移动云计算与普适云计算

◆王 茵 刘 毅

（海军计算技术研究所 北京 100841）

移动云计算与普适云计算

◆王 茵 刘 毅

（海军计算技术研究所 北京 100841）

随着移动智能终端的普及和通信技术的不断提升，云计算平台得到巨大发展。本文深入研究云计算两大最新热点——移动云计算和普适云计算，指出其未来发展中亟待解决的一系列问题。研究表明，虽然虚拟机迁移和计算负载均衡等技术可以解决云计算发展中问题，但多设备之间的访问互联，节点的异构化等都会带来新的挑战。

云计算; 移动云计算; 普适云计算

0 引言

经过多年的发展，云计算技术已取得了巨大进步[1]。与此同时，近年来随着电子技术水平的进一步提升，移动设备也获得了迅猛发展，从智能手机、平板到目前不断涌现的可穿戴设备，这些移动设备的性能都有了显著提高。特别是，移动终端的智能化水平不断提升，其不但可以自由收发邮件、浏览网页，而且还能使用即时通讯软件参与社交网络[2][3]。可以预见，未来随着无线网络技术的发展，移动设备通过无线网络的应用更加广泛，智能终端的大量软硬件资源在闲置时间也可以被充分利用起来，由此其将从云计算平台的主要消费节点发展为平台的贡献节点[4]。一方面，节点的可移动性将会导致云平台的底层网络拓扑易变，而若仍采用常规云服务的模式(从客户端到云端固定访问的模式)则难以适应新的需求。另一方面，新的智能化设备不断发展，比如智能手环、谷歌眼镜、以及可穿戴设备等智能化嵌入式节点大量涌现，而网络技术的进步，促使这些新设备与网络进一步融合，促使互联网的触角延伸到物理世界——物联网。若在闲暇时充分利用起这些节点组成云平台则将提供更多服务，而这类云节点的异构型也为云计算的发展带来新的挑战[5]。本文简述了云计算平台的基本概念，进而从云节点拓扑的多变性和节点的异构性两方面介绍了云计算技术的最新进展，提出了发展过程中遇到新的挑战，展望了云技术的未来发展。

1 云计算概述

目前，云计算已经可以为企业/个人用户提供广泛的服务。参照Li等[1]的研究，云服务的模式主要分为软件即服务(SaaS)、平台即服务(PaaS)和基础设施即服务(IaaS)三大主要类别。采用这种分类形式主要是为了可以给用户灵活的提供业务并且可以更好的管理供应商的IT基础设施成本。在需要的时候，这三种服务也可以组合起来提供复合云服务来满足企业用户的工作需求。云计算带来了很多便利和优势的同时，也带来了许多新的问题，最主要的是信息安全的问题，而用户对于云服务随时访问的需求也在不断提高，迅速发展的移动设备作为云的节点可以应对这个需求[6]。

2 移动云计算与普适云计算

2.1 拓扑可变的“云”-MCC

当前，移动智能终端（如智能手机、平板等）都具有强大的功能，内部也具有良好的网络协议后台，可通过诸如 WIFI，3G等无线网络技术，轻松实现浏览网页、访问邮件、即时通讯及地图导航等功能[7]。同时它们的便携性和灵活性让用户可以携带设备任意移动，这就促使用户对于随时随地的云服务的需求越来越大，而节点的移动性改变了传统云计算的固定通信服务的模式，导致网络拓扑的变化，因而新的云服务模式——移动云计算(Mobile Cloud Computing， MCC)应运而生。其中移动终端受限于自身软硬件资源，遇到一些麻烦，例如：

（1）处理性能限制：尽管智能手机等设备的CPU性能得到大幅提升，但是用在掌上设备的微处理器对于复杂的任务处理能力仍然是不足的；

（2）容量限制：移动设备使用的存储器大多数为闪存，在数据爆炸的今天，其容量还是难以支持用户的巨大存储需求[8]；

（3）电量限制：电池一直是制约智能设备微型化发展的关键因素之一，在尽可能做到“瘦身”的情况下，保证移动设备长久续航能力始终是个难题；

（4）网络限制：移动设备要随时随地访问云平台，对网络连接的稳定性和网络的带宽，都有极高的需求。

为了应对以上问题，很多研究者提出了一些研究思路以补充移动云平台架构。

表1 MCC研究方向及对策

平台负载：将计算资源消耗相对较大的任务转移到云端处理，并且将信息量较大的数据转存到云存储中心。相对小型的任务直接在移动客户端处理，而大任务移动客户端只保留简单的程序接口，移动端仅负责数据输入和结果的查询，具体处理都交付云中心[9][10][11]。

虚拟程序分区：通过虚拟机节点代替云节点负载所有的计算需求，这个结构将应用程序所要执行的任务进行划分，并决定哪些应用程序的任务需要在移动设备本地执行，哪些负载到云中执行。该分区是在离线模式下进行的，其中决定如何分区是基于一套标准，比如网络特性、处理能力、能耗、计算强度等[12]。分区服务是并行执行的，并且在应用程序执行的生命周期期间可以暂停和捕捉这些分区任务的执行。

数据同步：移动云服务系统中，用户对数据和服务一体化需求不断提高，Mobius等[13]提出了为移动云服务提供一致的数据信息服务。用户在不同的网络环境中改变了位置，数据需要同步，因此Baliga[14]提出虚拟移动体系结构来应对这个问题，Bifulco等[15]通过提出一种称为 Follow-Me-Cloud(FMC)的可扩展架构的云来推进云服务的虚拟化问题。FMC的概念是当用户当下的网络连接丢失或者出现应用程序故障时，暂停执行中的移动终端应用程序，之后在另一个连接稳定的环境中恢复应用程序状态。但当用户处在网络不通畅状态时，或者更换网络环境时，在无线网络中为移动设备分配的 IP地址会随着用户在可用网络之间的切换，或者改变位置而改变。因此，在执行层，FMC由网络基础设施实现的虚拟机迁移来实现，而 FMC对于设备内部采用同一个虚拟的 IP地址来保证服务的通畅性。这有助于在任何移动设备所在的网络内，数据的每一道进程透明的传输。使用这种方法可以有效克服TCP/IP中阻碍移动端-服务器端数据交换时的通信故障。

缓存预送：Dong等[16]设计了RFS用来在移动云系统中共享文件。在移动网络中，为了降低移动端与云端的访问延迟，RFS在移动终端提供一个高速缓存组件与后端云同步。RFS的特点是在文件同步过程中适应于特定的网络协议。因此，若移动设备通过脆弱的网络设置连接到云，同步过程将遵循“预取”原则。“预取”是指“云”记录用户的请求，当类似的用户请求再发出后，系统将自动调用之前已经尝试过的请求，即使这些请求是之前没有被用户显式调出的。RFS还有“预推送”服务，它的功能类似于“预取”，但在这种情况下，服务器基于用户的历史记录和访问习惯，记录那些可能被用户需要的请求，同时服务器会推送这些文件到客户端节点，即使用户没有尝试请求数据。在RFS中的“预取”和“预推送”技术的结合，使得系统对实时文件的处理使用更少的能源损耗。

上述功能的完善给MCC带来了很多好处，比如：

（1）延长电池的寿命：将许多应用程序等大数据处理放在云端，终端并不直接参与过多信息处理，通过客户端访问结果，这样可大幅度减少信息的处理，节省电量。相关实验表明，通过远程应用程序任务迁移和远程处理移动终端的节能更显著。例如，使用存储器算术单元和接口(MAUI)类的手机游戏可比在手机端执行节省27%的能耗，而国际象棋游戏类则可节省45%[17]；

（2）提高容量和加快数据处理能力：研究表明，托管在云端的程序处理速度比手机CPU处理有大幅度提高。“云”中的存储空间更便利于用户的需求，比如，亚马逊[18]的简单云存储服务中的照片同步功能，使得用户随时随地可以将自己的照片上传到云端，并且可以通过任何设备直接访问。而类似于FACEBOOK等[19]托管在云端的社交网络，使得便捷的社交、沟通都获得巨大成功；

（3）提高了网络的利用率：这些中间件的结构通过推送等功能，降低了移动设备与云互联的延迟，尽快的将信息传递到用户的设备，降低对不稳定网络的依赖。

2.2 无所不在的异构节点构成的“云”-UCC

随着越来越多的智能终端日趋小型化、便携化和普及化，对于MCC的研究逐步转向无所不在的普适云计算(Ubiquitous Cloud Computing， UCC)[20]。一方面，用户个人拥有的移动智能设备越来越多，普通用户拥有多个智能化移动终端已屡见不鲜，不仅有笔记本电脑、智能手机、平板设备等，还会配备智能化的眼镜、手表、健康监护仪等各类可穿戴智能设备。这些设备的功能非常强大，通常单个智能设备就可以作为一个云节点支持多种云服务。而如今，拥有这些设备的用户会同时利用自身拥有的这些设备来访问云服务，因此，移动云计算的模式也慢慢从单用户、单设备向单用户、多设备的方向转变，多个设备同时访问云服务将会对数据信息的一致性有更高的要求[21]。

另一方面，新兴的电子设备，如智能手环、智能眼镜等产品的出现，已远不同于传统的移动设备，将会导致移动云节点的异构化。同时，智能节点的迅速发展，尤其计算性能和存储性能的提升，以及物联网思想日趋深入人心，智能节点已不再孤立的作为一个单独的终端模块，而是不断整合构成一套系统，提供一类特定的服务。例如，医疗云[22]中用到的心脏起搏器等终端设备，相对而言功能较单一，多为专职专用，但其对信息的实时性、一致性需求更高[23]。

为保证互联通畅和数据一致性，Koukoumidis等[24]通过提出了Pocket Cloudlets的研究思路。Pocket Cloudlets是支撑使用者的多个设备访问云托管服务，每个移动节点将保持那些云服务托管的副本。它的特性是：（1）在网络受损情况下，访问本地部分的云服务；（2）由于用户设备不需要一直请求云连接，因此可大大减少访问流量；（3）驻留在移动装置的服务可以根据设备、用户和环境进行个性化设置；（4）个人信息能够在网络攻击中安全地存放而无后顾之忧，这些移动设备可以通过广泛的网络通信方式（如蓝牙、Wi-Fi、红外、NFC等）来访问云平台。所以，多数情况下遇到网络连接丢失的状况，一般指没有Wi-Fi或GSM访问，而其他的网络接口，例如，蓝牙等是可以使用的。因此，当无法连接到云服务时，利用其他由移动设备支持的网络接口从其它对等设备接入服务[25]。

3 挑战

近年来，云计算技术的发展已不断完善，而且随着越来越多的企业投入云平台建设，越来越多的用户参与使用，未来必将迎来云计算发展的大繁荣。然而，我们也注意到，目前的发展仍然存在着很多挑战和问题。

首先，移动设备的性能制约。这是困扰相关云平台发展的重要因素之一，虽然智能设备一直都在不断提升性能（存储、计算和电池），然而用户始终会对其处理能力和续航能力有更高的追求。要满足用户的需求，不但要提升设备自身的软硬件水平，更重要是要靠移动云计算对任务进行合理的统筹规划，Rudenko等[26]提出了对任务进行分配和规划思想，从而提高任务的分配和处理效率，减少移动设备的功耗。随着MCC和UCC应用场景的普及，未来用户对终端应用响应服务的需求还会进一步提升，因此可以继续开展类似工作的研究。

其次，网络资源受限。在MCC和UCC场景中，由于终端的设备受限，因而大量的业务都在“云”端执行，因此终端实时性的需求就显得十分突出。为满足实时性，最重要的因素就是确保网络的稳定性，其次是保证有充足的带宽。未来除了在公共设施方面不断升级提高网络覆盖率以外，还得依靠数据迁移、缓存预取等措施，以及充分借助其他近距离通信方式（例如蓝牙、红外等）与其他设备协同以获得更稳定的网络资源。

第三，“云”接口的标准化问题。鉴于普适设备的多样性，不同的设备想要整合到统一的云中，需要统一成标准的接口。而移动终端的底层操作系统是不同的，因此它们支持的开发语言也不同[27]。例如，支持IOS的相关设备支持Objective-C作为开发语言；支持Android的设备则采用Java语言；黑莓手机支持微型版的Java，诺基亚和Windows Phone支持C#或Python。若实现兼容上述终端的平台则意味着部署 UCC服务时需了解这些开发平台信息。此外，若某个应用程序要后续升级，这些升级必须单独地施加在每一个移动终端。最近，HTML5和其他基于Web的框架（例如jQuery mobile和jQtouch等）的发展，可通过使用独立代码库利用本机应用程序来解决这个问题。独立代码库可以按照网络标准写，而且移动 Web应用程序与传统网站的不同，其仅仅依靠 Web技术服务提供应用程序服务。开发人员现在可以建混合应用程序，但是新的嵌入式异构化的移动设备也会带来新的问题，这就需要进一步构建统一的标准接口来实现。

第四，隐私保护与访问控制问题。由于设备自身的局限性，部分终端设备要通过连接到其他设备来访问云，而这将会产生一系列隐私保护与访问控制的问题。终端如何能察觉到其他设备对本机的访问，对于设备访问的许可、访问设备的权限设定，此外还有用户自身的隐私与信息安全的保护等问题。

第五，信息同步问题。用户的多个设备同时连接云服务，带来了对于用户数据的同步和一致性问题的挑战，比如信息的更新、信息的时效性等。Mao等[28]采用时间戳形式来管理信息更新，采用信息更新标识对部分信息进行比对更新，提高更新的速度和效率。

第六，新环境下建立可信云计算平台的问题。通过网络访问云服务，已有很多研究者对于可信的云计算进行研究[29]。而在新发展情况下，新设备的融入将会带来新的可信问题。

第七，提升设备利用率的问题。在云环境中大多数设备大部分时间处于闲置状态，如何充分利用全部设备，比如在闲置时协同完成一些公共计算工作，也是一个很有趣的研究领域。

第八，终端设备的安全。作为终端节点，大部分与实物直接相连，除了需要确保信息安全外，设备自身安全也是一个问题。作为整个云平台的一部分，当设备发生故障时，将会对整个环境构成威胁，由此可能还会对人身财产安全构成威胁。因此，在自身遭遇故意、无意的攻击时，如何自动切断与整个平台的连接也是一个重要的研究课题。

4 结论

云计算数十年的发展，已经取得重大突破。随着云计算技术的不断完善，物联网与移动设备性能的大幅提升，以及移动设备的灵活性、便携性，使得用户可以通过移动终端随时随地的访问云服务。MCC已受到越来越多的研究人员的关注，云服务的模式从逐步从供应商提供服务为主导，转变为用户对移动的需求为主导，供应商目标是提供更好的服务以满足用户的需求。虽然移动设备性能、容量、电池的限制，网络不稳定、延迟等问题在一定程度上制约了MCC的发展，但研究人员已尝试提出了一系列方法和措施来解决此类问题。同时，随着个人占有智能终端设备的增加，UCC也逐渐发展起来，且将向着以用户为中心的“个人云”方向发展。可以预见，随着云计算、通信技术和智能化设备的不断提升，未来将会出现涵盖平台架构、信息安全、设备安全等多个方面的问题需要我们探索。

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