移動云計算與普適云計算

◆王 茵 劉 毅

（海軍計算技術(shù)研究所 北京 100841）

移動云計算與普適云計算

◆王 茵 劉 毅

（海軍計算技術(shù)研究所 北京 100841）

隨著移動智能終端的普及和通信技術(shù)的不斷提升，云計算平臺得到巨大發(fā)展。本文深入研究云計算兩大最新熱點——移動云計算和普適云計算，指出其未來發(fā)展中亟待解決的一系列問題。研究表明，雖然虛擬機遷移和計算負載均衡等技術(shù)可以解決云計算發(fā)展中問題，但多設(shè)備之間的訪問互聯(lián)，節(jié)點的異構(gòu)化等都會帶來新的挑戰(zhàn)。

云計算; 移動云計算; 普適云計算

0 引言

經(jīng)過多年的發(fā)展，云計算技術(shù)已取得了巨大進步[1]。與此同時，近年來隨著電子技術(shù)水平的進一步提升，移動設(shè)備也獲得了迅猛發(fā)展，從智能手機、平板到目前不斷涌現(xiàn)的可穿戴設(shè)備，這些移動設(shè)備的性能都有了顯著提高。特別是，移動終端的智能化水平不斷提升，其不但可以自由收發(fā)郵件、瀏覽網(wǎng)頁，而且還能使用即時通訊軟件參與社交網(wǎng)絡(luò)[2][3]。可以預(yù)見，未來隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，移動設(shè)備通過無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用更加廣泛，智能終端的大量軟硬件資源在閑置時間也可以被充分利用起來，由此其將從云計算平臺的主要消費節(jié)點發(fā)展為平臺的貢獻節(jié)點[4]。一方面，節(jié)點的可移動性將會導(dǎo)致云平臺的底層網(wǎng)絡(luò)拓撲易變，而若仍采用常規(guī)云服務(wù)的模式(從客戶端到云端固定訪問的模式)則難以適應(yīng)新的需求。另一方面，新的智能化設(shè)備不斷發(fā)展，比如智能手環(huán)、谷歌眼鏡、以及可穿戴設(shè)備等智能化嵌入式節(jié)點大量涌現(xiàn)，而網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進步，促使這些新設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)進一步融合，促使互聯(lián)網(wǎng)的觸角延伸到物理世界——物聯(lián)網(wǎng)。若在閑暇時充分利用起這些節(jié)點組成云平臺則將提供更多服務(wù)，而這類云節(jié)點的異構(gòu)型也為云計算的發(fā)展帶來新的挑戰(zhàn)[5]。本文簡述了云計算平臺的基本概念，進而從云節(jié)點拓撲的多變性和節(jié)點的異構(gòu)性兩方面介紹了云計算技術(shù)的最新進展，提出了發(fā)展過程中遇到新的挑戰(zhàn)，展望了云技術(shù)的未來發(fā)展。

1 云計算概述

目前，云計算已經(jīng)可以為企業(yè)/個人用戶提供廣泛的服務(wù)。參照Li等[1]的研究，云服務(wù)的模式主要分為軟件即服務(wù)(SaaS)、平臺即服務(wù)(PaaS)和基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(IaaS)三大主要類別。采用這種分類形式主要是為了可以給用戶靈活的提供業(yè)務(wù)并且可以更好的管理供應(yīng)商的IT基礎(chǔ)設(shè)施成本。在需要的時候，這三種服務(wù)也可以組合起來提供復(fù)合云服務(wù)來滿足企業(yè)用戶的工作需求。云計算帶來了很多便利和優(yōu)勢的同時，也帶來了許多新的問題，最主要的是信息安全的問題，而用戶對于云服務(wù)隨時訪問的需求也在不斷提高，迅速發(fā)展的移動設(shè)備作為云的節(jié)點可以應(yīng)對這個需求[6]。

2 移動云計算與普適云計算

2.1 拓撲可變的“云”-MCC

當(dāng)前，移動智能終端（如智能手機、平板等）都具有強大的功能，內(nèi)部也具有良好的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議后臺，可通過諸如 WIFI，3G等無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，輕松實現(xiàn)瀏覽網(wǎng)頁、訪問郵件、即時通訊及地圖導(dǎo)航等功能[7]。同時它們的便攜性和靈活性讓用戶可以攜帶設(shè)備任意移動，這就促使用戶對于隨時隨地的云服務(wù)的需求越來越大，而節(jié)點的移動性改變了傳統(tǒng)云計算的固定通信服務(wù)的模式，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓撲的變化，因而新的云服務(wù)模式——移動云計算(Mobile Cloud Computing， MCC)應(yīng)運而生。其中移動終端受限于自身軟硬件資源，遇到一些麻煩，例如：

（1）處理性能限制：盡管智能手機等設(shè)備的CPU性能得到大幅提升，但是用在掌上設(shè)備的微處理器對于復(fù)雜的任務(wù)處理能力仍然是不足的；

（2）容量限制：移動設(shè)備使用的存儲器大多數(shù)為閃存，在數(shù)據(jù)爆炸的今天，其容量還是難以支持用戶的巨大存儲需求[8]；

（3）電量限制：電池一直是制約智能設(shè)備微型化發(fā)展的關(guān)鍵因素之一，在盡可能做到“瘦身”的情況下，保證移動設(shè)備長久續(xù)航能力始終是個難題；

（4）網(wǎng)絡(luò)限制：移動設(shè)備要隨時隨地訪問云平臺，對網(wǎng)絡(luò)連接的穩(wěn)定性和網(wǎng)絡(luò)的帶寬，都有極高的需求。

為了應(yīng)對以上問題，很多研究者提出了一些研究思路以補充移動云平臺架構(gòu)。

表1 MCC研究方向及對策

平臺負載：將計算資源消耗相對較大的任務(wù)轉(zhuǎn)移到云端處理，并且將信息量較大的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到云存儲中心。相對小型的任務(wù)直接在移動客戶端處理，而大任務(wù)移動客戶端只保留簡單的程序接口，移動端僅負責(zé)數(shù)據(jù)輸入和結(jié)果的查詢，具體處理都交付云中心[9][10][11]。

虛擬程序分區(qū)：通過虛擬機節(jié)點代替云節(jié)點負載所有的計算需求，這個結(jié)構(gòu)將應(yīng)用程序所要執(zhí)行的任務(wù)進行劃分，并決定哪些應(yīng)用程序的任務(wù)需要在移動設(shè)備本地執(zhí)行，哪些負載到云中執(zhí)行。該分區(qū)是在離線模式下進行的，其中決定如何分區(qū)是基于一套標準，比如網(wǎng)絡(luò)特性、處理能力、能耗、計算強度等[12]。分區(qū)服務(wù)是并行執(zhí)行的，并且在應(yīng)用程序執(zhí)行的生命周期期間可以暫停和捕捉這些分區(qū)任務(wù)的執(zhí)行。

數(shù)據(jù)同步：移動云服務(wù)系統(tǒng)中，用戶對數(shù)據(jù)和服務(wù)一體化需求不斷提高，Mobius等[13]提出了為移動云服務(wù)提供一致的數(shù)據(jù)信息服務(wù)。用戶在不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中改變了位置，數(shù)據(jù)需要同步，因此Baliga[14]提出虛擬移動體系結(jié)構(gòu)來應(yīng)對這個問題，Bifulco等[15]通過提出一種稱為 Follow-Me-Cloud(FMC)的可擴展架構(gòu)的云來推進云服務(wù)的虛擬化問題。FMC的概念是當(dāng)用戶當(dāng)下的網(wǎng)絡(luò)連接丟失或者出現(xiàn)應(yīng)用程序故障時，暫停執(zhí)行中的移動終端應(yīng)用程序，之后在另一個連接穩(wěn)定的環(huán)境中恢復(fù)應(yīng)用程序狀態(tài)。但當(dāng)用戶處在網(wǎng)絡(luò)不通暢狀態(tài)時，或者更換網(wǎng)絡(luò)環(huán)境時，在無線網(wǎng)絡(luò)中為移動設(shè)備分配的 IP地址會隨著用戶在可用網(wǎng)絡(luò)之間的切換，或者改變位置而改變。因此，在執(zhí)行層，F(xiàn)MC由網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施實現(xiàn)的虛擬機遷移來實現(xiàn)，而 FMC對于設(shè)備內(nèi)部采用同一個虛擬的 IP地址來保證服務(wù)的通暢性。這有助于在任何移動設(shè)備所在的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，數(shù)據(jù)的每一道進程透明的傳輸。使用這種方法可以有效克服TCP/IP中阻礙移動端-服務(wù)器端數(shù)據(jù)交換時的通信故障。

緩存預(yù)送：Dong等[16]設(shè)計了RFS用來在移動云系統(tǒng)中共享文件。在移動網(wǎng)絡(luò)中，為了降低移動端與云端的訪問延遲，RFS在移動終端提供一個高速緩存組件與后端云同步。RFS的特點是在文件同步過程中適應(yīng)于特定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。因此，若移動設(shè)備通過脆弱的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置連接到云，同步過程將遵循“預(yù)取”原則。“預(yù)取”是指“云”記錄用戶的請求，當(dāng)類似的用戶請求再發(fā)出后，系統(tǒng)將自動調(diào)用之前已經(jīng)嘗試過的請求，即使這些請求是之前沒有被用戶顯式調(diào)出的。RFS還有“預(yù)推送”服務(wù)，它的功能類似于“預(yù)取”，但在這種情況下，服務(wù)器基于用戶的歷史記錄和訪問習(xí)慣，記錄那些可能被用戶需要的請求，同時服務(wù)器會推送這些文件到客戶端節(jié)點，即使用戶沒有嘗試請求數(shù)據(jù)。在RFS中的“預(yù)取”和“預(yù)推送”技術(shù)的結(jié)合，使得系統(tǒng)對實時文件的處理使用更少的能源損耗。

上述功能的完善給MCC帶來了很多好處，比如：

（1）延長電池的壽命：將許多應(yīng)用程序等大數(shù)據(jù)處理放在云端，終端并不直接參與過多信息處理，通過客戶端訪問結(jié)果，這樣可大幅度減少信息的處理，節(jié)省電量。相關(guān)實驗表明，通過遠程應(yīng)用程序任務(wù)遷移和遠程處理移動終端的節(jié)能更顯著。例如，使用存儲器算術(shù)單元和接口(MAUI)類的手機游戲可比在手機端執(zhí)行節(jié)省27%的能耗，而國際象棋游戲類則可節(jié)省45%[17]；

（2）提高容量和加快數(shù)據(jù)處理能力：研究表明，托管在云端的程序處理速度比手機CPU處理有大幅度提高。“云”中的存儲空間更便利于用戶的需求，比如，亞馬遜[18]的簡單云存儲服務(wù)中的照片同步功能，使得用戶隨時隨地可以將自己的照片上傳到云端，并且可以通過任何設(shè)備直接訪問。而類似于FACEBOOK等[19]托管在云端的社交網(wǎng)絡(luò)，使得便捷的社交、溝通都獲得巨大成功；

（3）提高了網(wǎng)絡(luò)的利用率：這些中間件的結(jié)構(gòu)通過推送等功能，降低了移動設(shè)備與云互聯(lián)的延遲，盡快的將信息傳遞到用戶的設(shè)備，降低對不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)的依賴。

2.2 無所不在的異構(gòu)節(jié)點構(gòu)成的“云”-UCC

隨著越來越多的智能終端日趨小型化、便攜化和普及化，對于MCC的研究逐步轉(zhuǎn)向無所不在的普適云計算(Ubiquitous Cloud Computing， UCC)[20]。一方面，用戶個人擁有的移動智能設(shè)備越來越多，普通用戶擁有多個智能化移動終端已屢見不鮮，不僅有筆記本電腦、智能手機、平板設(shè)備等，還會配備智能化的眼鏡、手表、健康監(jiān)護儀等各類可穿戴智能設(shè)備。這些設(shè)備的功能非常強大，通常單個智能設(shè)備就可以作為一個云節(jié)點支持多種云服務(wù)。而如今，擁有這些設(shè)備的用戶會同時利用自身擁有的這些設(shè)備來訪問云服務(wù)，因此，移動云計算的模式也慢慢從單用戶、單設(shè)備向單用戶、多設(shè)備的方向轉(zhuǎn)變，多個設(shè)備同時訪問云服務(wù)將會對數(shù)據(jù)信息的一致性有更高的要求[21]。

另一方面，新興的電子設(shè)備，如智能手環(huán)、智能眼鏡等產(chǎn)品的出現(xiàn)，已遠不同于傳統(tǒng)的移動設(shè)備，將會導(dǎo)致移動云節(jié)點的異構(gòu)化。同時，智能節(jié)點的迅速發(fā)展，尤其計算性能和存儲性能的提升，以及物聯(lián)網(wǎng)思想日趨深入人心，智能節(jié)點已不再孤立的作為一個單獨的終端模塊，而是不斷整合構(gòu)成一套系統(tǒng)，提供一類特定的服務(wù)。例如，醫(yī)療云[22]中用到的心臟起搏器等終端設(shè)備，相對而言功能較單一，多為專職專用，但其對信息的實時性、一致性需求更高[23]。

為保證互聯(lián)通暢和數(shù)據(jù)一致性，Koukoumidis等[24]通過提出了Pocket Cloudlets的研究思路。Pocket Cloudlets是支撐使用者的多個設(shè)備訪問云托管服務(wù)，每個移動節(jié)點將保持那些云服務(wù)托管的副本。它的特性是：（1）在網(wǎng)絡(luò)受損情況下，訪問本地部分的云服務(wù)；（2）由于用戶設(shè)備不需要一直請求云連接，因此可大大減少訪問流量；（3）駐留在移動裝置的服務(wù)可以根據(jù)設(shè)備、用戶和環(huán)境進行個性化設(shè)置；（4）個人信息能夠在網(wǎng)絡(luò)攻擊中安全地存放而無后顧之憂，這些移動設(shè)備可以通過廣泛的網(wǎng)絡(luò)通信方式（如藍牙、Wi-Fi、紅外、NFC等）來訪問云平臺。所以，多數(shù)情況下遇到網(wǎng)絡(luò)連接丟失的狀況，一般指沒有Wi-Fi或GSM訪問，而其他的網(wǎng)絡(luò)接口，例如，藍牙等是可以使用的。因此，當(dāng)無法連接到云服務(wù)時，利用其他由移動設(shè)備支持的網(wǎng)絡(luò)接口從其它對等設(shè)備接入服務(wù)[25]。

3 挑戰(zhàn)

近年來，云計算技術(shù)的發(fā)展已不斷完善，而且隨著越來越多的企業(yè)投入云平臺建設(shè)，越來越多的用戶參與使用，未來必將迎來云計算發(fā)展的大繁榮。然而，我們也注意到，目前的發(fā)展仍然存在著很多挑戰(zhàn)和問題。

首先，移動設(shè)備的性能制約。這是困擾相關(guān)云平臺發(fā)展的重要因素之一，雖然智能設(shè)備一直都在不斷提升性能（存儲、計算和電池），然而用戶始終會對其處理能力和續(xù)航能力有更高的追求。要滿足用戶的需求，不但要提升設(shè)備自身的軟硬件水平，更重要是要靠移動云計算對任務(wù)進行合理的統(tǒng)籌規(guī)劃，Rudenko等[26]提出了對任務(wù)進行分配和規(guī)劃思想，從而提高任務(wù)的分配和處理效率，減少移動設(shè)備的功耗。隨著MCC和UCC應(yīng)用場景的普及，未來用戶對終端應(yīng)用響應(yīng)服務(wù)的需求還會進一步提升，因此可以繼續(xù)開展類似工作的研究。

其次，網(wǎng)絡(luò)資源受限。在MCC和UCC場景中，由于終端的設(shè)備受限，因而大量的業(yè)務(wù)都在“云”端執(zhí)行，因此終端實時性的需求就顯得十分突出。為滿足實時性，最重要的因素就是確保網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，其次是保證有充足的帶寬。未來除了在公共設(shè)施方面不斷升級提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋率以外，還得依靠數(shù)據(jù)遷移、緩存預(yù)取等措施，以及充分借助其他近距離通信方式（例如藍牙、紅外等）與其他設(shè)備協(xié)同以獲得更穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)資源。

第三，“云”接口的標準化問題。鑒于普適設(shè)備的多樣性，不同的設(shè)備想要整合到統(tǒng)一的云中，需要統(tǒng)一成標準的接口。而移動終端的底層操作系統(tǒng)是不同的，因此它們支持的開發(fā)語言也不同[27]。例如，支持IOS的相關(guān)設(shè)備支持Objective-C作為開發(fā)語言；支持Android的設(shè)備則采用Java語言；黑莓手機支持微型版的Java，諾基亞和Windows Phone支持C#或Python。若實現(xiàn)兼容上述終端的平臺則意味著部署 UCC服務(wù)時需了解這些開發(fā)平臺信息。此外，若某個應(yīng)用程序要后續(xù)升級，這些升級必須單獨地施加在每一個移動終端。最近，HTML5和其他基于Web的框架（例如jQuery mobile和jQtouch等）的發(fā)展，可通過使用獨立代碼庫利用本機應(yīng)用程序來解決這個問題。獨立代碼庫可以按照網(wǎng)絡(luò)標準寫，而且移動 Web應(yīng)用程序與傳統(tǒng)網(wǎng)站的不同，其僅僅依靠 Web技術(shù)服務(wù)提供應(yīng)用程序服務(wù)。開發(fā)人員現(xiàn)在可以建混合應(yīng)用程序，但是新的嵌入式異構(gòu)化的移動設(shè)備也會帶來新的問題，這就需要進一步構(gòu)建統(tǒng)一的標準接口來實現(xiàn)。

第四，隱私保護與訪問控制問題。由于設(shè)備自身的局限性，部分終端設(shè)備要通過連接到其他設(shè)備來訪問云，而這將會產(chǎn)生一系列隱私保護與訪問控制的問題。終端如何能察覺到其他設(shè)備對本機的訪問，對于設(shè)備訪問的許可、訪問設(shè)備的權(quán)限設(shè)定，此外還有用戶自身的隱私與信息安全的保護等問題。

第五，信息同步問題。用戶的多個設(shè)備同時連接云服務(wù)，帶來了對于用戶數(shù)據(jù)的同步和一致性問題的挑戰(zhàn)，比如信息的更新、信息的時效性等。Mao等[28]采用時間戳形式來管理信息更新，采用信息更新標識對部分信息進行比對更新，提高更新的速度和效率。

第六，新環(huán)境下建立可信云計算平臺的問題。通過網(wǎng)絡(luò)訪問云服務(wù)，已有很多研究者對于可信的云計算進行研究[29]。而在新發(fā)展情況下，新設(shè)備的融入將會帶來新的可信問題。

第七，提升設(shè)備利用率的問題。在云環(huán)境中大多數(shù)設(shè)備大部分時間處于閑置狀態(tài)，如何充分利用全部設(shè)備，比如在閑置時協(xié)同完成一些公共計算工作，也是一個很有趣的研究領(lǐng)域。

第八，終端設(shè)備的安全。作為終端節(jié)點，大部分與實物直接相連，除了需要確保信息安全外，設(shè)備自身安全也是一個問題。作為整個云平臺的一部分，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時，將會對整個環(huán)境構(gòu)成威脅，由此可能還會對人身財產(chǎn)安全構(gòu)成威脅。因此，在自身遭遇故意、無意的攻擊時，如何自動切斷與整個平臺的連接也是一個重要的研究課題。

4 結(jié)論

云計算數(shù)十年的發(fā)展，已經(jīng)取得重大突破。隨著云計算技術(shù)的不斷完善，物聯(lián)網(wǎng)與移動設(shè)備性能的大幅提升，以及移動設(shè)備的靈活性、便攜性，使得用戶可以通過移動終端隨時隨地的訪問云服務(wù)。MCC已受到越來越多的研究人員的關(guān)注，云服務(wù)的模式從逐步從供應(yīng)商提供服務(wù)為主導(dǎo)，轉(zhuǎn)變?yōu)橛脩魧σ苿拥男枨鬄橹鲗?dǎo)，供應(yīng)商目標是提供更好的服務(wù)以滿足用戶的需求。雖然移動設(shè)備性能、容量、電池的限制，網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定、延遲等問題在一定程度上制約了MCC的發(fā)展，但研究人員已嘗試提出了一系列方法和措施來解決此類問題。同時，隨著個人占有智能終端設(shè)備的增加，UCC也逐漸發(fā)展起來，且將向著以用戶為中心的“個人云”方向發(fā)展。可以預(yù)見，隨著云計算、通信技術(shù)和智能化設(shè)備的不斷提升，未來將會出現(xiàn)涵蓋平臺架構(gòu)、信息安全、設(shè)備安全等多個方面的問題需要我們探索。

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