移動(dòng)云計(jì)算仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

姚瑤++王燕++王戰(zhàn)紅

摘要：移動(dòng)云計(jì)算這種新興的、發(fā)展迅速的計(jì)算模式是工業(yè)領(lǐng)域和學(xué)術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。然而目前云計(jì)算研究項(xiàng)目最大的挑戰(zhàn)是缺乏一個(gè)全面系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)框架。該文搭建了移動(dòng)云計(jì)算的模擬仿真環(huán)境平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以用于評(píng)價(jià)類(lèi)似處理器、存儲(chǔ)元件和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等移動(dòng)云組件。該框架基于頂層的CloudExp框架搭建而成，CloudExp框架主要用于提供了任何云系統(tǒng)都需要的云模塊。此外，移動(dòng)云計(jì)算的實(shí)驗(yàn)框架可以用來(lái)模擬大數(shù)據(jù)的生成和處理方案。最后，該文通過(guò)實(shí)驗(yàn)案例驗(yàn)證了該平臺(tái)的性能。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)云計(jì)算；仿真；微云；CloudExp框架

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）17-0235-02

The Design and Implementation of Simulation Platform for Mobile Cloud Computing

YAO Yao1，WANG Yan1，WANG Zhan-hong2

（1.School of Information Engineering，Zhongzhou University， Zhengzhou 450044， China； 2.Department of Police Technology，Railway Police College， Zhengzhou 450053， China）

Abstract： Mobile cloud computing is emerging and developing rapidly.It is a hot spot in the field of industry and academic research.However，the biggest challenge is the lack of a comprehensive system of experimental framework.In this paper，a simulation platform is built for mobile cloud computing.The experimental platform can be used to evaluate the analysis of mobile cloud components such as processor，memory，and network applications.The framework is based on the top of the CloudExp framework to build.CloudExp framework is mainly used to provide any cloud system needs of the cloud module.In addition，the experimental framework of the mobile cloud can use CloudExp's ability to simulate large data generation and processing scheme.Finally，the performance of the platform is verified by experiments.

Key words： Mobile Cloud Computing（MCC）；Simulation；Cloudlet；CloudExp Frame

1 引言

當(dāng)今時(shí)代智能手機(jī)、平板電腦等手持移動(dòng)設(shè)備的應(yīng)用呈現(xiàn)泉涌之勢(shì)，然而，移動(dòng)時(shí)代商業(yè)模式蒸蒸日上的同時(shí)，也出現(xiàn)了一些新的問(wèn)題，比如連接問(wèn)題，有限的帶寬，安全漏洞等等。為了解決這些棘手的問(wèn)題可采用云計(jì)算技術(shù)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相融合，即為移動(dòng)云計(jì)算（MCC）。將移動(dòng)設(shè)備上的密集計(jì)算遷移到云基礎(chǔ)設(shè)施上，并將存儲(chǔ)容量大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到云存儲(chǔ)中。用戶(hù)可以方便的檢索任何期望查詢(xún)的數(shù)據(jù)。

本文提出的MCC框架結(jié)構(gòu)不僅滿(mǎn)足現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和大數(shù)據(jù)集，而且提供GUI接口能夠輕松拖放微云和實(shí)體，從而定義他們的屬性、移動(dòng)、數(shù)據(jù)包大小和速率，并在設(shè)計(jì)領(lǐng)域建立的部件之間的連接，最終實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的定制。

2 MCC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建與實(shí)現(xiàn)

2.1MCC模擬器框架

MCC的實(shí)質(zhì)是數(shù)據(jù)流管理系統(tǒng)，這意味著數(shù)據(jù)流將以一定的速率從終端實(shí)體流向企業(yè)云。與其它模擬器類(lèi)似，為描述數(shù)據(jù)包大小、樣式和速率，MCC為用戶(hù)提供了專(zhuān)門(mén)的軟件設(shè)計(jì)工具。層次化的結(jié)構(gòu)用來(lái)組織網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流以及在設(shè)計(jì)領(lǐng)域部署微云。微云系統(tǒng)即具備了一個(gè)較小規(guī)模的云系統(tǒng)的能力。從一個(gè)工作站到一個(gè)復(fù)雜的物理服務(wù)器集不等。微云使用虛擬化中間件將其硬件組成一套虛擬元件封裝在虛擬機(jī)（VM）中。每個(gè)虛擬機(jī)均可以分配到一個(gè)可用的硬件資源的一部分。更大的內(nèi)存容量有助于微云系統(tǒng)支持更多的高效率的虛擬機(jī)。它還包含一個(gè)中等大小的存儲(chǔ)容量可達(dá)到千兆規(guī)模的一組處理器。同時(shí)，微云系統(tǒng)必須配置一組收發(fā)器，用以接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包到實(shí)體。

2.2 MCC特性

MCC平臺(tái)主要由三部分組成：建模或設(shè)計(jì)，模擬或執(zhí)行，研究分析。在設(shè)計(jì)組件，MCC包含了大量?jī)?nèi)置圖形設(shè)置實(shí)體和微云部署，創(chuàng)造了一切終端實(shí)體和云之間的數(shù)據(jù)流可能產(chǎn)生的種類(lèi)。

本文提出的MCC實(shí)驗(yàn)框架以CloudExp為基礎(chǔ)，并在此基礎(chǔ)上做了許多新的改進(jìn)和對(duì)它上層的擴(kuò)展。這些增強(qiáng)和擴(kuò)展包括：

（1）動(dòng)態(tài)負(fù)載生成器模擬移動(dòng)設(shè)備發(fā)出的大規(guī)模數(shù)據(jù)的集成性；

（2）對(duì)不同移動(dòng)設(shè)備的流動(dòng)性情況的可兼容性；

（3）CloudExp平臺(tái)下MapReduce框架能夠規(guī)范化處理并行數(shù)據(jù)和大數(shù)據(jù)問(wèn)題的可兼容性；

（4）包含了基于MCC實(shí)驗(yàn)的微云新概念；

（5）提供了簡(jiǎn)單配置框架從而保證了方便快捷的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果生成速率。

2.3數(shù)據(jù)通信

本文的實(shí)驗(yàn)方案中采取Wifi通信方式。如果使用WiFi技術(shù)的數(shù)據(jù)包傳輸需耗電30MW和0.045毫秒延遲。另一方面，與Wifi技術(shù)相比，長(zhǎng)傳輸范圍的蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接能夠發(fā)送數(shù)據(jù)包到從任何位置所覆蓋的蜂窩網(wǎng)絡(luò)的云，這通常是一個(gè)廣泛的地理區(qū)域。如果使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，數(shù)據(jù)包的傳輸功率為300MW以及0.45毫秒延遲。比較發(fā)現(xiàn)，采用蜂窩網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)在電力方面的成本是非常昂貴的，而對(duì)于Wifi技術(shù)而言傳輸延遲和連接成本幾乎是免費(fèi)的。因此，在微云系統(tǒng)較為薄弱并存在大量用戶(hù)的情況下，使用Wifi通信技術(shù)對(duì)于支持整體系統(tǒng)的可擴(kuò)展性變得尤為重要。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菧y(cè)試MCC框架的靈活性，即部署微云的MCC功耗和延遲性能。實(shí)驗(yàn)有500人在800×800米的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，時(shí)間為1小時(shí)。其中每個(gè)用戶(hù)被隨機(jī)安排在不同的點(diǎn)上，使用實(shí)際生活中的應(yīng)用，以2m/s的速度在封閉的空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)，利用0.1Hz的WIFI技術(shù)發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包到云端。

圖1、圖2分別顯示了不同數(shù)量的微云的情況下，平均傳輸功率和延遲的不同。圖1表明，微云為零的情況下，在功率和延遲方面表現(xiàn)最差，傳輸功率為300MW，延時(shí)為0.45ms。隨著單位面積微云的數(shù)量不斷的增加，功耗和延遲數(shù)據(jù)都有減小的趨勢(shì)。最終得出的結(jié)論是增加用戶(hù)的數(shù)量可以減少功率和時(shí)間延遲，從而降低用戶(hù)的成本。

4結(jié)語(yǔ)

隨著MCC技術(shù)的廣泛應(yīng)用，本文介紹了一種完整、靈活的MCC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。文中首先介紹了MCC模擬器、特點(diǎn)和數(shù)據(jù)通信，最后設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明用戶(hù)的使用功率和時(shí)間延遲會(huì)隨著移動(dòng)用戶(hù)數(shù)量的增加而減少。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的GUI構(gòu)建在云基礎(chǔ)設(shè)施上，允許用戶(hù)自行定制主機(jī)、處理節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞仍朴?jì)算構(gòu)架，并可以隨著修改組件的屬性和參數(shù)配置，運(yùn)行模擬實(shí)驗(yàn)，分析測(cè)試結(jié)果。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有低成本、高靈活性、簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄧茹月，覃川，謝顯中.移動(dòng)云計(jì)算的應(yīng)用現(xiàn)狀及存在問(wèn)題分析[J].重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，24（6）：716-723.

[2] M.Quwaider，Y.Jararweh.Cloudlet-based Efficient Data Collection in Wireless Body Area Networks[J].Spec.Issue Resour.Manag.Mob.Clouds，2015，50：57-71.

[3] 柳興，袁超偉，楊震，等.移動(dòng)云計(jì)算中基于移動(dòng)代理的用戶(hù)切換與接入控制[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，37（2）：88-92.