计算机体系结构是控制计算机系统复杂性、支持系统开发和复用的有效手段,自提出以来日益受到研究者和实践者的关注。格件计算模型是一种新型计算机系统体系结构及对应的软、硬件开发方法。格件课题组在此基础上设计的格件支撑环境屏蔽了经典程序设计和系统开发的细节,利用融合器抽象具体的实体功能,实现了多粒度、多模式融合器的共存和融合器间基于组合的松散耦合,提供系统级、可高效复用的软、硬件构造服务。利用云计算和大数据在信息通信技术领域的融合给格件支撑环境服务性能提升带来的机遇,研究格件系统性能进一步增强的方法,进而拓展其应用领域,对以体系结构为中心的系统开发研究具有重要的理论和现实意义。本文以格件支撑环境性能增强为主题,重点针对体系结构的动态形式化描述、系统的安全性和可用性三个方面,分别以形式化方法和仿真模拟为手段,深入研究了可视分层形式化方法描述体系结构,以帮助设计者优化和验证系统;提出了基于信息流调控的动态多级安全模型及安全访问控制解决方案,以提高系统的安全性;在增强系统可用性方面,利用一种基于多维模型的网络性能动态评价方法使系统感知外部网络环境;设计了自适应的服务节点负载预测方法和动态云资源调度应用架构,以实现格件资源的按需分配;采用一种基于资源等价优化能耗高效的云资源分配算法,优化了格件虚拟机资源的部署效率。本文的主要研究工作和创新点概括如下:(1)针对格件支撑环境的体系结构动态形式化描述问题,提出了一种可视分层形式化描述方法:以态射和函子为基础,利用有限状态机模型嵌入到离散事件系统中,来描述网络节点,通过将局部模型和态射组合在一起,依照满足一致性条件的变换规则组合系统,形成了图形化的复合抽象结构;利用层次图来描述网络拓扑结构的分层特性,经层次图双外推变换描述网络拓扑结构的迁移,降低了拓扑变换计算的复杂性。该方法利用精确的数学模型描述格件支撑环境的分布与并发特性,既能满足用户可视化的需求,又易于利用现有工具进行可视化的语言规约,进而验证模型各层次接口设计的一致性,修正不合理成分,提高系统的可靠性和开发的效率,为分布式系统开发提供了新的设计框架和可视化模拟方法。(2)针对格件撑环境系统安全性问题,从动态角度提出了一种基于信息流调控的机密性和完整性有机结合的多级安全模型:引入动态的实体安全标识方法,在假设主、客体的机密性和完整性标识是互相独立的前提下,根据客体的安全标识和主体的访问历史,通过安全转换规则动态调整主体的安全标识,提高了模型实际应用的兼容性;对该模型进行了基于信息流的形式化描述,并利用无干扰理论证明模型规则在实施过程中符合安全性要求,实现了对信息隐蔽通道的控制。在此基础上,设计了基于该模型的格件支撑环境云安全访问控制解决方案,通过访问控制来约束用户访问行为,从而达到对云服务器中不同敏感级别的信息进行分级隔离,使系统的安全访问控制具有相当的灵活性和实用性。(3)从系统感知外部网络环境、格件云资源按需分配和格件云资源高效部署等角度,提升格件支撑环境的系统可用性:a.将网络感知的技术与理论应用于网络管理,提出了一种基于多维模型、网络评价指标体系和模糊层次分析理论的网络性能动态评价方法,有利于格件网络管理人员多维度动态跟踪、定量分析和监控网络运行,提高了网络管理过程的可观测性和可预警性。b.结合多元线性回归预测和改进BP神经网络预测模型,设计了自适应混合云负载预测算法,并对云服务节点的负载进行预测,显著提高了预测精度及对不同特征负载数据的适应性。在此基础上,构建了动态云资源调度应用架构,为实现格件云资源按需分配、提高云服务器的资源利用率提供了很好的参考。c.提出了一种基于资源等价优化的能耗高效异构云资源分配算法,将云资源调度问题建模为约束满足问题(CSP)模型,在资源分配搜索时,对等价资源进行剪枝处理,与已有算法MinPM、DynamicPower相比,该算法可提高云资源部署的效率并降低云数据中心的能耗。这些研究结果为新一代格件支撑环境的设计提供了体系结构动态描述方法和安全访问控制方案,提升了格件支撑环境服务的可用性,为以计算机体系结构为中心的系统开发、实体运行提供了理论支撑与实现途径。