移动云计算环境下移动系统能源消耗情况研究
2016-03-04杨彬
杨彬
摘要：移动系统上许多应用程序执行需要进行大量的计算，这就需要消耗大量的能源。文章归纳了移动系统的节能方法，重点分析了移动云计算环境下移动系统能源消耗情况，以及移动云计算所面临的挑战对能源消耗的影响和解决方案。关键词：移动云计算；移动系统；计算卸载；能源消耗
移动系统中的云服务应用带来了一个新兴的移动计算模式，称为移动云计算（MCC）。移动云计算是移动通信技术与云计算技术的结合。这种类型的计算为企业提供了许多优点，包括初期投资较低，新服务启动时间短，降低维护和运营成本，通过虚拟化获得更高利用率，更易灾难恢复，使得云计算成为一个有吸引力的选择。对移动用户而言，移动设备计算主要受能源和无线带宽的约束。云计算可以为移动用户提供节能服务，但它也带来了一些独特的挑战。
1移动系统的节能方法
移动设备，如智能手机，已成为许多用户的主要计算平台，各种研究已经确定了系统最理想的特性是拥有更长的电池续航能力。移动系统上许多应用程序执行需要进行大量的计算，如果移动用户希望使用这些应用程序，计算必须在云中执行。其他应用程序，如图像检索、语音识别、游戏、导航可以在移动系统运行。然而，他们消耗大量的能源。Kumar等人提出云计算能够节省移动用户的能源，但并不是所有应用程序迁移到云端都能节省能源，这取决于迁移后的计算开销节省是否优于通信开销。低功耗设计多年来一直是一个活跃的研究课题。在IEEE Xplore，搜索“low”和“power”关键词，会搜索出大量文档。对于移动设备而言，有4种基本方法节能和延长电池续航时间：（1）采用新一代半导体技术。如晶体管变得更小，每个晶体管功耗更小。不幸的是，随着晶体管变得更小，需要更多的晶体管来提供更多的功能和更好的性能，因此，能源消耗增加。（2）避免浪费能源。整个系统或单个组件可以进入待机或睡眠模式以节省电力。（3）慢速执行程序。当一个处理器的时钟速度翻倍，能耗近8倍。如果时钟速度减少一半，执行时间加倍，但只有1/4的能源消耗。（4）消除单点计算。移动设备不进行全部计算，而在其他地方进行计算，从而延长移动系统的电池待机时间。我们专注于最后的节能方法。
2卸载计算对能源消耗的影响
发送到另一台机器的计算不是一个新想法。目前流行的客户机/服务器计算模型，允许移动用户启动Web浏览器，上网搜索，网上购物。云计算与现有模型区别是采用了虚拟化技术。而不是服务供应商管理运行在服务器上的程序，虚拟化允许云提供商运行来自不同客户虚拟机的任意应用程序。虚拟化是云计算的一个基本特征，让不同的客户应用程序运行在不同的虚拟机，从而提供分离和保护。移动云计算卸载技术是实现移动业务远程云端处理的基本方法，可以将移动设备的云业务通过无线接入网络转移到远方的云端，实现了移动云应用和云资源的结合，从而可以增强移动设备的数据处理能力，同时大大降低了移动终端的能源消耗。
2.2计算卸载的优势
分析表明，通过计算卸载节能取决于无线带宽B，执行计算量C，传输数据量D。现有的研究侧重于确定是否卸载计算预测这3个因素之间的关系。客户端服务器模型的这个分析有一个基本假设：服务器不包含数据，所有的数据必须发送到服务提供商。客户端必须卸载程序和数据到服务器。例如，通常计算卸载新发现的服务器不包含移动用户的个人图像采集。然而，云计算改变了这种假设：云存储数据并执行计算。例如，Google的Picasa和Amazon S3存储数据的服务，还有Amazon EC2可以使用S3存储的数据执行计算。大多数应用程序D值有显著变化。不再需要通过无线网络发送数据，它可以发送一个指向数据的指针。同时，F值是弹性的，大量处理器可以在云上。
3面临的挑战和解决方案
3.1隐私和安全性
在云计算中，Web应用程序和数据代替传统的独立程序，而不再是存储在用户的电脑上。将所有的数据和计算资源转移到云，这可对安全产生影响。安全问题分为2方面：一方面是客户端的隐私数据安全，另一方面是网络用户和服务商之间的信息交互与数据共享安全。因为数据在云中存储和管理，安全和隐私设置取决于云提供商的IT管理。
云中的一个缺陷或安全漏洞可能导致侵犯隐私。云服务提供商通常与许多第三方供应商合作，并不能保证这些供应商如何保护数据。另一个潜在的隐私侵犯行为，个人通过定位导航数据卸载到云的“跟踪”。此外，由于存在不同的访问规则，数据存储在一个位置可能不安全。因为用户不知道数据存储位置，确定什么样的法律适用于维护数据是很困难的。这可能引发严重的安全问题，公司在云中存储商业秘密，或用户从移动系统上传一个专利想法到云。
显然，没有考虑隐私和安全的影响，某些类型的数据不能存储到云。一个可能的解决方案是加密存储数据。然而，加密本身并不能解决问题。图1显示了两个加密方案。在图1a中，数据保持在云存储站点加密，这可以防止未经授权的访问。在图1b中，云供应商解密数据对这些数据进行操作。例如，对于文档，云供应商必须知道哪些词是用来拼写检查；对于电子表格，云应用程序必须知道要计算的数字。这是一般情况下的云服务。
另一个可能的隐私和安全解决方案是使用一种叫做隐写术的技术，如“数据外包和隐私”侧边栏。信息隐藏技术可以用来转换数据，可以执行操作而不暴露他们。
在发送数据到云之前执行加密或隐写术，移动系统需要一些额外的处理cp，并消耗额外的能量。方程2可改写为：
（C/M）×（Pc-Pi/F）Ptr×（D/B）Pc×（Cp/M） （5）
其中Pc×（Cp/M）是需要保护隐私和安全的附加能量。如果这个值很大，云计算可能不为移动用户节省能源。相反，在移动系统上执行操作可能更节能，当设备进行计算时Cp=0。
3.2可靠性
移动云计算的另一个潜在问题是可靠性。移动用户在云中执行计算依赖于无线网络和云服务。连接受限时，依赖无线网络实现云计算是不可能的，更别说节能。在建筑物的地下室、隧道内或地铁，移动云计算很难定位。在这些情况下，公式2中的B变得很小甚至为零，云计算不节约能源。
重要计算依赖云，服务中断期间可能会导致问题。如谷歌、亚马逊和T-Mobile这些服务提供商都经历过这样的故障。这降低了方程2中的F值。
数据存储提出了另一个可靠性问题。服务提供商移动助手服务崩溃，所有客户失去了他们的数据和联系。在这样的情况下，一个选择涉及到另一个服务提供商的数据独立备份，这可能增加方程2中的D值。
3.3实时数据
一些应用程序有实时数据，包括象棋、移动监测、搜索新抓取的图像以及导航等。在这样的情况下，在方程2中的D不再是一个指向数据的指针；它指的是实际的数据。对于象棋应用程序，D值很小，因此卸载可以节省能源。当D值大时，卸载不节约能源。在这种情况下，在移动系统执行计算更节能。一种可能的解决方案是在移动系统和云计算之间分区计算，以减少能源消耗。这样的解决方案可能包括在移动系统上处理部分实时数据。如果处理过的数据规模较小，发送处理过的数据到服务器，降低无线传输能量。
分析表明，云计算可以为移动用户节省能源。然而，并不是所有的应用程序迁移到云都能有效节能。移动云计算服务不同于桌面云服务，因为他们必须提供节能服务。卸载之前，服务应考虑隐私、安全、可靠性和数据通信的能源开销。
