周桓[1]2001年在《移动环境中的Cache技术研究》文中进行了进一步梳理迅速发展的无线数字通讯网络和便携式计算设备引入了一种全新的移动计算范型。在移动计算系统中，人们可以通过手持设备随时随地访问信息，甚至在移动中访问信息。软件是推动移动计算的最主要因素。然而，移动性约束打破了传统的分布式系统对计算环境的假定，使得传统的数据访问技术和算法在性能和可用性等方面不能满足移动计算系统的要求。 Cache技术是提高数据访问性能的经典技术，已经在计算技术的多个方面得到了成功的应用。在移动计算环境中，由于设备和网络资源的限制，cache将发挥更加重要的作用。本文研究移动环境中的eache管理，着重解决其中的两个关键问题：自动数据收集和cache验证。 论文首先考察了支持断连操作的数据收集问题。断连操作是移动计算中一个具有挑战性的问题，集中体现了移动环境的约束。数据收集算法就是确定用户将来最有可能访问的数据集的算法，它是影响断连操作成功率的主要因素。我们提出了一种基于概率图的自动数据收集算法一PDH算法。和其它的自动数据算法相比，PDH算法不仅可以有效地提高cache命中率，还具有很低的计算和存储开销，尤其适用于存储空间小的手持设备，是一种非常实用的算法。 Cache验证算法的目的是确认客户本地缓存中的数据和服务器上的数据是否一致，以保证应用系统不会读到脏数据。为了解决传统的回调算法在移动计算环境中所面临的两个主要问题：可扩展性和客户断连，我们提出了一种基于client/agent/server结构的卷回调验证算法。代理可以分担服务器的负载，提高系统的可扩展性；卷回调可以增大验证的粒度，加速因客户断连而造成的重新验证过程。 在上述验证算法的基础上，本文还从以下两个方面分别对基本算法进行了扩充。首先我们针对Web访问应用考察了分组策略，提出了基于文件修改时间的动态卷调整机制。这种动态调整机制通过拆分和合并两个过程使得每个卷保持合适的大小，并且使得经常被修改的文件趋向于分配到同一个卷中。试验结果表明改进后的验证算法可以在保证数据强一致性的前提下极大地减少客户断连后造成的重新验证开销，在总体性能上已经接近只提供弱数据一致性保证的ATTL算法。 我们还考察了客户越区移动对基于client/agent/server结构的卷回调验证算法造成的影响，提出了支持客户移动的cache状态迁移协议一CSTP协议。CSTP协议允许同一个客户的cache状态分布在多个代理上，并利用伪代理来优化请求转发过程，从而同时具有注册过程快和对服务器完全透明的特点。我们利用模型检查工具形式化地验证了包含了CSTP协议的完整的cache验证算法的有效性。
牛新征[2]2008年在《移动对等网络若干关键技术的研究》文中指出人们对通过个人数字助理等设备实现资源的协作和共享等移动性的应用需求，为移动对等网络(即移动P2P网络)的学术研究和技术开发带来了新的机遇。本文系统地概述了移动P2P网络技术，包括研究背景、研究现状和关键技术研究分类，并从移动P2P网络的体系结构、协作激励机制、资源共享方案等关键技术的研究入手，深入研究了移动P2P网络计算技术。研究工作取得了如下创新性成果：(1)提出一种新的移动P2P路由策略路由策略是资源共享方案研究中最重要的部分。本文提出了一种新的采用有限洪泛路由查询和移动Agent路由查询相结合的路由发现策略。同时，提出了新的基于热度的蚁群寻路式路由选择算法，和综合考虑多个路由性能指标和解决路由错误的路由保持机制。本文提出的策略在控制消息的开销等方面具有优良性能。(2)路由信息的模糊知识处理算法基于上述路由策略，本文提出了一种从移动Agent所携带的模糊知识中分析和过滤出较准确和有价值路由数据的算法。该算法与目前的基于移动Agent的移动ad hoc网络路由算法相比，有效减小了平均端到端时延和路由开销等。对于因节点的移动等变化而引起的路由信息变化性、模糊性有较好的适应度。(3)提出了一种基于博弈论的协作激励机制针对移动节点的资源有限和部分节点具有自私行为的特点，本文提出了一种基于博弈论的协作激励机制。文中还详细描述和分析了协作激励机制中的网络资源分配策略，证明了该协作激励机制的博弈存在一个稳定的纳什均衡。该激励机制有效地激发了移动节点间的协作，提高了数据包转发率等。(4)移动节点间协作资源请求调度方案本文提出的请求调度方案既为协作资源的请求者设计了基于可靠性理论的协作资源请求预测算法，也为协作资源的提供者构建了基于排队论的层次型协作资源的请求执行调度模型。理论分析证明，预测算法提高了节点协作资源请求任务的执行成功率，层次型资源调度模型则提高了节点的协作共享资源的服务能力等。(5)提出了一种协作共享缓存-Cache资源即协作资源的优化策略为了合理高效地使用移动节点提供的协作共享缓存-Cache资源本身，本文提出了一种基于信息素的协作Cache资源替换算法，建立了选取适当存储空间作为协作Cache资源的数学模型和推导。该算法能有效提高协作Cache资源的使用率，并提高了移动节点从协作节点获得协作缓存-Cache资源的成功率等。论文根据可计算运输系统项目，进行了体系结构的设计以及实现了一种移动P2P网络实际应用的原型系统，并给出了关键模块和技术的具体设计等。
郭鹏[3]2006年在《数据广播中Cache替换算法的研究》文中研究说明在以网络为计算中心的时代,迅速发展的无线数字通讯网络和便携式计算设备引入了一种全新的移动计算范型。然而,移动性约束使得移动客户总是断连或者拥有一个较窄的向上传输带宽,以致移动计算无法适应数据敏感的应用环境。同时,嵌入式系统中节点的资源受限特性极大地影响着嵌入式应用的广泛推广,Cache替换算法是克服嵌入式系统节点存储资源受限局限性的重要技术之一,因此,研究数据广播中的cache替换算法具有较大的理论意义和实用价值。数据广播环境中,用户注意力的频繁转移使得简单的Cache管理算法(如LRU算法)不能满足移动环境数据缓存的需要。本文主要研究数据广播环境中基于代价的数据替换算法,它是一种考虑了数据访问概率和广播频率综合因素的Cache替换算法。文章介绍了两种实用的基于代价的Cache数据替换算法—基于访问记录的替换算法和带锁的循环淘汰PIX算法。前者是根据用户的访问历史来预测将来访问行为的算法,首先利用访问日志构造概率图,然后筛选出访问概率较小的一个数据集,并从此数据集中选择出广播概率最大的替换项。后者是适用列Cache的考虑PIX代价的FIFO算法,同时,为避免重要数据被替换,引入了带锁机制。同传统的LRU算法相比较,它们复杂度低在命中率和响应延时这两项性能指标上都有一定程度的提高,有效改善了系统的高性能和低功耗。基于访问记录的替换算法在命中率性能指标上的改进尤为显着,带锁的循环淘汰PIX算法简单实用,减少了复杂的硬件设计电路,有效降低了功耗。试验证明,这两种算法尤其适应于存储空间小的手持设备,是一种非常实用的算法。
赵宇[4]2010年在《全IP宽带移动P2P网络关键技术研究》文中提出为满足用户与日俱增的多媒体应用需求,移动网络向宽带化和IP化方向不断演进,但在演进过程中仍受到架构复杂、网络维护开销大等问题的困扰,而P2P因其结构扁平、性价比高已成为互联网中最具影响力的技术之一。因此,将P2P引入到以SAE/IMS为核心架构的全IP宽带移动网成为移动网络演进的重要方向。本文针对全IP宽带移动P2P(AIM-P2P)网络的关键技术进行研究,并给出相应的解决方案。主要成果如下:1.设计了一种AIM-P2P网络架构。研究了全IP宽带移动网络架构和P2P结构,确定混合式P2P结构最适合于在全IP宽带移动网络中布置。分析了全IP宽带移动网络中关键实体的特点,通过在分组数据网关(P-GW)中增加分布式用户服务器(DSS),设计了二维的覆盖网络,即P2P核心层。结合接入层和控制层构建了叁层结构的AIM-P2P网络架构,设计了P2P业务承载流程。理论分析表明,该架构具有较小的系统开销。2.基于AIM-P2P网络架构设计了一种门限自适应混合式搜索算法(AHSA)。针对互联网络中混合式判决参数不准确的问题,引入资源流行度和关键词流行度作为判决参数。利用改进的灰色关联方法分析代价指标以确定判决门限初始值,优化了算法选择的准确性。根据移动环境动态性较高的特点,提出了一种基于判决参数反馈的自适应门限机制。仿真实验表明,与经典混合式搜索算法相比,AHSA在搜索时延搜索准确度方面具有明显优势。3.提出了一种协作式Cache策略。针对P2P业务流量较大的特性,结合SAE中的P-GW Pool概念提出了一种Cache Pool机制。分析了资源流行度分布特点,设计了一种分块、分类型的协作式存储策略,提高了系统的容量和可靠性。分析了资源流行度变化趋势,结合资源流行度分布特点,定义了资源的叁种状态,提出了一种基于状态的内容替换策略。采用流模型分析了平稳状态下的下载时长,分析表明协作式Cache策略有效地缩短了下载时间,在一定程度上提高系统可靠性和有效性。
杜建军[5]2011年在《共享高速缓存多核处理器的关键技术研究》文中提出以VLSI为代表的现代半导体工艺技术单方面的进步已经很难满足微处理器性能发展的需求,促使微处理器体系结构出现了重大的革新,即以“横向扩展”为特征的多核处理器成为了主流发展方向。多核技术的出现使得微处理器的性能得到了显着的提高,同时对存储系统的设计与技术进步提出了更高的要求。高速缓存Cache一直是处理器内的核心部件,也是决定处理器系统性能的关键因素之一。处理器与主存间的速度差距在多核结构下更为突出,改善存储层的结构设计以及探索高效的管理调度技术以提高Cache资源效率便成了多核处理器研究领域中的一个热点。同时,为研究多核处理器技术而发展出的多核处理器系统模拟平台也正在不停地创新和发展中。所以本文围绕多核处理器体系结构、多核处理器模拟系统M5和Cache存储层的相关优化技术开展了深入的研究。首先分析各种典型多核处理器的体系结构。在基于Cache存储层结构的多核处理器分类研究中发现:采用共享缓存的多核处理器芯片CMP (Chip Multi Processor)结构具有资源利用率高、扩展性强、能耗低等优点,是目前多核处理器架构的主流发展趋势。所以本文选择共享高速缓存Cache的多核处理器CMP进行重点研究。然后,对多核处理器发展中高速缓存Cache存储层所出现的问题进行了分析与研究,主要包括多核结构采用的多级分布式Cache引发的存储一致性问题和采用基于总线监听的Snoop和基于目录的Directory一致性协议及Cache抖动现象、借鉴CFS(Completely Fair Scheduler)做出的资源公平调度、及多核处理器中Cache替换与调度策略研究的归纳总结,分析了Cache存储相关技术、扩展组索引ESC(Extended Set-index) Cache技术、非共享结构下的协同高速缓存CC(Corporative Cache)与动态溢出接收DSR(Dynamic Spill-Receive)缓存技术和新兴领域迭层存储结构3D-Stacked等。其次是在对多核结构和存储层体系研究的基础上,开展了对多核处理器性能评估模型的研究,提出了基于排队论和“执行-传送”关系而建立的存储层性能分析模型ETAM (Executing and Transport Analysis Model),构建了基于最新计算模型M5处理器模拟系统来实现的多核处理器CMP模拟实验平台。ETAM是针对单核处理器为分析不同存储资源特性建立的,通过在交叉访问、队列延迟等方面的扩展就能为多核处理器的设计与开发提供参考。通过采用基准测试程序集SPEC CUP2006对Linux环境中由M5-Alpha21264处理核心配置的多核处理器CMP的性能模拟以及基于M5源代码实现的Pseudo-LRU等高速缓存调度策略所做的实验测评结果分析,证明了采用模块化方法构建的M5模拟系统在进行多核处理器技术的研究中具有很强的可扩展性能和实用性能。再次,在研究多核芯片CMP结构中的“Dead Block”现象和Cache冲突的基础上,设计了伪线程独立的衍生插入与提升HPIP(Homologous Promotion & Insertion Policy) Cache调度策略。HPIP的提出是借鉴了最少使用位置插入策略LIP(LRU Insertion Policy)和双峰插入策略BIP(Bimodal Insertion Policy)的设计思想,采用动态计算和倾向最少使用位置LRU的插入方法来实现线程的相对独立性以减少冲突和缩短“零重用块”的驻留时间,同时采用线性和指数方法计算命中后的优先级位置变化情况以使替换逻辑的优先顺序更能准确反映近期数据块“命中”的访问情况。基于M5模拟系统进行实验表明:参数设置合理的HPIP,相对于传统LRU在系统吞吐量IPC (Instructions Per Circle)、共享Cache缺失率(Miss Rate)、加权加速比(Weighted Speedup)和调和公平性(Harmonic Fairness)等各项度量指标方面能有一定程度的改善和提高。最后,为探索多核共享Cache的自适应策略选择机制,在对不同进程Cache需求特征分类的基础上设计了自适应策略选择APE(Adaptive Policy Election)方案。针对整体性能监测的动态插入机制DIP(Dynamic Insertion Policy)存在采样粒度过粗和线程监测的TADIP(Thread-Aware DIP)机制又面临硬件实现难度太大的问题,APE首次提出了采用多核处理器芯片中固定的处理器内核数目作为Cache采样监测粒度的设计思路,在进行监测模块MRM(Miss Rate Monitor)逻辑结构详细设计的同时对专用监测竞争组SD(Set Dueling)数量和互补选择(Complement Select)方法进行了论证。APE的设计在适当调整监测粒度的同时能够极大地降低硬件的实现代价。通过M5系统对叁种设计方案的模拟实验发现:自适应策略选择机制在使CMP性能指标得到相应提高的同时存在着牺牲一定程度公平性的现象,需要进一步的研究与完善。
孙元超[6]2004年在《嵌入式移动数据库技术研究》文中指出嵌入式移动数据库是一门新兴的技术，是传统分布式数据库发展的一个重要分支。由于其特殊的运行环境。直接采用分布式数据库系统中的技术，显然会表现出不尽人意的性能，因此对嵌入式移动数据库技术进行研究已成为业界的热点。 嵌入式移动数据库一般位于可移动的嵌入式设备上，是整个移动数据库系统密不可分的一部分，它涉及的很多关键技术都不能孤立地来分析和研究，应该从整个系统的角度出发进行深入讨论。本论文从移动数据库系统模型着手，分析在整个系统中嵌入式移动数据库的作用。并针对客户端的移动性、客户端与网络的频繁断接性、网络条件多样性和网络通信非对称性等特点，深入分析和探讨了嵌入式移动数据库所涉及的各项关键技术。 本论文重点研究的是嵌入式移动数据库客户端Cache的管理策略，主要从替换策略、预取策略、数据不一致性问题叁个方面展开讨论。论文中关于移动设备Cache的管理是基于多盘广播的移动数据库系统运行环境的，该环境的特点是：客户机也不必向服务器发出请求就能源源不断地从广播中接收到期望的数据，因此不需存在上行信道，服务器会根据所有客户机访问请求的情况，对要广播的数据项进行冷热度排序调度，使不同的数据项具有不同的广播频度。 论文首先对Cache管理的替换策略进行了研究，分析了LRU、2Q两个经典替换算法的思想，并通过数学方法证明了多盘广播环境下最理想的Cache替换算法——PIX算法，通过对这些算法的讨论和研究，作者提出了一个在多盘广播环境下实际可行的较理想的替换算法——2QIX算法，该算法综合2Q算法和PIX算法的优点，既考虑了数据项的关联访问问题，同时又考虑了广播频率因子，通过数据项的历史访问记录估算出数据项的未来访问概率，通过实验证明，具有较好的运行特点。 其次，对Cache管理的预取策略进行了研究，首先分析了一个理想的预取策略，即PT算法。由于在广播环境下，客户机可以不断地从广播中接收到期望的数据项，因此，采用预取策略是一个很理想的方案。然而，PT算法有其实现上的局限性，对此，作者提出了一个可行的预取算法——EPT算法。该算法通过对数据项的历史访问请求记录来估计其未来的访问概率，使PT算法的实现成为可能，但由于该算法仍需要在每个广播单元的时间间隔内完成对Pt值的比较，因此，要求移动设备具有良好的计算能力。 再次，对Cache管理的数据不一致性问题进行了讨论，指出在应用环境中，数据不一致性问题存在的必然性和不可避免性。然后讨论了两个解决方案：置无效(Invalidation)嵌入式移动数据库技术研究摘要方法和传播更新值(Pr叩agation)方法。这两个传达更新通知的方法具有不同的特性，若能根据具体情况，把两个方法结合起来将是一个较理想的解决方案。 论文最后构建了移动数据库系统运行模型，实现了论文讨论的所有算法，并通过实验验证了各个算法的性能。论文的研究结果将对嵌入式移动数据库的应用具有一定的实际意义。
梁茹冰[7]2012年在《移动计算环境下语义缓存技术研究及应用》文中研究表明移动计算是计算技术与无线通信技术的融合，其核心目标在于屏蔽无线通信和移动环境，平滑实现资源访问和资源共享。当前，移动计算领域存在大量亟待解决的基础性问题，如弱连接问题、能量问题、切换问题、带宽问题等。固定网络和传统分布式系统的方法未能适应移动计算的方方面面。移动计算领域的相关研究是当前计算类科学研究的热点和重点之一。本文研究移动计算环境下的语义缓存技术，包括语义缓存一致性维护，缓存失效报告结构、协同缓存方法、移动代理技术、断接下近似查询算法、缓存在道路网K近邻查询中的应用等方面内容。希望通过对这些问题的探索和研究，为移动计算环境中语义缓存技术的研究提供有益的理论参考和技术路线。课题研究工作及主要学术贡献体现在以下5个方面：1.语义缓存一致性判断和粒度裁剪方法：提出在移动支持站点（MSS）中放置终端语义缓存备份的方法，包括扩展型语义缓存SMC-架构，MSS和移动终端中的缓存组织结构和MSS广播的缓存失效报告的组织结构。然后，论述了MSS中的各语义缓存项在状态上可以与服务方保持强一致性，并提出更新粒度细化的方法，详细阐述3种更新操作转化为等价更新序列，并插入更新队列的过程，从而达到将更新操作精确到元组级、减少缓存维护通信量的目标；实验表明，所提方法在压缩失效报告长度和减小网络通信量方面较传统方法有明显的改善。2.基于移动代理的语义缓存一致性维护方案：基于SMC-架构，在MSS上设计移动代理：MSSAg和MTAg，定义各代理结构和功能，提出无小区切换和有小区切换两种情况下移动代理实现缓存一致性维护的算法，以适应终端频繁移动的网络环境；在终端移动模拟方面，采用随机漫步模型，设计了小区位置坐标计算判定表，通过此表快速有效地计算下一小区坐标；实验表明，算法在缩减失效报告长度和降低网络通信量方面较其他算法有明显的改善，能够在断接、移动和切换情况下进行缓存一致性恢复，并且降低了数据通信开销和恢复时间开销。3.应用于移动计算环境中的协同语义缓存算法：分析并指出集中式或分布式的协同语义缓存结构均不适用于移动计算环境，进而给出一种适用的协同语义缓存结构。提出一种新的协同语义缓存算法，当移动终端提交查询请求时，先查询MSS，根据新查询描述与MSS中已存储的各终端历史查询数据的包含和相交情况，进行查询响应和查询裁剪，进而讨论了协同缓存的一致性维护方案；实验表明，所提出的算法可以提高缓存数据命中率，减少查询响应时间，从而节省了带宽资源，减轻了数据库服务器的负担。4.利用语义缓存进行近似查询的SQPID算法：重点解决断接查询问题。文中给出相关定义，描述构建综合相关语义缓存项的过程；从理论上分析证明了在满足缓存有效性的条件下，由综合相关语义缓存项导出的查询结果满足正确性的结论；分析了完备和不完备两种查询下近似结果的导出情况，进而给出SQPID算法的过程伪码以及算法的时间复杂度；实验表明，SQPID算法在处理断接查询时，判断相关语义缓存索引项条件简单，构建综合相关语义缓存步骤简洁，编程实现容易，算法性能良好。5.移动终端的K近邻查询算法及其应用：文中给出道路网和分区内数据对象的存储结构，用网格对分区进行细分，信息存储为顶点列表、对象列表和边列表；详细描述了KNN查询算法的执行过程，对于终端提交的位置相关连续查询请求，利用缓存技术设计算法CQ-KNN能够支持连续位置相关查询，并给出缓存一致性维护策略；实验表明，CQ-KNN算法较MKNN算法有更快的CPU处理速度和网络响应延时，并且支持移动终端的离线近似查询。
杨巍[8]2009年在《采用基树的磁盘阵列Cache技术研究》文中研究表明随着信息科学技术的高速发展,人们对海量信息存储的需求日益增长。CPU的处理速度和存储设备I/O处理速度之间的差距越来越大,为了弥补这种处理速度的差异,在磁盘阵列中加入Cache来缓存并管理数据,尽可能减少读写磁盘的开销,缩短I/O请求的响应时间,从而提高存储系统的I/O性能。如何合理地组织与管理Cache,使其发挥最大的效益,一直以来成为存储界研究的热门课题。合理的Cache组织和调度策略,是提高查找效率和命中率的关键。传统的基于哈希表的组织方式,存在碰撞问题,需要二次索引。采用基树组织Cache能够实现快速定位,缩短检索时间。在对众多Cache替换算法进行研究分析的基础上,选用了简单高效的最近最少使用替换算法(Least Recently Used,LRU),通过循环链表来分离读写Cache,并实现LRU调度策略。Cache的预取技术是指根据数据访问的规律性,将未来可能访问到的数据块预先存放到Cache中,以提高数据访问的命中率,缩短I/O响应时间。在网络存储环境中,系统通常要处理多个用户请求,根据局部性原理,每个用户请求很可能集中在各自的连续区域,采用基于基树节点的预取算法,对预取区域进行合理规划,提高预取数据的命中率,减少无用数据的预取,进一步提高了存储系统的性能。在SCSI目标端中间层SCST(SCSI Target mid-level)的基础上,综合使用多种Cache技术,设计并实现Cache的各个功能模块,并整合到iSCSI磁盘阵列的目标端驱动程序中。采用多种测试方法对加入Cache功能的磁盘阵列进行测试,结果表明,带有Cache功能的磁盘阵列的I/O性能在一定程度上得到提升。
付桂涛[9]2014年在《面向多核处理器的令牌一致性协议优化技术研究》文中认为多核体系结构是目前工业界和学术界的研究主流。多核体系结构的一个重要方面是Cache一致性协议设计,Cache一致性协议的优劣对系统的性能有重要影响。传统的Cache一致性协议包括监听协议和目录协议。监听协议依赖于共享总线,可扩展性差。目录一致性协议依赖于目录节点进行消息转发,Cache失效延迟大。令牌协议是一种Cache一致性设计的新思路。它以传递和收集令牌的方式实现请求操作,可在无序网络上实现,具有失效延迟低、扩展性相对较好等优点。本文针对多核处理器中令牌协议的优化问题展开研究,主要取得以下研究成果:1.提出了一种基于预测器降低令牌协议通信量的方法。令牌协议基于广播,但广播产生的大量无用消息浪费了很多网络带宽资源,制约了令牌协议的可扩展性。针对这一问题,本文提出了一种基于预测器降低令牌协议通信量的方法。根据应用程序的读/写失效的比例和令牌协议的自身特征,设计了叁种预测策略:Owner、Sharer和Hybrid。Owner策略旨在消除读失效引起的广播;Sharer策略用于避免写失效的广播;Hybird策略适合于读/写失效平衡,规模小的程序。试验结果表明:Owner、Sharer和Hybrid分别降低了3.3%、10.7%、7%的连接通信量。在端点通信量方面,Owner、Sharer和Hybrid分别降低了29%、28%、13%的控制类消息和26%、30%、15%的数据类消息。本文针对实际实现中,不同预测器的物理设计约束,分析了容量与协议通信量、失效延迟之间的关系,提出最优预测器的配置方案。2.提出了一种令牌协议的功耗模型。本文提出了一种基于广播的令牌协议功耗模型。该模型建模了广播请求消息产生的片上互连功耗、响应消息引起的访问私有L1 Cache的功耗、传输应答消息引起的片上互连功耗,涵盖了请求节点与目的节点间的距离、多核处理器的规模、目标节点保存数据的概率、以及预测器命中率和成功率等参数。基于此模型,定性分析了预测器命中率和成功率对协议功耗的影响。最后,本文利用GEMS模拟器评估了叁种预测策略对功耗的影响。实验结果显示:Owner、Sharer和Hybrid分别降低了21%、19.8%、18.8%的路由器功耗和2%、4.3%、2%的链路功耗。3.提出了一种基于代理目录的避免饿死机制。令牌协议中,由于瞬态请求缺乏顺序性,多个写瞬态请求竞争访问数据时将产生“饿死”现象;令牌“飞行”在传输链路上时的“不可用”现象也会导致请求被“饿死”。本文提出了一种基于代理目录的避免饿死机制。该机制结合了基于Token Tenure的令牌计数规则和基于代理目录的目录协议,分别通过令牌计数规则保证协议的多读单写规则和Token Tenure方法保证协议的前进,而且代理目录Dele Dir还可以降低访问延迟。本文评估了新型令牌协议Dele Dir-ALL的性能。实验结果表明:Dele Dir-ALL的执行速度比目录协议快11%,比基于广播的令牌协议速度快1.7%。在失效延迟方面,Dele Dir-ALL的平均失效延迟比目录协议低2.3%,比基于广播的令牌协议低1.9%。4.提出了一种面向令牌协议的共享数据迁移特征检测方法。基于写作废的协议中,具有迁移特征的访问意味着请求者产生两次请求,一次读请求和一次写请求,如果提前发现数据的迁移特征,就可以将两次通信合并为一次,进而降低协议的通信量。本文提出了共享数据迁移特征检测方法。通过在数据块引入标志位,记录最近一次写者LW、最近一次读者LR和最近一次操作类型Lop,并根据拥有者的令牌数量判断系统中数据共享副本的数量实现迁移特征的检测。本文在令牌协议中应用了该探测方法,通过增加MG状态实现了能在RRMP与MRMP之间自适应转换的一致性协议。实验结果表明:该检测方法以每个数据块13位标识位的硬件开销,降低了平均9%的端点通信量和7.8%的连接通信量,并且分别降低了7.5%的链路功耗和1%的路由器功耗。5.提出了一种面向令牌协议的共享数据生产消费特征检测方法。对于基于广播的令牌协议来说,如果消费者提前获知生产者位置,就可以减少读通信;如果生产者在更新数据时获知消费者的位置,可以减少写通信,进而减少协议的通信量。本文在迁移特征检测方法的基础上引入了消费者列表LC,配合最近一次写者LW和最近一次读者LR可判断数据的生产消费特征。如果数据块的两次写者相同,且两次写中间被其他节点读访问,则判断该数据块具有生产消费特征。实验结果显示:部分应用得到了理想的结果,如程序water-n的连接通信量降低了6%,端点通信量降低了7%。
张志勇[10]2017年在《基于非易失存储器的高效能移动计算关键技术研究》文中研究表明随着互联网的发展、移动通信技术的成熟以及分布式计算的普及,移动计算(Mobile Computing)逐渐融入到人们的生活中。通过移动计算技术,人们可以随时随地实现信息的交互与资源的共享。随着越来越多的智能设备参与到移动计算中,在可以预见的未来,移动计算将彻底改变人们的生活方式和生活习惯,具有极大的发展前景和发展空间。伴随移动计算技术的飞速发展,不断涌现的应用场景和应用需求对移动计算技术提出了新的挑战。其中,性能和能耗问题尤显突出,是困扰移动计算技术发展的两大难题。为应对日益复杂的计算任务,移动计算终端需要不断提高其性能以保证任务的正常执行。面对移动终端有限的电池容量,如何在保证任务完成的前提下尽可能多地降低能耗也是目前迫切需要解决的问题。此外,移动计算活动的正常进行不仅需要灵活的网络管理和控制,而且在计算规模越来越大的情况下,需要尽可能地保证消息的低延时传递。新型非易失存储器(Non-VolatileMemory,NVM)的出现,为以上问题的解决提供了改良和变革的契机。不同于传统静态随机存储器(Static Random Access Memory,SRAM)和动态随机存储器(Dynamic Random Access Memory,DRAM)的低功耗、非易失、高密度特性使其具有广阔的应用前景。低功耗特性可使移动终端日益增长的存储系统能耗获得改良;非易失特性消除了当前移动终端为保证数据一致性而导致的性能损失;高密度特性提高了存储系统的空间可扩展性,对有较大空间需求的场景具有较好的表现。然而,相比于传统存储器,非易失存储器还有许多难以回避的问题,诸如读写延迟较长、读写不均衡以及一般都具有写耐久的限制。因此,如何合理地利用非易失存储器解决当前以及未来移动计算中存在的问题,同时克服其固有的缺陷,是一个值得研究的重要问题。本文围绕新型非易失存储系统的设计与优化策略展开了研究,旨在解决阻碍高效能移动计算发展的诸多障碍。本文首先针对当前移动终端越来越高的能耗问题展开研究,利用NVM低功耗的特点对该问题进行了探索。将任务安排在NVM中执行尽管可以取得能耗的节省,但由于NVM相比于DRAM具有较低的性能,因此,将任务安排在NVM中执行将导致任务执行时间的增加。由于许多移动计算任务存在实时性约束,执行时间的增加将导致任务存在不能在其截止期(deadline)前完成的风险。为此,本文采用了一种混合NVM和DRAM的主存架构,该架构综合利用NVM低功耗与DRAM高性能的优势保证任务集在可调度的前提下,尽可能地将更多的任务安排在NVM中执行,以取得最大的能耗节省。针对非周期任务集,本文提出了一种非周期任务离线调度(Offline-Aperiodic)算法,而针对周期任务集,本文分别考虑了静态优先级调度策略和动态优先级调度策略,并以两种调度策略的代表性调度算法速率单调(Rate Monotonic,RM)调度算法和最早截止期优先(Earliest Deadline First,EDF)调度算法为例,提出了相应的 Offline-RM 和 Offline-EDF 离线调度算法。本文提出的离线调度算法为所有的任务预留了其最差情况执行时间(Worst-case Execution Time,WCET),以保证任务集的可调度性。实验表明,相比于传统DRAM主存架构的调度算法,本文提出的叁个面向混合主存的离线调度算法分别取得了 28.8%、25.69%和38%的平均能耗节省。由于任务的实际执行时间往往远小于任务的最差情况执行时间,因此,已完成的任务节省出来的空余时间(Slack time)可以进一步分配给未完成的任务,以使更多的任务可以安排在NVM中执行。为此,在离线调度算法的研究基础上,本文提出了能量感知的实时任务在线调度算法。对于非周期任务集,当任务执行完成时,我们对其产生的空余时间进行回收,并检查是否可以将更多的任务安排在NVM中执行。对于周期任务集,由于任务周期性到达,空余时间的分配可能会对后续的任务产生影响,同时,不同优先级任务的抢占行为进一步增加了任务集无法调度的风险。为此,针对RM调度算法,本文提出的在线调度算法针对最近的deadline进行空余时间的分配;而对于更加灵活的EDF算法,本文则从全局的角度对可用的空余时间进行管理,通过引入队列Ready-Oueue和Preempt-Queue避免了不安全的时间分配。为避免任务在不同存储介质间的迁移造成过多的开销,本文提出周期任务在线调度算法确保了每一个任务实例在其执行过程中最多迁移一次。实验表明,本文提出的实时任务在线调度算法相比于离线调度算法取得了进一步的能耗节省。此外,为应对日益复杂的计算任务,移动计算设备需要不断提高性能以保证任务的正常执行。然而,当前移动终端采用的日志文件系统却阻碍了系统性能的提升。随着数据的价值越来越大,为了保证数据可靠性,日志文件系统采用"日志"机制避免系统因意外崩溃而导致的状态不一致。日志机制在执行文件系统更新操作时,首先将要更新的数据写入外存的一块"日志区域",之后才执行真正的文件系统更新。当系统崩溃时,未完整提交的数据可以通过日志区域进行恢复。显然,日志机制造成了大量的额外写操作。产生该问题的根源在于当前基于DRAM的Buffer Cache是易失性的,系统崩溃时,正在操作中的数据会因系统断电而丢失。由于NVM是非易失的,在数据完全更新到文件系统之前,该数据会一直安全地存在于NVM中,从而避免了日志机制导致的额外I/O操作。因此,本文利用NVM和DRAM的混合Buffer Cache架构减少日志机制导致的性能损失。为了更好地利用该架构,本文提出了一个"日志感知的页面管理策略"(Joumaling-Aware Page Management,JAPM),该策略针对日志开销进行了优化,同时克服了NVM在写寿命和写速度方面的缺点。此外,针对该架构中同一个事务的数据可能会分布在不同存储介质上的情况,本文进一步提出了一个"部分就地提交"(Partial In-Place Commit,PIPC)的日志机制协调不同的日志提交方式以保证事务执行的原子性语义。实验表明,本文提出的策略在保证数据可靠性的前提下,有效地降低了文件系统的日志开销,提高了系统性能。高效能移动计算的实现一方面得益于移动终端能力的增强,而另一方面则依赖于灵活、高效的移动互联网络。在未来网络规模越来越大的情况下,不仅需要保持网络的灵活性、可控性,而且需要尽可能地减少网络的控制能耗,同时保证消息的高性能传递。随着越来越多的设备参与到移动计算中,当前的网络架构和通信设施在可控性和转发性能方面面临新的挑战。为此,本文提出了一个软件定义的移动计算架构,并对该架构中较高的控制开销问题进行了优化,同时针对移动计算中较高的移动性问题提出了相应的应对策略。新架构的引入实现了网络的灵活控制,但却进一步增加了传统转发设备的压力。由于当前交换设备一般采用TCAM(Ternary Content Addressable Memory,叁态内容寻址存储器)进行规则的快速匹配,而基于SRAM的TCAM无论是在存储容量还是功耗方面均远远满足不了当前及未来的需求。考虑到NVM高存储密度、低静态功耗的特点,本文提出了一个基于SRAM和NVM的混合TCAM架构。为更好地利用该架构,本文提出了一个面向混合TCAM架构的规则调度算法(Rule Scheduler for Hybrid TCAM,RSHT)。该算法将最常用的转发规则放在nvTCAM(NVM-based TCAM)中以提高混合TCAM的转发性能,同时将不常用的规则放在sTCAM(SRAM-based TCAM)中以减少对NVM的写操作、提高TCAM的更新效率。实验表明,该研究在保证移动计算网络灵活性的同时,有效地降低了网络的控制能耗,同时显着提高了传统通信设施的转发性能,为高效能移动计算的实现提供了可靠的保障。
参考文献：
[1]. 移动环境中的Cache技术研究[D]. 周桓. 中国科学院软件研究所. 2001
[2]. 移动对等网络若干关键技术的研究[D]. 牛新征. 电子科技大学. 2008
[3]. 数据广播中Cache替换算法的研究[D]. 郭鹏. 湖南大学. 2006
[4]. 全IP宽带移动P2P网络关键技术研究[D]. 赵宇. 解放军信息工程大学. 2010
[5]. 共享高速缓存多核处理器的关键技术研究[D]. 杜建军. 重庆大学. 2011
[6]. 嵌入式移动数据库技术研究[D]. 孙元超. 华东师范大学. 2004
[7]. 移动计算环境下语义缓存技术研究及应用[D]. 梁茹冰. 华南理工大学. 2012
[8]. 采用基树的磁盘阵列Cache技术研究[D]. 杨巍. 华中科技大学. 2009
[9]. 面向多核处理器的令牌一致性协议优化技术研究[D]. 付桂涛. 国防科学技术大学. 2014
[10]. 基于非易失存储器的高效能移动计算关键技术研究[D]. 张志勇. 山东大学. 2017
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