Microservice systems are widely used to build cloud applications, yet their complexity makes failures inevitable, degrading user experience and causing economic loss. Automated anomaly detection and root cause analysis (RCA) are now active research areas, but existing techniques share five limitations. First, most treat anomaly detection and RCA separately, assuming anomalies are detected correctly, and falter when detection is imprecise due to noise or delay. Second, they focus on metrics, logs, and traces, leaving event data such as API calls and configuration changes underexplored. Third, many require a given service call graph and cannot diagnose without one. Fourth, the field lacks standardised datasets and evaluation frameworks, so methods are hard to compare fairly. Fifth, although causal inference-based RCA has become dominant, its effectiveness, efficiency, and robustness remain unclear. This thesis addresses these limitations through two groups of contributions. The first introduces methods that exploit observability data both independently and collectively. BARO is an end-to-end anomaly detection and RCA approach for metric data. EventADL is an end-to-end framework for event data. TORAI is a multimodal RCA framework that requires no service call graph. Extensive experiments on real microservice systems demonstrate their effectiveness and robustness. The second group delivers benchmarking datasets, an evaluation framework, and systematic evaluation efforts. RCAEval is a comprehensive benchmark providing ready-to-use datasets and reproducible baselines for future research. A systematic evaluation of existing RCA methods, especially causal inference-based approaches, offers insights that guide future directions. This thesis thereby advances automated anomaly detection and RCA for microservice failures, enabling future research on incident mitigation and remediation.


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在数据挖掘中,异常检测(英语:anomaly detection)对不符合预期模式或数据集中其他项目的项目、事件或观测值的识别。通常异常项目会转变成银行欺诈、结构缺陷、医疗问题、文本错误等类型的问题。异常也被称为离群值、新奇、噪声、偏差和例外。 特别是在检测滥用与网络入侵时,有趣性对象往往不是罕见对象,但却是超出预料的突发活动。这种模式不遵循通常统计定义中把异常点看作是罕见对象,于是许多异常检测方法(特别是无监督的方法)将对此类数据失效,除非进行了合适的聚集。相反,聚类分析算法可能可以检测出这些模式形成的微聚类。 有三大类异常检测方法。[1] 在假设数据集中大多数实例都是正常的前提下,无监督异常检测方法能通过寻找与其他数据最不匹配的实例来检测出未标记测试数据的异常。监督式异常检测方法需要一个已经被标记“正常”与“异常”的数据集,并涉及到训练分类器(与许多其他的统计分类问题的关键区别是异常检测的内在不均衡性)。半监督式异常检测方法根据一个给定的正常训练数据集创建一个表示正常行为的模型,然后检测由学习模型生成的测试实例的可能性。
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