彭 捷 王俊義 符杰林

（桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004）

移動云計算的發(fā)展現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)

彭 捷 王俊義 符杰林

（桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004）

移動云計算技術(shù)作為一種新興計算模式受到工業(yè)界及學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。利用云端資源可以增強移動設(shè)備的計算及存儲能力，從而能夠處理復(fù)雜的計算密集型或資源密集型移動應(yīng)用，優(yōu)化移動設(shè)備本身的資源利用。文章將從移動云計算的基本概念，系統(tǒng)框架對移動云計算領(lǐng)域進行解析。然后根據(jù)當前該領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀對移動云服務(wù)進行分類。最后闡述目前實現(xiàn)移動云服務(wù)面臨的諸多問題。

移動云計算；云計算；移動計算；移動應(yīng)用卸載

1 引言

隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（如3G、4G、5G、Wi-Fi技術(shù)）的迅速發(fā)展，以智能手機為代表的無線移動智能設(shè)備能夠隨時隨地快速接入互聯(lián)網(wǎng)，移動性和泛在性是下一代網(wǎng)絡(luò)的基本特征[1]。同時由于移動設(shè)備軟硬件領(lǐng)域的長足發(fā)展，移動計算即在移動設(shè)備上執(zhí)行計算任務(wù)和資源共享，已經(jīng)成為可能。雖然移動計算能夠滿足人們對便攜性，移動性的要求。然而由于移動設(shè)備本身資源受限，比如體積小、電池能源受限、計算能力弱、內(nèi)存小等，很多計算密集型以及資源饑渴型應(yīng)用依然無法在移動設(shè)備上執(zhí)行。

近年來隨著云計算技術(shù)的發(fā)展，為這一問題提供了一種新的解決思路—利用無線接入方式以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將移動設(shè)備無法處理或處理代價過高的移動應(yīng)用轉(zhuǎn)移到云端服務(wù)器執(zhí)行。這種解決思路催生出一種新型計算模式——移動云計算[2-6]。作為云計算的繼承和拓展，移動云計算結(jié)合了移動計算和云計算技術(shù)，允許移動設(shè)備通過無線網(wǎng)絡(luò)以及互聯(lián)網(wǎng)接入云端，利用云端資源執(zhí)行移動計算任務(wù)，拓展移動設(shè)備的計算或存儲能力。移動云計算是一種結(jié)合移動通信技術(shù)，云計算技術(shù)[7-9]，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)新型計算模式--移動設(shè)備通過無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)接入互聯(lián)網(wǎng)，由互聯(lián)網(wǎng)接入云端服務(wù)器，采用“即付即用（Pay-As-You-Use）”的方式向云端服務(wù)提供商購買云端資源。

雖然移動云計算能夠解決移動設(shè)備資源受限問題，拓展移動設(shè)備的計算處理能力，但在實現(xiàn)過程中依然面臨諸多挑戰(zhàn)，其中關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是如何無縫接入云端資源。具體來說，

一方面，由于移動設(shè)備的移動特性以及無線信道的高度動態(tài)性，保證移動設(shè)備與云端之間的數(shù)據(jù)鏈路穩(wěn)定非常重要；另一方面，如果將移動應(yīng)用轉(zhuǎn)移到云端執(zhí)行需要向云端傳輸大量的數(shù)據(jù)及代碼，將耗費大量能量，而移動設(shè)備能量受限，如何優(yōu)化移動應(yīng)用卸載過程中移動設(shè)備的能耗是一個亟需解決的問題。針對目前移動云計算在工業(yè)界以及學(xué)術(shù)界的迅猛發(fā)展，首先非常必要從本質(zhì)上認識什么是移動云計算。針對這個問題，本文從移動云計算的基本概念概念、發(fā)展現(xiàn)狀和分類以及遇到的問題等方面詳細闡述這移動云計算。

2 移動云計算

隨著云計算以及移動計算的發(fā)展，為進一步拓展移動計算能力，移動云計算最早由 2009年被提出。2010年，谷歌CEO EricSchmidt聲稱：基于移動云計算技術(shù)，移動智能設(shè)備將更加復(fù)雜，并最終發(fā)展成為便攜的超級電腦[10]。為了更好地理解移動云計算，圖 1給出了移動云計算的基本構(gòu)架——智能移動終端利用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)接入云端，將移動應(yīng)用卸載到云端服務(wù)器上執(zhí)行，拓展移動設(shè)備計算及存儲能力[11]。

其中，云端由眾多平行的、分散的計算資源組成，他們通過互聯(lián)網(wǎng)連接起來，利用無線網(wǎng)向移動設(shè)備提供在線計算、存儲等服務(wù)。云端服務(wù)器包含不同種類的近端/遠端計算設(shè)備，不同的云端服務(wù)器在服務(wù)能力以及執(zhí)行速度上均存在差異，因此云端服務(wù)器之間存在異構(gòu)性[12-15]。移動設(shè)備由于軟件方面比如操作系統(tǒng)（IOS、Android等）不同也導(dǎo)致移動終端的異構(gòu)性。然而，云端服務(wù)器采用虛擬機技術(shù)執(zhí)行卸載（application offloading）到服務(wù)器上的移動應(yīng)用，通過虛擬機技術(shù)可以很好解決移動終端以及云端服務(wù)器的異構(gòu)性。目前，各大IT公司已經(jīng)開發(fā)出多種基于移動云計算的移動應(yīng)用，比如語音搜索，移動導(dǎo)航系統(tǒng)等。在可預(yù)見的未來，將會有越來越多的基于移動云服務(wù)的移動應(yīng)用走進人們的日常生活。

圖1　移動云計算基架構(gòu)

通常，云端包含不同服務(wù)提供商提供的不同服務(wù)，且不同時刻有不同服務(wù)請求，因此云端需要一個完善的服務(wù)系統(tǒng)。圖 2展示了移動云計算服務(wù)系統(tǒng)的基本框架[16]，不同模塊負責(zé)不同功能，共同協(xié)作完成實時服務(wù)請求。

圖2　移動云服務(wù)系統(tǒng)

移動云計算系統(tǒng)通過情景感知模塊對當前的無線信道狀況進行檢測，監(jiān)測及分析模塊實時當前移動設(shè)備剩余的資源狀況；QoS管理模塊對移動云服務(wù)的質(zhì)量進行管理，以上各模塊所獲得信息匯集到應(yīng)用卸載決策模塊，針對特定移動應(yīng)用決策出是否進行應(yīng)用卸載，優(yōu)化移動終端資源。通常情況下，移動終端只需要將應(yīng)用任務(wù)的計算密集型部分轉(zhuǎn)移到云端，剩余部分在本地端執(zhí)行，因此在移動應(yīng)用執(zhí)行過程中，移動設(shè)備端的程序狀態(tài)棧應(yīng)當與云端的程序狀態(tài)棧保持一致以確保應(yīng)用程序執(zhí)行的完整性和準確性，此項任務(wù)由同步模塊完成[17]。

由于存在兩種云資源--遠端云資源及近端云資源。遠端云資源指距離用戶較遠，能夠提供海量有彈性的計算資源的大型云，比如亞馬遜的EC2等。而近端云資源一般指距離用戶較近，由一些分散計算資源所組成的計算機簇，計算能力相對較弱。遠端云資源的功能強大，但距離用戶較遠，時延大；近端雖然計算能力弱，但距離用戶較近，時延小。云資源的多樣性可以使移動云計算更靈活，為用戶服務(wù)提供更多選擇，但當面臨多種可用云資源時，如何選擇最合適的云資源是一個關(guān)鍵問題。圖 2中的資源調(diào)度模塊以及監(jiān)測分析模塊就能很好的解決此類問題，通過對移動設(shè)備自身的資源使用狀況進行監(jiān)測分析，同時考慮云端的資源使用狀況，為每個移動任務(wù)請求分配合適的云資源。

3 移動云服務(wù)分類

在本小節(jié)中，筆者將站在不同角度對當前移動云計算進行分類，對移動云計算方面的內(nèi)容進行進一步梳理，以加深對其理解。在實時應(yīng)用卸載過程中，根據(jù)不同的應(yīng)用卸載模式筆者可以將移動云服務(wù)分為以下三種：

（1）流式云服務(wù)——將整個移動應(yīng)用全部轉(zhuǎn)移到云端執(zhí)行。在應(yīng)用的執(zhí)行過程中移動端與云端不斷交互信息，并將應(yīng)用執(zhí)行結(jié)果返回給移動端。在此過程中，移動設(shè)備僅僅充當利用瀏覽器或應(yīng)用界面與云端交互的客戶端角色。這種方案可以最大程度利用云端資源以拓展移動設(shè)備計算能力，但是由于在程序執(zhí)行過程中，移動設(shè)備需要不間斷的與云端交互，對通信鏈路的質(zhì)量要求較高。而大多數(shù)移動云服務(wù)是以“即付即用”的方式提供服務(wù)，因此在流量高峰期如何控制擁塞是一個需要解決的問題[18]。

（2）多層執(zhí)行服務(wù)——主要目的是減少用戶端負載，將同一個應(yīng)用程序分為兩部分--計算密集型或資源饑渴型部分和用戶接口部分。前一部分轉(zhuǎn)移到云端服務(wù)器執(zhí)行，而后一部分則留在移動端執(zhí)行。本方案中的移動應(yīng)用一般在執(zhí)行前便已經(jīng)分割完畢，在應(yīng)用執(zhí)行過程中云端將計算密集型的應(yīng)用部分執(zhí)行完后將數(shù)據(jù)返回移動端，而移動端僅執(zhí)行應(yīng)用中輕量級部分。

（3）遠程執(zhí)行服務(wù)——在這種方案中，應(yīng)用程序被動態(tài)或靜態(tài)的分割為不同的執(zhí)行部分，并根據(jù)情況將不同的應(yīng)用部分在云端或移動端執(zhí)行。使用靜態(tài)分割技術(shù)是指在程序運行之前將應(yīng)用分割為不同的執(zhí)行部分，在應(yīng)用執(zhí)行過程中將計算密集型的應(yīng)用部分轉(zhuǎn)移到云端執(zhí)行，而輕量級的應(yīng)用留在移動端本地執(zhí)行。動態(tài)分割技術(shù)是指在應(yīng)用執(zhí)行過程中，動態(tài)的對應(yīng)用進行分割。靜態(tài)分割可以減少移動設(shè)備在執(zhí)行應(yīng)用過程中的能量開銷，但靜態(tài)分割的分割粒度可能無法適應(yīng)高度動態(tài)的無線通信環(huán)境，而動態(tài)分割雖然耗費更多的能量開銷但能夠根據(jù)動態(tài)的外部環(huán)境，動態(tài)改變程序分割粒度以適應(yīng)變化的通信環(huán)境。

上述分類中，應(yīng)用分割方法是關(guān)鍵。應(yīng)用分割方法也是目前移動云計算的主流研究。下面，筆者將進一步對應(yīng)用分割方法進行分類：

（1）設(shè)計時分割方法——在軟件設(shè)計時，設(shè)計者需將資源密集型應(yīng)用部分標記出來，這些應(yīng)用部分可以卸載到云端執(zhí)行。也就是說，應(yīng)用程序的設(shè)計者對應(yīng)用進行分割，移動設(shè)備只是根據(jù)具體執(zhí)行環(huán)境對應(yīng)用進行動態(tài)轉(zhuǎn)移。這種在程序設(shè)計時進行分割的方法可以減少設(shè)備的處理和監(jiān)控開銷。但是設(shè)計時分割并不總是最優(yōu)的，有時候分割粒度并不能很好的適應(yīng)變化的應(yīng)用環(huán)境。

（2）運行時分割方法——運行時分割是一種動態(tài)分割方案。這種方案可以動態(tài)確認資源饑渴型部分并決定在哪里執(zhí)行這些程序部分。也就是說動態(tài)分析自身資源以及程序所需資源再決定是否將程序轉(zhuǎn)移到云端執(zhí)行。運行時分割需要不斷的收集當前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)資源信息以及歷史狀態(tài)信息，并在設(shè)備上對應(yīng)用進行分割，因此設(shè)備的處理開銷和通信開銷比較大，執(zhí)行時延比較大，但更能適應(yīng)動態(tài)環(huán)境。

（3）混合分析分割方法——系統(tǒng)通過自身資源以及云端資源情況決定什么時候進行應(yīng)用轉(zhuǎn)移，如果要進行應(yīng)用轉(zhuǎn)移，進一步確定如何進行應(yīng)用轉(zhuǎn)移。

4 移動云計算面臨的挑戰(zhàn)

綜述所述，移動云計算的主要目的是向移動用戶提供方便快捷的云服務(wù)，因此移動設(shè)備有效接入云端并與云端服務(wù)器進行快速的數(shù)據(jù)交互是至關(guān)重要的。而移動設(shè)備自身的局限性--資源受限性以及無線信道的內(nèi)在屬性（高度動態(tài)性）給實現(xiàn)移動云計算帶來了巨大挑戰(zhàn)[19-20]，給移動應(yīng)用的設(shè)計、編程帶來極大的困難。

（1）移動設(shè)備的局限性

雖然以智能手機為代表的移動智能設(shè)備在軟硬件方面，如CPU處理能力、內(nèi)存、屏幕尺寸、傳感技術(shù)以及操作系統(tǒng)等都取得了長足發(fā)展。然而在處理復(fù)雜移動應(yīng)用時仍然存在處理能力不足，能源資源受限的情況。相比于臺式機，筆記本電腦以及智能手機等在處理能力及存儲能力等方面還存在很大差距。隨著計算能力以及屏幕的發(fā)展，越來越多的復(fù)雜應(yīng)用需要在智能手機上運行，然而運行復(fù)雜應(yīng)用消耗的能量也相應(yīng)增加。如果電池技術(shù)不能在短時間內(nèi)取得突破性進展，如何減少能源花銷將是另一個需要解決的問題。為解決移動設(shè)備計算能力不足以及能源受限的問題，在移動云計算領(lǐng)域移動設(shè)備可以將計算密集型應(yīng)用和能源密集型應(yīng)用轉(zhuǎn)移到云端服務(wù)器。在這一過程中，移動設(shè)備需要根據(jù)自身的資源情況以及無線網(wǎng)絡(luò)信道環(huán)境判斷是否將應(yīng)用轉(zhuǎn)移到云端。因為在應(yīng)用轉(zhuǎn)移過程中，需要大量的代碼及數(shù)據(jù)傳輸，這都將消耗設(shè)備能量。所以，移動設(shè)備需要準確判斷應(yīng)用卸載是否節(jié)省能量，如果在信道條件差的情況下，傳輸代碼和數(shù)據(jù)所耗費的能量比自身運行該應(yīng)用還要多，此時進行應(yīng)用轉(zhuǎn)移是完全沒有必要的。

（2）通信質(zhì)量問題

在移動云計算中，移動設(shè)備通過無線信道接入互聯(lián)網(wǎng)。與有線連接方式相比，無線信道的信道狀態(tài)隨時間變化較大，因此在移動設(shè)備與云端服務(wù)器之間保持持續(xù)的通信鏈接并非易事。用戶的移動性以及高度動態(tài)的通信環(huán)境同時對設(shè)備資源利用率的影響也相當明顯。如果云端服務(wù)提供者與用戶之間斷開聯(lián)系，此時用戶只能在本地執(zhí)行相應(yīng)應(yīng)用或重新將數(shù)據(jù)上傳到云端重新運行應(yīng)用。類似地，資源受限的移動設(shè)備在本地運行輕量級應(yīng)用，而此時云端與移動端的鏈接若斷開，那么此時移動設(shè)備所執(zhí)行的應(yīng)用部分被浪費。因此保持移動設(shè)備與云端服務(wù)器之間的無縫連接依然是一個亟需解決的問題。

5 結(jié)束語

隨著海量數(shù)據(jù)計算在商業(yè)及學(xué)術(shù)領(lǐng)域重要性增強，數(shù)據(jù)存儲及計算能力越來越受到人們的關(guān)注。移動云計算技術(shù)結(jié)合了移動計算和云計算，目的是使移動設(shè)備接入云端服務(wù)器，利用云端資源拓展移動設(shè)備的數(shù)據(jù)處理能力同時彌補移動設(shè)備的資源受限性的缺陷。本文首先簡單介紹了移動云計算技術(shù)的動機以及基本概念，隨后描述了移動云計算系統(tǒng)的基本框架并對當前移動云服務(wù)進行分類。最后，闡述了移動云服務(wù)在實現(xiàn)過程中所遇到的挑戰(zhàn)及解決思路。

[1] M.Cooney. Gartner: The top 10 strategic technology trends for 2012[EB/OL].http://www.networkworld.com/news/2011/ 101811-gartner-technology-trends-252100.html,2011-10-18/ 2015-11-18.

[2] 趙晶.運營商如何擁抱移動云計算[EB/OL].http://www. cnii. com.cn/incloud/2015-02/12/content 1533469.htm, 2015-02-12/2015-11-18.

[3] HEWITT C.Orgs for scalable,robust,privacy-friendly client cloud computing[J].Internet Computing,IEEE, 2008,12(5): 96-99.

[4] BUYYA R,YEO C,and VENUGOPAL S. Market-oriented cloud computing: Vision, hype, and reality for delivering it services as computing utilities[C]//HPCC’08.10th IEEE International Conference on High Performance Computing and Communications.USA:IEEE,2008:5-13.

[5] YOUSEFF L,BUTRICO M,and SILVA D.Toward a unified ontology of cloud computing[C]// Grid Computing Environments Workshop.USA:IEEE,2008:1-10.

[6] HOANG D,CHONHO L,DUSIT N,et al.A Survey of Mobile Cloud Computing: Architecture,Applications, and Approaches[J].Wireless Communications and Mobile Computing,2013,13(18): 1587-1611.

[7] GIVEHCHI O,TRSEK H,JASPERNEITE J.Cloud computing for industrial automation systems-A comprehensive overview [C]//IEEE 18th Conference on Emerging Technologies & Factory Automation(ETFA).USA:IEEE, 2013:1-4.

[8] CHEN YIZENG,LI XINGUI,CHEN FANGNING. Overview and analysis of cloud computing research and application [C]//International Conference on E-Business and E–Government(ICEE). USA:IEEE,2011:1-4.

[9] POLASH F,ABUHUSSEIN A,SHIVA S. A survey of cloud computing taxonomies:Rationale and overview[C]// 9th International Conference for Internet Technology and Secured Transactions(ICITST).USA:IEEE,2014:459-465.

[10] MARRAPESE B. Google ceo:a few years later,the mobile phone becomes a super computer[EB/OL].http://www. itnews-blog.com/it/21320.html,2015-11-18.

[11] ZHANG XINWEN,KUNJITHAPATHAM A,JEONG S,et al.Towards an elastic application model for augmenting the computing capabilities of mobile devices with cloud computing[J].Mobile Networks and Applications,2011, 16(3):270-284.

[12] ROCHWERGER B,BREITGAND D,LEVY E.The reservoir model and architecture for open federated cloud computing [J].IBM Journal of Research and Development,2009,53(4): 1-11.

[13] LEI LEI,ZHONG ZHANGDUI,ZHENG KAN,et al.. Challenges on wireless heterogeneous networks for mobile cloud computing[J].Wireless Communications. IEEE,2013, 20(3):34-44.

[14] MEI LIJUN, CHAN W, TSE T.A tale of clouds: paradigm comparisons and some thoughts on research issue[C]// Asia-Pacific Services Computing Conference,IEEE.USA: IEEE, 2008:464-469.

[15] WALDEN S. Cloud computing by the numbers:The rise of the private and hybrid cloud[EB/OL].http://mashable. com/ 2015/05/11/cloud-computing-infographic/,2015-05-12/2015-11-18.

[16] 李小鳳.移動云計算服務(wù)架構(gòu)研究與應(yīng)用實現(xiàn)[D].成都:電子科技大學(xué),2013:15-49.

[17] CHUN B, IHM S, MANIATIS P, et al.Clonecloud: Elastic execution between mobile device and cloud[C]// in Proceedings of the sixth conference on Computer systems. USA: ACM,2011: 301-314.

[18] LU YAN,LI SHIPENG,SHEN HUIFENG. Virtualized screen: A third element cloud-mobile convergence[J]. MultiMedia, IEEE,2011,18(2): 4-11.

[19] TULI A,HASTEER N,SHARMA M,et al.Exploring challenges in Mobile cloud computing: An overview[C]// Confluence 2013:The Next Generation Information Technology Summit (4th International Conference),UK: IET, 2013: 496-501.

[20] 鄧茹月,覃川,謝顯中.移動云計算的應(yīng)用現(xiàn)狀及存在問題分析[J].重慶郵電大學(xué)學(xué)報,2012,24(6):716-723.

The development and challenges of mobile cloud computing

Mobile cloud computing is emerging as a new computing paradigm which recently attracts great attention from both industry and academia. In mobile cloud computing, the mobile device can augment its computation capabilities and optimize its resource utilization at the same time by offloading resource-hungry and compute-intensive mobile application remotely to clouds. First the definition of the mobile cloud computing and presentation of its basic framework is given. Second, Based on the development of mobile cloud computing, we give some classifies of cloud services. Finally, several challenges of mobile cloud computing are discussed.

Mobile cloud computing; cloud computing; mobile computing; application offloading

TN92

A

1008-1151(2015)12-0009-04

2015-11-12

國家自然科學(xué)基金（61261017，61571143）；廣西自然科學(xué)基金（2013GXNSFAA019334）；廣西信息科學(xué)實驗中心經(jīng)費資助項目；廣西無線寬帶通信與信號處理重點實驗室開發(fā)基金（GXKL0614202，GXKL0614101）；桂林電子科技大學(xué)研究生科研創(chuàng)新項目（YJCXS201523）。

彭捷（1990-），女，桂林電子科技大學(xué)在讀研究生，研究方向為無線移動網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化以及云資源分配。

【通迅作者】符杰林，男，廣西桂林人，桂林電子科技大學(xué)副教授，碩士，研究方向為無線通信和寬帶通信技術(shù)。