移动云计算的远程住宅网络多媒体服务发现与控制

吴叶清，郑相涵

（1.诚毅学院信息工程系，福建厦门362011；2.福州大学数学与计算机科学学院，福建福州350108）

移动云计算的远程住宅网络多媒体服务发现与控制

吴叶清1，郑相涵2

（1.诚毅学院信息工程系，福建厦门362011；2.福州大学数学与计算机科学学院，福建福州350108）

由于计算能力、NAT穿越、存储空间、异构网络环境接入等因素限制，传统设备难以实现针对远程家庭网络环境中的多媒体服务发现与访问.借助云平台在计算、存储以及网络接入等方面的优势，提出一种基于移动云架构的远程多媒体服务访问方法，重点考虑网络安全、远程服务发现、云存储、轻量级控制协议等方面内容.测试结果表明：提出的方案能够更有效地降低传输成本，且该方案较其他已有的方案更具有效性与可用性.

移动云；服务发现；远程访问；多媒体服务；轻量级远程控制

随着互联网技术、移动通信网和移动设备的快速发展，智能设备渗透到智能家庭各个角落，已经成为当今家庭不可缺少的组成部分.目前移动设备已经在基于WiFi的智能家庭环境中[1-2]尝试发现和控制多媒体服务.然而，住宅网络技术的快速发展也带来一些新的问题，这些问题导致移动设备在住宅网络中难以交互访问与控制：

（1）网络地址转换（NAT）和防火墙穿越.NAT功能和防火墙应用的初衷是提高网络访问便捷性和安全性，但同时也带来了网络隔离的问题，使得远程登录与智能服务发现和控制的过程变得更加困难.虽然在实际应用中已经有一些方法（例如Simple Traversalof UDP over NATs(STUN)[3],Traversal Using Relays around NAT(TURN)[4],Interactive Connectivity Establishment(ICE)[5]等）用来解决这些问题，但是目前这些方案都需要在终端增加额外复杂的机制，这为智能家庭的使用者增加了额外的负担.

（2）网络异构性.即使NAT和防火墙的问题可以忽略不计，网络的异构将使得从移动终端远程访问住宅网络存在高延迟和低数据传输率.这将影响多媒体服务发现与控制机制的应用，同时降低用户体验.

（3）受限的设备能力.由于移动设备是一个资源受限制的终端，它的CPU速度、存储资源、移动信号接入稳定性和安全措施都受到限制.移动设备在住宅网络之间的交互能力相比于非受限的设备间的通信而言是低效率、不稳定和不安全的.

通过将云计算技术的集成到远程住宅媒体访问解决框架，将为以上问题提供一个可行的解决方案.云计算具以下特性：具备动态易扩展、无限的计算能力和存储资源，“pay-as-you-go”的服务模式，高性能的计算资源，使用便捷和更高的安全性.云计算将有可能改变未来的计算和服务模式[6].

移动云服务指的是通过移动设备来访问云服务的模式[7].一方面，这是一个云计算实现模式的扩展，另一方面，移动云服务增强了移动设备的能力.本文探讨了远程多媒体接入问题，描述了一个基于云的住宅远程多媒体服务的发现与访问架构.针对安全性，采用基于云计算的远程服务发现和控制、基于REST的轻量级接入等方法.

值得注意的是，尽管是针对移动设备进行讨论，但也可用于任何可联网的设备.

1 相关工作

传统的远程多媒体服务发现与控制研究主要集中于STUN/TURN协议.STUN协议允许在NAT后方的客户端找到自己的公网IP信息（如存在NAT、NAT类型、公共端点地址、端口等），缺点是无法支持TCP的穿透.TURN协议通过中继服务器来传输数据，它解决了STUN协议的缺陷，但所有报文都通过中继服务器，增加了包的延时和丢包的可能性.

文献[8]、[9]提出了一种基于SIP的远程访问方法来提供住宅多媒体服务.在这个解决方案中，SIP协议被用于远程会话发起和协商.SIP协议的各边的通信通过一个家庭IP多媒体子系统网关实现.这种解决方案的缺点是，它需要额外的功能网关，同时该方案难以在实际环境中进行部署.此外，它仅适用于基于SIP的网络.

文献[10]提出了Web服务发起协议（WIP），它提供了一个通用的基于Web服务的媒体协商信令（包括一组Web服务操作）.该协议通过信令发起和建立基于IP的融合通信服务.在这种方案中，基于SOAP的Web服务协议可以建立双向，全双工的通信服务.然而，在WIP也需要连接双方的网关提供额外的支持.

另一项协议是基于Web的控制系统[11-12]，它包括客户端，Web服务器和Internet连接.客户端程序通过一个URL地址激活Web服务器的中的目标节点.这种解决方案的缺点是目标节点需要建立在Web服务器上，增加了目标节点的复杂性.

文中提出的基于云计算的解决方案通过有机融合移动通信网络技术与云计算技术，能够有效解决智能家庭远程多媒体服务发现与控制的应用.

2 系统设计

2.1 系统概览

客户端可以是手机、笔记本电脑、PC等能够通过移动网络或固定连接访问云媒体网关（CMG）的设备.云媒体网关是住宅媒体服务（RMS）和客户端之间互通的核心.RMS和CMG之间通过Web服务接口进行协商，CMG和客户端之间使用HTTP协议进行通信.

云媒体网关中包含三个主要组件（见图1）：（1）接入中心.这部分是客户端和CMG之间的接口.职责包含收集客户端请求和发送的消息.（2）服务处理.该部分是云媒体网关的信息处理中心.它将处理媒体列表同步，远程服务发现和远程媒体交付.（3）集群接口.此组件为服务交互组件提供云平台分布式存储和计算处理的接口.

图1 系统框架

具体地说，远程服务发现和控制通过以下步骤予以实现：

（1）客户端向云媒体网关发送必要的信息用以验证用户身份.验证成功后，云媒体网关将返回住宅的媒体信息的列表.

（2）客户端选择一个特定的多媒体项目进行同步（下载）.

（3）云媒体网关检测相应的媒体文件是否已经在媒体云.如果已经存在于云端，通过云接口获得媒体数据后将媒体数据传输给客户端，否则，云媒体网关(CMG)要求住宅媒体服务(RMS)将资源上传到云平台.

（4）客户端使用云媒体网关返回的临时URL地址从云端下载媒体资源.客户端获得媒体资源后，将针对资源类别（MP4,AVI,3GP等）调用本地渲染器进行展示.当客户端获得媒体资源后，云端将资源放入回收池，一定时间后临时URL将失效.

（5）住宅媒体服务(RMS)定期上传媒体信息列表，使云平台资源和本地同步.

2.2 系统安全

在各参与方之间可使用基于PKI证书的方法进行身份验证和授权.PKI证书能够证明节点的合法性，使得通信会话的主体是被信任的.为了适应于提出的系统框架，证书可能包括特定的扩展信息（住宅特定的ID、一个或多个特定的接入设备ID等）.

考虑到移动设备的限制（如CPU计算、网络带宽、存储能力等），提出了在移动客户端和CMG之间采用ECC（椭圆曲线加密算法）的方案.由于移动客户端的计算能力是有限的，它需要一个低计算量，高保密性的算法来为数据传输提供安全保障.ECC算法的优点是通过使用较小的Key可以达到与RSA同等或更高水平的安全保护，这个特性使得在移动计算网络使用ECC算法是合适的.

2.3 分布式存储

多媒体数据通过分布式文件系统存储在Hadoop中.传统解决方案的数据块是均匀随机地分布在数据节点中.由于数据节点可能分布在不同物理位置和网络拓扑结构中，过于随机的数据存储可能会在写入和读取过程中增加额外的传输成本.另一方面，大多数用户通常不希望自己的数据存储在太偏远的地方（比如其他国家），用户更希望数据实际存储离自己更近.

为了优化数据存储与分发并降低传输成本，在云端多媒体数据存储节点在地缘上应当相互靠近（图2中的阴影部分）.

图2 数据节点选择情况参数说明：r用户最佳数据节点半径；R云计算平台数据节点存储半径.

提出的数学模型被描述为：S={S1,S2,…,SI}代表云服务器；W={W1,W2,...,WI}代表移动客户端可以访问CMG的接入点；N={N1,N2,...,NI}代表在CMG中被选择用来存储数据的节点，即阴影部分的服务器.设m=I/P，表示被选中的服务器（阴影部分）占云端服务器数量的比率.

因此，总的传输总成本可以表示为：

其中pSW表示用户当前位置与云计算平台的传输成本，ss表示用户可选择的最佳接入区域（图2的阴影部分），(x,y)表示用户所在位置，(x0,y0)表示云计算平台中心，f(x,y)指数据节点和CMG之间的距离，阴影区域面积代表云服务器中存储媒体数据节点的一个子集

因此，总的传输数的跳数H可以表示为：

其中表示阴影部分表示最佳接入区域与云计算平台重合部分区域面积.

目标函数能够通过给定的参数的m和f(x,y)计算出最低的传输成本.模型的理论仿真结果如图3所示.随着m值的增加，数据传输消耗降低显著.然而，当m大于0.1时的时候，数据传输消耗降低幅度显著降低.因此，推断m值的最合适的值范围为（0.01，0.1）.

图3 不同的m取值对应的跳数

2.4 远程服务发现和访问

（1）媒体列表同步

当媒体RMS本地文件发生变动时，RMS发送同步信息到云媒体网关，通知服务处理中心进行媒体列表更新.

（2）远程服务发现

客户端通过访问云媒体网关住宅的媒体列表信息.在原型中将客户端访问CMG的间隔设置为定值（30秒），每个固定时间段，客户端将与云媒体网关完成一次资源列表同步.

（3）远程媒体获取

系统提供两种媒体获取方式：①媒体下载.云媒体网关通过集群接口获得数据后生成临时资源访问连接(URL)，客户端通过URL获取媒体资源.②流媒体播放.媒体内容通过流媒体协议传输到客户端，客户端使用在线播放形式接收媒体资源.

2.5 RESTful传输方案

方案云媒体网关的接入方案符合RESTful[13]框架.与传统基于的SOAP[14]的Web服务相比，基于RESTful的解决方案能够提供更加简单、高效和稳定的接入服务.具体而言RESTful框架是基于HTTP，它通过轻量级的连接和数据交互实现了客户端和服务端之间的无状态请求，在减少传输数据大小的同时提高了系统响应效率.

在原型环境中进行试验评估，资源响应时间（RRT）被定义为提交请求转发申请到文件开始传输之间的时间.文中使用开源测试工具soapUI执行正常的基于Web服务请求.实验结果表明，REST的方法能降低30%的传输数据量和提高50%的资源响应时间(RRT)，这对于移动环境来说具有很高的价值.

图4 RESTful架构和普通SOAP协议的比较

3 系统原型测试

系统的核心部分包括：云媒体网关(CMG)、住宅媒体服务器(RMS)和客户端.分布式文件系统由四台独立的主机部署Hadoop v1.0.4和HBase 0.94.6组成.使用华为U8800手机（Android 2.2版的系统）作为客户端的连接测试设备.

测试的网络环境是福州大学的校园网，移动客户端通过WiFi接入校园网后登录到云媒体网关获取住宅多媒体服务.测试包括媒体列表同步、媒体获取和媒体播放.远程住宅多媒体服务的发现和访问在原型中得到了有效的测试（图5）.

4 总结

本文提出的基于移动云架构的远程住宅多媒体服务发现和访问框架，解决了在家庭网络中的多媒体无法有效从外网访问的问题.从系统框架、安全性、数据存储、数据同步和基于RESTful的传输框架进行展开，通过理论和实验验证设计.从原型中证明提出的框架能够有效地在移动环境中克服网络地址转换、异构网络访问和受限的设备能力等问题，解决远程住宅媒体服务的发现与访问.

图5 客户端远程访问住宅媒体服务

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[4]Mahy R,Matthews P,Rosenberg J.Traversal using relays around NAT(TURN):relay extensions to session traversal utilities for NAT (STUN)[EB/OL].(2010-04)[2014-05-23].http://www.heise.de/netze/rfc/rfcs/rfc5766.shtm l.

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【编校：许洁】

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

吴叶清（1983-），女，讲师，硕士，研究方向为网络计算

时间：2014-09-12 13:00

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