基于朵云的大規(guī)模移動(dòng)云計(jì)算系統(tǒng)

(1.湖南有色金屬職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，湖南 株洲 412006; 2.安徽工程大學(xué) 現(xiàn)代教育技術(shù)中心, 安徽 蕪湖 241000; 3.安徽工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院, 安徽 蕪湖 241000)

0 引言

云計(jì)算技術(shù)是由具有大容量存儲(chǔ)功能的高性能服務(wù)器分布式集群連接互聯(lián)網(wǎng)而實(shí)現(xiàn)，利用網(wǎng)絡(luò)資源共享實(shí)現(xiàn)降低經(jīng)濟(jì)和管理成本的目的，給信息技術(shù)帶來(lái)了革命性發(fā)展。盡管移動(dòng)智能設(shè)備給生活帶來(lái)了很多便利，但仍存在待機(jī)時(shí)間過(guò)短、處理能力較低、存儲(chǔ)容量不足等弱點(diǎn)。目前，云計(jì)算技術(shù)和移動(dòng)設(shè)備的集成一體化成為解決上述缺點(diǎn)的有效方法，即為移動(dòng)云計(jì)算[1]。

移動(dòng)云計(jì)算是解決移動(dòng)計(jì)算中包括電池壽命、處理能力和存儲(chǔ)容量等缺陷的最佳候選方案。移動(dòng)云計(jì)算中，移動(dòng)設(shè)備的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理將在云系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，計(jì)算結(jié)果返回到移動(dòng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)計(jì)算任務(wù)完成所需功耗降低和處理時(shí)間的減少的目的。不過(guò)，移動(dòng)設(shè)備和云系統(tǒng)之間的互連一般會(huì)存在網(wǎng)絡(luò)延遲高和傳輸功耗大的問(wèn)題，特別是在使用3G LTE(3G Long Term Evolution)網(wǎng)絡(luò)時(shí)更為嚴(yán)重[2]。目前，移動(dòng)云計(jì)算主要架構(gòu)有傳統(tǒng)集中式云架構(gòu)、基于朵云的分布式架構(gòu)和基于對(duì)等的Ad hoc云架構(gòu)[3]。由于使用分布式布置的朵云實(shí)現(xiàn)移動(dòng)設(shè)備和云端服務(wù)器的互連互通，所以基于朵云的分布式架構(gòu)問(wèn)題至關(guān)重要，值得深入研究。

因此，提出一種基于朵云的移動(dòng)云計(jì)算系統(tǒng)(cloudlet-based mobile cloud computing，CMCC)，并進(jìn)一步擴(kuò)大規(guī)模，分布式部署多個(gè)朵云，移動(dòng)設(shè)備使用WiFi連接入朵云。經(jīng)實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果驗(yàn)證，CMCC能夠有效地降低網(wǎng)絡(luò)延遲和傳輸功率。

1 相關(guān)工作

由于具有位置感知、計(jì)算能力強(qiáng)和數(shù)據(jù)備份等優(yōu)點(diǎn)，移動(dòng)云計(jì)算是一種有效輔助移動(dòng)計(jì)算的云計(jì)算技術(shù)。如圖1所示，移動(dòng)云計(jì)算中的移動(dòng)設(shè)備通常使用3G LTE網(wǎng)絡(luò)連接云系統(tǒng)，而由于Wi-Fi的使用局限性，移動(dòng)云計(jì)算很少使用Wi-Fi。表1比較了移動(dòng)云計(jì)算使用兩種技術(shù)的性能差別。

圖1 傳統(tǒng)移動(dòng)云計(jì)算架構(gòu)

性能指標(biāo)3G/LTEWiFi功耗高低連接速率2Mbps400Mbps延遲高低

據(jù)表1可知，相比3G/LTE網(wǎng)絡(luò)，移動(dòng)云計(jì)算使用Wi-Fi連接性能更優(yōu)。朵云是由一臺(tái)或多臺(tái)具有高性能、能夠連接Internet的計(jì)算機(jī)組群構(gòu)成，通常沿Wi-Fi熱點(diǎn)部署安裝或者使用和熱點(diǎn)集成化的方式供移動(dòng)設(shè)備方便接入[4]。并且，移動(dòng)設(shè)備使用Wi-Fi接入最近朵云，通過(guò)使用這種具有低延遲、高帶寬和一跳距離的無(wú)線鏈路接入，移動(dòng)設(shè)備和朵云將獲得趨近于實(shí)時(shí)的交互響應(yīng)。在基于朵云的移動(dòng)計(jì)算中，移動(dòng)設(shè)備將計(jì)算任務(wù)發(fā)送到朵云進(jìn)行計(jì)算處理并返回最終處理結(jié)果，不僅降低傳輸時(shí)延而且減少了移動(dòng)設(shè)備功耗，給移動(dòng)云計(jì)算帶來(lái)了巨大進(jìn)步[5]。

文獻(xiàn)[6]研究了朵云對(duì)交互式應(yīng)用在移動(dòng)云計(jì)算方面的影響，并且比較了朵云模型和傳統(tǒng)云模型在系統(tǒng)吞吐量和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延等方面的性能差異，結(jié)果證明大多數(shù)情況下基于朵云的移動(dòng)云計(jì)算模型性能優(yōu)于傳統(tǒng)移動(dòng)云計(jì)算模型。文獻(xiàn)[7]提出了一種應(yīng)用于人臉識(shí)別的移動(dòng)云計(jì)算模型MOCHA，該模型將移動(dòng)設(shè)備、朵云和云服務(wù)器集成化，有效減小了人臉識(shí)別過(guò)程中的響應(yīng)時(shí)間。文獻(xiàn)[8]討論了針對(duì)跑步移動(dòng)應(yīng)用的朵云架構(gòu)接入控制和資源分配等問(wèn)題。文獻(xiàn)[9]分析了朵云在移動(dòng)計(jì)算中存在的技術(shù)障礙，并設(shè)計(jì)了一種朵云架構(gòu)用于解決這些技術(shù)障礙，該架構(gòu)在朵云中管理面向移動(dòng)用戶開(kāi)放的會(huì)話服務(wù)，管理是在移動(dòng)用戶虛擬機(jī)(Virtual Machine ,VM)[10-11]實(shí)例化基礎(chǔ)上完成。文獻(xiàn)[12]提出了基于可擴(kuò)展朵云的移動(dòng)云計(jì)算模型。借鑒文獻(xiàn)[12]模型，使用CloudExp工具將其擴(kuò)展到大規(guī)模朵云部署應(yīng)用場(chǎng)景下，提出了基于朵云的大規(guī)模移動(dòng)云計(jì)算。

2 CMCC方案的架構(gòu)

2.1 CMCC系統(tǒng)概況

CMCC模型由一系列互連互通的分布式朵云構(gòu)成，并根據(jù)使用云服務(wù)的大多數(shù)移動(dòng)用戶位置分布去設(shè)定分布式朵云的部署位置，并且所有朵云均能夠連接到遠(yuǎn)程企業(yè)云中,某些文獻(xiàn)中也把朵云稱呼為私有云。圖2為CMCC基本的移動(dòng)云計(jì)算架構(gòu)圖，移動(dòng)設(shè)備直接和能夠連接到企業(yè)云的朵云建立通信。當(dāng)處于以下2個(gè)情況時(shí)，即使朵云處于可用狀態(tài)，移動(dòng)設(shè)備依然需要直接和企業(yè)云建立通信：第一，移動(dòng)設(shè)備需要接入并使用企業(yè)云存儲(chǔ)的文件時(shí)；第二，朵云服務(wù)不可用時(shí)。

圖2 基于朵云的移動(dòng)云計(jì)算系統(tǒng)CMCC

移動(dòng)設(shè)備通過(guò)通信運(yùn)營(yíng)商的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通道連接到朵云的服務(wù)器，移動(dòng)設(shè)備的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理將在朵云系統(tǒng)中完成，這樣也降低了企業(yè)云的壓力。朵云通過(guò)有線連接實(shí)現(xiàn)到企業(yè)云EC(Enterprise Clouds)的接入,這樣就實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)設(shè)備、朵云、企業(yè)云之間的通信。和單純的企業(yè)云比較起來(lái)，采用朵云架構(gòu)可以獲得以下優(yōu)勢(shì):1)便捷的數(shù)據(jù)存取;2)智能均衡負(fù)載;3)降低管理成本;4)按需服務(wù)降低成本。

2.2 移動(dòng)場(chǎng)景

圖3為CMCC中移動(dòng)用戶可能面臨的移動(dòng)場(chǎng)景。據(jù)圖可知，某移動(dòng)用戶在位置A即朵云CL1覆蓋范圍內(nèi)使用Wi-Fi接入CL1。當(dāng)離開(kāi)朵云CL1覆蓋范圍后，可能會(huì)移動(dòng)到另一個(gè)朵云覆蓋范圍內(nèi)的位置B，或者移動(dòng)到具有3G/LTE信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)的位置C。朵云CL1和CL2通過(guò)有線連接實(shí)現(xiàn)到企業(yè)云EC(Enterprise Clouds)的接入。這里主要考慮如下移動(dòng)場(chǎng)景：

圖3 CMCC移動(dòng)場(chǎng)景

1) 移動(dòng)設(shè)備從位置A移動(dòng)到位置B。移動(dòng)設(shè)備通過(guò)朵云CL1接入企業(yè)云EC，當(dāng)已有任務(wù)未完成時(shí)，移動(dòng)設(shè)備移動(dòng)出CL1區(qū)域并進(jìn)入CL2區(qū)域，然后連接CL2去完成新任務(wù)請(qǐng)求或者在CL1中未完成的任務(wù)。如果之前有數(shù)據(jù)處理等尚在CL1中，則發(fā)送請(qǐng)求到CL1，請(qǐng)求CL1將相關(guān)數(shù)據(jù)信息發(fā)送到CL2以完成任務(wù)。

2) 移動(dòng)設(shè)備從位置B移動(dòng)到位置C。移動(dòng)設(shè)備通過(guò)CL2接入到企業(yè)云EC，當(dāng)任務(wù)完成前移動(dòng)設(shè)備離開(kāi)原朵云CL2。如果移動(dòng)設(shè)備進(jìn)入沒(méi)有朵云覆蓋區(qū)域的位置C，移動(dòng)設(shè)備則通過(guò)使用3G/LTE網(wǎng)絡(luò)接入到EC。通過(guò)使用此連接移動(dòng)設(shè)備完成新任務(wù)或之前未完成任務(wù)。因此，如果尚有待處理數(shù)據(jù)存留在CL2中，移動(dòng)設(shè)備將發(fā)送請(qǐng)求給朵云CL2，請(qǐng)求朵云將相關(guān)信息發(fā)送給EC，以完成后續(xù)處理。

3) 移動(dòng)設(shè)備從位置C到位置B。移動(dòng)用戶從3G/LTE覆蓋區(qū)域移動(dòng)到朵云覆蓋區(qū)域內(nèi)，同理，移動(dòng)用戶的數(shù)據(jù)處理將可轉(zhuǎn)移到相應(yīng)朵云中進(jìn)行后續(xù)處理。

隨著脫貧攻堅(jiān)進(jìn)入關(guān)鍵時(shí)期，“打贏”“打好”這場(chǎng)“硬仗”，讓貧困地區(qū)真正擺脫貧困，必須轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的粗放式扶貧，實(shí)施精準(zhǔn)扶貧。2015年，中共中央、國(guó)務(wù)院發(fā)布了關(guān)于打贏脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)的決定，提出了實(shí)施精準(zhǔn)扶貧、精準(zhǔn)脫貧的方略。從實(shí)施精準(zhǔn)扶貧的基本方略來(lái)看，教育精準(zhǔn)扶貧依托學(xué)校教育、職業(yè)教育、網(wǎng)絡(luò)教育等，對(duì)準(zhǔn)“扶志”與“扶智”，是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。社區(qū)教育以其實(shí)用性和高效性得到世界各國(guó)的認(rèn)可，成為現(xiàn)代國(guó)際教育的主要組成部分和發(fā)展趨勢(shì)［1］，也是我國(guó)教育事業(yè)的重要組成部分，是社區(qū)建設(shè)的重要內(nèi)容。依托社區(qū)整合資源，開(kāi)展社區(qū)教育，有助于創(chuàng)新教育精準(zhǔn)扶貧模式，推進(jìn)精準(zhǔn)扶貧走向常態(tài)化、長(zhǎng)效化。

2.3 信息的管理

如上所述，當(dāng)移動(dòng)設(shè)備在所有已啟動(dòng)任務(wù)結(jié)束前離開(kāi)原朵云區(qū)域并進(jìn)入另一個(gè)新區(qū)域時(shí)，將存在如何完成已啟動(dòng)任務(wù)的問(wèn)題。為了完成原朵云中正在運(yùn)行的任務(wù)，新朵云需要獲得原朵云中所有和移動(dòng)設(shè)備相關(guān)的文件和服務(wù)信息。如下，將討論兩種管理信息方法。

1) 集中式方法。使用EC統(tǒng)一管理和跟蹤系統(tǒng)中所有移動(dòng)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)軌跡。為實(shí)現(xiàn)集中式管理，EC存儲(chǔ)所有移動(dòng)設(shè)備對(duì)應(yīng)的跟蹤信息，其主要管理信息見(jiàn)表2。

表2 集中式方法中移動(dòng)設(shè)備主要管理信息

2) 分布式方法。移動(dòng)信息管理由各移動(dòng)設(shè)備通過(guò)存儲(chǔ)其移動(dòng)軌跡出予以實(shí)現(xiàn)，并根據(jù)需要將移動(dòng)信息在原朵云和新朵云中交互，主要管理信息見(jiàn)表3。

表3 分布式方法中移動(dòng)設(shè)備朵云和任務(wù)信息

具體實(shí)現(xiàn)方法可以與移動(dòng)終端的信息管理系統(tǒng)相結(jié)合,采用數(shù)據(jù)二維表的方式予以存儲(chǔ)與管理。目前的iOS、Android、 BlackBerry等移動(dòng)終端管理系統(tǒng)都支持二次開(kāi)發(fā)的功能，開(kāi)放與有線連接的接口,很容易實(shí)現(xiàn)這兩種朵云的信息管理。上述兩種方法均需要移動(dòng)設(shè)備端管理具有簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。集中式方法要求管理處理過(guò)程對(duì)移動(dòng)設(shè)備透明，即所有管理工作在EC端完成。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

本節(jié)建立三種不同的移動(dòng)計(jì)算場(chǎng)景評(píng)估CMCC方案。

場(chǎng)景1：移動(dòng)設(shè)備使用3G網(wǎng)絡(luò)連接企業(yè)云EC。

場(chǎng)景2：移動(dòng)設(shè)備僅使用一個(gè)朵云連接EC。

場(chǎng)景3：移動(dòng)設(shè)備位置變化，通過(guò)使用多個(gè)朵云連接EC。場(chǎng)景3同時(shí)支持用戶移動(dòng)，并保持和云端的連通性。用戶移動(dòng)性和連通性對(duì)于多媒體應(yīng)用至關(guān)重要。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

上述實(shí)驗(yàn)均使用本實(shí)驗(yàn)室自主搭建的測(cè)試平臺(tái)，平臺(tái)主要構(gòu)成如下：1) 朵云服務(wù)器：由兩臺(tái)聯(lián)想ThinkPad筆記本電腦(英特爾i5處理器，4 GB內(nèi)存，Windows 7操作系統(tǒng))構(gòu)成；2) 接入點(diǎn)：由BandLuxe PR30系列HSPA+WLAN路由器[13]和TP-Link TL-MR3220路由分別接入互聯(lián)網(wǎng)[14]；3) 移動(dòng)設(shè)備：三星蓋世Note7000。

為測(cè)試CMCC方案性能，本實(shí)驗(yàn)分別上傳大小為1 048 KB、5 611 KB、10 220 KB和22 600 KB大小的文件同時(shí)到朵云和企業(yè)云EC。實(shí)驗(yàn)主要考察上傳處理過(guò)程的功率消耗和完成上傳任務(wù)所耗費(fèi)時(shí)間成本。表4給出了不同文件大小條件下上傳到不同服務(wù)器所耗費(fèi)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)值對(duì)比。據(jù)表4可知，相比3G，Wi-Fi能夠降低50%功率消耗，故在能量節(jié)省方面Wi-Fi性能更優(yōu)，同時(shí)使用Wi-Fi的網(wǎng)絡(luò)吞吐量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于3G網(wǎng)絡(luò)，能夠比3G連接下高10倍。而且，上傳大文件到企業(yè)云EC時(shí)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生很高的時(shí)延，而使用朵云所產(chǎn)生的時(shí)延則在系統(tǒng)可接受范圍之內(nèi)。圖4和圖5分別為朵云和企業(yè)云的時(shí)延和功率消耗實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,這兩個(gè)圖的結(jié)果都表明使用朵云的CMCC云計(jì)算系統(tǒng)可以降低系統(tǒng)的延遲和功耗,性能優(yōu)于企業(yè)云系統(tǒng)。

圖4 朵云和企業(yè)云的時(shí)延結(jié)果曲線對(duì)比

圖5 不同朵云數(shù)目條件下CMCC系統(tǒng)的性能

3.3 大規(guī)模仿真結(jié)果

本節(jié)還使用CloudExp[15]仿真工具構(gòu)建基于朵云結(jié)構(gòu)的大規(guī)模云計(jì)算系統(tǒng)CMCC，進(jìn)一步仿真驗(yàn)證表4中相關(guān)結(jié)果。圖6為方案部署架構(gòu)示意。據(jù)圖可知，該方案由7個(gè)朵云構(gòu)成，每個(gè)朵云基于其傳播距離形成蜂窩式小區(qū)覆蓋。如圖3所提供場(chǎng)景，移動(dòng)設(shè)備可以自由從一個(gè)蜂窩小區(qū)移至另一個(gè)蜂窩小區(qū)。一旦移動(dòng)設(shè)備離開(kāi)朵云覆蓋區(qū)域，將強(qiáng)制使用3G直接連接企業(yè)云服務(wù)器。單朵云WiFi信號(hào)傳輸距離為100米，圖6部署方案WiFi覆蓋區(qū)域?yàn)?00*500平方米，能夠提供近1000部移動(dòng)設(shè)備的連接服務(wù)。如果由16個(gè)子朵云構(gòu)建的云系統(tǒng)覆蓋區(qū)域能夠達(dá)到中等規(guī)模的大學(xué)校園面積，可提供約2 500個(gè)用戶的連接服務(wù)[16]。

表4 朵云和企業(yè)云時(shí)延結(jié)果數(shù)值對(duì)比

圖6 七個(gè)朵云構(gòu)造的CMCC云系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本仿真實(shí)驗(yàn)中，將分別仿真不同朵云數(shù)目條件下云系統(tǒng)CMCC性能，朵云數(shù)目從4到16，所有朵云為同質(zhì)節(jié)點(diǎn)，并設(shè)定每個(gè)朵云能夠同時(shí)處理150個(gè)移動(dòng)設(shè)備的接入請(qǐng)求。因此，16個(gè)朵云構(gòu)成的移動(dòng)云系統(tǒng)能接收總共2 400個(gè)移動(dòng)用戶，故本次仿真使用能夠同時(shí)支持2 400用戶接入的企業(yè)云。移動(dòng)設(shè)備移動(dòng)方式使用隨機(jī)路點(diǎn)移動(dòng)模型[17-18]。信息大小從10～100 KB，所有節(jié)點(diǎn)隨機(jī)發(fā)送。

表5給出了不同朵云數(shù)目條件下移動(dòng)云系統(tǒng)CMCC的性能仿真結(jié)果。據(jù)圖可知，隨著移動(dòng)云系統(tǒng)規(guī)模增加，單移動(dòng)用戶的時(shí)延和功率消耗會(huì)出現(xiàn)下降趨勢(shì)，這是因?yàn)橐苿?dòng)設(shè)備使用了更低能耗成本的WiFi無(wú)線接口。此外，由于使用3G無(wú)線連接，直接連接企業(yè)云的性能最差。再者，每增加2個(gè)朵云，CMCC的功耗和時(shí)延性能將提升大約8%至15%。當(dāng)移動(dòng)云系統(tǒng)使用16個(gè)朵云時(shí)，移動(dòng)設(shè)備的功耗需求只有直接連接企業(yè)云條件下的6%，而處理時(shí)延能縮小至5.5%。因此可以得出的結(jié)論是基于朵云的移動(dòng)云系統(tǒng)CMCC性能優(yōu)于企業(yè)云系統(tǒng)。

4 結(jié)論

提出了一種基于朵云的大規(guī)模移動(dòng)云計(jì)算系統(tǒng)CMCC，通過(guò)使用多個(gè)朵云構(gòu)建移動(dòng)云系統(tǒng)，移動(dòng)設(shè)備通過(guò)WiFi接入朵云進(jìn)而實(shí)現(xiàn)和企業(yè)云服務(wù)器的連接。該系統(tǒng)在兼顧移動(dòng)設(shè)備移動(dòng)性和移動(dòng)特征的前提下，進(jìn)一步降低了移動(dòng)設(shè)備的功耗和處理時(shí)延。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，CMCC相比傳統(tǒng)企業(yè)云系統(tǒng)，不僅大幅降低移動(dòng)設(shè)備功耗，而且降低了遠(yuǎn)程連接所需的通信和處理延遲。CMCC為移動(dòng)云計(jì)算進(jìn)一步應(yīng)用于具有高業(yè)務(wù)需求和大規(guī)模應(yīng)用特點(diǎn)的多媒體應(yīng)用場(chǎng)景提供了技術(shù)支撐。

表5 CMCC云系統(tǒng)仿真結(jié)果