移动云计算的发展现状及挑战

彭 捷 王俊义 符杰林

（桂林电子科技大学信息与通信学院，广西 桂林 541004）

移动云计算的发展现状及挑战

彭 捷 王俊义 符杰林

（桂林电子科技大学信息与通信学院，广西 桂林 541004）

移动云计算技术作为一种新兴计算模式受到工业界及学术界的广泛关注。利用云端资源可以增强移动设备的计算及存储能力，从而能够处理复杂的计算密集型或资源密集型移动应用，优化移动设备本身的资源利用。文章将从移动云计算的基本概念，系统框架对移动云计算领域进行解析。然后根据当前该领域的发展现状对移动云服务进行分类。最后阐述目前实现移动云服务面临的诸多问题。

移动云计算；云计算；移动计算；移动应用卸载

1 引言

随着无线网络技术（如3G、4G、5G、Wi-Fi技术）的迅速发展，以智能手机为代表的无线移动智能设备能够随时随地快速接入互联网，移动性和泛在性是下一代网络的基本特征[1]。同时由于移动设备软硬件领域的长足发展，移动计算即在移动设备上执行计算任务和资源共享，已经成为可能。虽然移动计算能够满足人们对便携性，移动性的要求。然而由于移动设备本身资源受限，比如体积小、电池能源受限、计算能力弱、内存小等，很多计算密集型以及资源饥渴型应用依然无法在移动设备上执行。

近年来随着云计算技术的发展，为这一问题提供了一种新的解决思路—利用无线接入方式以及互联网技术将移动设备无法处理或处理代价过高的移动应用转移到云端服务器执行。这种解决思路催生出一种新型计算模式——移动云计算[2-6]。作为云计算的继承和拓展，移动云计算结合了移动计算和云计算技术，允许移动设备通过无线网络以及互联网接入云端，利用云端资源执行移动计算任务，拓展移动设备的计算或存储能力。移动云计算是一种结合移动通信技术，云计算技术[7-9]，无线网络技术新型计算模式--移动设备通过无线网络技术接入互联网，由互联网接入云端服务器，采用“即付即用（Pay-As-You-Use）”的方式向云端服务提供商购买云端资源。

虽然移动云计算能够解决移动设备资源受限问题，拓展移动设备的计算处理能力，但在实现过程中依然面临诸多挑战，其中关键的挑战是如何无缝接入云端资源。具体来说，

一方面，由于移动设备的移动特性以及无线信道的高度动态性，保证移动设备与云端之间的数据链路稳定非常重要；另一方面，如果将移动应用转移到云端执行需要向云端传输大量的数据及代码，将耗费大量能量，而移动设备能量受限，如何优化移动应用卸载过程中移动设备的能耗是一个亟需解决的问题。针对目前移动云计算在工业界以及学术界的迅猛发展，首先非常必要从本质上认识什么是移动云计算。针对这个问题，本文从移动云计算的基本概念概念、发展现状和分类以及遇到的问题等方面详细阐述这移动云计算。

2 移动云计算

随着云计算以及移动计算的发展，为进一步拓展移动计算能力，移动云计算最早由 2009年被提出。2010年，谷歌CEO EricSchmidt声称：基于移动云计算技术，移动智能设备将更加复杂，并最终发展成为便携的超级电脑[10]。为了更好地理解移动云计算，图 1给出了移动云计算的基本构架——智能移动终端利用无线网络技术以及互联网技术接入云端，将移动应用卸载到云端服务器上执行，拓展移动设备计算及存储能力[11]。

其中，云端由众多平行的、分散的计算资源组成，他们通过互联网连接起来，利用无线网向移动设备提供在线计算、存储等服务。云端服务器包含不同种类的近端/远端计算设备，不同的云端服务器在服务能力以及执行速度上均存在差异，因此云端服务器之间存在异构性[12-15]。移动设备由于软件方面比如操作系统（IOS、Android等）不同也导致移动终端的异构性。然而，云端服务器采用虚拟机技术执行卸载（application offloading）到服务器上的移动应用，通过虚拟机技术可以很好解决移动终端以及云端服务器的异构性。目前，各大IT公司已经开发出多种基于移动云计算的移动应用，比如语音搜索，移动导航系统等。在可预见的未来，将会有越来越多的基于移动云服务的移动应用走进人们的日常生活。

图1　移动云计算基架构

通常，云端包含不同服务提供商提供的不同服务，且不同时刻有不同服务请求，因此云端需要一个完善的服务系统。图 2展示了移动云计算服务系统的基本框架[16]，不同模块负责不同功能，共同协作完成实时服务请求。

图2　移动云服务系统

移动云计算系统通过情景感知模块对当前的无线信道状况进行检测，监测及分析模块实时当前移动设备剩余的资源状况；QoS管理模块对移动云服务的质量进行管理，以上各模块所获得信息汇集到应用卸载决策模块，针对特定移动应用决策出是否进行应用卸载，优化移动终端资源。通常情况下，移动终端只需要将应用任务的计算密集型部分转移到云端，剩余部分在本地端执行，因此在移动应用执行过程中，移动设备端的程序状态栈应当与云端的程序状态栈保持一致以确保应用程序执行的完整性和准确性，此项任务由同步模块完成[17]。

由于存在两种云资源--远端云资源及近端云资源。远端云资源指距离用户较远，能够提供海量有弹性的计算资源的大型云，比如亚马逊的EC2等。而近端云资源一般指距离用户较近，由一些分散计算资源所组成的计算机簇，计算能力相对较弱。远端云资源的功能强大，但距离用户较远，时延大；近端虽然计算能力弱，但距离用户较近，时延小。云资源的多样性可以使移动云计算更灵活，为用户服务提供更多选择，但当面临多种可用云资源时，如何选择最合适的云资源是一个关键问题。图 2中的资源调度模块以及监测分析模块就能很好的解决此类问题，通过对移动设备自身的资源使用状况进行监测分析，同时考虑云端的资源使用状况，为每个移动任务请求分配合适的云资源。

3 移动云服务分类

在本小节中，笔者将站在不同角度对当前移动云计算进行分类，对移动云计算方面的内容进行进一步梳理，以加深对其理解。在实时应用卸载过程中，根据不同的应用卸载模式笔者可以将移动云服务分为以下三种：

（1）流式云服务——将整个移动应用全部转移到云端执行。在应用的执行过程中移动端与云端不断交互信息，并将应用执行结果返回给移动端。在此过程中，移动设备仅仅充当利用浏览器或应用界面与云端交互的客户端角色。这种方案可以最大程度利用云端资源以拓展移动设备计算能力，但是由于在程序执行过程中，移动设备需要不间断的与云端交互，对通信链路的质量要求较高。而大多数移动云服务是以“即付即用”的方式提供服务，因此在流量高峰期如何控制拥塞是一个需要解决的问题[18]。

（2）多层执行服务——主要目的是减少用户端负载，将同一个应用程序分为两部分--计算密集型或资源饥渴型部分和用户接口部分。前一部分转移到云端服务器执行，而后一部分则留在移动端执行。本方案中的移动应用一般在执行前便已经分割完毕，在应用执行过程中云端将计算密集型的应用部分执行完后将数据返回移动端，而移动端仅执行应用中轻量级部分。

（3）远程执行服务——在这种方案中，应用程序被动态或静态的分割为不同的执行部分，并根据情况将不同的应用部分在云端或移动端执行。使用静态分割技术是指在程序运行之前将应用分割为不同的执行部分，在应用执行过程中将计算密集型的应用部分转移到云端执行，而轻量级的应用留在移动端本地执行。动态分割技术是指在应用执行过程中，动态的对应用进行分割。静态分割可以减少移动设备在执行应用过程中的能量开销，但静态分割的分割粒度可能无法适应高度动态的无线通信环境，而动态分割虽然耗费更多的能量开销但能够根据动态的外部环境，动态改变程序分割粒度以适应变化的通信环境。

上述分类中，应用分割方法是关键。应用分割方法也是目前移动云计算的主流研究。下面，笔者将进一步对应用分割方法进行分类：

（1）设计时分割方法——在软件设计时，设计者需将资源密集型应用部分标记出来，这些应用部分可以卸载到云端执行。也就是说，应用程序的设计者对应用进行分割，移动设备只是根据具体执行环境对应用进行动态转移。这种在程序设计时进行分割的方法可以减少设备的处理和监控开销。但是设计时分割并不总是最优的，有时候分割粒度并不能很好的适应变化的应用环境。

（2）运行时分割方法——运行时分割是一种动态分割方案。这种方案可以动态确认资源饥渴型部分并决定在哪里执行这些程序部分。也就是说动态分析自身资源以及程序所需资源再决定是否将程序转移到云端执行。运行时分割需要不断的收集当前网络状态资源信息以及历史状态信息，并在设备上对应用进行分割，因此设备的处理开销和通信开销比较大，执行时延比较大，但更能适应动态环境。

（3）混合分析分割方法——系统通过自身资源以及云端资源情况决定什么时候进行应用转移，如果要进行应用转移，进一步确定如何进行应用转移。

4 移动云计算面临的挑战

综述所述，移动云计算的主要目的是向移动用户提供方便快捷的云服务，因此移动设备有效接入云端并与云端服务器进行快速的数据交互是至关重要的。而移动设备自身的局限性--资源受限性以及无线信道的内在属性（高度动态性）给实现移动云计算带来了巨大挑战[19-20]，给移动应用的设计、编程带来极大的困难。

（1）移动设备的局限性

虽然以智能手机为代表的移动智能设备在软硬件方面，如CPU处理能力、内存、屏幕尺寸、传感技术以及操作系统等都取得了长足发展。然而在处理复杂移动应用时仍然存在处理能力不足，能源资源受限的情况。相比于台式机，笔记本电脑以及智能手机等在处理能力及存储能力等方面还存在很大差距。随着计算能力以及屏幕的发展，越来越多的复杂应用需要在智能手机上运行，然而运行复杂应用消耗的能量也相应增加。如果电池技术不能在短时间内取得突破性进展，如何减少能源花销将是另一个需要解决的问题。为解决移动设备计算能力不足以及能源受限的问题，在移动云计算领域移动设备可以将计算密集型应用和能源密集型应用转移到云端服务器。在这一过程中，移动设备需要根据自身的资源情况以及无线网络信道环境判断是否将应用转移到云端。因为在应用转移过程中，需要大量的代码及数据传输，这都将消耗设备能量。所以，移动设备需要准确判断应用卸载是否节省能量，如果在信道条件差的情况下，传输代码和数据所耗费的能量比自身运行该应用还要多，此时进行应用转移是完全没有必要的。

（2）通信质量问题

在移动云计算中，移动设备通过无线信道接入互联网。与有线连接方式相比，无线信道的信道状态随时间变化较大，因此在移动设备与云端服务器之间保持持续的通信链接并非易事。用户的移动性以及高度动态的通信环境同时对设备资源利用率的影响也相当明显。如果云端服务提供者与用户之间断开联系，此时用户只能在本地执行相应应用或重新将数据上传到云端重新运行应用。类似地，资源受限的移动设备在本地运行轻量级应用，而此时云端与移动端的链接若断开，那么此时移动设备所执行的应用部分被浪费。因此保持移动设备与云端服务器之间的无缝连接依然是一个亟需解决的问题。

5 结束语

随着海量数据计算在商业及学术领域重要性增强，数据存储及计算能力越来越受到人们的关注。移动云计算技术结合了移动计算和云计算，目的是使移动设备接入云端服务器，利用云端资源拓展移动设备的数据处理能力同时弥补移动设备的资源受限性的缺陷。本文首先简单介绍了移动云计算技术的动机以及基本概念，随后描述了移动云计算系统的基本框架并对当前移动云服务进行分类。最后，阐述了移动云服务在实现过程中所遇到的挑战及解决思路。

[1] M.Cooney. Gartner: The top 10 strategic technology trends for 2012[EB/OL].http://www.networkworld.com/news/2011/ 101811-gartner-technology-trends-252100.html,2011-10-18/ 2015-11-18.

[2] 赵晶.运营商如何拥抱移动云计算[EB/OL].http://www. cnii. com.cn/incloud/2015-02/12/content 1533469.htm, 2015-02-12/2015-11-18.

[3] HEWITT C.Orgs for scalable,robust,privacy-friendly client cloud computing[J].Internet Computing,IEEE, 2008,12(5): 96-99.

[4] BUYYA R,YEO C,and VENUGOPAL S. Market-oriented cloud computing: Vision, hype, and reality for delivering it services as computing utilities[C]//HPCC’08.10th IEEE International Conference on High Performance Computing and Communications.USA:IEEE,2008:5-13.

[5] YOUSEFF L,BUTRICO M,and SILVA D.Toward a unified ontology of cloud computing[C]// Grid Computing Environments Workshop.USA:IEEE,2008:1-10.

[6] HOANG D,CHONHO L,DUSIT N,et al.A Survey of Mobile Cloud Computing: Architecture,Applications, and Approaches[J].Wireless Communications and Mobile Computing,2013,13(18): 1587-1611.

[7] GIVEHCHI O,TRSEK H,JASPERNEITE J.Cloud computing for industrial automation systems-A comprehensive overview [C]//IEEE 18th Conference on Emerging Technologies & Factory Automation(ETFA).USA:IEEE, 2013:1-4.

[8] CHEN YIZENG,LI XINGUI,CHEN FANGNING. Overview and analysis of cloud computing research and application [C]//International Conference on E-Business and E–Government(ICEE). USA:IEEE,2011:1-4.

[9] POLASH F,ABUHUSSEIN A,SHIVA S. A survey of cloud computing taxonomies:Rationale and overview[C]// 9th International Conference for Internet Technology and Secured Transactions(ICITST).USA:IEEE,2014:459-465.

[10] MARRAPESE B. Google ceo:a few years later,the mobile phone becomes a super computer[EB/OL].http://www. itnews-blog.com/it/21320.html,2015-11-18.

[11] ZHANG XINWEN,KUNJITHAPATHAM A,JEONG S,et al.Towards an elastic application model for augmenting the computing capabilities of mobile devices with cloud computing[J].Mobile Networks and Applications,2011, 16(3):270-284.

[12] ROCHWERGER B,BREITGAND D,LEVY E.The reservoir model and architecture for open federated cloud computing [J].IBM Journal of Research and Development,2009,53(4): 1-11.

[13] LEI LEI,ZHONG ZHANGDUI,ZHENG KAN,et al.. Challenges on wireless heterogeneous networks for mobile cloud computing[J].Wireless Communications. IEEE,2013, 20(3):34-44.

[14] MEI LIJUN, CHAN W, TSE T.A tale of clouds: paradigm comparisons and some thoughts on research issue[C]// Asia-Pacific Services Computing Conference,IEEE.USA: IEEE, 2008:464-469.

[15] WALDEN S. Cloud computing by the numbers:The rise of the private and hybrid cloud[EB/OL].http://mashable. com/ 2015/05/11/cloud-computing-infographic/,2015-05-12/2015-11-18.

[16] 李小凤.移动云计算服务架构研究与应用实现[D].成都:电子科技大学,2013:15-49.

[17] CHUN B, IHM S, MANIATIS P, et al.Clonecloud: Elastic execution between mobile device and cloud[C]// in Proceedings of the sixth conference on Computer systems. USA: ACM,2011: 301-314.

[18] LU YAN,LI SHIPENG,SHEN HUIFENG. Virtualized screen: A third element cloud-mobile convergence[J]. MultiMedia, IEEE,2011,18(2): 4-11.

[19] TULI A,HASTEER N,SHARMA M,et al.Exploring challenges in Mobile cloud computing: An overview[C]// Confluence 2013:The Next Generation Information Technology Summit (4th International Conference),UK: IET, 2013: 496-501.

[20] 邓茹月,覃川,谢显中.移动云计算的应用现状及存在问题分析[J].重庆邮电大学学报,2012,24(6):716-723.

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

国家自然科学基金（61261017，61571143）；广西自然科学基金（2013GXNSFAA019334）；广西信息科学实验中心经费资助项目；广西无线宽带通信与信号处理重点实验室开发基金（GXKL0614202，GXKL0614101）；桂林电子科技大学研究生科研创新项目（YJCXS201523）。

彭捷（1990-），女，桂林电子科技大学在读研究生，研究方向为无线移动网络资源优化以及云资源分配。

【通迅作者】符杰林，男，广西桂林人，桂林电子科技大学副教授，硕士，研究方向为无线通信和宽带通信技术。