OpenMADS：分布式系统建模与分析的开源工具

# OpenMADS：分布式系统建模与分析的开源工具 ## 1. 引言 近年来，云计算和网格计算等分布式系统在功能、规模和复杂性方面显著增长。这种快速发展使系统能提供广泛服务、增加用户数量，但也因高复杂性和强耦合组件导致系统故障增多。因此，对这类计算系统进行建模和评估是分布式系统设计过程中的重要步骤。 分析模型如马尔可夫链和随机 Petri 网对研究各类系统很有用，但对于缺乏随机建模专业知识的设计师来说并不容易使用。一个重要且具有挑战性的问题是让设计师能够开发代表分布式系统配置和行为的分析模型。为解决这一问题，我们提倡使用系统建模语言（SysML）和 MARTE（用于实时和嵌入式系统建模与分析的 UML 配置文件）来生成确定性和随机 Petri 网（DSPNs）。 SysML 用于各种工程设计目的，支持更友好和直观的符号方法，但它本身不提供定量符号支持。而定量符号在对分布式系统的性能/可用性概念进行建模时尤为重要。因此，我们采用 SysML 和 MARTE 注释的组合来完成分布式系统的设计。不过，SysML 图和 DSPNs 的组合需要一个合适的工具才能实际应用。 虽然有一些支持 SysML 图使用的商业和开源工具，以及许多支持分析模型评估的工具，还有一些支持半形式化模型和分析模型集成使用的工具，但据我们所知，还没有工具允许将 SysML 图、MARTE 注释和 DSPNs 集成用于分布式系统的建模和分析。 ## 2. OpenMADS 概述 OpenMADS 是一个用于分布式系统建模和分析的开源工具，考虑了可靠性方面。它扩展并实现了我们之前工作中的功能，允许使用 SysML 图设计分布式系统，并根据 MARTE 配置文件进行注释，然后自动将其转换为 DSPNs。之后可以对模型进行评估，以计算一组可用性指标，如系统稳态可用性和停机时间。 ### 2.1 OpenMADS 的功能 设计师可以使用 OpenMADS 完成以下操作： 1. 使用 SysML 图和 MARTE 注释设计系统基础设施。 2. 通过翻译过程生成可用性模型。 3. 研究不同的分布式系统基础设施，例如选择符合预算或满足给定服务级别协议（SLA）的服务基础设施。 ### 2.2 OpenMADS 的界面 OpenMADS 的图形用户界面（GUI）完全用 Java 编写，可在 Unix 和 Windows 环境中运行。它由三部分组成： - 菜单栏（顶部）：包含文件处理、编辑和其他特定于模型的命令。 - 绘图区域（底部）：显示当前模型。 - SysML 和 MARTE 注释栏或随机 Petri 网栏（中间）：包含当前 SysML 图或随机 Petri 网模型可用的模型元素。 ### 2.3 OpenMADS 的主要功能模块 - **SysML 和 MARTE 编辑器**：设计师可以使用 OpenMADS 的绘图区域为分布式系统配置和维护操作构建模型。它支持三种 SysML 图：内部块图（SysML - IBD）、状态机图（SysML - STM）和活动图（SysML - AD）。 - SysML - IBD 用于描述分布式系统的静态系统配置，如逻辑功能、过程结构、硬件及其冗余。 - SysML - STM 描述特定系统元素的状态转换，例如服务器的故障 - 恢复行为。 - SysML - AD 描述可能影响系统状态的管理操作的流程，如备份、服务器重启等。 - OpenMADS 还提供 MARTE 注释，可分配给状态和转换，但仅提供了 MARTE 注释的一个子集，使用了刻板印象 PAStep 和标记值 HostDemand。 - **DSPN 编辑器和模拟器**：对于 DSPN 模型，OpenMADS 允许使用模拟技术进行可靠性评估，如瞬态和稳态模拟。通过瞬态模拟可获得与时间相关的指标，而稳态模拟可得到稳态指标。 - **ASTRO - Mercury 和 TimeNET 集成**：为了允许对 DSPNs 进行各种分析和模拟，考虑不同的精度级别，OpenMADS 集成了 ASTRO - Mercury 和 TimeNET 工具，允许设计师为这些工具生成输入文件。 ### 2.4 OpenMADS 的软件架构 ```mermaid graph LR classDef process fil ```