面向上下文质量控制的服务调度研究

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在普适计算的构想中,遍布于环境中的计算设施为用户提供无处不在的服务,而用户并不察觉服务和计算的存在。上下文感知计算(Context Aware Computing)通过收集与用户和环境相关的上下文信息,选择适时的、无干扰的服务行为,被认为是实现上述构想的关键。   任何上下文感知计算应用,都客观地存在对上下文信息质量的需求。但是有多方面的因素引起上下文质量动态变化,进而影响应用的服务质量。其中,上下文信息服务系统受成本、技术条件等限制,只能提供有限的资源用于上下文服务,因而不能始终满足应用对上下文质量的需求,称为影响上下文质量的资源因素。   为消除和缓解资源因素的影响,需要合理地组织上下文服务对有限资源的使用,从而有效控制上下文的质量,本文称之为“面向上下文质量控制的服务调度”。相关的研究有两种思路,其一是在确保上下文具有一定质量的前提下,尽量减少服务资源的使用;代表性的研究是以减少数据更新为目标的各种filter协议,已有丰富的研究成果。其二是在限定服务资源用量的前提下,保证和优化上下文的质量,实现手段为上下文服务的调度算法。本文的研究基于第二种思路,根据资源因素影响上下文的不同表现形式,分别设计不同的服务调度方案。   有限资源影响上下文质量的具体表现,是在消耗资源的上下文服务达到一定数量时,不能充分满足每项服务对上下文每个方面的质量需求——满足其中一部分,将导致另一部分不能满足——因此在上下文服务之间,以及上下文质量多方面需求之间产生各种形式的矛盾。在这些矛盾中,以下三类是常见和典型的。   1)多个上下文服务竞争同一资源的矛盾。服务的资源需求超过可用资源总量时,将有一部分服务不能按时按量完成;被竞争的资源通常是计算时间。   2)多种上下文质量属性对资源使用的矛盾需求。为保持上下文的新鲜度,需要服务执行时间足够短;为加强某些质量属性,又需要执行时间尽量长。   3)隐私保护需求与上下文质量需求的矛盾。出于降低隐私泄露风险的目的,需要降低上下文质量,这不仅影响上下文可用性,在一些应用领域还会增加后续上下文处理的资源消耗。   本文针对上述三类典型的矛盾,分别选取具体应用背景下的问题实例,明确其中需要满足的上下文质量指标,通过构造相应的服务调度方案,实现了对质量指标的控制(以及优化)。   1)在多个服务竞争同一资源的矛盾方面   选取一阶谓词表达的上下文信息的逻辑推理为应用背景,考察了大量上下文逻辑推理在有限资源上执行时,如何尽力保证上下文信息时效性(新鲜度)的问题。设计了一个软实时的一阶谓词逻辑推理器RTCR(Real-Time Context Reasoner),用于推理具有时效性的上下文。RTCR将逻辑推理过程分解为每个(需要推理的)高级上下文对应一个独立推理任务的形式,使用EDF(Earliest Deadline First)规则进行调度。同时还对RTCR中的高级上下文求值算法提出“赋值重用”和“赋值参考”两个改进方法,减少重复的推理计算。在模拟实验中,RTCR在推理任务来过载的情况下能够保证全部推理按时完成。实验也证实改进算法有效缩短了推理的平均执行时间。   2)在多种上下文质量属性对资源使用的矛盾需求方面   选取增量型上下文服务作为应用场景,研究了该类服务如何在保证上下文新鲜度的前提下,优化服务增量为用户提供的使用价值的问题。针对运行多项增量型上下文服务的系统,提出将每项服务任务分为必须完成的基本段和提供增量的延伸段,通过分析基本段的可调度性和延伸段价值(量化的用户体验)产出随时间变化的趋势,分别设计了针对两段任务的多个调度算法,在保证基本段按时完成的同时,优化延伸段提供的总价值。通过模拟实验验证了各个调度算法的有效性,比较了它们的性能,总结了各自适用的条件。   3)在隐私保护需求与上下文质量需求的矛盾方面   选取基于位置的服务(Location Based Service,LBS)中用于隐私保护的K-匿名服务为研究对象,分析了此类服务如何控制位置匿名引起的额外资源消耗,同时优化隐私保护强度的问题。提出以匿名结果集势作为度量匿名LBS服务资源消耗的QoS指标,从理论上分析了它与匿名度K的估算函数关系,并据此构造了相应的匿名度K的调节算法,间接地控制LBS资源消耗。模拟试验的结果与上述理论函数关系吻合得很好,并且证明所提出的匿名度K调节算法能够将匿名结果集势约束在给定值附近,实现了相应的QoS指标。
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