移動云計算的遠程住宅網絡多媒體服務發現與控制

吳葉清，鄭相涵

（1.誠毅學院信息工程系，福建廈門362011；2.福州大學數學與計算機科學學院，福建福州350108）

移動云計算的遠程住宅網絡多媒體服務發現與控制

吳葉清1，鄭相涵2

（1.誠毅學院信息工程系，福建廈門362011；2.福州大學數學與計算機科學學院，福建福州350108）

由于計算能力、NAT穿越、存儲空間、異構網絡環境接入等因素限制，傳統設備難以實現針對遠程家庭網絡環境中的多媒體服務發現與訪問.借助云平臺在計算、存儲以及網絡接入等方面的優勢，提出一種基于移動云架構的遠程多媒體服務訪問方法，重點考慮網絡安全、遠程服務發現、云存儲、輕量級控制協議等方面內容.測試結果表明：提出的方案能夠更有效地降低傳輸成本，且該方案較其他已有的方案更具有效性與可用性.

移動云；服務發現；遠程訪問；多媒體服務；輕量級遠程控制

隨著互聯網技術、移動通信網和移動設備的快速發展，智能設備滲透到智能家庭各個角落，已經成為當今家庭不可缺少的組成部分.目前移動設備已經在基于WiFi的智能家庭環境中[1-2]嘗試發現和控制多媒體服務.然而，住宅網絡技術的快速發展也帶來一些新的問題，這些問題導致移動設備在住宅網絡中難以交互訪問與控制：

（1）網絡地址轉換（NAT）和防火墻穿越.NAT功能和防火墻應用的初衷是提高網絡訪問便捷性和安全性，但同時也帶來了網絡隔離的問題，使得遠程登錄與智能服務發現和控制的過程變得更加困難.雖然在實際應用中已經有一些方法（例如Simple Traversalof UDP over NATs(STUN)[3],Traversal Using Relays around NAT(TURN)[4],Interactive Connectivity Establishment(ICE)[5]等）用來解決這些問題，但是目前這些方案都需要在終端增加額外復雜的機制，這為智能家庭的使用者增加了額外的負擔.

（2）網絡異構性.即使NAT和防火墻的問題可以忽略不計，網絡的異構將使得從移動終端遠程訪問住宅網絡存在高延遲和低數據傳輸率.這將影響多媒體服務發現與控制機制的應用，同時降低用戶體驗.

（3）受限的設備能力.由于移動設備是一個資源受限制的終端，它的CPU速度、存儲資源、移動信號接入穩定性和安全措施都受到限制.移動設備在住宅網絡之間的交互能力相比于非受限的設備間的通信而言是低效率、不穩定和不安全的.

通過將云計算技術的集成到遠程住宅媒體訪問解決框架，將為以上問題提供一個可行的解決方案.云計算具以下特性：具備動態易擴展、無限的計算能力和存儲資源，“pay-as-you-go”的服務模式，高性能的計算資源，使用便捷和更高的安全性.云計算將有可能改變未來的計算和服務模式[6].

移動云服務指的是通過移動設備來訪問云服務的模式[7].一方面，這是一個云計算實現模式的擴展，另一方面，移動云服務增強了移動設備的能力.本文探討了遠程多媒體接入問題，描述了一個基于云的住宅遠程多媒體服務的發現與訪問架構.針對安全性，采用基于云計算的遠程服務發現和控制、基于REST的輕量級接入等方法.

值得注意的是，盡管是針對移動設備進行討論，但也可用于任何可聯網的設備.

1 相關工作

傳統的遠程多媒體服務發現與控制研究主要集中于STUN/TURN協議.STUN協議允許在NAT后方的客戶端找到自己的公網IP信息（如存在NAT、NAT類型、公共端點地址、端口等），缺點是無法支持TCP的穿透.TURN協議通過中繼服務器來傳輸數據，它解決了STUN協議的缺陷，但所有報文都通過中繼服務器，增加了包的延時和丟包的可能性.

文獻[8]、[9]提出了一種基于SIP的遠程訪問方法來提供住宅多媒體服務.在這個解決方案中，SIP協議被用于遠程會話發起和協商.SIP協議的各邊的通信通過一個家庭IP多媒體子系統網關實現.這種解決方案的缺點是，它需要額外的功能網關，同時該方案難以在實際環境中進行部署.此外，它僅適用于基于SIP的網絡.

文獻[10]提出了Web服務發起協議（WIP），它提供了一個通用的基于Web服務的媒體協商信令（包括一組Web服務操作）.該協議通過信令發起和建立基于IP的融合通信服務.在這種方案中，基于SOAP的Web服務協議可以建立雙向，全雙工的通信服務.然而，在WIP也需要連接雙方的網關提供額外的支持.

另一項協議是基于Web的控制系統[11-12]，它包括客戶端，Web服務器和Internet連接.客戶端程序通過一個URL地址激活Web服務器的中的目標節點.這種解決方案的缺點是目標節點需要建立在Web服務器上，增加了目標節點的復雜性.

文中提出的基于云計算的解決方案通過有機融合移動通信網絡技術與云計算技術，能夠有效解決智能家庭遠程多媒體服務發現與控制的應用.

2 系統設計

2.1 系統概覽

客戶端可以是手機、筆記本電腦、PC等能夠通過移動網絡或固定連接訪問云媒體網關（CMG）的設備.云媒體網關是住宅媒體服務（RMS）和客戶端之間互通的核心.RMS和CMG之間通過Web服務接口進行協商，CMG和客戶端之間使用HTTP協議進行通信.

云媒體網關中包含三個主要組件（見圖1）：（1）接入中心.這部分是客戶端和CMG之間的接口.職責包含收集客戶端請求和發送的消息.（2）服務處理.該部分是云媒體網關的信息處理中心.它將處理媒體列表同步，遠程服務發現和遠程媒體交付.（3）集群接口.此組件為服務交互組件提供云平臺分布式存儲和計算處理的接口.

圖1 系統框架

具體地說，遠程服務發現和控制通過以下步驟予以實現：

（1）客戶端向云媒體網關發送必要的信息用以驗證用戶身份.驗證成功后，云媒體網關將返回住宅的媒體信息的列表.

（2）客戶端選擇一個特定的多媒體項目進行同步（下載）.

（3）云媒體網關檢測相應的媒體文件是否已經在媒體云.如果已經存在于云端，通過云接口獲得媒體數據后將媒體數據傳輸給客戶端，否則，云媒體網關(CMG)要求住宅媒體服務(RMS)將資源上傳到云平臺.

（4）客戶端使用云媒體網關返回的臨時URL地址從云端下載媒體資源.客戶端獲得媒體資源后，將針對資源類別（MP4,AVI,3GP等）調用本地渲染器進行展示.當客戶端獲得媒體資源后，云端將資源放入回收池，一定時間后臨時URL將失效.

（5）住宅媒體服務(RMS)定期上傳媒體信息列表，使云平臺資源和本地同步.

2.2 系統安全

在各參與方之間可使用基于PKI證書的方法進行身份驗證和授權.PKI證書能夠證明節點的合法性，使得通信會話的主體是被信任的.為了適應于提出的系統框架，證書可能包括特定的擴展信息（住宅特定的ID、一個或多個特定的接入設備ID等）.

考慮到移動設備的限制（如CPU計算、網絡帶寬、存儲能力等），提出了在移動客戶端和CMG之間采用ECC（橢圓曲線加密算法）的方案.由于移動客戶端的計算能力是有限的，它需要一個低計算量，高保密性的算法來為數據傳輸提供安全保障.ECC算法的優點是通過使用較小的Key可以達到與RSA同等或更高水平的安全保護，這個特性使得在移動計算網絡使用ECC算法是合適的.

2.3 分布式存儲

多媒體數據通過分布式文件系統存儲在Hadoop中.傳統解決方案的數據塊是均勻隨機地分布在數據節點中.由于數據節點可能分布在不同物理位置和網絡拓撲結構中，過于隨機的數據存儲可能會在寫入和讀取過程中增加額外的傳輸成本.另一方面，大多數用戶通常不希望自己的數據存儲在太偏遠的地方（比如其他國家），用戶更希望數據實際存儲離自己更近.

為了優化數據存儲與分發并降低傳輸成本，在云端多媒體數據存儲節點在地緣上應當相互靠近（圖2中的陰影部分）.

圖2 數據節點選擇情況參數說明：r用戶最佳數據節點半徑；R云計算平臺數據節點存儲半徑.

提出的數學模型被描述為：S={S1,S2,…,SI}代表云服務器；W={W1,W2,...,WI}代表移動客戶端可以訪問CMG的接入點；N={N1,N2,...,NI}代表在CMG中被選擇用來存儲數據的節點，即陰影部分的服務器.設m=I/P，表示被選中的服務器（陰影部分）占云端服務器數量的比率.

因此，總的傳輸總成本可以表示為：

其中pSW表示用戶當前位置與云計算平臺的傳輸成本，ss表示用戶可選擇的最佳接入區域（圖2的陰影部分），(x,y)表示用戶所在位置，(x0,y0)表示云計算平臺中心，f(x,y)指數據節點和CMG之間的距離，陰影區域面積代表云服務器中存儲媒體數據節點的一個子集

因此，總的傳輸數的跳數H可以表示為：

其中表示陰影部分表示最佳接入區域與云計算平臺重合部分區域面積.

目標函數能夠通過給定的參數的m和f(x,y)計算出最低的傳輸成本.模型的理論仿真結果如圖3所示.隨著m值的增加，數據傳輸消耗降低顯著.然而，當m大于0.1時的時候，數據傳輸消耗降低幅度顯著降低.因此，推斷m值的最合適的值范圍為（0.01，0.1）.

圖3 不同的m取值對應的跳數

2.4 遠程服務發現和訪問

（1）媒體列表同步

當媒體RMS本地文件發生變動時，RMS發送同步信息到云媒體網關，通知服務處理中心進行媒體列表更新.

（2）遠程服務發現

客戶端通過訪問云媒體網關住宅的媒體列表信息.在原型中將客戶端訪問CMG的間隔設置為定值（30秒），每個固定時間段，客戶端將與云媒體網關完成一次資源列表同步.

（3）遠程媒體獲取

系統提供兩種媒體獲取方式：①媒體下載.云媒體網關通過集群接口獲得數據后生成臨時資源訪問連接(URL)，客戶端通過URL獲取媒體資源.②流媒體播放.媒體內容通過流媒體協議傳輸到客戶端，客戶端使用在線播放形式接收媒體資源.

2.5 RESTful傳輸方案

方案云媒體網關的接入方案符合RESTful[13]框架.與傳統基于的SOAP[14]的Web服務相比，基于RESTful的解決方案能夠提供更加簡單、高效和穩定的接入服務.具體而言RESTful框架是基于HTTP，它通過輕量級的連接和數據交互實現了客戶端和服務端之間的無狀態請求，在減少傳輸數據大小的同時提高了系統響應效率.

在原型環境中進行試驗評估，資源響應時間（RRT）被定義為提交請求轉發申請到文件開始傳輸之間的時間.文中使用開源測試工具soapUI執行正常的基于Web服務請求.實驗結果表明，REST的方法能降低30%的傳輸數據量和提高50%的資源響應時間(RRT)，這對于移動環境來說具有很高的價值.

圖4 RESTful架構和普通SOAP協議的比較

3 系統原型測試

系統的核心部分包括：云媒體網關(CMG)、住宅媒體服務器(RMS)和客戶端.分布式文件系統由四臺獨立的主機部署Hadoop v1.0.4和HBase 0.94.6組成.使用華為U8800手機（Android 2.2版的系統）作為客戶端的連接測試設備.

測試的網絡環境是福州大學的校園網，移動客戶端通過WiFi接入校園網后登錄到云媒體網關獲取住宅多媒體服務.測試包括媒體列表同步、媒體獲取和媒體播放.遠程住宅多媒體服務的發現和訪問在原型中得到了有效的測試（圖5）.

4 總結

本文提出的基于移動云架構的遠程住宅多媒體服務發現和訪問框架，解決了在家庭網絡中的多媒體無法有效從外網訪問的問題.從系統框架、安全性、數據存儲、數據同步和基于RESTful的傳輸框架進行展開，通過理論和實驗驗證設計.從原型中證明提出的框架能夠有效地在移動環境中克服網絡地址轉換、異構網絡訪問和受限的設備能力等問題，解決遠程住宅媒體服務的發現與訪問.

圖5 客戶端遠程訪問住宅媒體服務

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【編校：許潔】

Discovery and ControlofMobile Cloud Based Computing for Remote-ResidentMultimedia Service

WUYeqing1,ZHENGXianghan2
(1.Department of Information Technology,College ofChengyi,Xiamen,Fujian 362011,China;2.College ofMathematics and ComputerScience,Fuzhou University,Fuzhou,Fujian 350108,China)

Due to realistic barriers(e.g.network heterogeneity,NAT traversal,limited computing/storage space,etc.),it is difficult to discover and access residential services from remote environmentby using amajority of legacy devices(especiallymobile devices).The architecture of amobile cloud based service for enabling remote-residentmultimedia service discovery and accesswas proposed.Themain considered issues include:security,cloud-based storage,cloud-based remote service discovery and control,REST-based lightweightnegotiation,etc.Mathematicalevaluation proves that the proposed solution is capable of reducing transmission cost.Prototype implementation showsavailability and efficiency of the proposed approach.The comparison work shows that this proposal could provide better customer services than other existing solutions.

mobile cloud;service discovery;remoteaccess;multimedia services;lightweight remote control

TP393.07

A

1671-5365(2014)12-0085-04

2014-05-27修回：2014-07-27

吳葉清（1983-），女，講師，碩士，研究方向為網絡計算

時間：2014-09-12 13:00

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1630.Z.20140912.1300.001.htm l