摘要：计算机网络是计算机大类专业的核心课,是培养学生系统设计能力的关键课程。为了让学生更直观地理解网络不同层次间的关系,并得到系统的训练,提高系统设计能力,提出采用硬件抽象技术的实验框架(避免直接采用套接字调用)和以协议栈构造路由器系统的实验课程设计。实验简化了硬件接口设计方法、采用在线评测方式以及先分后总的模块化设计方案,构造出一套路由器系统。通过该实验,训练了学生综合实验能力,加深了对计算机网络原理的系统认识。

摘要：分支预测器是现代处理器的重要微架构组件,它可有效缓解流水线的控制流冒险问题,提升处理器性能.然而,尽管分支预测器的设计越发先进,设计细节也不被处理器厂商公开,但基于分支预测器的分支预测机制存在的安全问题仍不断被研究人员曝光.利用分支预测机制,攻击者能构建侧信道或隐藏通道,从而绕过软硬件的安全边界检查.在著名的Spectre攻击中,分支预测器还被用来构建瞬态执行窗口,这打破了被错误预测并执行的指令对软件程序员完全透明的错误安全假设.Spectre攻击曝光后,分支预测的安全问题越来越受到重视,相关的攻击变种与防御措施成为学术界和工业界共同关注的课题.本文从分支预测器的设计角度出发,从已公开和被研究人员逆向工程出的分支预测器设计中总结了分支预测器的工作机制,然后按分支预测器填充方式、分支预测器索引方式和分支预测利用过程等特征对现有的分支预测攻击进行归纳和整理,并总结了这些攻击的攻击模型,包括攻击场景与攻击链.随后,本文结合Intel、AMD和ARM等主流商用处理器的典型微体系结构,从攻击模型深入分析了各分支预测攻击的关联性、创新点和可行性,并提出一种评价分支预测类瞬态执行攻击可行性的理论方法.最后,本文讨论了分支预测攻击未来的研究趋势、相关的防御策略以及安全分支预测器设计等诸多问题.

摘要：提出将蒙特卡洛树搜索算法应用于建筑生成式设计的方法。该方法对建筑空间布局等“组合优化”问题有较好的适用性。蒙特卡洛树搜索可通过“剪枝”对搜索范围进行精细化约束、压缩搜索空间,从而容易搜索到理想的建筑空间布局。在住宅户型布局生成的对比实验中,蒙特卡洛树搜索模型的建筑师投票得分高于深度学习基准模型,表现出良好的性能。

摘要：近年来,区块链在金融等领域的应用日益增加,其设计的目的在于实现安全可信的数据存储,因此牺牲了效率,同时技术积累较少的劣势使得区块链缺少很好的辅助性技术支持,这些问题都限制了区块链技术的进一步发展。数据库同样作为数据存储技术,已有数十年的发展历史,技术体系相对成熟完善。区块链和数据库均作为被广泛应用的数据存储技术,通过系统架构设计将两种技术相互融合,实现新一代的数据存储技术,是很有价值的研究方向。通过对区块链和数据库技术的设计理念、技术特性、整体架构的阐述,深层次地从多个角度分析两类数据存储技术之间的共性和差异性与设计理念的优劣。从设计的角度出发,以基于区块链的数据库和基于数据库的区块链两种技术融合范式为基准,对现有的区块链与数据库技术融合的工作进行归纳总结。在此之上,进一步从数据存储技术设计的各个维度,分析区块链与数据库技术融合的关键问题与未来发展方向。

摘要：算网融合以计算为中心、网络为根基,通过网络连接异构计算节点,实现算网资源的高效分配与调度.关于竞争流之间资源共享的公平性问题是算网融合的重要研究方向.作为算网融合的典型场景,视频应用正变得越来越重要,但人们对于它们是否以及在多大程度上遵守公平性原则知之甚少.在高度多样化的网络环境和缺乏自动化测量工具的情况下,公平性测量研究面临着巨大的挑战.通过测量典型视频应用Zoom的竞争行为来研究这个问题发现,资源竞争行为是复杂多变的,Zoom在不同的场景下有着不同的资源抢占行为.为了深入理解这些竞争行为,开发了自动化工具并进行测量以了解其用户体验(QoE)指标,包括端到端视频/音频时延、视频帧率和视频质量等.Zoom使用抢占带宽的策略来保证自身应用的用户体验.为了追求更好的用户体验,Zoom往往会自私地发送过多的冗余数据包来应对异常的网络情况,其中一些是不必要的.为此,设计一种能够在用户体验和公平性目标之间取得平衡的传输算法是非常重要的.提出了算法QLibra,并通过实验证明它可以有效保障上层应用的用户体验并且对竞争流无害.

摘要：工业控制、航空电子、车载网络、移动前传网络等很多行业领域应用都需要确定性低延时的网络传输.为了实现此类业务的传输需求,IEEE 802时间敏感网络(time-sensitive networking,TSN)工作组将标准以太网扩展为TSN,受到学术界和工业界的持续关注.流量调度是TSN标准中的核心机制,通过调度算法在所有交换机出端口确定数据帧传输顺序和时间,满足流量各自的延时和带宽要求并同时优化传输性能.首先对TSN流量调度问题进行形式化描述,介绍了TSN网络与流量模型,并对调度约束和目标进行归纳;进而对现有TSN流量调度机制进行分析与总结,重点阐述每种调度机制解决的具体问题、关注的流量类型、优化的性能指标和求解算法;最后讨论了未来TSN流量调度的设计空间和发展趋势,并针对现有调度机制存在的问题提出了静态规划与动态调节联合的调度思路.

摘要：大型微服务系统中组件众多、依赖关系复杂,由于故障传播的涟漪效应,一个故障可能引起大规模服务异常,快速识别异常并定位根因是服务质量保证的关键.目前主要采用的调用链分析方法,常常面临调用链结构复杂、实例数量庞大、存在大量小样本等问题,因此提出基于调用链控制流分析,将大量调用链结构聚合为少量方法调用模型;并提出基于方法调用模型的执行时间分解模型及预测方法,将实际值与预测值的相对误差超过设定阈值的待检测数据判定为异常.采用百度凤巢广告业务系统某天超过17亿条调用链日志记录开展实验分析,结果表明:与数据驱动的调用序列分析方法相比,提出的基于模型的方法可以大幅缩减调用链结构数量,并有效分析和检测微服务性能异常及其根因.

摘要：共轭梯度算法是求解对称正定线性系统的重要方法之一,该算法求解问题通常具有稀疏性.随着问题规模的不断增大,单CPU因其存储及计算能力限制已经不能满足大规模稀疏线性方程组求解的实时需求.基于此,本文提出一种基于CPU+GPU异构平台的MPI+CUDA异构并行求解算法.首先,对共轭梯度算法进行了热点性能分析,说明该算法求解时存在的计算困难及挑战;然后,根据共轭梯度算法特性进行了任务划分,实现异构并行算法设计;最后,针对异构并行算法中存在的通信开销、数据传输开销和存储器访问开销等问题,对异构并行算法进行优化以进一步提升求解效率及性能.实验结果表明,与MPI并行和CUDALib并行相比,MPI+CUDA异构混合并行在串行计算部分较少的Jacobi预处理共轭梯度算法上分别获得336%和33%的性能提升,在串行计算部分较多的ILU预处理共轭梯度算法上也能分别获得25%和7%的性能提升,同时结果还显示MPI+CUDA混合并行随着节点数目的增加具有一定可扩展性.

摘要：素描画是一种常见的艺术形式,它通过单色线条来表现直观世界中的事物,而能够体现场景层次的高光和阴影则是表现的重点.艺术家经常会对场景的光影进行艺术化的夸张,这种艺术夸张会更好地表现作品主题.首先提出一种二维图像平面的虚拟点光源位置估计算法,根据输入的真实图像的距离场和亮度场,计算虚拟点光源位置,使其对原图像的亮度梯度影响最小,即最符合原场景中的光照方向.然后提出基于二维虚拟点光源的阴影增强算法,加强了真实图像中的明暗对比,因此能够在最终的素描结果中表现出光影效果.使用该方法生成的素描画,在物体边界处具有更好的明暗对比,从而使得最终绘制图像更具有素描画的光影增强特点.

摘要：计算机系统由许多连通的层和子系统组成,这些层和子系统的交互模式复杂,整体体系结构设计尤为重要.在计算机系统体系结构演变的过程中形成了一些基本设计原理,其中层次设计是设计大规模系统体系结构的有效途径.从Dijkstra的工作开始,计算机系统体系结构的层次设计原理已经被提出很长时间,是计算机系统体系结构设计的重要组成部分.它广泛存在于计算机体系结构设计、网络体系结构设计、云计算、网络虚拟化、软件工程以及计算机科学的很多其他分支.计算机科学技术的演变和革新异常频繁,适用范围广的层次设计模型框架和层次设计方法尤为重要.虽然有不少工作对体系结构层次设计进行研究,但很少有工作对层次设计原则和方法的内涵进行探索,同时缺少统一的层次设计模型框架和评价指标.现有工作的不足主要表现为:(1)对计算机系统层次设计的描述通常是非形式化阐述;(2)现有的层次设计分析以具体系统和应用分析为主,缺少对层次设计机制内涵的理解分析;(3)现有层次设计模型主要局限于所研究的对象系统,缺少统一的层次设计模型框架和评价指标.针对计算机系统层次结构设计的上述不足,该文首先给出了层次设计相关的基本概念及其形式化定义,然后对层次设计研究现状从层次模型设计、层次构件设计、层次跨层设计和层次覆盖设计四个方面进行归类综述.层次模型设计主要包含层次描述模型和层次量化模型,对层次结构针对对象系统特征进行数学描述和推导;层次构件设计将层次结构的某一子结构以单一或较少模块抽象来实现;层次跨层设计是指打破既定层次结构,根据特定需求生成新的层间交互关系;层次覆盖主要是指以虚拟节点和逻辑连接构成的灵活的虚拟平面设计.在此基础上,对层次设计的内涵、设计原则、主要机制和设计路径进行探究和归纳.该文认为简化和效率是计算机系统体系结构层次设计的两个设计原则,抽象和虚拟是支撑设计原则的两个设计机制.相应地,该文给出计算机系统体系结构层次设计复杂性和性能的模型评价框架,得到一些基本定理.该文还对超级计算机系统、软件定义网络和云计算三个层次设计经典系统例子进行讨论,并在文章的结尾对计算机系统体系结构层次设计的进一步研究进行展望.