[发明专利]一种基于蚁群算法的云副本放置方案

摘要

本发明公开了一种基于蚁群算法的云副本放置方案，其特征是，包括如下步骤：1）确定副本放置模型；2）定义蚁群优化算法与副本放置结合；3）蚁群优化副本放置。这种方案能改进蚁群的信息素更新策略和结合拉普拉斯概率分布优化副本放置过程，最终实现副本的数量和位置的调整和优化。

主权项

1.一种基于蚁群算法的云副本放置方案，其特征是，包括如下步骤：1)确定副本放置模型：在云存储系统中，在副本被创建之后，用户需要对副本进行合理的放置以保证数据的访问的性能，系统会在一系列副本中选出最佳的副本进行放置，不同系统的副本放置的标准也会不同，当有符合系统要求多个副本需要放置时，通过统计不同文件的访问开销，首先对文件访问频率贡献大的副本进行放置，定义文件的访问频率为公式(1)：R表示整个系统中的副本的个数，file_r(f)表示高频率文件在副本r中频率的大小，用来表示文件在第t个时间周期内被请求访问的次数，文件所应放置的副本的数量为公式(2)：最后响应给请求的用户，副本放置中有以下两个关键的过程：(1)根据用户请求中给定的检索文件名，通过云存储系统的副本管理器查找该检索文件名对应的若干个副本位置信息集合；(2)在问题(1)的基础上，查找出的若干个副本信息集合后，利用相关副本放置策略再进行相关副本的放置；2)定义蚁群优化算法与副本放置结合：结合的3个原则为：(1)把蚂蚁觅食时行走的路径抽象成目标放置前选择的过程，把路径集合抽象成一个解空间；(2)蚂蚁移动过程中，会留下信息素，信息素会随着时间在较短路径上越来越浓，选择这条路的蚂蚁也会越来越多；(3)蚁群信息素的正反馈作用，使蚁群的行走路径逐渐变得统一，最终到达目的地，完成对目标的放置，此条路径便是目标放置的最优解；依据以上原则，则有把蚁群抽象成选择放置副本的检索文件RF(Retrieve Files，简称RF)，同时会为该文件创建和寻找相应的副本，把蚂蚁行走路径的集合抽象为副本对象的集合R＝{r₁,r₂,...r_n}，这样蚂蚁觅食的过程就变成了检索文件寻找相应副本并放置的过程；假设蚂蚁寻食行走的路径集合为P＝{p₁,p₂,...,p_n},这里n为蚂蚁的个数；觅食过程中所产生的信息素表示为集合Γ＝{τ₁,τ₂,...τ_n}，设置整个蚁群是一个可行解的解空间，整个蚁群表示为A，对副本的信息素值进行初始化如公式(3)：其中，replicasize指的是副本大小，readspeed指的是读取的速度，当副本被访问多次之后，信息素会相应的发生变化，信息素相应的属性值也需要调整，表达式为公式(4)：τ_i(t+1)＝ρ·τ_i(t)+Δτ_i(t)             (4)信息素挥发系数ρ的设定是否合理会影响蚁群的搜索能力和计算效率，引入动态改变ρ值的方法，使ρ能自适应的改变大小，从而保证算法的综合性能，现给出的调整策略如公式(5)、如公式(6)：ρ_a(t)＝1‑ln(t)/ln(t+c)            (5)其中c为常数，信息素挥发系数ρ控制在[ρ_min,ρ_max]，并对其取值为[0.2,0.8]，副本放置的概率公式定义如公式(7)：其中τ_j(t)指的是副本j在t时刻的信息素的浓度，η_j表示副本本身的固有属性，α和β分别分别指代副本当前的信息素启发因子和期望启发因子，如果α比β的值大，说明在节点选择中，信息素浓度的作用比副本固有属性的影响大，取α为3，β为1.5；引入了拉普拉斯概率分布的思想，在副本放置的过程中，先计算出转移概率最大的对象MaxP，再进行循环遍历，计算出副本放置对象的概率和最大概率MaxP之间的距离，选取最靠近MaxP的副本进行放置，可得公式(8)：P(i)＝[MaxP‑rand,MaxP+rand],i＝{1,2,...m}        (8)则第i个副本对象将会被选择放置；3)蚁群优化副本放置：云存储系统在受到副本文件RF的请求后，对信息素的副本依次进行放置，包括：(1)初始化副本信息素，客户端对系统提出访问请求，确定分布式文件系统的集群是否可用的；(2)统计周期T中的各个文件被访问的次数，根据式(1)计算副本文件RF的访问频率和存储的节点情况；(3)根据文件的热度情况设立热度阈值H_max、H_min，规定增加副本数量的临界值H_max和减少副本副本数量的临界值H_min；(4)确定副本的数量：将计算出的热度值与H_max、H_min进行比较，若大于H_max，则增加副本数，若小于H_min，则减少副本数，若在[H_min、H_max]区间内则保持副本数量不变；(5)若副本文件存储在远程节点，则依据改进蚁群策略进行副本的放置；(6)对副本对象进行概率匹配，据选择的概率根据公式(7)、(8)选出合适的副本；(7)选择出副本之后，数据传往终端，终端在获取副本之前，使用公式(5)减小副本信息值，降低被重复访问的概率，平衡节点负载；(8)若副本在本地进行存储，则直接读取本地副本，不必执行蚁群副本放置；(9)若副本的相关数据没有被读取成功，则跳转到步骤(2)进行下一个副本对象的读取；(10)当副本被读取成功的时候，判断是不是最后一个副本对象，如果是，则结束副本放置，如果不是，再次读取下一个副本对象，进行改进蚁群副本放置。