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• 2016年, 第12期　刊出日期：2016-12-25 上一期    下一期
  本期栏目： 论文

论文

2016年中国高性能计算机发展现状分析

袁国兴1，姚继锋2

2016, 38(12): 2375-2380. doi:

摘要 ( 148 )   PDF (971KB) ( 453 )   　　 评审附件

根据2016年10月发布的中国高性能计算机性能TOP100排行榜的数据，对国内高性能计算机的发展现状从总体性能、制造商、行业领域、部署机构等方面进行了讨论分析，同时对未来发展进行了展望。

 

基于预取和缓存原理的片上Flash加速控制器设计

蒋进松1,黄凯1，陈辰2，王钰博3，严晓浪1

2016, 38(12): 2381-2391. doi:

摘要 ( 182 )   PDF (2075KB) ( 402 )   　　 评审附件

为了提高片上Flash在嵌入式应用中的读取速度，提出了一种基于预取和缓存原理的片上Flash加速控制器。该控制器包括预取缓存和高速缓存两种加速方案。其中预取缓存方案采用位宽扩展和预取技术加速顺序指令的读取，并采用分支缓存存储非顺序指令，降低由非顺序指令造成的预取缺失代价；而高速缓存方案采用组相联和路预测技术，提高指令重用率，减少Flash访问次数，降低系统功耗。针对不同的应用场景，两种加速方案既可通过寄存器来静态切换，也可通过软件流程来自适应动态切换，从而获得最佳的读取速度提升。多项基准程序的测试结果表明了所提出的片上Flash加速控制器在性能和功耗优化上的可行性和高效性。

一种路由交换阵列节点芯片及其系统的设计与实现

秦济龙1，李庆华2，王恩东1，公维锋1，张峰1，牛赟3，乌力吉3，张向民3

2016, 38(12): 2392-2401. doi:

摘要 ( 135 )   PDF (1248KB) ( 302 )   　　 评审附件

介绍一种面向大数据处理数据中心应用的计算/控制/网络存储的路由交换阵列节点芯片及其所组成的安全交换阵列原型机的设计与实现；该路由交换阵列系统通过因特网远程使用软件定义网络（SDN）方式对高速安全交换网络的内部路由控制和安全等模块进行集中编程控制，满足数据中心对数据传输带宽容量的需求；同时并行计算过程中消除网络传输瓶颈,避免了数据中心网络等资源的长期占用浪费，为下一代数据中心解决方案的形成打下基础。另外还简述了其在金融交易系统领域大数据应用尝试的研究近况。

 

一种云存储环境下保障数据机密性的方法

任静思1,2，王劲林1，陈晓1，叶晓舟1

2016, 38(12): 2402-2408. doi:

摘要 ( 119 )   PDF (799KB) ( 331 )   　　 评审附件

为保证用户数据的机密性，业界普遍将数据加密后存储在云端。提出了一种云存储系统中保障数据机密性的方法，其特点有：(1)加解密系统部署于云存储服务器的前端，在客户端和云存储服务器之间对用户数据进行加解密;(2)对用户数据的加解密是实时进行的，在数据上传的传输过程中进行加密，在数据下载的传输过程中进行解密;(3)加解密系统对用户端和云服务器端是透明的。当前广泛使用的基于HTTP协议传输的云存储系统如Amazon S3、OpenStack Swift等可以直接使用该方法。测试结果表明：本方法在不降低数据传输吞吐率的基础上，能有效卸载云存储系统的数据加解密负担。

 

面向Storm的数据流编程模型与编译优化方法研究

杨秋吉，于俊清，莫斌生，何云峰

2016, 38(12): 2409-2418. doi:

摘要 ( 142 )   PDF (1045KB) ( 349 )   　　 评审附件

数据流编程模型将程序的计算与通信分离，暴露了应用程序潜在的并行性并简化了编程难度。分布式计算框架利用廉价PC构建多核集群解决了大规模并行计算问题，但多核集群层次性存储结构和处理单元对数据流程序的性能提出了新的挑战。针对数据流程序在分布式架构下所面临的问题，设计并实现了数据流编程模型和分布式计算框架的结合——在COStream的基础上提出了面向Storm的编译优化框架。框架包括两个模块：面向Storm的层次性任务划分与调度，以及面向Storm的层次性软件流水与代码生成。层次性任务划分利用Storm的任务调度机制将程序所有子任务分配到Storm集群节点内的多核上。层次性软件流水与代码生成将子任务构造成集群节点间的软件流水和节点内多核间的软件流水，并生成相应的目标代码。实验以多核集群为目标平台，在集群上搭建Storm分布式架构，选取数字媒体处理领域典型程序作为测试程序，对面向Storm的编译优化后的程序进行实验分析。实验结果表明了结合方法的有效性。

云计算中能耗和性能感知的虚拟机优化部署算法

房丙午1,2,黄志球1

2016, 38(12): 2419-2424. doi:

摘要 ( 111 )   PDF (457KB) ( 443 )   　　 评审附件

优化虚拟机部署是数据中心降低能耗的一个重要方法。目前大多数虚拟机部署算法都明显地降低了能耗，但过度虚拟机整合和迁移引起了系统性能较大的退化。针对该问题，首先构建虚拟机优化部署模型。然后提出一种二阶段迭代启发式算法来求解该模型，第一阶段是基于首次适应下降装箱算法，提出一种虚拟机优化部署算法，目标是最小化主机数；第二阶段是提出了一种虚拟机在线迁移选择算法，目标是最小化待迁移虚拟机数。实验结果表明，该算法能够有效地降低能耗，具有较低的服务等级协定（SLA）违背率和较好的时间性能。

基于局部收敛权阵进化的BP神经网络MapReduce训练

陈旺虎，俞茂义，马生俊，李金溶，郏文博

2016, 38(12): 2425-2433. doi:

摘要 ( 132 )   PDF (614KB) ( 363 )   　　 评审附件

为提高大样本集情况下BP神经网络的训练效率，提出了一种基于局部收敛权阵进化的BP神经网络MapReduce训练方法，以各Map任务基于其输入数据分片训练产生的局部收敛权阵作为初始种群，在Reduce任务中通过种群进化，选取适应度最高的权阵作为Map任务下一轮训练的初始权阵，直至该权阵对所有输入数据分片收敛。实验结果表明，与现有方法相比，该方法可有效避免MapReduce训练BP神经网络时容易陷入局部收敛的问题，并大大减少训练时间。


 

MRI：面向并行迭代的MapReduce模型

马志强,张力，杨双涛

2016, 38(12): 2434-2441. doi:

摘要 ( 103 )   PDF (843KB) ( 278 )   　　 评审附件

机器学习领域内的多数模型均需要通过迭代计算以求解其最优参数，而MapReduce模型在迭代计算中的缺陷不足导致其在迭代计算中无法得到广泛应用。为解决上述矛盾，基于MapReduce模型提出并实现了一种可用于模型参数求解的并行迭代模型MRI。MRI模型在保持Map以及Reduce阶段的基础上，新增了Iterate阶段以及相关通信协议，实现了迭代过程中模型参数的更新、分发与迭代控制；通过对MapReduce状态机进行增强，实现了节点任务的重用，避免了迭代过程中节点任务重复创建、初始化以及回收带来的性能开销；在任务节点实现了数据缓存，保障了数据的本地性，并在Map节点增加了基于内存的块缓存机制，进一步提高训练集加载效率，以提高整体迭代效率。基于梯度下降算法的实验结果表明：MRI模型在并行迭代计算方面性能优于MapReduce模型。

跨媒体组合方法研究

张际博,薛锦云,汪雄,夏鲸,熊小舟

2016, 38(12): 2442-2449. doi:

摘要 ( 116 )   PDF (845KB) ( 334 )   　　 评审附件

大数据时代以多媒体计算为基础的跨媒体计算技术已成为信息技术研究的热点。但是，对跨媒体的获取、组合和应用仍缺乏有效的方法。提出了两种跨媒体组合方法。以开发跨媒体在线二叉树遍历课程为例。第一种方法以Web服务的模式，引用多种类型多媒体数据，将其以服务组合的方式进行拼接，从而构成跨媒体服务。第二种方法是基于本实验室团队自主研发的PAR平台中的“New SQL”技术与Apla语言程序，使用PAR平台的多媒体数据库技术实现对跨媒体数据的存储和检索，进而构成Apla语言程序，实现部署在云端的多媒体服务，有效地解决了跨媒体的组合与存储问题。

一种面向海量遥感数据分类应用的并行解决方案

翟皓1，袁占良1，黄祥志2,3，臧文乾2，张周威2，周珂2,4

2016, 38(12): 2450-2455. doi:

摘要 ( 126 )   PDF (877KB) ( 291 )   　　 评审附件

目前，遥感数据量呈海量增长趋势。如何在大数据环境下进行快速影像分类及信息挖掘，提升处理的业务化水平，是一个重要的研究方向。鉴于此，实现了一种高效的解决方案。首先，基于“五层十五级”数据结构，对以景为单位的影像进行离散化处理，建立以切片为单元的数据组织体系。其次，借助大数据云存储技术实现切片的集群分布式存储。其次采用了基于像元和对象的高效监督分类算法，并依据计算处理需求对集群环境下的并行架构和驱动机制进行适应性设计。最终，实现了该解决方案并以高分2号多光谱切片进行实验。结果表明：该方案在保证精度的前提下提高了分类处理的效率。

 

iSCSI网络存储系统中加密方法研究与设计

孟祥辉1,2，曾学文2，陈晓2，叶晓舟2

2016, 38(12): 2456-2462. doi:

摘要 ( 215 )   PDF (941KB) ( 270 )   　　 评审附件

由于iSCSI协议不提供安全服务，大部分网络存储也不具备加密功能，提出了一种面向iSCSI的实时加密模块，使得网络存储系统加载该模块后，能够为用户提供透明实时的数据安全服务。为iSCSI target设计了加密写和解密读流程，加解密模块相对原网络存储系统独立，不用更改系统内核，而iSCSI initiator不会感知加密操作的存在，基于标准iSCSI协议的客户端可直接使用。此外，利用多核网络处理器的加密协处理器，来优化读写性能。实验结果显示，系统并没有因为加密模块的引入而导致严重的性能损失，性能令人满意。

#br# CVSS环境指标变量对系统安全的影响研究

周诗洋,傅鹂

2016, 38(12): 2463-2470. doi:

摘要 ( 143 )   PDF (733KB) ( 271 )   　　 评审附件

通用漏洞评分体系（CVSS）分三个层次对漏洞的威胁进行评估，特定系统的安全性反映在最终的环境分层面上。在CVSS的三组指标变量中，仅环境指标变量取决于特定组织机构、特定系统，难以自动获取，是用户实施安全风险管理和控制策略中关键的和最困难的环节。在分析CVSS计算方法基础上，研究环境指标变量对最终CVSS总分的影响，给出了环境指标向量对CVSS环境分影响的总体估计式，同时给出了环境向量各分量单独影响的估计式。实验表明，本文在CVSS环境指标变量的总体影响和分项指标影响两方面，实现了精度提升，进入了实际标准完全可接受的范围。

多层次P2P流量分类方法研究

陈源，林海涛

2016, 38(12): 2471-2477. doi:

摘要 ( 135 )   PDF (596KB) ( 305 )   　　 评审附件

P2P网络流量分类对网络管理和网络安全有着十分重要的意义，由于目前P2P流量多样化的发展，传统单一的P2P流量分类方法很难对其准确分类。通过分析现阶段P2P流量分类方法的现状，结合现有P2P流量分类方法的优点，提出了多层次P2P流量分类方法，该方法由四个P2P流量分类模块组成，模块间采用分工协作及反馈机制来提升P2P流量分类的效果。实验表明该方法可以有效提升P2P流量分类准确率和效率。

 

网口容错在嵌入式设备中的设计与实现

樊皓1,2，邓浩江1，陈君1，李明哲1,2

2016, 38(12): 2478-2482. doi:

摘要 ( 93 )   PDF (665KB) ( 295 )   　　 评审附件

针对嵌入式网络设备的服务可靠性问题，现有的网口容错主要采用双网卡冗余设计，研究针对单网卡多网口的情况，提出了一种网口容错方法，该方法能有效利用系统带宽资源。提出的网口容错方法包括一种网口状态检测机制和故障网口服务数据迁移方法，并设计了相应的功能模块。故障检测模块实现基于Loopback的检测方法，容错处理模块则实现在检测到故障后，可将故障网口的服务负载数据根据迁移策略迁移到其余正常网口。所提出的方法实现了对网口工作状态的快速检测和负载数据的有效容错。该方法具有应用无关性、资源占用率低的特点，通过测试验证了该方法的可行性。

 

构造给定k错线性复杂度谱的2n周期序列

毕松松,戴小平,周建钦,王喜凤

2016, 38(12): 2483-2492. doi:

摘要 ( 157 )   PDF (470KB) ( 284 )   　　 评审附件

k错线性复杂度是度量序列密码安全性的重要指标之一。基于方体理论和GamesChan算法的逆向推导提出构造方法，构造了具有给定k错线性复杂度谱的2n周期序列。首先使用标准方体分解算法对k错线性复杂度具有第一下降点k=2、第二下降点k′=6、第三下降点k″=10的2n周期序列进行分类,再讨论每一类序列下降点线性复杂度参数之间的关系,最后给出每种参数关系下序列的计数公式以及构造过程。事实上,所使用的方法可以用于构造具有更多下降点的2n周期序列。

WSN中基于最小信号强度和的APIT定位算法

冀常鹏1，高亮1，丰竹松2

2016, 38(12): 2493-2498. doi:

摘要 ( 144 )   PDF (754KB) ( 239 )   　　 评审附件

针对传统APIT算法存在边界效应的问题，提出了一种基于最小信号强度和的新的三角形内点测试算法NAPIT。该算法首先在锚节点组成的三角形中找到一点，使得该点收到三个锚节点的信号强度之和最小；然后将最小值作为阈值来判定有效三角形；最后利用网格扫描算法来确定未知节点的坐标位置。仿真结果表明，NAPIT算法能够在一定程度上减少InToOut Error和OutToIn Error的发生次数，有效提高了节点定位精度，并且很大程度地提升了节点定位覆盖率。


 

一种多维度的O2O电子商务声誉计算模型

朱文强，钟元生

2016, 38(12): 2499-2506. doi:

摘要 ( 131 )   PDF (796KB) ( 319 )   　　 评审附件

移动通信技术与可信支付技术的成熟，使得近年来O2O商务飞速发展。声誉管理是交易双方建立信任关系的坚实基础，但目前针对O2O商务特点的声誉研究却几近于无，已有的P2P、B2C、C2C商务的声誉研究又无法反映O2O商务模式的特点，不适用于O2O商家的声誉计算。针对这些问题，提出了一种新的O2O商家声誉计算模型ESRep。模型根据O2O本地服务业的特点进行多维度思考，对商家的运营时间、客流量等因素进行分析，同时也考虑客户的评价、交易价格偏离度、交易双方空间距离等因素，充分体现了O2O商务线上和线下的特点。仿真结果表明，模型能够有效反映O2O商家的真实声誉，降低恶意节点的评价作用，遏制节点的声誉共谋行为。对比实验表明该模型具有良好的性能和精度。

 

基于竞争窗口递减因子自适应调整退避算法

张长森，陈鹏鹏

2016, 38(12): 2507-2513. doi:

摘要 ( 146 )   PDF (785KB) ( 313 )   　　 评审附件

包括IEEE802.11、802.15.4标准在内的许多无线网络协议都采用二进制指数退避机制管理数据的重发。在动态分布式的网络环境中，二进制指数退避算法固定的竞争窗口递减方式难以适应动态变化的网络规模。针对这一问题，提出了一种改进的回退机制，该机制通过引入竞争窗口递减因子，自适应地调整无线节点的等待时间，以实现网络吞吐量的最大化。同时，在算法实现上提出一种启发式算法以跟踪网络中竞争节点数量的改变。在IEEE 802.11 DCF协议中以相同的物理层参数进行仿真，结果表明改进算法提高了网络吞吐量，降低了分组平均接入时延。

语言竞争社会仿真模型与计算实验

曾振华1，毕贵红2，张寿明1，蔡子龙2

2016, 38(12): 2514-2528. doi:

摘要 ( 133 )   PDF (1673KB) ( 271 )   　　 评审附件

语言竞争传播演化现象是典型的不能假设、无法进行“真实性实验”的社会科学问题，而建立在社会仿真模型基础上的计算实验是可行的方案。利用基于Agent的社会圈子网络理论并引入语言的内部词汇结构给出一种新的动态微观语言竞争社会仿真模型，其能反映语言内部结构演化涌现宏观语言态势的机制。计算实验表明：无干预调控情况下，语言共存的参数空间范围很小，很难达到共存状态，但在合适的时间窗口实施动态的调控政策可以让语言共存的参数空间显著扩大，在社会开放度高的情况下政策调控效果更好，这一发现扩展了之前人们对复杂网络语言竞争模型的认识。

 

基于认知的智能电网家域接入控制网络非合作博弈功率控制算法比较研究

林雪松1，杨万清1，夏元斗1，程松2

2016, 38(12): 2529-2535. doi:

摘要 ( 103 )   PDF (891KB) ( 268 )   　　 评审附件

智能电网家域网中应用认知无线电技术的主要目的是提高频谱利用率。功率控制是提高频谱利用率并实现频谱共享的主要手段之一，其通过减小认知用户间干扰来提高用户信干噪比性能，从而保证认知用户正常通信。研究基于认知的智能电网家域接入网络中三种不同功率控制算法的性能。通过仿真对比可得：三种算法收敛迅速，效率极高，在一定程度上都能降低系统开销，提高网络性能，对实际工程有很好的指导意义。


 

结合静态分析与动态符号执行的软件漏洞检测方法

蔡军，邹鹏，熊达鹏，何骏

2016, 38(12): 2536-2541. doi:

摘要 ( 108 )   PDF (879KB) ( 589 )   　　 评审附件

动态符号执行是近年来新兴的一种软件漏洞检测方法，它可以为目标程序的不同执行路径自动生成测试用例，从而获得较高的测试代码覆盖率。然而，程序的执行路径很多，且大部分路径都是漏洞无关的，通常那些包含危险函数调用的路径更有可能通向漏洞。提出一种基于静态分析的有导动态符号执行方法，并实现了一个工具原型SAGDSE。该方法通过静态分析识别目标程序中调用危险函数的指令地址，在动态符号执行过程中遇到这些指令地址时收集危险路径约束，再通过约束求解生成走危险路径的测试用例，这些测试用例将更可能触发程序漏洞。实验结果表明了该方法的有效性。

 

基于E-CARGO模型的多任务分配算法

陈振1，朱海滨2，盛寅3，高海波1

2016, 38(12): 2542-2551. doi:

摘要 ( 166 )   PDF (864KB) ( 376 )   　　 评审附件

多任务分配是管理和协同工作中的重要问题。采用ECARGO建模来解决常规多任务分配问题（GMTAP）与组角色多任务分配问题（GRMTAP）。提出了两种算法：(1）通过把GMTAP质量评估矩阵转置转化为组角色分配问题（GRAP），再利用GRAP算法来完成多任务分配；(2）将GRMTAP分配问题转化为常规分配问题（GAP），利用KM（亦称匈牙利）算法来实现多任务分配。最后，通过实验验证了GMTAP与GRMTAP算法的有效性，即，算法很好地满足了多任务分配问题的需要，也有效地扩展了GRAP算法与KM算法的应用范围。

求解最大团问题的混合修复遗传算法及其在社会网络中的应用

张素琪1，顾军华2，尹君2，郭京津2

2016, 38(12): 2551-2559. doi:

摘要 ( 99 )   PDF (825KB) ( 343 )   　　 评审附件

社会网络分析是数据挖掘中与社会生活联系最紧密的热点之一，凝聚子群分析是一种典型的社会网络子结构分析方法，其中最大团结构是关系最紧密的凝聚子群，最大团问题的研究在社会网络分析中有重要意义。针对遗传算法在求解最大团问题中运行时间长、部分基准图例求解精度不高等问题，提出了一种基于混合修复策略的遗传算法MGA。MGA算法融合度修复和随机染色体修复方法并结合随机配对的精英选择、均匀块交叉和倒位变异算子，可以有效避免算法陷入局部最优，在加快收敛速度和丰富种群多样性方面有明显效果。算法在DIMACS基准图例和典型的社会网络实例上进行了测试，实验结果表明MGA算法具有较好的求解精度和较快的收敛速度。

基于自适应邻域模拟退火算法的非合作对策求解

朱康宁，谢政，戴丽

2016, 38(12): 2560-2566. doi:

摘要 ( 82 )   PDF (504KB) ( 274 )   　　 评审附件

对有多个Nash平衡点的非合作n人有限对策问题进行了研究。首先构造了其非合作n人有限对策的数学规划模型,证明了此模型的解与对策问题的解的等价性; 然后提出了求解此类问题的一种自适应邻域模拟退火算法,基于此算法,在不减少问题解的条件下,解决了多解的非合作n人对策问题。通过数值实验说明了此算法的收敛性及稳定性; 通过与粒子群算法、免疫粒子群算法、传统模拟退火算法的比较,说明了本文算法的优越性。

 

基于Petri网的五笔画输入法算法优化研究

王松，陈曦，乐晓波

2016, 38(12): 2567-2573. doi:

摘要 ( 136 )   PDF (723KB) ( 241 )   　　 评审附件

将Petri网理论和五笔画输入法结合起来，提出了一个较完整的用Petri网建立的笔画输入法算法模型。该模型借助Petri网有关理论成果，完成笔画输入法的建模与并行化分析，便于计算机处理。其实质是在五笔画输入之间和查询过程中加入变迁元素，使其更反映汉字查询的本质。首先给出了基于Petri网的整体输入框架建模的步骤和详细过程，然后利用所建立的模型对五笔画输入法算法过程进行了分析，最后把基于Petri网的五笔画输入法算法与手写、拼音输入算法进行比较，证明本文算法具备更优的检索效率。

确定型模糊多重集有限自动机的极小化

王拥兵1,2,李永明1

2016, 38(12): 2574-2578. doi:

摘要 ( 94 )   PDF (363KB) ( 213 )   　　

主要研究确定型模糊多重集有限自动机的状态极小化问题。给出了模糊多重集有限自动机的同余和同态概念，并利用同余和同态关系研究了确定型模糊多重集有限自动机的极小化问题。进一步从确定型模糊多重集有限自动机自身出发，构造出极小模糊多重集有限自动机，并给出了极小化的算法。

融合信任用户间接影响的个性化推荐算法

叶卫根，宋威

2016, 38(12): 2579-2586. doi:

摘要 ( 120 )   PDF (664KB) ( 356 )   　　 评审附件

为了解决推荐系统中固有的数据稀疏性和冷启动问题，通常会采用一些额外的与用户或是项目有关的信息。提出了一种新颖的基于矩阵因子分解的推荐算法，其结合了其他用户对于活动用户未来评分的间接影响作用，并进一步将社交网络中的信任关系融入到算法中。同时，为了避免学习参数时过度拟合，引入了一种加权的正规化因子。最后针对一般情况和冷启动情况，分别在Epinions数据集和Ciao数据集上进行了实验。实验结果表明，相比于其它相关算法，
本算法在推荐准确性上有了很大的提高，同时能更好地解决相关问题。