移動(dòng)云計(jì)算中分布式計(jì)算卸載框架的研究

摘要：隨著移動(dòng)應(yīng)用的爆炸式增長(zhǎng)和云計(jì)算概念的興起，移動(dòng)云計(jì)算已經(jīng)被認(rèn)為是移動(dòng)服務(wù)的潛在重要技術(shù)。移動(dòng)云計(jì)算中的計(jì)算卸載可以提高程序性能和減少移動(dòng)終端能耗。本文對(duì)現(xiàn)有的計(jì)算卸載框架進(jìn)行分析，提出了一種基于移動(dòng)云計(jì)算的輕量級(jí)分布式計(jì)算卸載框架（DCOF），實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：DCOF消除了在運(yùn)行時(shí)應(yīng)用拆分和組件遷移的開銷，降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)量，減少了能源消耗成本和縮短了周轉(zhuǎn)時(shí)間。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)云計(jì)算（MCC）；計(jì)算卸載；分布式計(jì)算卸載框架（DCOF）

中圖分類號(hào)：TP393.0

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2015.06.024

本文著錄格式：楊彬，移動(dòng)云計(jì)算中分布式計(jì)算卸載框架的研究叩，軟件，2015，36（6）：129-133

AStudyoftheDistributedComputingOffloadingFrameworkBasedontheMobileCloudComputing

YANGBin

[Abstract]：WiththeemergingofthecloudcomputingconceptandtheexplosivegrowthofmobileApps，mobilecloudcomputinghasbeenregardedasapotentiallyimportanttechnologyformobileservices.Thecomputationaloffloadingisatechnologythatcanimprovetheperformanceandreducetheenergyconsumptionofthemobileterminals.Thispaperanalyzestheexistingcomputationaloffloadingframeworksandproposesalightweightdistributedcomputationalof-floadingframeworkinmobilecloudcomputing.TheexperimentalresultsshowthatDCOFeliminatestheoverheadatruntimeapplicationpartitioningandcomponentmigrationreducesthesizeofdatatransmissionandtheenergycon-sumptioncostandshortenstheturnaroundtime.

[Keywords]：Mobilecloudcomputing；Computationaloffloading；Distributedframeworkforcomputationaloffloading

0引言

云計(jì)算技術(shù)是圍繞數(shù)據(jù)處理能力展開的一種計(jì)算模式，里面含有多種ICT技術(shù)，可以說是由傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)技術(shù)順應(yīng)演變而成的[1]。云計(jì)算提供用戶對(duì)云數(shù)據(jù)中心服務(wù)和資源的按需訪問，提高資源受限的客戶端設(shè)備的計(jì)算能力，為不同的計(jì)算服務(wù)要求提供不同的服務(wù)模型。隨著智能移動(dòng)設(shè)備（SMD）的日益普及和無線寬帶的快速發(fā)展，這促使移動(dòng)云計(jì)算（MCC）向形式更加豐富、應(yīng)用更加廣泛、功能更加強(qiáng)大的方向演進(jìn)，給移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)帶來了巨大的發(fā)展空間[3]。因此，最近對(duì)SMD的移動(dòng)應(yīng)用程序，提出了許多計(jì)算卸載框架。

傳統(tǒng)的計(jì)算卸載框架采用應(yīng)用程序拆分和組件遷移到云計(jì)算的方法。這樣的框架，在移動(dòng)應(yīng)用程序訪問云計(jì)算的應(yīng)用程序處理服務(wù)時(shí)，導(dǎo)致較高的數(shù)據(jù)傳輸成本，高能源消耗和更長(zhǎng)的周轉(zhuǎn)時(shí)間。本文提出了一種基于移動(dòng)云計(jì)算的輕量級(jí)分布式計(jì)算卸載框架（DCOF）。DCOF采用分布式方法配置移動(dòng)設(shè)備和云服務(wù)器節(jié)點(diǎn)之間的移動(dòng)應(yīng)用程序。它消除了在運(yùn)行時(shí)應(yīng)用拆分和組件遷移的開銷，降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)量，減少了能源消耗成本和縮短了周轉(zhuǎn)時(shí)間。

1移動(dòng)云計(jì)算中的計(jì)算卸載

將大規(guī)模數(shù)據(jù)處理任務(wù)分成很多細(xì)粒度的子任務(wù)，分布式地在多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行處理和計(jì)算，從而在云計(jì)算環(huán)境下獲得對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)的處理能力[3]。計(jì)算卸載一般是指將計(jì)算量大的任務(wù)合理分配給計(jì)算資源充足的代理服務(wù)器進(jìn)行處理，再把運(yùn)算完成的計(jì)算結(jié)果從代理服務(wù)器取回[4]。近幾年來，基于應(yīng)用程序卸載框架的云服務(wù)器被引入，將移動(dòng)應(yīng)用程序的計(jì)算組件轉(zhuǎn)到云數(shù)據(jù)中心[5]。MCC的卸載框架采用靜態(tài)或動(dòng)態(tài)應(yīng)用程序拆分機(jī)制。靜態(tài)應(yīng)用程序拆區(qū)機(jī)制涉及在SMD和云服務(wù)器節(jié)點(diǎn)之間單次應(yīng)用程序拆分分配工作量。靜態(tài)應(yīng)用程序劃分是計(jì)算負(fù)載分布的最簡(jiǎn)單機(jī)制；然而，它缺乏應(yīng)對(duì)SMD的動(dòng)態(tài)處理負(fù)載能力。動(dòng)態(tài)應(yīng)用程序拆分機(jī)制包含運(yùn)行時(shí)分析機(jī)制確定應(yīng)用程序的組件需要卸載到哪個(gè)云服務(wù)器節(jié)點(diǎn)。動(dòng)態(tài)應(yīng)用程序拆分是SMD動(dòng)態(tài)處理負(fù)載的技術(shù)，當(dāng)前動(dòng)態(tài)拆分方法分析SMD的資源消耗，移動(dòng)應(yīng)用程序的計(jì)算需求和運(yùn)行時(shí)尋找SMD資源限制的解決方案。

虛擬化技術(shù)的使用，使得云計(jì)算系統(tǒng)出現(xiàn)大量的虛擬資源池和擁有超強(qiáng)的計(jì)算能力[6]，許多計(jì)算卸載框架采用虛擬機(jī)（VM）遷移的方法，移動(dòng)應(yīng)用程序的運(yùn)行實(shí)例被封閉在虛擬機(jī)的映像中。它包括VM實(shí)例的創(chuàng)建，VM實(shí)例中運(yùn)行的移動(dòng)應(yīng)用程序的封裝和VM映像在無線介質(zhì)上到遠(yuǎn)程服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的傳輸。然而，基于計(jì)算卸載的VM遷移需要額外的計(jì)算資源，為虛擬機(jī)部署和管理，以及虛擬機(jī)實(shí)例遷移到遠(yuǎn)程服務(wù)器節(jié)點(diǎn)。因此，應(yīng)用程序的執(zhí)行成本和周轉(zhuǎn)時(shí)間增加。此外，運(yùn)行的應(yīng)用程序及其數(shù)據(jù)容易出現(xiàn)安全漏洞，以致受到攻擊。

計(jì)算卸載將分為三個(gè)階段：初始化，計(jì)算卸載和遠(yuǎn)程應(yīng)用程序執(zhí)行。

（1）在初始化階段，傳感器模塊收集相關(guān)的信息報(bào)告，尋找云服務(wù)器節(jié)點(diǎn)上的可用服務(wù)。此外，應(yīng)用程序安全級(jí)別和QoS需求等特點(diǎn)也收集。在此階段收集到的信息用于卸載機(jī)制。

（2）計(jì)算卸載過程涉及確定應(yīng)用程序拆分和卸載的應(yīng)用程序，用戶身份驗(yàn)證和授權(quán)，在移動(dòng)設(shè)備和云服務(wù)器上VM實(shí)例的創(chuàng)建，VM實(shí)例的遷移，QoS參數(shù)協(xié)商和資源預(yù)訂。

（3）一旦授權(quán)應(yīng)用程序配置完成，遠(yuǎn)程虛擬設(shè)備實(shí)例的應(yīng)用程序恢復(fù)運(yùn)行狀態(tài)，并且在遠(yuǎn)程服務(wù)器節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行應(yīng)用程序。

現(xiàn)有框架[7-9]使用應(yīng)用程序拆分和組件遷移計(jì)算卸載到云服務(wù)器節(jié)點(diǎn)。移動(dòng)應(yīng)用程序以不同的粒度級(jí)別進(jìn)行拆分，并且密集型的應(yīng)用程序分區(qū)在運(yùn)行時(shí)計(jì)算卸載遷移。運(yùn)行時(shí)應(yīng)用程序拆分和組件遷移機(jī)制導(dǎo)敢應(yīng)用程序周轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)和數(shù)據(jù)傳輸規(guī)模大。計(jì)算卸載運(yùn)行時(shí)間開銷包括參數(shù)收集時(shí)間（Tps），應(yīng)用程序的二進(jìn)制代碼卸載時(shí)間（Tcm），移動(dòng)應(yīng)用程序上傳數(shù)據(jù)到遠(yuǎn)程服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的時(shí)間（Tpu），應(yīng)用程序下載云服務(wù)器節(jié)點(diǎn)上遠(yuǎn)程虛擬設(shè)備實(shí)例的時(shí)間（Tdv），應(yīng)用程序在遠(yuǎn)程服務(wù)器節(jié)點(diǎn)上重新配置和恢復(fù)時(shí)間（Trr），遠(yuǎn)程應(yīng)用程序執(zhí)行時(shí)間（Tre）和返回結(jié)果數(shù)據(jù)文件到當(dāng)?shù)匾苿?dòng)設(shè)備的時(shí)間（Tpr）。因此，移動(dòng)應(yīng)用程序單個(gè)組件運(yùn)行時(shí)的周轉(zhuǎn)時(shí)間卸載方程（1）。

TT=Tps+Tcm+Tpu+Tdv+Trr+Tre+Tpr

（1）

執(zhí)行計(jì)算卸載時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的大?。―S）包括遷移的應(yīng)用程序二進(jìn)制文件的大?。―m），上傳到云服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的參數(shù)文件大?。―pu）和下載到本地設(shè)備的文件大?。―pd）。移動(dòng)應(yīng)用程序單個(gè)組件運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目偞笮⌒遁d方程（2）。

Ds=Dm+Dpu+Dpd

（2）

因此，當(dāng)前框架包括應(yīng)用程序拆分的開銷，應(yīng)用程序二進(jìn)制代碼和運(yùn)行實(shí)例的相應(yīng)數(shù)據(jù)文件遷移到遠(yuǎn)程服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的額外成本。為了移動(dòng)應(yīng)用程序的分布式處理，建立了一個(gè)消耗大量資源和時(shí)間的分布式平臺(tái)。

2分布式計(jì)算卸載框架（DCOF）

2.1DCOF的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)MCC對(duì)移動(dòng)應(yīng)用程序的處理，提m了一個(gè)輕量級(jí)的分布式計(jì)算卸載框架（DCOF）。DCOF使在SMD上的移動(dòng)應(yīng)用程序到云服務(wù)器節(jié)點(diǎn)計(jì)算卸載的額外開銷減少。DCOF旨在利用云數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用程序處理服務(wù)，最小程度地使用SMD資源。DCOF采用云計(jì)算的SaaS模式按需基礎(chǔ)上訪問云服務(wù)器節(jié)點(diǎn)。它側(cè)重于動(dòng)態(tài)計(jì)算卸載到云服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，而不是動(dòng)態(tài)地應(yīng)用程序分區(qū)遷移。在云服務(wù)器節(jié)點(diǎn)上移動(dòng)應(yīng)用程序資源組件的配置，根除在運(yùn)行時(shí)傳輸應(yīng)用程序的二進(jìn)制文件和數(shù)據(jù)文件到云服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的開銷。移動(dòng)應(yīng)用程序是分布式的計(jì)算負(fù)載，在運(yùn)行時(shí)消除遷移應(yīng)用程序二進(jìn)制文件和活動(dòng)狀態(tài)的開銷。

然而，依靠云服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的預(yù)配置服務(wù)，導(dǎo)致依賴集中服務(wù)和減少脫機(jī)可用性的問題。同樣，它會(huì)導(dǎo)致瘦客戶端應(yīng)用程序工作，如傳統(tǒng)的Web和電子郵件應(yīng)用程序，該應(yīng)用程序處理邏輯駐留在遠(yuǎn)程服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，而客戶端應(yīng)用程序提供用戶界面。為了解決這樣的問題，提出框架在移動(dòng)設(shè)備和云服務(wù)器節(jié)點(diǎn)上復(fù)制移動(dòng)應(yīng)用程序組件。DCOF執(zhí)行移動(dòng)應(yīng)用程序采用了兩種截然不同的操作模式（離線模式和在線模式）。在理想情況下，離線模式執(zhí)行應(yīng)用程序，本地移動(dòng)設(shè)備要有足夠的可用計(jì)算資源執(zhí)行移動(dòng)應(yīng)用程序。因此，在離線模式移動(dòng)應(yīng)用程序的所有組件執(zhí)行被安排在本地移動(dòng)設(shè)備上。分析器動(dòng)態(tài)評(píng)估在SMD上的可用資源（內(nèi)存、CPU和電池）和移動(dòng)應(yīng)用程序執(zhí)行的未來需求。在危急中，移動(dòng)應(yīng)用程序切換到在線模式，啟動(dòng)云計(jì)算服務(wù)處理移動(dòng)應(yīng)用程序密集型組件。所需的輸人數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆品?wù)器節(jié)點(diǎn)，在云服務(wù)器節(jié)點(diǎn)上成功執(zhí)行任務(wù)，將結(jié)果數(shù)據(jù)返回給移動(dòng)設(shè)備。

DCOF實(shí)現(xiàn)方法關(guān)注計(jì)算任務(wù)卸載的粒度。傳統(tǒng)的計(jì)算卸載框架，編譯器在編譯時(shí)（遠(yuǎn)程）給移動(dòng)應(yīng)用程序的組件加標(biāo)簽，并添加到庫中。這類框架以源文件作為輸入，并生成必要的遠(yuǎn)程方法和效用函數(shù)，代碼生成器模塊執(zhí)行修改后的代碼產(chǎn)生開銷。然而，DCOF不需要聲明移動(dòng)應(yīng)用程序的方法是本地還是遠(yuǎn)程的。因此，DCOF減少了移動(dòng)設(shè)備和云服務(wù)器節(jié)點(diǎn)之間執(zhí)行負(fù)載分配工作。此外，DCOF消除了云數(shù)據(jù)中心部署應(yīng)用程序處理服務(wù)分布式應(yīng)用程序調(diào)度的額外開銷。圖1顯示了該框架的體系結(jié)構(gòu)。

移動(dòng)應(yīng)用程序的計(jì)算組件在云服務(wù)器節(jié)點(diǎn)上不需要用戶交互配置，而是提供應(yīng)用程序在線模式執(zhí)行的按需訪問。基于移動(dòng)應(yīng)用程序的DCOF是基于傳統(tǒng)的移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用程序框架。然而，移動(dòng)應(yīng)用程序允許動(dòng)態(tài)地在在線和離線模式之間切換。雙操作模式的移動(dòng)應(yīng)用程序支持動(dòng)態(tài)在線和離線模式之間切換。對(duì)于遠(yuǎn)程服務(wù)器的訪問問題，應(yīng)用程序能夠在本地移動(dòng)設(shè)備上完成全部操作。應(yīng)用程序在離線模式作為一個(gè)獨(dú)立的應(yīng)用程序操作，并且在在線模式訪問分布式的云服務(wù)器。

2.2DCOF組件交互的流程

圖2顯示了DCOF組件交互的流程圖。移動(dòng)設(shè)備上的應(yīng)用程序能夠訪問云服務(wù)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算任務(wù)卸載。應(yīng)用程序分析器評(píng)估移動(dòng)設(shè)備上的資源利用率。在臨界條件下（例如電池低電量），應(yīng)用程序任務(wù)管理器切換應(yīng)用程序到在線模式。任務(wù)管理器考慮移動(dòng)應(yīng)用程序組件運(yùn)行實(shí)例進(jìn)行計(jì)算卸載的歷史記錄。參數(shù)管理器保存移動(dòng)應(yīng)用程序的運(yùn)行狀態(tài)。移動(dòng)應(yīng)用程序訪問云服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的服務(wù)，并傳輸所需的輸入?yún)?shù)給遠(yuǎn)程應(yīng)用程序執(zhí)行。僅應(yīng)用程序的資源密集型任務(wù)卸載到云服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，而其余的應(yīng)用程序在移動(dòng)設(shè)備上繼續(xù)執(zhí)行。DCOF的同步器組件負(fù)責(zé)同步本地移動(dòng)設(shè)備上的應(yīng)用程序運(yùn)行和云服務(wù)器節(jié)點(diǎn)上的應(yīng)用程序運(yùn)行。一旦計(jì)算任務(wù)在云服務(wù)器節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行成功，最終結(jié)果返回給在移動(dòng)設(shè)備上運(yùn)行的應(yīng)用程序。云服務(wù)器的服務(wù)節(jié)點(diǎn)總是保持活躍模式。與此同時(shí)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接中斷遠(yuǎn)程服務(wù)無法訪問時(shí)，任務(wù)管理器能夠切換到離線模式，并恢復(fù)本地移動(dòng)設(shè)備上應(yīng)用程序的運(yùn)行狀態(tài)。然而，恢復(fù)到離線模式是以當(dāng)?shù)匾苿?dòng)設(shè)備上應(yīng)用程序執(zhí)行的可行性為基礎(chǔ)的。任務(wù)管理器恢復(fù)中斷組件的運(yùn)行狀態(tài)是以應(yīng)用程序分析器的輸入為基礎(chǔ)的。

為了減少對(duì)遠(yuǎn)程服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的依賴，DCOF涉及在移動(dòng)設(shè)備和云服務(wù)器節(jié)點(diǎn)上應(yīng)用程序的計(jì)算組件的復(fù)制。應(yīng)用程序復(fù)制涉及移動(dòng)設(shè)備和遠(yuǎn)程云服務(wù)器節(jié)點(diǎn)之間復(fù)雜的一致性和應(yīng)用程序分布式處理的同步。然而，移動(dòng)應(yīng)用程序組件的復(fù)制有助于利用最少的資源實(shí)現(xiàn)計(jì)算卸載。在運(yùn)行時(shí)，消除了應(yīng)用程序分區(qū)和分區(qū)遷移的時(shí)間開銷。同樣，通過動(dòng)態(tài)切換在線和離線模式之間的移動(dòng)應(yīng)用程序確保豐富的用戶體驗(yàn)和離線可用性。因此，在云服務(wù)器節(jié)點(diǎn)上遠(yuǎn)程服務(wù)不可用的情況下，在移動(dòng)設(shè)備上的應(yīng)用程序可以恢復(fù)應(yīng)用程序組件的中斷運(yùn)行狀態(tài)。

3評(píng)價(jià)與結(jié)果

3.1實(shí)驗(yàn)設(shè)置

DCOF框架是由移動(dòng)云計(jì)算環(huán)境的Android設(shè)備應(yīng)用測(cè)試評(píng)估。服務(wù)器配置為移動(dòng)設(shè)備提供在線模式服務(wù)。云計(jì)算的SaaS模式是用于向移動(dòng)設(shè)備提供服務(wù)。移動(dòng)設(shè)備訪問無線網(wǎng)絡(luò)通過Wi-Fi連接802.11g，可用物理層的數(shù)據(jù)率為54Mbps?；贏ndroid的Java軟件開發(fā)T具包（SDK）部署應(yīng)用開發(fā)。PowerTutorT具用于分布式應(yīng)用處理消耗電池電量的測(cè)量。

3.2結(jié)果與討論

在方程（1）所示的周轉(zhuǎn)時(shí)間（TT），TT是傳統(tǒng)計(jì)算卸載應(yīng)用程序每個(gè)組件所用時(shí)間。然而，DCOF采用計(jì)算任務(wù)遷移，而不是應(yīng)用程序分區(qū)和組件在運(yùn)行時(shí)遷移。因此，基于DCOF計(jì)算卸載的應(yīng)用程序每個(gè)組件的TT，包括任務(wù)卸載時(shí)間（Tcm），遠(yuǎn)程應(yīng)用程序的處理時(shí)間（Tre）和參數(shù)下載時(shí)間（Tpx）?；贒COF的移動(dòng)應(yīng)用程序單個(gè)組件運(yùn)行時(shí)的周轉(zhuǎn)時(shí)間卸載方程（3）。

TT=T㈨+Tre+Tpr

（3）

DCOF的使用導(dǎo)致SMD使用最少的資源進(jìn)行MCC的計(jì)算卸載。采用基于移動(dòng)應(yīng)用程序云計(jì)算的DCOF，減少了應(yīng)用程序二進(jìn)制代碼遷移和活動(dòng)數(shù)據(jù)狀態(tài)遷移到云服務(wù)器節(jié)點(diǎn)上的額外成本。因此，在云服務(wù)器節(jié)點(diǎn)上處理移動(dòng)應(yīng)用程序，縮短了周轉(zhuǎn)時(shí)間，減少了數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇笮?，降低了能源消耗成本。例如，與傳統(tǒng)的計(jì)算卸載技術(shù)相比較，采用DCOF使傳輸數(shù)據(jù)的大小減少74.8%，轉(zhuǎn)向輕量級(jí)的分布式架構(gòu)計(jì)算卸載時(shí)間減少91.3%，能源消耗成本降低了87.5%。4總結(jié)

在運(yùn)行時(shí)，應(yīng)用程序的拆分機(jī)制，組件遷移增加了數(shù)據(jù)流量、能源消耗成本和應(yīng)用程序的周轉(zhuǎn)時(shí)間。因此，為了在MCC中進(jìn)行計(jì)算卸載，建立了資源密集和費(fèi)時(shí)的分布式應(yīng)用程序執(zhí)行環(huán)境。提出的DCOF使移動(dòng)設(shè)備和云服務(wù)器節(jié)點(diǎn)之間的負(fù)載分配開銷降到最低。DCOF使用輕量級(jí)操作程序用于計(jì)算卸載，利用SaaS模型部署在MCC計(jì)算的移動(dòng)應(yīng)用程序。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了DCOF輕量級(jí)的本質(zhì)，這減少了能源消耗成本，減小了數(shù)據(jù)傳輸?shù)某叽绾驮浦袘?yīng)用程序的周轉(zhuǎn)時(shí)間。未來的研究包括本研究范圍擴(kuò)展到解決在本地移動(dòng)設(shè)備和遠(yuǎn)程云服務(wù)器節(jié)點(diǎn)之間同步應(yīng)用程序執(zhí)行的一致性問題，并使應(yīng)用程序的執(zhí)行與云計(jì)算的處理服務(wù)無縫結(jié)合。

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