高可靠容错实时系统的支撑技术研究

随着实时计算技术的飞速发展，越来越多的安全关键应用依赖实时系统作为核心控制部件，实时系统成为影响安全关键应用性能和可靠性的决定性因素。显然，提高实时系统的可靠性与提高实时系统的性能具有同样重要的意义。随着硬件可靠性的大幅度提高，实时软件的可靠性成为限制系统可信性的瓶颈。容错，作为保障实时软件可靠性的重要技术，已经成为实时系统研究的热点问题。 本论文详细分析了系统可靠性的基本概念，影响系统可靠性的各种因素，系统地介绍了基本的可靠性保障技术。在此基础上，本论文系统、深入地研究了软件容错、容错实时调度的基本技术。通过上述研究，本文作者认为，以下问题制约软件容错技术在实时系统中的应用： 1．容错的引入以资源冗余为代价，将降低系统正常运行时的系统资源利用率。因此，改进实时调度算法，在保证容错所需资源的前提下，提高系统资源利用率是解决这一问题的主要手段。本文对当前这一领域的工作进行了详尽、系统的论述。我们发现，虽然当前这一领域的研究成果很多，但多集中在理论的探讨上，所获得的高资源利用率是以极高的算法复杂度为代价，实用性差。因此，研究和设计简单、实用的容错实时调度算法是容错实时系统应用需要解决的首要问题。 2．实时系统的软件容错结构的建立和管理在很大程度上增加系统的复杂度。在系统层构建和管理容错结构增加了系统的复杂度和开销，降低系统的运行效率和通用性，而且难以适应特定应用的需要；在应用层构建和管理容错结构极大地增加了实时应用设计人员的编程负担，并难以保证软件质量。因此，设计一种新的软件容错结构的构建和管理技术，在保持系统层精简、高效的基础上，减轻实时应用设计人员的编程负担，保证软件质量，提高软件可靠性，是容错实时系统应用需要解决的另一重要问题。 在分析容错实时系统面临的主要问题基础上，本论文对容错实时调度算法和实时系统容错软件的构造和管理进行了深入地研究，做出的主要贡献如下： 1．将非精确计算技术、资源回收技术与现有的实时调度算法相结合，提出了三种新的容错实时调度算法：IC-FT-RM、FTEDF和RR-FTEDF，其目的在于：在不降低算法的容错能力的前提下，提高系统的资源利用率和任务 摘要 吞吐量。本论文在理论上证明了卜述算法的正确性，并通过容错调度模拟试 验验证了算法有效性。 2 基于功能需求和非功能需求分离的原则，首次提出采用容错实时运行 库技术（编程中间件）构造和管理实时容错软件，简化实时应用程序的设计 和实现。本论文洋细分析了容错实时运行库与系统层和应用层间的相互关系， 并通过实例说明了容错实时运行库的实现方涪。 除上述工作外，本论文还对实时软件系统可靠的在线升级技术和实时系 统防危核技术进行了研究和探讨，并做出有益的贡献： l 提出一种支持实时控制系统在线升级的结构模型，在保证系统运行时 的可靠性和性能的同时，实现系统安全的升级，延长实时软件系统的使用寿 命，满足用户对系统功能和性能的不断提高的要求。文中详细分析了该模型 的结构及其组成部分的功能，并利用随机Petri网建立在线升级模型的性能和 可靠性评价模型。 二 首次提出了基于元对象的防危核的实现技术，通过面向对象的编程语 言的支持，使防危核具有开放式的结构，在保证防危核原有可靠性的基础上， 提高了与应用软件的交互能力，增加了防危核的可扩展性、灵活性和移植性。 目前，国内外研究机构对实时系统可靠性展开了及其广泛的研究，容错 是其中1分重要的研究领域。本论文对当前容错实时系统面；临的主要问题进 行了深入、系统的研究和实践，提出了新的容错实时调度算法和实时容错软 件的构造和管理方坛，为容错实时系统进一步的研究和应用提供了新的技术 和思路。