移動云計算的發展現狀及挑戰

彭 捷 王俊義 符杰林

（桂林電子科技大學信息與通信學院，廣西 桂林 541004）

移動云計算的發展現狀及挑戰

彭 捷 王俊義 符杰林

（桂林電子科技大學信息與通信學院，廣西 桂林 541004）

移動云計算技術作為一種新興計算模式受到工業界及學術界的廣泛關注。利用云端資源可以增強移動設備的計算及存儲能力，從而能夠處理復雜的計算密集型或資源密集型移動應用，優化移動設備本身的資源利用。文章將從移動云計算的基本概念，系統框架對移動云計算領域進行解析。然后根據當前該領域的發展現狀對移動云服務進行分類。最后闡述目前實現移動云服務面臨的諸多問題。

移動云計算；云計算；移動計算；移動應用卸載

1 引言

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

近年來隨著云計算技術的發展，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網技術將移動設備無法處理或處理代價過高的移動應用轉移到云端服務器執行。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，移動云計算結合了移動計算和云計算技術，允許移動設備通過無線網絡以及互聯網接入云端，利用云端資源執行移動計算任務，拓展移動設備的計算或存儲能力。移動云計算是一種結合移動通信技術，云計算技術[7-9]，無線網絡技術新型計算模式--移動設備通過無線網絡技術接入互聯網，由互聯網接入云端服務器，采用“即付即用（Pay-As-You-Use）”的方式向云端服務提供商購買云端資源。

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

一方面，由于移動設備的移動特性以及無線信道的高度動態性，保證移動設備與云端之間的數據鏈路穩定非常重要；另一方面，如果將移動應用轉移到云端執行需要向云端傳輸大量的數據及代碼，將耗費大量能量，而移動設備能量受限，如何優化移動應用卸載過程中移動設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界以及學術界的迅猛發展，首先非常必要從本質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、發展現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，移動智能設備將更加復雜，并最終發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架——智能移動終端利用無線網絡技術以及互聯網技術接入云端，將移動應用卸載到云端服務器上執行，拓展移動設備計算及存儲能力[11]。

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

圖1　移動云計算基架構

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

圖2　移動云服務系統

移動云計算系統通過情景感知模塊對當前的無線信道狀況進行檢測，監測及分析模塊實時當前移動設備剩余的資源狀況；QoS管理模塊對移動云服務的質量進行管理，以上各模塊所獲得信息匯集到應用卸載決策模塊，針對特定移動應用決策出是否進行應用卸載，優化移動終端資源。通常情況下，移動終端只需要將應用任務的計算密集型部分轉移到云端，剩余部分在本地端執行，因此在移動應用執行過程中，移動設備端的程序狀態棧應當與云端的程序狀態棧保持一致以確保應用程序執行的完整性和準確性，此項任務由同步模塊完成[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鍵問題。圖 2中的資源調度模塊以及監測分析模塊就能很好的解決此類問題，通過對移動設備自身的資源使用狀況進行監測分析，同時考慮云端的資源使用狀況，為每個移動任務請求分配合適的云資源。

3 移動云服務分類

在本小節中，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容進行進一步梳理，以加深對其理解。在實時應用卸載過程中，根據不同的應用卸載模式筆者可以將移動云服務分為以下三種：

（1）流式云服務——將整個移動應用全部轉移到云端執行。在應用的執行過程中移動端與云端不斷交互信息，并將應用執行結果返回給移動端。在此過程中，移動設備僅僅充當利用瀏覽器或應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備計算能力，但是由于在程序執行過程中，移動設備需要不間斷的與云端交互，對通信鏈路的質量要求較高。而大多數移動云服務是以“即付即用”的方式提供服務，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）多層執行服務——主要目的是減少用戶端負載，將同一個應用程序分為兩部分--計算密集型或資源饑渴型部分和用戶接口部分。前一部分轉移到云端服務器執行，而后一部分則留在移動端執行。本方案中的移動應用一般在執行前便已經分割完畢，在應用執行過程中云端將計算密集型的應用部分執行完后將數據返回移動端，而移動端僅執行應用中輕量級部分。

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

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

（1）設計時分割方法——在軟件設計時，設計者需將資源密集型應用部分標記出來，這些應用部分可以卸載到云端執行。也就是說，應用程序的設計者對應用進行分割，移動設備只是根據具體執行環境對應用進行動態轉移。這種在程序設計時進行分割的方法可以減少設備的處理和監控開銷。但是設計時分割并不總是最優的，有時候分割粒度并不能很好的適應變化的應用環境。

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

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

4 移動云計算面臨的挑戰

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，因此移動設備有效接入云端并與云端服務器進行快速的數據交互是至關重要的。而移動設備自身的局限性--資源受限性以及無線信道的內在屬性（高度動態性）給實現移動云計算帶來了巨大挑戰[19-20]，給移動應用的設計、編程帶來極大的困難。

（1）移動設備的局限性

雖然以智能手機為代表的移動智能設備在軟硬件方面，如CPU處理能力、內存、屏幕尺寸、傳感技術以及操作系統等都取得了長足發展。然而在處理復雜移動應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展，越來越多的復雜應用需要在智能手機上運行，然而運行復雜應用消耗的能量也相應增加。如果電池技術不能在短時間內取得突破性進展，如何減少能源花銷將是另一個需要解決的問題。為解決移動設備計算能力不足以及能源受限的問題，在移動云計算領域移動設備可以將計算密集型應用和能源密集型應用轉移到云端服務器。在這一過程中，移動設備需要根據自身的資源情況以及無線網絡信道環境判斷是否將應用轉移到云端。因為在應用轉移過程中，需要大量的代碼及數據傳輸，這都將消耗設備能量。所以，移動設備需要準確判斷應用卸載是否節省能量，如果在信道條件差的情況下，傳輸代碼和數據所耗費的能量比自身運行該應用還要多，此時進行應用轉移是完全沒有必要的。

（2）通信質量問題

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

5 結束語

隨著海量數據計算在商業及學術領域重要性增強，數據存儲及計算能力越來越受到人們的關注。移動云計算技術結合了移動計算和云計算，目的是使移動設備接入云端服務器，利用云端資源拓展移動設備的數據處理能力同時彌補移動設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的動機以及基本概念，隨后描述了移動云計算系統的基本框架并對當前移動云服務進行分類。最后，闡述了移動云服務在實現過程中所遇到的挑戰及解決思路。

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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

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

彭捷（1990-），女，桂林電子科技大學在讀研究生，研究方向為無線移動網絡資源優化以及云資源分配。

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