移動(dòng)云計(jì)算環(huán)境下移動(dòng)系統(tǒng)能源消耗情況研究

楊彬

摘要：移動(dòng)系統(tǒng)上許多應(yīng)用程序執(zhí)行需要進(jìn)行大量的計(jì)算，這就需要消耗大量的能源。文章歸納了移動(dòng)系統(tǒng)的節(jié)能方法，重點(diǎn)分析了移動(dòng)云計(jì)算環(huán)境下移動(dòng)系統(tǒng)能源消耗情況，以及移動(dòng)云計(jì)算所面臨的挑戰(zhàn)對(duì)能源消耗的影響和解決方案。關(guān)鍵詞：移動(dòng)云計(jì)算；移動(dòng)系統(tǒng)；計(jì)算卸載；能源消耗

移動(dòng)系統(tǒng)中的云服務(wù)應(yīng)用帶來了一個(gè)新興的移動(dòng)計(jì)算模式，稱為移動(dòng)云計(jì)算（MCC）。移動(dòng)云計(jì)算是移動(dòng)通信技術(shù)與云計(jì)算技術(shù)的結(jié)合。這種類型的計(jì)算為企業(yè)提供了許多優(yōu)點(diǎn)，包括初期投資較低，新服務(wù)啟動(dòng)時(shí)間短，降低維護(hù)和運(yùn)營成本，通過虛擬化獲得更高利用率，更易災(zāi)難恢復(fù)，使得云計(jì)算成為一個(gè)有吸引力的選擇。對(duì)移動(dòng)用戶而言，移動(dòng)設(shè)備計(jì)算主要受能源和無線帶寬的約束。云計(jì)算可以為移動(dòng)用戶提供節(jié)能服務(wù)，但它也帶來了一些獨(dú)特的挑戰(zhàn)。

1移動(dòng)系統(tǒng)的節(jié)能方法

移動(dòng)設(shè)備，如智能手機(jī)，已成為許多用戶的主要計(jì)算平臺(tái)，各種研究已經(jīng)確定了系統(tǒng)最理想的特性是擁有更長的電池續(xù)航能力。移動(dòng)系統(tǒng)上許多應(yīng)用程序執(zhí)行需要進(jìn)行大量的計(jì)算，如果移動(dòng)用戶希望使用這些應(yīng)用程序，計(jì)算必須在云中執(zhí)行。其他應(yīng)用程序，如圖像檢索、語音識(shí)別、游戲、導(dǎo)航可以在移動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行。然而，他們消耗大量的能源。Kumar等人提出云計(jì)算能夠節(jié)省移動(dòng)用戶的能源，但并不是所有應(yīng)用程序遷移到云端都能節(jié)省能源，這取決于遷移后的計(jì)算開銷節(jié)省是否優(yōu)于通信開銷。低功耗設(shè)計(jì)多年來一直是一個(gè)活躍的研究課題。在IEEE Xplore，搜索“l(fā)ow”和“power”關(guān)鍵詞，會(huì)搜索出大量文檔。對(duì)于移動(dòng)設(shè)備而言，有4種基本方法節(jié)能和延長電池續(xù)航時(shí)間：（1）采用新一代半導(dǎo)體技術(shù)。如晶體管變得更小，每個(gè)晶體管功耗更小。不幸的是，隨著晶體管變得更小，需要更多的晶體管來提供更多的功能和更好的性能，因此，能源消耗增加。（2）避免浪費(fèi)能源。整個(gè)系統(tǒng)或單個(gè)組件可以進(jìn)入待機(jī)或睡眠模式以節(jié)省電力。（3）慢速執(zhí)行程序。當(dāng)一個(gè)處理器的時(shí)鐘速度翻倍，能耗近8倍。如果時(shí)鐘速度減少一半，執(zhí)行時(shí)間加倍，但只有1/4的能源消耗。（4）消除單點(diǎn)計(jì)算。移動(dòng)設(shè)備不進(jìn)行全部計(jì)算，而在其他地方進(jìn)行計(jì)算，從而延長移動(dòng)系統(tǒng)的電池待機(jī)時(shí)間。我們專注于最后的節(jié)能方法。

2卸載計(jì)算對(duì)能源消耗的影響

發(fā)送到另一臺(tái)機(jī)器的計(jì)算不是一個(gè)新想法。目前流行的客戶機(jī)/服務(wù)器計(jì)算模型，允許移動(dòng)用戶啟動(dòng)Web瀏覽器，上網(wǎng)搜索，網(wǎng)上購物。云計(jì)算與現(xiàn)有模型區(qū)別是采用了虛擬化技術(shù)。而不是服務(wù)供應(yīng)商管理運(yùn)行在服務(wù)器上的程序，虛擬化允許云提供商運(yùn)行來自不同客戶虛擬機(jī)的任意應(yīng)用程序。虛擬化是云計(jì)算的一個(gè)基本特征，讓不同的客戶應(yīng)用程序運(yùn)行在不同的虛擬機(jī)，從而提供分離和保護(hù)。移動(dòng)云計(jì)算卸載技術(shù)是實(shí)現(xiàn)移動(dòng)業(yè)務(wù)遠(yuǎn)程云端處理的基本方法，可以將移動(dòng)設(shè)備的云業(yè)務(wù)通過無線接入網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)方的云端，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)云應(yīng)用和云資源的結(jié)合，從而可以增強(qiáng)移動(dòng)設(shè)備的數(shù)據(jù)處理能力，同時(shí)大大降低了移動(dòng)終端的能源消耗。

2.2計(jì)算卸載的優(yōu)勢(shì)

分析表明，通過計(jì)算卸載節(jié)能取決于無線帶寬B，執(zhí)行計(jì)算量C，傳輸數(shù)據(jù)量D。現(xiàn)有的研究側(cè)重于確定是否卸載計(jì)算預(yù)測(cè)這3個(gè)因素之間的關(guān)系?？蛻舳朔?wù)器模型的這個(gè)分析有一個(gè)基本假設(shè)：服務(wù)器不包含數(shù)據(jù)，所有的數(shù)據(jù)必須發(fā)送到服務(wù)提供商?？蛻舳吮仨毿遁d程序和數(shù)據(jù)到服務(wù)器。例如，通常計(jì)算卸載新發(fā)現(xiàn)的服務(wù)器不包含移動(dòng)用戶的個(gè)人圖像采集。然而，云計(jì)算改變了這種假設(shè)：云存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并執(zhí)行計(jì)算。例如，Google的Picasa和Amazon S3存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的服務(wù)，還有Amazon EC2可以使用S3存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)執(zhí)行計(jì)算。大多數(shù)應(yīng)用程序D值有顯著變化。不再需要通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)，它可以發(fā)送一個(gè)指向數(shù)據(jù)的指針。同時(shí)，F(xiàn)值是彈性的，大量處理器可以在云上。

3面臨的挑戰(zhàn)和解決方案

3.1隱私和安全性

在云計(jì)算中，Web應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的獨(dú)立程序，而不再是存儲(chǔ)在用戶的電腦上。將所有的數(shù)據(jù)和計(jì)算資源轉(zhuǎn)移到云，這可對(duì)安全產(chǎn)生影響。安全問題分為2方面：一方面是客戶端的隱私數(shù)據(jù)安全，另一方面是網(wǎng)絡(luò)用戶和服務(wù)商之間的信息交互與數(shù)據(jù)共享安全。因?yàn)閿?shù)據(jù)在云中存儲(chǔ)和管理，安全和隱私設(shè)置取決于云提供商的IT管理。

云中的一個(gè)缺陷或安全漏洞可能導(dǎo)致侵犯隱私。云服務(wù)提供商通常與許多第三方供應(yīng)商合作，并不能保證這些供應(yīng)商如何保護(hù)數(shù)據(jù)。另一個(gè)潛在的隱私侵犯行為，個(gè)人通過定位導(dǎo)航數(shù)據(jù)卸載到云的“跟蹤”。此外，由于存在不同的訪問規(guī)則，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)位置可能不安全。因?yàn)橛脩舨恢罃?shù)據(jù)存儲(chǔ)位置，確定什么樣的法律適用于維護(hù)數(shù)據(jù)是很困難的。這可能引發(fā)嚴(yán)重的安全問題，公司在云中存儲(chǔ)商業(yè)秘密，或用戶從移動(dòng)系統(tǒng)上傳一個(gè)專利想法到云。

顯然，沒有考慮隱私和安全的影響，某些類型的數(shù)據(jù)不能存儲(chǔ)到云。一個(gè)可能的解決方案是加密存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。然而，加密本身并不能解決問題。圖1顯示了兩個(gè)加密方案。在圖1a中，數(shù)據(jù)保持在云存儲(chǔ)站點(diǎn)加密，這可以防止未經(jīng)授權(quán)的訪問。在圖1b中，云供應(yīng)商解密數(shù)據(jù)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。例如，對(duì)于文檔，云供應(yīng)商必須知道哪些詞是用來拼寫檢查；對(duì)于電子表格，云應(yīng)用程序必須知道要計(jì)算的數(shù)字。這是一般情況下的云服務(wù)。

另一個(gè)可能的隱私和安全解決方案是使用一種叫做隱寫術(shù)的技術(shù)，如“數(shù)據(jù)外包和隱私”側(cè)邊欄。信息隱藏技術(shù)可以用來轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，可以執(zhí)行操作而不暴露他們。

在發(fā)送數(shù)據(jù)到云之前執(zhí)行加密或隱寫術(shù)，移動(dòng)系統(tǒng)需要一些額外的處理cp，并消耗額外的能量。方程2可改寫為：

（C/M）×（P_c-P_i/F）P_tr×（D/B）P_c×（C_p/M） （5）

其中P_c×（C_p/M）是需要保護(hù)隱私和安全的附加能量。如果這個(gè)值很大，云計(jì)算可能不為移動(dòng)用戶節(jié)省能源。相反，在移動(dòng)系統(tǒng)上執(zhí)行操作可能更節(jié)能，當(dāng)設(shè)備進(jìn)行計(jì)算時(shí)C_p=0。

3.2可靠性

移動(dòng)云計(jì)算的另一個(gè)潛在問題是可靠性。移動(dòng)用戶在云中執(zhí)行計(jì)算依賴于無線網(wǎng)絡(luò)和云服務(wù)。連接受限時(shí)，依賴無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)云計(jì)算是不可能的，更別說節(jié)能。在建筑物的地下室、隧道內(nèi)或地鐵，移動(dòng)云計(jì)算很難定位。在這些情況下，公式2中的B變得很小甚至為零，云計(jì)算不節(jié)約能源。

重要計(jì)算依賴云，服務(wù)中斷期間可能會(huì)導(dǎo)致問題。如谷歌、亞馬遜和T-Mobile這些服務(wù)提供商都經(jīng)歷過這樣的故障。這降低了方程2中的F值。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提出了另一個(gè)可靠性問題。服務(wù)提供商移動(dòng)助手服務(wù)崩潰，所有客戶失去了他們的數(shù)據(jù)和聯(lián)系。在這樣的情況下，一個(gè)選擇涉及到另一個(gè)服務(wù)提供商的數(shù)據(jù)獨(dú)立備份，這可能增加方程2中的D值。

3.3實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

一些應(yīng)用程序有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括象棋、移動(dòng)監(jiān)測(cè)、搜索新抓取的圖像以及導(dǎo)航等。在這樣的情況下，在方程2中的D不再是一個(gè)指向數(shù)據(jù)的指針；它指的是實(shí)際的數(shù)據(jù)。對(duì)于象棋應(yīng)用程序，D值很小，因此卸載可以節(jié)省能源。當(dāng)D值大時(shí)，卸載不節(jié)約能源。在這種情況下，在移動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行計(jì)算更節(jié)能。一種可能的解決方案是在移動(dòng)系統(tǒng)和云計(jì)算之間分區(qū)計(jì)算，以減少能源消耗。這樣的解決方案可能包括在移動(dòng)系統(tǒng)上處理部分實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。如果處理過的數(shù)據(jù)規(guī)模較小，發(fā)送處理過的數(shù)據(jù)到服務(wù)器，降低無線傳輸能量。

分析表明，云計(jì)算可以為移動(dòng)用戶節(jié)省能源。然而，并不是所有的應(yīng)用程序遷移到云都能有效節(jié)能。移動(dòng)云計(jì)算服務(wù)不同于桌面云服務(wù)，因?yàn)樗麄儽仨毺峁┕?jié)能服務(wù)。卸載之前，服務(wù)應(yīng)考慮隱私、安全、可靠性和數(shù)據(jù)通信的能源開銷。