摘 要: 針對敏感行業(yè)中分布式應(yīng)用的容錯需求問題,分析介紹Agent,、多Agent系統(tǒng)和容錯中間件技術(shù),,根據(jù)Agent和中間件特性結(jié)構(gòu)上的相似性,對利用多Agent技術(shù)構(gòu)建容錯中間件作了嘗試,,并著重研究了失效檢測與恢復(fù)系統(tǒng),;建立局部檢測與全局檢測互相結(jié)合的雙層失效檢測模型,提出融入定點(diǎn)恢復(fù)和異機(jī)恢復(fù)的改進(jìn)型REDO失效恢復(fù)策略,;最后給出基于JADE的一個系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示雙層檢測模型和改進(jìn)型REDO恢復(fù)策略是可行的、高效率的,。
關(guān)鍵詞: 多Agent系統(tǒng)(MAS),;容錯中間件;失效檢測,;失效恢復(fù),;JADE平臺
容錯中間件[1-2]是一個可為開發(fā)者提供分布式應(yīng)用容錯支持的開發(fā)平臺。容錯中間件將容錯邏輯從應(yīng)用邏輯中分離出來,,為容錯應(yīng)用開發(fā)提供框架支持,,簡化業(yè)務(wù)應(yīng)用開發(fā),,同時使開發(fā)過程變得清晰。目前,,容錯中間件的研究和實(shí)現(xiàn)主要是基于分布對象,。國外主要產(chǎn)品有:基于JavaRMI的Arjuna系統(tǒng),F(xiàn)ilterFresh系統(tǒng)等,;基于DCOM的COMERA系統(tǒng),;基于CORBA的OGS系統(tǒng),Enteral系統(tǒng)等,。國內(nèi)方面主要有國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研發(fā)的分布應(yīng)用容錯計算平臺StarFT,。
中間件包括平臺功能,自身具有自治性,、自主性,、隔離性、社會化,、激發(fā)性,、主動性、并發(fā)性,、認(rèn)識能力等特性,,是近似于Agent的結(jié)構(gòu),因此利用Agent來建立容錯中間件是一個不錯的選擇,。
失效檢測[3]與恢復(fù)是實(shí)現(xiàn)容錯的核心問題,。檢測到失效是容錯恢復(fù)的前提,因此,,失效檢測是實(shí)現(xiàn)容錯不可或缺的一部分,。失效恢復(fù)是容錯的目標(biāo),也是容錯技術(shù)提高系統(tǒng)效率的關(guān)鍵所在,。
本文在分析介紹Agent[4]和多Agent系統(tǒng)[5-9]之后,,給出了容錯中間件中的失效檢測模型和恢復(fù)策略,最后討論了基于JADE[10-12]的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),。
1 相關(guān)技術(shù)
1.1 Agent的定義及其結(jié)構(gòu)
Agent(代理)概念起源于人工智能領(lǐng)域,,是指用于模仿人類能力的自主實(shí)體,駐留在某一環(huán)境下能持續(xù),、自主地發(fā)揮作用,。Agent的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。
Agent一般具有自主性,、反應(yīng)性,、交互性、協(xié)作性,、主動性和智能性等特性,。但在實(shí)際的系統(tǒng)中,,Agent并不能保證具有以上的全部特性。
1.2 多Agent系統(tǒng)
多Agent系統(tǒng)是由多個Agent組成的一個社會整體,,不同的Agent可以控制或影響環(huán)境的不同部分,,多個Agent可以通過Agent通信語言進(jìn)行交互,分工合作,,實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜,、單個Agent無法解決的問題。多Agent系統(tǒng)可以有效地解決數(shù)據(jù),、控制具有分布性的問題,,并能提高系統(tǒng)的效率和魯棒性。
1.3 容錯技術(shù)
使得系統(tǒng)在部分節(jié)點(diǎn)失效或是部分對象崩潰的情況下仍能正常運(yùn)行并得到預(yù)期結(jié)果的技術(shù)稱為容錯技術(shù),。軟件容錯借鑒硬件容錯的成功經(jīng)驗(yàn),,經(jīng)常采用冗余技術(shù)進(jìn)行處理。軟件容錯方法主要有錯誤回卷恢復(fù),、恢復(fù)塊,、N版本軟件。
錯誤回卷恢復(fù)主要分為兩大類:基于檢查點(diǎn)的錯誤回卷恢復(fù),、基于日志的錯誤回卷恢復(fù),。基于檢查點(diǎn)的錯誤回卷恢復(fù)的核心思想是任務(wù)執(zhí)行過程中設(shè)置檢查點(diǎn),,發(fā)現(xiàn)失效時不需要從頭開始運(yùn)行,,而是直接從最后一個成功執(zhí)行的檢查點(diǎn)往下執(zhí)行?;谌罩镜腻e誤回卷恢復(fù)則是在判斷失效發(fā)生后,利用發(fā)生失效前最近的檢查點(diǎn)和日志信息完全重新運(yùn)行作業(yè)的過程,。
恢復(fù)塊的主要思想是:系統(tǒng)被劃分成若干恢復(fù)塊,,整個系統(tǒng)由這些恢復(fù)塊組成。每個塊包含一個首要執(zhí)行模塊和一些替換模塊,。若首要執(zhí)行模塊輸出結(jié)果驗(yàn)收失敗,,則調(diào)用第二個模塊;若再次失敗,,則繼續(xù)調(diào)用另外的替換模塊,。重復(fù)該操作,直到所有模塊均被調(diào)用,,或超出時間限制,。
N版本軟件的方法與硬件容錯的NMR方法類似。N(N>=2)個以不同方式實(shí)現(xiàn)的功能相同的模塊同時執(zhí)行,,由表決器判定正確的結(jié)果,,作為模塊的結(jié)果,。
2 失效檢測
2.1 失效檢測模型
本文設(shè)計的失效檢測系統(tǒng)主要由兩部分組成:局部檢測Agent,LDA(Local Detector Agent)和全局檢測Agent,,GDA(Global Detector Agent),。LDA駐留在各節(jié)點(diǎn),負(fù)責(zé)所駐留節(jié)點(diǎn)中實(shí)體的檢測工作,;GDA負(fù)責(zé)各LDA及其所駐留節(jié)點(diǎn)的檢測工作,。設(shè)計的檢測模型如圖2所示。
各部分詳細(xì)描述如下:
檢測對象:需要進(jìn)行檢測的實(shí)體,,可以是一個應(yīng)用程序?qū)ο?、也可以是一個進(jìn)程、甚至是一個Agent,;任何檢測對象在啟動時均需向LDA注冊,。
LDA:每個工作中的節(jié)點(diǎn)均駐留有一個專屬的LDA,負(fù)責(zé)所屬節(jié)點(diǎn)中檢測對象的檢測及在發(fā)現(xiàn)失效時給出通告,;任何LDA必須成功注冊到GDA后才能開始工作,。
GDA:整個系統(tǒng)只有一個GDA,GDA駐留在主控節(jié)點(diǎn),,主要負(fù)責(zé)對各LDA的失效檢測,、分類及通告的工作。
失效處理器:接收來自LDA或GDA的失效通告,,對失效進(jìn)行處理,。
2.2 局部檢測Agent
LDA必須成功注冊到GDA后才能開始工作,若注冊失敗,,允許重啟,,當(dāng)重啟次數(shù)超過設(shè)定閾值(比如3次)則給出警告,提請系統(tǒng)管理員介入,,查看是否LDA程序出現(xiàn)錯誤,。
任何檢測對象在啟動時都需要向該節(jié)點(diǎn)所屬LDA注冊,LDA根據(jù)各檢測對象的注冊信息建立并維護(hù)檢測對象及其狀態(tài)等信息的狀態(tài)表,。流程如圖3所示,。
LDA定時對狀態(tài)表中各檢測對象執(zhí)行失效檢測算法,然后更新狀態(tài)表,,并在發(fā)現(xiàn)失效對象時通告失效處理器,。執(zhí)行流程如圖4所示。
失效檢測主要有兩種模式:心跳模式,,或稱“推”模式,;輪詢模式,或稱“拉”模式。“推”模式的思想是:被檢測實(shí)體定時向檢測器發(fā)送心跳信息,,檢測器在一段設(shè)定的時間內(nèi)沒收到心跳信息,,則判定實(shí)體失效;“拉”模式則為:檢測器定時向被檢測實(shí)體發(fā)送詢問信息,,被檢測實(shí)體應(yīng)答檢測器以申明自己未失效,,檢測器在發(fā)出詢問后一段設(shè)定的時間內(nèi)沒收到應(yīng)答,則判定實(shí)體失效,。本文采用的測試模式是“拉”模式,,在一個檢測間隔里完成對所有檢測對象的詢問及應(yīng)答的接收或失效的判斷。如果檢測間隔太短,,將無法正確處理對所有對象的檢測,;而如果檢測間隔太長,則無法及時發(fā)現(xiàn)失效,。因此,,檢測間隔的設(shè)定需要一個綜合的折中考慮。
2.3 全局檢測Agent
整個系統(tǒng)只有一個GDA,,GDA駐留在主控節(jié)點(diǎn),,主要負(fù)責(zé)對各LDA及其所在節(jié)點(diǎn)的失效檢測工作。如LDA維護(hù)檢測對象的狀態(tài)信息表一般,,GDA根據(jù)各LDA注冊信息創(chuàng)建并維護(hù)針對LDA的狀態(tài)信息表,。由于GDA與LDA一般駐留在不同節(jié)點(diǎn),檢測時需要進(jìn)行遠(yuǎn)程通信,,當(dāng)發(fā)現(xiàn)LDA失效,,需要進(jìn)一步識別失效類型。主要失效類型有:LDA失效,;通信失效,;LDA所在節(jié)點(diǎn)失效。
3 失效恢復(fù)
3.1 恢復(fù)策略
本文主要采取的恢復(fù)策略是REDO策略,,即檢測對象失效時,,由失效處理器根據(jù)接收到的失效通告重啟該對象。在此基礎(chǔ)上針對一些比較特殊的檢測對象,,執(zhí)行更為符合其需求的恢復(fù)方法。
對于大數(shù)據(jù)量處理的對象,,其執(zhí)行可能涉及成千上萬的數(shù)據(jù)庫記錄,,如果只是簡單的REDO,則已經(jīng)處理過的記錄將會全部被再次處理,,造成性能的重大浪費(fèi),。因此,可以建立該對象的執(zhí)行日志,維護(hù)該對象成功處理的記錄條數(shù)或是序號,;當(dāng)該對象需要被恢復(fù)時,,根據(jù)執(zhí)行日志直接從最后成功處理的記錄往下執(zhí)行,也就是對該對象進(jìn)行定點(diǎn)恢復(fù),。采用定點(diǎn)恢復(fù)將大大的提高系統(tǒng)的性能,,避免大量時間的浪費(fèi)。
對于在同一節(jié)點(diǎn)多次失效的對象,,則可以考慮在另外的節(jié)點(diǎn)重新啟動,,稱為對該對象的異機(jī)恢復(fù)。
3.2 定點(diǎn)恢復(fù),、異機(jī)恢復(fù)
定點(diǎn)恢復(fù)很重要的一個方面是恢復(fù)點(diǎn)的記錄,,本文采用的是建立執(zhí)行日志的方式。對于大量數(shù)據(jù)庫記錄處理的對象,,假設(shè)需要處理1 000條記錄,,每10條記錄設(shè)置一個恢復(fù)點(diǎn),即當(dāng)成功執(zhí)行第10,、20,、30、……,、1 000條記錄時,,執(zhí)行日志將產(chǎn)生一行日志信息表示該條記錄以及其之前的記錄已成功執(zhí)行。若對象在執(zhí)行第901至910條記錄時失效,,恢復(fù)該對象時根據(jù)執(zhí)行日志最后一行信息可以知道第900條以及之前的記錄已成功執(zhí)行,,于是,可以直接從第901條記錄開始處理,,而不是從第1條記錄開始,。由此可見,運(yùn)用定點(diǎn)恢復(fù)可以避免大量無謂的時間浪費(fèi),,很大程度上提高系統(tǒng)的性能,。
一個對象在同一個節(jié)點(diǎn)失效次數(shù)超過設(shè)定閾值(比如4次),無論是該節(jié)點(diǎn)機(jī)器兼容性問題還是資源搶占問題,,單純的在本機(jī)上的REDO已經(jīng)不能解決問題,。因此,可以考慮對該對象進(jìn)行異機(jī)恢復(fù),,在另一個節(jié)點(diǎn)重啟該對象,。
對于只采取REDO恢復(fù)策略的對象,只需要在選定的節(jié)點(diǎn)上啟動該對象,,并在注冊信息里修改該對象所在地址即可實(shí)現(xiàn)異機(jī)恢復(fù),。
對于已運(yùn)用定點(diǎn)恢復(fù)策略的對象,異機(jī)恢復(fù)時可以不考慮其已執(zhí)行情況,簡單地在另一個節(jié)點(diǎn)重啟,;也可以結(jié)合異機(jī)恢復(fù)與定點(diǎn)恢復(fù),,將該對象執(zhí)行日志復(fù)制到選定的節(jié)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)在異機(jī)上的定點(diǎn)恢復(fù),。
4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
4.1 基于JADE的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
JADE中,,任何Agent必須向AMS注冊[11]。因此,,對于檢測對象是Agent的情形,,其主要注冊信息可由AMS獲取,負(fù)責(zé)檢測該Agent的LDA或者GDA只需記錄該Agent的標(biāo)識及其狀態(tài),。
系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的各Agent按照職能不同分別駐留在主控節(jié)點(diǎn)和各計算節(jié)點(diǎn)上,。主要有駐留在主控節(jié)點(diǎn)的容錯Agent(FTA,F(xiàn)ault Tolerant Agent),、日志收集Agent(LCA,,Log Collector Agent);駐留在各計算節(jié)點(diǎn)的局部檢測Agent(LDA,,Local Detector Agent),、日志Agent(LA,Log Agent),、恢復(fù)Agent(RA,,Recovery Agent);檢測對象為在各計算節(jié)點(diǎn)上提供服務(wù)的計算Agent(CA,,Compute Agent),。各Agent相互關(guān)系如圖5所示。
各Agent詳細(xì)功能如下所述:
LDA:負(fù)責(zé)CA,、LA,、RA的檢測工作。發(fā)現(xiàn)LA或CA失效時向RA發(fā)出本機(jī)恢復(fù)請求,;必要時向FTA發(fā)出CA異機(jī)恢復(fù)請求,;負(fù)責(zé)RA的本機(jī)恢復(fù)工作。(本文設(shè)定檢測間隔為1 000 ms)
FTA:負(fù)責(zé)LDA,、LCA的檢測工作,。發(fā)現(xiàn)LDA失效時向其所在節(jié)點(diǎn)的RA發(fā)出LDA恢復(fù)請求;接收來自LDA的CA異機(jī)恢復(fù)請求并將該請求轉(zhuǎn)發(fā)到合適的節(jié)點(diǎn),;負(fù)責(zé)LCA的恢復(fù)工作,。另外,F(xiàn)TA還負(fù)責(zé)LDA所在主機(jī)的檢測及通報工作,。
RA:接收來自LDA的本機(jī)恢復(fù)請求,并按照請求恢復(fù)本機(jī)的LA或CA;接收來自FTA的LDA恢復(fù)請求,,并按照請求恢復(fù)本機(jī)上的LDA,;接收來自FTA的CA異機(jī)恢復(fù)請求,并在本機(jī)上啟動指定的CA,,實(shí)現(xiàn)異機(jī)恢復(fù),;必要時對CA進(jìn)行定點(diǎn)恢復(fù)。
CA:計算能力提供者,,屬于業(yè)務(wù)系統(tǒng),,本文所設(shè)計容錯系統(tǒng)的服務(wù)對象。
LA:本機(jī)日志記錄器,;負(fù)責(zé)本機(jī)上各Agent運(yùn)行情況的記錄,,并將必要的信息發(fā)送給日志收集器LCA;負(fù)責(zé)用于定點(diǎn)恢復(fù)CA所必須的CA執(zhí)行日志的創(chuàng)建及維護(hù),。
LCA:日志收集器,;負(fù)責(zé)收集各節(jié)點(diǎn)的日志信息(CA執(zhí)行日志不在收集范圍內(nèi));負(fù)責(zé)記錄FTA的運(yùn)行情況,。
分析上述Agent詳細(xì)功能,,RA即為前述檢測模型中的失效處理器(主要處理策略是REDO,即重新啟動),;LDA除去本機(jī)檢測工作外,,還負(fù)擔(dān)了一部分失效處理器的工作(RA的恢復(fù));FTA主要表現(xiàn)為前述模型中的全局檢測器GDA,,此外,,也負(fù)擔(dān)了一部分失效處理器的工作(LCA的恢復(fù);LDA恢復(fù)請求,、CA異機(jī)恢復(fù)請求的轉(zhuǎn)發(fā)),。
4.2 容錯Agent
容錯Agent(FTA)在系統(tǒng)中起著極其重要的作用,負(fù)責(zé)全局檢測工作與恢復(fù)請求的調(diào)度,。為檢測各LDA,,F(xiàn)TA需要維護(hù)一張記錄LDA信息的狀態(tài)表。由于LDA作為一個Agent,,其主要信息均可從AMS獲取,,F(xiàn)TA實(shí)際需要維護(hù)的信息僅僅是LDA標(biāo)識(AID)及LDA狀態(tài)(是否正常)。本文選用HashMap<AID,,Boolean>作為記錄LDA狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),,key-value對分別記錄LDA標(biāo)識及LDA狀態(tài)。
定義一個TickerBehaviour負(fù)責(zé)周期性的更新LDA狀態(tài)表和LDA的失效判斷與處理工作,。周期設(shè)定為1 000 ms,。LDA失效判斷與處理算法如下描述:
?。?)從AMS獲取Agent描述信息AMSAgentDescription;
?。?)遍歷LDA狀態(tài)表,,與AMSAgentDescription進(jìn)行比對,更新狀態(tài)表,;
?。?)若所有LDA狀態(tài)均為true,則算法結(jié)束,;否則,,轉(zhuǎn)到(4);
?。?)對狀態(tài)為false的LDA,,通過AMSAgentDescription找尋與該LDA同節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)Agent(RA);若該RA存在,,則轉(zhuǎn)到(5),;若不存在,則ping該節(jié)點(diǎn)地址,,然后轉(zhuǎn)到(6),;
(5)標(biāo)識失效類型為LDA失效并請求該RA恢復(fù)其節(jié)點(diǎn)所屬LDA,,然后轉(zhuǎn)到(7),;
(6)若ping該節(jié)點(diǎn)有響應(yīng),則標(biāo)識失效類型為節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)失效并給出警告,;若無響應(yīng),,則標(biāo)識失效類型為節(jié)點(diǎn)主機(jī)失效并給出警告;
(7)若全部狀態(tài)為false的LDA均處理完畢,,則算法結(jié)束,;否則,取下一個狀態(tài)為false的LDA,,然后轉(zhuǎn)到(4),。
5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
系統(tǒng)主控節(jié)點(diǎn)的計算機(jī)配置如下:Windows 7(32位)操作系統(tǒng);Intel(R)Core(TM)i3-2120 [email protected] GHz,;4 GB內(nèi)存,。
系統(tǒng)計算節(jié)點(diǎn)(3臺)的計算機(jī)配置如下:Windows 7(32位)操作系統(tǒng);Intel(R)Core(TM)2 Quad CPU [email protected] 2.67GHz,;4.00 GB內(nèi)存,。
5.1 系統(tǒng)測試
臺風(fēng)預(yù)報系統(tǒng)[13]中的相似路徑計算是一個分布式、多Agent的計算過程,,其計算節(jié)點(diǎn)的失效將導(dǎo)致整體計算結(jié)果的不可靠,,故為其提供容錯是必要的,。在此背景下,本文以在臺風(fēng)預(yù)報系統(tǒng)中提供相似路徑計算服務(wù)的計算Agent為系統(tǒng)檢測對象,,對系統(tǒng)進(jìn)行功能和性能上的測試,。主控和各計算節(jié)點(diǎn)啟動、各功能Agent加載后,,可在主控節(jié)點(diǎn)RMA控制界面查看詳細(xì)信息。
Main_Container(主容器)包含維持JADE平臺功能的3個服務(wù):ams,、df和rma,;masterContainer(主控節(jié)點(diǎn)容器)包含3個Agent:容錯Agent(FTA)、日志收集Agent(LCA)和主控Agent(MA),,MA屬于臺風(fēng)預(yù)報系統(tǒng)的業(yè)務(wù)處理Agent,,主要負(fù)責(zé)計算任務(wù)的分發(fā),不是本文研究重點(diǎn),,故不進(jìn)行詳細(xì)敘述,;之后是3個computeContainer(計算節(jié)點(diǎn)容器),每個computeContainer里包含有計算Agent(CA),、局部檢測Agent(LDA),、日志Agent(LA)、恢復(fù)Agent(RA)以及負(fù)載平衡Agent(LBA),,LBA負(fù)責(zé)計算各計算節(jié)點(diǎn)的負(fù)載值和計算能力值,,為MA分發(fā)任務(wù)和FTA申請異機(jī)恢復(fù)時選擇節(jié)點(diǎn)提供參考。為方便操作,,特制定Agent命名規(guī)則如下:(XXXXAgent)_(IP)_(端口號),。如:
recoverAgent_218.193.124.101_1013@Softlab-C-PC:1099/JADE
其中,“@”之前為本文系統(tǒng)指定的Agent名,,“@”之后則為JADE平臺自動添加的標(biāo)識,。
5.2 結(jié)論
經(jīng)過比較大量的測試,各Agent本機(jī)恢復(fù)均可在1 s內(nèi)完成,;異機(jī)恢復(fù)花費(fèi)時間較長,,在2 s到3 s之間。系統(tǒng)功能和性能上均符合本文前述內(nèi)容的要求,。由此印證本文提出的兩層失效檢測模型和改進(jìn)行的REDO恢復(fù)策略真實(shí)可行,。
Agent所表現(xiàn)出來的自主性、反應(yīng)性,、交互性,、協(xié)作性、主動性和智能性等特性,,為構(gòu)建容錯中間件提供了一種新的技術(shù)途徑,。采用兩層的失效檢測模型,,局部檢測Agent與全局檢測Agent等多Agent分工合作,能夠較好地協(xié)作完成失效檢測的工作,。定點(diǎn)恢復(fù)的采用大大的提高了系統(tǒng)的效率,。基于多Agent的容錯中間件融合了Agent技術(shù),、容錯技術(shù)與中間件技術(shù),,能夠?yàn)榉植际饺蒎e應(yīng)用開發(fā)提供框架支持,提供自主的,、協(xié)作的失效檢測和恢復(fù)服務(wù),,簡化業(yè)務(wù)應(yīng)用開發(fā)過程,提高系統(tǒng)的效率和魯棒性,。
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