云服務(wù)Agent進(jìn)行感知），云服務(wù)Agent就需要訂閱相關(guān)的環(huán)境事件，比如b的某個行為執(zhí)行的事件等，一旦b執(zhí)行了這個行為并將行為執(zhí)行的信息以環(huán)境事件的形式發(fā)布出去后，訂閱了該事件的a云服務(wù)Agent就可以感知到該事件，即感知到b的行為執(zhí)行。另外一種處于框架的底層，包括一些物理的和邏輯的實體，比如系統(tǒng)的CPU、內(nèi)存、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)等，這些環(huán)境實體本身是被動的，它們的狀態(tài)發(fā)生改變不會主動向外發(fā)布，所以Agent對這類環(huán)境實體狀態(tài)的感知就需要采用“主動探測”的方式進(jìn)行[3]。自適應(yīng)Agent所處的環(huán)境是動態(tài)變化的，為了感知環(huán)境狀態(tài)的變化，就需要傳感器提供支持。這里為了統(tǒng)一概念，方便交互，就將傳感器的功能用一類特殊的Agent進(jìn)行封裝，用來對底層環(huán)境信息的感知，然后將感知到的信息以環(huán)境事件發(fā)布給環(huán)境Agent。環(huán)境Agent收集各個不同傳感器的環(huán)境事件，并對其進(jìn)行解析和規(guī)范化處理，然后封裝成云服務(wù)Agent可以“理解”的環(huán)境事件發(fā)送給云服務(wù)Agent，云服務(wù)Agent通過這種方式感知這些物理的和邏輯的環(huán)境實體的狀態(tài)。

3 云服務(wù)自適應(yīng)演化

3.1 自適應(yīng)演化模型

在如今動態(tài)變化的互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，云服務(wù)快速發(fā)展，為了適應(yīng)不斷改變的用戶需求及持續(xù)變化的云環(huán)境，云需要更加靈活、自適應(yīng)的來提供服務(wù)，結(jié)合前面提出動態(tài)環(huán)境感知框架，這里建立一個基于環(huán)境感知的云服務(wù)自適應(yīng)演化模型。

如圖2所示，其中環(huán)境感知器根據(jù)前面的環(huán)境信息感知方法，負(fù)責(zé)感知環(huán)境信息的變化，并以事件的方式觸發(fā)自適應(yīng)演化器進(jìn)行自適應(yīng)演化；自適應(yīng)演化器首先根據(jù)事件的類型，從自適應(yīng)演化策略庫選取合適的演化策略和演化規(guī)則，然后根據(jù)選定的策略和規(guī)則，實現(xiàn)云服務(wù)的自適應(yīng)演化，同時避免不正確行為的出現(xiàn)。

3.2 自適應(yīng)演化算法

3.3 自適應(yīng)演化的QoS評估

鑒于云服務(wù)的服務(wù)質(zhì)量評估缺少普遍的標(biāo)準(zhǔn)，本文根據(jù)文獻(xiàn)[4]中的制造云服務(wù)的QoS評價模型，給出一個適用于云服務(wù)的7維評價指標(biāo)，將QoS定義為一七元組，QoS=（時間（T），性能（P），可用性（Av），可靠性（Rel），可替代性（Fu），信譽(yù)（Rep），安全（S））?；谘莼繕?biāo)是時間盡量少，性能、可用性、可靠性盡量高，同時可替代性、信譽(yù)、安全滿足最低要求，將評估模型表達(dá)如下：

4 結(jié)束語

本文針對基于環(huán)境感知的云服務(wù)自適應(yīng)演化問題，借助Agent的自治性、協(xié)作性、智能性和自適應(yīng)性等特性，提出了一個Agent全局環(huán)境感知框架來解決自適應(yīng)演化對環(huán)境的感知，并對云服務(wù)環(huán)境進(jìn)行了定義和分類，設(shè)計并實現(xiàn)云服務(wù)自適應(yīng)演化模型和演化算法，解決了動態(tài)多變環(huán)境下，云服務(wù) 系統(tǒng)如何進(jìn)行升級更新、感知環(huán)境和自適應(yīng)演化等問題，最后根據(jù)QoS評價指標(biāo)給出了演化的評估模型。下一步工作中將繼續(xù)對評估模型進(jìn)行優(yōu)化，并結(jié)合狼群算法來提高演化的效率和準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 羅利民.云計算環(huán)境下基于QoS的服務(wù)自適應(yīng)演化研究[D].上海： 東華理工大學(xué)，2016.

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[3] 董孟高，毛新軍，郭毅，等.復(fù)雜自適應(yīng)多Agent系統(tǒng)的環(huán)境表示及感知[J].計算機(jī)研究與發(fā)展，2012，49（2）：402-412.

[4] 劉衛(wèi)寧，李一鳴，劉波.基于自適應(yīng)粒子群算法的制造云服務(wù)組合研究[J].計算機(jī)應(yīng)用，2012（10）：2869-2874，2878.