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1、基于蚁群算法的副本选择策略的研究王韶君(运河高等师范学校 计算机组)摘 要: 副本技术是数据网格中的关键技术。它能大大减少传输延迟，提高数据访问和处理的效率。分布着大量数据和计算能力的数据网格环境中,研究副本选择策略尤为重要。本文研究蚁群算法的原理同时分析了影响副本选择性能的主要因素，利用这些参考因素设计了基于蚁群算法的副本选择策略，并对这个新算法进行了分析和实现，经仿真平台实验，结果表明该算法可以减少数据访问延迟及带宽消耗, 并有效做到网格中存储节点间的负载平衡，提高数据的访问速度。关键词: 副本选择；蚁群算法；p2p；OptorSim中图分类号：TP393 文献标志码：DResearch
2、of ant algorithm to replica selection in p2pWANG Shaojun （Team of computer science&application, Yunhe Higher Nomal School）Abstract: Replica is the one of the most important key technique in data grid. They are able to reduce the delay of data transfer and improve the efficiency of data access and pr
3、ocessing. Replication of data is an important method to improve the availability of applications in distributed dataintensive Grid environment. how to choose the replicas is a key factor to that influence the performance of replica selection greatly. Within this paper, the strategy is analyzed and i
4、mplemented. Through using simulator, test results that this new ant algorithm can reduce data access latency, decrease bandwidth consumption and distribute storage site load, improve data access speed。Key words: replica selection; ant algorithm; p2p; OptorSim0 引言网格系统是一种无缝、集成的资源共享和协作环境。在网格系统中,需要将需求量大
5、的资源复制到多个站点上提供服务。副本选择是数据网格中非常重要的基础，即是从分布在网格中的众多副本中选择一个副本的过程。选择依靠很多因素，如数据的放置、数据的大小、网络的带宽和延迟、用户和服务器间的网络状态、副本所在节点的负载情况及磁盘I/O读取速度等。蚁群算法12的正反馈性和协同性、隐含的并行性使其适用于分布式系统，而其具有的可扩展性使其很适合于网络结构和副本动态改变的数据网格环境。本文提出的基于蚁群的副本优化选择算法针对大规模数据密集型网格环境, 既可以做到根据历史记录进行副本选择的预测, 又可以有效做到副本存储节点的负载动态平衡。1 基于蚁群算法的副本选择策略蚁群算法是利用与环境的动态交互
6、获得反馈信息调整自我, 以期逐步获得最佳解。蚁群算法已被广泛应用到许多最优化问题中, 如TSP 分配问题、网络路由、任务高度及着色问题。在数据网格中, 选择一个最佳副本同样是最优化问题, 因此基于蚁群算法的副本选择策略3在理论上具有其可行性。蚁群算法是一种智能优化仿生算法4，其显著特点为：其原理是一种正反馈机制或称增强型学习系统，它通过信息素的不断更新达到最终收敛于最优路径上。它是一种分布式的优化方法，不仅适合目前的串行计算机，而且适合未来的并行计算机。它是一种全局优化的方法，不仅可用于求解单目标优化问题，而且可用于求解多目标优化问题。它是一种启发式算法。1.1 数据副本选择的因素副本选择算法
7、的优劣很大程度上取决于对影响副本选择因素参数的选取。这些因素成为副本选择的主要依据, 主要包括以下几个方面:l 磁盘I/O 传输。 针对副本选择策略而言, 主要指磁盘读取时间。低的读取时间能降低数据副本的远程访问时间。l SE 的读取速度。针对副本选择策略而言，主要指磁盘读取时间。我们忽略存储方式不同所引起的时间上的差异，认为所有的文件存储格式都是相同的。除此以外，在存储格式相同的情况下，能影响数据读取速度的还有硬盘的转数，硬盘的转数不同，读取的速度自然不同。l CE的计算速度。它反映了CE处理任务的快慢程度。CE的处理速度对读取的影响不会很大，可以忽略这个特征值。l 网络状态。在进行副本选择
8、时, 通用的作法是选择最小延迟的链路进行数据访问。传输带宽决定了数据的传输速率, 因此网络中最大可用传输带宽可成为副本选择的一个依据, 并且平均传输带宽可以帮助预测对某一特定副本的访问情况。l 存储副本节点的负载情况: 如果许多个任务需要访问某一网格节点上的相同数据副本, 则该节点访问负载也是影响数据远程访问时间的重要因素之一。1.2 基于蚁群算法的副本选择方法当在数据网格中产生新的数据副本时，需要提供其网络带宽w、存储副本节点的负载完成率y、磁盘I/O读取速度n，以及副本响应时间d等基本参数，据此可以初始化该副本的各种信息素(每种信息素对应于一个基本参数)。其中，在初始化各种信息素之前，先定
9、义副本中各基本参数的阈值wmax = b0、smax = f0、jmin = r0、dmin = d0 并规定：如果副本的各参数值超过阈值，则统一以阈值进行后面的计算。然后应用以下公式对该副本进行初始化： 网络带宽w的信息素 存储副本节点的负载完成率s的信息素 磁盘I/O读取速度的r信息素 (1)副本响应预测时间的d信息素则副本参数包j的初始化总信息素为 (2)，其中、分别表示网络带宽信息素、存储副本节点的负载完成率信息素、磁盘I/O读取速度信息素以及副本响应时间信息素在该副本总信息素中所占的比重。在蚁群算法的基础上对蚁群算法进行改进, 设计出基于蚁群算法的副本选择策略。通过信息素Pherom
10、one对副本进行选择，信息素决定了数据副本的好坏。应用以下公式对该副本的信息素进行初始化: (3) 其中r代表对数据副本的读取速度；f表示副本文件的大小；Sj表示参数包的大小。当有新副本被创建, 某副本被删除, 部分副本被成功选取或失败返回时, 副本信息素都会随之改变: (4)其中是信息素改变量；表示信息素持久性(取0.8) , 表示信息素的挥发性。当一个副本被选择且对它进行远程访问时, 它的信息素会减小, 减小量 ( 在后文中以k代表) , 它意味着当副本已被某一任务所选择时,其信息素降低, 其它任务选择该副本的概率会减小。当对副本j进行远程访问成功时, , 其中是奖励因子(取值0.8)；当
11、副本j访问失败时, ,其中为惩罚因子( 取值1.1)。从这两个公式中可以看出, 某一副本的访问成功返回, 其信息素会增加。副本信息素改变时, 该副本被选择的概率随之改变, 选择概率公式定义如下: (5) 其中代表副本j的信息素浓度；表示该副本的固有属性,即副本j的初始信息素；和分别表示信息素和副本固有属性的重要性, 以这两个参数对副本动态变化的信息素和其固有属性的重要程度进行控制，两个参数分别取值0.5。因此, 选择概率由信息素和副本固有属性共同决定,是两者的权衡折衷。副本的选择过程依据以上概率公式进行, 但并不是概率最大的副本一定被选中, 原因在于还需要考虑副本所在节点的负载情况。因此采用随
12、机概率与选择概率进行匹配的方法。其匹配过程如下:假设符合要求且需要在其中进行选择的副本共有k个,每个副本被选择的概率分别为p(i) (iZ+,1ik) , 则令p(0)=0, ps(j) =p(0)+p(1) + +p(j) (jZ,0jk)。利用随机函数产生一个随机数rdm, 若ps(j-1)rdmps(j) , 则选择第j个副本，如：图1 图1 概率分配过程说明图 图2 Optorsim体系结构Figure 1 Probability distribution process description diagram Figure 2 OptorSim Architecture1.3 算法流
13、程基于上一节所讨论的公式及思想, 基于蚁群方法的副本选择算法过程如下:(1) 初始化过程: 利用信息素初始化公式, 即公式(3) 初始化各副本的信息素。(2) 根据客户需求从副本目录中查找出对应数据集的所有可用副本, 依据每个副本的选择概率来选择副本。具体做法如(3)-(6)所描述。(3) 利用选择概率公式, 即公式(5)算出选择每个副本的概率。(4) 概率匹配过程: 利用随机概率与上述概率进行匹配, 选择概率相匹配的副本。(5) 信息素更新过程: 利用副本被选择后副本信息素更新公式, 即公式(4) 对该副本信息素更新。根据选择结果, 与对应副本所在节点建立连接, 进行副本传输, 同时进行信息
14、素更新。若副本传输成功, 则利用奖励公式将该副本的信息素更新；若副本传输失败, 则利用惩罚公式将该副本的信息素更新。(6) 满足程度终止条件, 则算法结束, 否则转(4) 。基于蚁群算法的副本选择策略表述为：InitialiseLoop /* An iteration */Each ant is positioned on a starting node.Loop /* A step */Each ant applies a state transition rule to incrementallybuild a solution and a local pheromone updating
15、 ruleUntil all ants have built a complete solutionA global pheromone updating rule is appliedUntil End condition.2 仿真实验及结果分析2.1 仿真实验由于数据网格是一个高度动态的环境，因此在进行数据副本创建的时候，中间件应该处理数据副本的状态变化。特别地，在任务调度时，在选择用哪个副本来为任务服务的时候，即在进行副本选择的时候，网格优化服务应该避免做不可挽回的决定。因此在触发副本的创建和删除时，副本优化器非常重要，副本优化器被嵌入在副本管理器中，用来对副本的创建、删除以及选择进行优
16、化控制。算法在网格仿真模拟器OptorSim（如图2）中具体实现。该模拟器旨在研究动态数据副本策略。它提供了一系列副本创建及选择方法并就算法的性能给出仿真数据。其目的在于研究典型数据网格中的复杂动态特性及在数据网格环境中对副本优化算法的性能做出评价。在实验过程中，请求副本访问的客户端被随机地分布在网格中。来自各个独立客户端的请求以并行的方式执行。由于同一副本在某一特定时刻只能接受一个客户请求，如果多个客户同时请求相同副本，则必然存在一些客户端出现等待直到该副本可用为止。本文设计了三种情景就算法的运行结果进行评估。情景一：在数据网格中存在少量的副本；情景二：网格环境中存在许多副本，但几乎没有客户
17、端访问相同的副本；情景三：网格环境中存在大量副本，同时许多客户端请求相同的数据副本。在这三种情景下，均以副本的平均访问时间作为算法性能的评价指标。22 结果分析与讨论为得到基于蚁群方法的副本选择算法的执行效率, 将该算法的执行结果与OptorSim 仿真器中的SimpleOptimiser 算法进行对比分析。之所以与SimpleOptimiser 算法进行比较, 因为SimpleOptimiser 算法不进行副本的动态创建, 可以排除因副本创建所产生的对副本选择策略的影响；并且SimpleOptimiser 算法始终动态选择数据网格中访问代价最小的副本, 每个客户端请求均对数据网格中副本代价进
18、行评估, 选择总体访问代价最小者作为需要进行访问的副本。这种策略在多种其它副本选择算法中具有典型性。三种不同算法的副本平均访问时间情况如图所示: 图3 情景一中副本访问时间 图4 情景二中副本访问时间Figure 3 replica access time in 1 case Figure 4 replica access time in 2 case 图5 情景三中副本访问时间 Figure 5 replica access time in 3 case 从如上的结果图中可以发现：在情景一中两种算法的执行效果并没有太大差异，由于网格中副本数量较少，两种算法在每次选择时基本上选择相同的副本；但
19、随着网格中副本数量的增加，基于蚁群方法的选择算法逐渐显示其优越性，尤其在多个客户端请求相同副本的情况下。结果同时也证实了前文的理论分析，情景三中新算法性能最佳，因有效做到副本所在节点的负载平衡，从而使副本的平均访问时间减小。3 结论本文针对数据密集型的数据网格中副本选择的优化问题,提出了基于蚁群方法的副本选择算法。在网格仿真器OptorSim中对该算法进行了评估。通过扩展仿真器的相应模块进行仿真实验。实验数据显示该算法在数据密集型数据网格中具有良好性能, 能减少副本的平均时间, 降低网络的带宽消耗以及有效做到副本所在节点间的负载平衡。参考文献：1 DorigoM,Gambardells LM.
20、 Ant colonied for the traveling salesman problemJ。Biosystems, 1997,43(2):73-81.2 Naor Z, Levy H. LATS:a load- adaptive threshold scheme for tracking mobile users J. IEEE/ACM Transactions on Networking, 1999,7(6):808-817.3 Nan DS, YounC H. An efficient replication scheme for data grids C. Proceedings
21、 of the IEEE International Conference on Cluster Computing, 2004.4 HOMNAN, WATTANACHAI, BENJAPOLAKUL. The performance analysis for fuzzy inference system- based adaptive soft handoff thresholdsC/2004 IEEE Region 10 Conference. TENCON: IEEE Computer Society, 2004.5 DU Zhihui. Grid computing M. Beijin
22、g: Tsinghua University Press,2002.6 Krishnamurthy S, Sanders W H, Cukier M. Performance evaluation of a probabilistic replica selection algorithmC/Proceedings of the 5th international workshop on Software and performance, Spain, 2005.我的大学爱情观1、什么是大学爱情：大学是一个相对宽松，时间自由，自己支配的环境，也正因为这样，培植爱情之花最肥沃的土地。大学生恋爱一
23、直是大学校园的热门话题，恋爱和学业也就自然成为了大学生在校期间面对的两个主要问题。恋爱关系处理得好、正确，健康，可以成为学习和事业的催化剂，使人学习努力、成绩上升；恋爱关系处理的不当，不健康，可能分散精力、浪费时间、情绪波动、成绩下降。因此，大学生的恋爱观必须树立在健康之上，并且树立正确的恋爱观是十分有必要的。因此我从下面几方面谈谈自己的对大学爱情观。2、什么是健康的爱情：1) 尊重对方，不显示对爱情的占有欲，不把爱情放第一位，不痴情过分；2) 理解对方，互相关心，互相支持，互相鼓励，并以对方的幸福为自己的满足; 3) 是彼此独立的前提下结合；3、什么是不健康的爱情：1)盲目的约会，忽视了学业
24、;2)过于痴情，一味地要求对方表露爱的情怀，这种爱情常有病态的夸张;3)缺乏体贴怜爱之心，只表现自己强烈的占有欲;4)偏重于外表的追求;4、大学生处理两人的在爱情观需要三思：1. 不影响学习：大学恋爱可以说是一种必要的经历，学习是大学的基本和主要任务，这两者之间有错综复杂的关系，有的学生因为爱情，过分的忽视了学习，把感情放在第一位；学习的时候就认真的去学，不要去想爱情中的事，谈恋爱的时候用心去谈，也可以交流下学习，互相鼓励，共同进步。2. 有足够的精力：大学生活，说忙也会很忙，但说轻松也是相对会轻松的！大学生恋爱必须合理安排自身的精力，忙于学习的同时不能因为感情的事情分心，不能在学习期间，放弃
25、学习而去谈感情，把握合理的精力，分配好学习和感情。3、 有合理的时间；大学时间可以分为学习和生活时间，合理把握好学习时间和生活时间的“度”很重要；学习的时候，不能分配学习时间去安排两人的在一起的事情，应该以学习为第一；生活时间，两人可以相互谈谈恋爱，用心去谈，也可以交流下学习，互相鼓励，共同进步。5、大学生对爱情需要认识与理解，主要涉及到以下几个方面：（一） 明确学生的主要任务“放弃时间的人，时间也会放弃他。”大学时代是吸纳知识、增长才干的时期。作为当代大学生，要认识到现在的任务是学习学习做人、学习知识、学习为人民服务的本领。在校大学生要集中精力，投入到学习和社会实践中，而不是因把过多的精力、
26、时间用于谈情说爱浪费宝贵的青春年华。因此，明确自己的目标，规划自己的学习道路，合理分配好学习和恋爱的地位。（二） 树林正确的恋爱观提倡志同道合、有默契、相互喜欢的爱情：在恋人的选择上最重要的条件应该是志同道合，思想品德、事业理想和生活情趣等大体一致。摆正爱情与学习、事业的关系：大学生应该把学习、事业放在首位，摆正爱情与学习、事业的关系，不能把宝贵的大学时间，锻炼自身的时间都用于谈情说有爱而放松了学习。 相互理解、相互信任，是一份责任和奉献。爱情是奉献而不时索取，是拥有而不是占有。身边的人与事时刻为我们敲响警钟，不再让悲剧重演。生命只有一次，不会重来，大学生一定要树立正确的爱情观。（三） 发展健
27、康的恋爱行为 在当今大学校园，情侣成双入对已司空见惯。抑制大学生恋爱是不实际的，大学生一定要发展健康的恋爱行为。与恋人多谈谈学习与工作，把恋爱行为限制在社会规范内，不致越轨，要使爱情沿着健康的道路发展。正如马克思所说：“在我看来，真正的爱情是表现在恋人对他的偶像采取含蓄、谦恭甚至羞涩的态度，而绝不是表现在随意流露热情和过早的亲昵。”（四） 爱情不是一件跟风的事儿。很多大学生的爱情实际上是跟风的结果，是看到别人有了爱情，看到别人幸福的样子（注意，只是看上去很美），产生了羊群心理，也就花了大把的时间和精力去寻找爱情（五） 距离才是保持爱情之花常开不败的法宝。爱情到底需要花多少时间，这是一个很大的问
28、题。有的大学生爱情失败，不是因为男女双方在一起的时间太少，而是因为他们在一起的时间太多。相反，很多大学生恋爱成功，不是因为男女双方在一起的时间太少，而是因为他们准确地把握了在一起的时间的多少程度。（六） 爱情不是自我封闭的二人世界。很多人过分的活在两人世界，对身边的同学，身边好友渐渐的失去联系，失去了对话，生活中只有彼此两人；班级活动也不参加，社外活动也不参加，每天除了对方还是对方，这样不利于大学生健康发展，不仅影响学习，影响了自身交际和合作能力。总结：男女之间面对恋爱，首先要摆正好自己的心态，树立自尊、自爱、自强、自重应有的品格，千万不要盲目地追求爱，也不宜过急追求爱，要分清自己的条件是否成熟。要树立正确的恋爱观，明确大学的目的，以学习为第一；规划好大学计划，在不影响学习的条件下，要对恋爱认真，专一，相互鼓励，相互学习，共同进步；认真对待恋爱观，做健康的恋爱；总之，我们大学生要树立正确的恋爱观念，让大学的爱情成为青春记忆里最美的风景，而不是终身的遗憾！
