(1.湖南有色金屬職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程系，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) 計算機與信息學(xué)院, 安徽 蕪湖 241000)

0 引言

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

移動云計算是解決移動計算中包括電池壽命、處理能力和存儲容量等缺陷的最佳候選方案。移動云計算中，移動設(shè)備的數(shù)據(jù)存儲和處理將在云系統(tǒng)中實現(xiàn)，計算結(jié)果返回到移動設(shè)備，實現(xiàn)計算任務(wù)完成所需功耗降低和處理時間的減少的目的。不過，移動設(shè)備和云系統(tǒng)之間的互連一般會存在網(wǎng)絡(luò)延遲高和傳輸功耗大的問題，特別是在使用3G LTE(3G Long Term Evolution)網(wǎng)絡(luò)時更為嚴(yán)重[2]。目前，移動云計算主要架構(gòu)有傳統(tǒng)集中式云架構(gòu)、基于朵云的分布式架構(gòu)和基于對等的Ad hoc云架構(gòu)[3]。由于使用分布式布置的朵云實現(xiàn)移動設(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云計算系統(tǒng)(cloudlet-based mobile cloud computing，CMCC)，并進(jìn)一步擴大規(guī)模，分布式部署多個朵云，移動設(shè)備使用WiFi連接入朵云。經(jīng)實驗仿真結(jié)果驗證，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、計算能力強和數(shù)據(jù)備份等優(yōu)點，移動云計算是一種有效輔助移動計算的云計算技術(shù)。如圖1所示，移動云計算中的移動設(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，移動云計算很少使用Wi-Fi。表1比較了移動云計算使用兩種技術(shù)的性能差別。

圖1 傳統(tǒng)移動云計算架構(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)，移動云計算使用Wi-Fi連接性能更優(yōu)。朵云是由一臺或多臺具有高性能、能夠連接Internet的計算機組群構(gòu)成，通常沿Wi-Fi熱點部署安裝或者使用和熱點集成化的方式供移動設(shè)備方便接入[4]。并且，移動設(shè)備使用Wi-Fi接入最近朵云，通過使用這種具有低延遲、高帶寬和一跳距離的無線鏈路接入，移動設(shè)備和朵云將獲得趨近于實時的交互響應(yīng)。在基于朵云的移動計算中，移動設(shè)備將計算任務(wù)發(fā)送到朵云進(jìn)行計算處理并返回最終處理結(jié)果，不僅降低傳輸時延而且減少了移動設(shè)備功耗，給移動云計算帶來了巨大進(jìn)步[5]。

文獻(xiàn)[6]研究了朵云對交互式應(yīng)用在移動云計算方面的影響，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云計算模型性能優(yōu)于傳統(tǒng)移動云計算模型。文獻(xiàn)[7]提出了一種應(yīng)用于人臉識別的移動云計算模型MOCHA，該模型將移動設(shè)備、朵云和云服務(wù)器集成化，有效減小了人臉識別過程中的響應(yīng)時間。文獻(xiàn)[8]討論了針對跑步移動應(yīng)用的朵云架構(gòu)接入控制和資源分配等問題。文獻(xiàn)[9]分析了朵云在移動計算中存在的技術(shù)障礙，并設(shè)計了一種朵云架構(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用戶開放的會話服務(wù)，管理是在移動用戶虛擬機(Virtual Machine ,VM)[10-11]實例化基礎(chǔ)上完成。文獻(xiàn)[12]提出了基于可擴展朵云的移動云計算模型。借鑒文獻(xiàn)[12]模型，使用CloudExp工具將其擴展到大規(guī)模朵云部署應(yīng)用場景下，提出了基于朵云的大規(guī)模移動云計算。

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基本的移動云計算架構(gòu)圖，移動設(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個情況時，即使朵云處于可用狀態(tài)，移動設(shè)備依然需要直接和企業(yè)云建立通信：第一，移動設(shè)備需要接入并使用企業(yè)云存儲的文件時；第二，朵云服務(wù)不可用時。

圖2 基于朵云的移動云計算系統(tǒng)CMCC

移動設(shè)備通過通信運營商的移動互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通道連接到朵云的服務(wù)器，移動設(shè)備的數(shù)據(jù)存儲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。朵云通過有線連接實現(xiàn)到企業(yè)云EC(Enterprise Clouds)的接入,這樣就實現(xiàn)了移動設(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，采用朵云架構(gòu)可以獲得以下優(yōu)勢: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 移動場景

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

圖3 CMCC移動場景

1) 移動設(shè)備從位置A移動到位置B。移動設(shè)備通過朵云CL1接入企業(yè)云EC，當(dāng)已有任務(wù)未完成時，移動設(shè)備移動出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)送請求到CL1，請求CL1將相關(guān)數(shù)據(jù)信息發(fā)送到CL2以完成任務(wù)。

2) 移動設(shè)備從位置B移動到位置C。移動設(shè)備通過CL2接入到企業(yè)云EC，當(dāng)任務(wù)完成前移動設(shè)備離開原朵云CL2。如果移動設(shè)備進(jìn)入沒有朵云覆蓋區(qū)域的位置C，移動設(shè)備則通過使用3G/LTE網(wǎng)絡(luò)接入到EC。通過使用此連接移動設(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，移動設(shè)備將發(fā)送請求給朵云CL2，請求朵云將相關(guān)信息發(fā)送給EC，以完成后續(xù)處理。

3) 移動設(shè)備從位置C到位置B。移動用戶從3G/LTE覆蓋區(qū)域移動到朵云覆蓋區(qū)域內(nèi)，同理，移動用戶的數(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。

隨著脫貧攻堅進(jìn)入關(guān)鍵時期，“打贏”“打好”這場“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，實施精準(zhǔn)扶貧。2015年，中共中央、國務(wù)院發(fā)布了關(guān)于打贏脫貧攻堅戰(zhàn)的決定，提出了實施精準(zhǔn)扶貧、精準(zhǔn)脫貧的方略。從實施精準(zhǔn)扶貧的基本方略來看，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，對準(zhǔn)“扶志”與“扶智”，是一項系統(tǒng)工程。社區(qū)教育以其實用性和高效性得到世界各國的認(rèn)可，成為現(xiàn)代國際教育的主要組成部分和發(fā)展趨勢［1］，也是我國教育事業(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、長效化。

2.3 信息的管理

如上所述，當(dāng)移動設(shè)備在所有已啟動任務(wù)結(jié)束前離開原朵云區(qū)域并進(jìn)入另一個新區(qū)域時，將存在如何完成已啟動任務(wù)的問題。為了完成原朵云中正在運行的任務(wù)，新朵云需要獲得原朵云中所有和移動設(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)中所有移動設(shè)備的運動軌跡。為實現(xiàn)集中式管理，EC存儲所有移動設(shè)備對應(yīng)的跟蹤信息，其主要管理信息見表2。

表2 集中式方法中移動設(shè)備主要管理信息

2) 分布式方法。移動信息管理由各移動設(shè)備通過存儲其移動軌跡出予以實現(xiàn)，并根據(jù)需要將移動信息在原朵云和新朵云中交互，主要管理信息見表3。

表3 分布式方法中移動設(shè)備朵云和任務(wù)信息

具體實現(xiàn)方法可以與移動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與管理。目前的iOS、Android、 BlackBerry等移動終端管理系統(tǒng)都支持二次開發(fā)的功能，開放與有線連接的接口,很容易實現(xiàn)這兩種朵云的信息管理。上述兩種方法均需要移動設(shè)備端管理具有簡單易實現(xiàn)的特點。集中式方法要求管理處理過程對移動設(shè)備透明，即所有管理工作在EC端完成。

3 實驗結(jié)果與仿真結(jié)果

3.1 實驗場景

本節(jié)建立三種不同的移動計算場景評估CMCC方案。

場景1：移動設(shè)備使用3G網(wǎng)絡(luò)連接企業(yè)云EC。

場景2：移動設(shè)備僅使用一個朵云連接EC。

場景3：移動設(shè)備位置變化，通過使用多個朵云連接EC。場景3同時支持用戶移動，并保持和云端的連通性。用戶移動性和連通性對于多媒體應(yīng)用至關(guān)重要。

3.2 實驗結(jié)果

上述實驗均使用本實驗室自主搭建的測試平臺，平臺主要構(gòu)成如下：1) 朵云服務(wù)器：由兩臺聯(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：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) 移動設(shè)備：三星蓋世Note7000。

為測試CMCC方案性能，本實驗分別上傳大小為1 048 KB、5 611 KB、10 220 KB和22 600 KB大小的文件同時到朵云和企業(yè)云EC。實驗主要考察上傳處理過程的功率消耗和完成上傳任務(wù)所耗費時間成本。表4給出了不同文件大小條件下上傳到不同服務(wù)器所耗費的實驗結(jié)果數(shù)值對比。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時系統(tǒng)會產(chǎn)生很高的時延，而使用朵云所產(chǎn)生的時延則在系統(tǒng)可接受范圍之內(nèi)。圖4和圖5分別為朵云和企業(yè)云的時延和功率消耗實驗結(jié)果對比,這兩個圖的結(jié)果都表明使用朵云的CMCC云計算系統(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)云的時延結(jié)果曲線對比

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)模云計算系統(tǒng)CMCC，進(jìn)一步仿真驗證表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個朵云構(gòu)成，每個朵云基于其傳播距離形成蜂窩式小區(qū)覆蓋。如圖3所提供場景，移動設(shè)備可以自由從一個蜂窩小區(qū)移至另一個蜂窩小區(qū)。一旦移動設(shè)備離開朵云覆蓋區(qū)域，將強制使用3G直接連接企業(yè)云服務(wù)器。單朵云WiFi信號傳輸距離為100米，圖6部署方案WiFi覆蓋區(qū)域為600*500平方米，能夠提供近1000部移動設(shè)備的連接服務(wù)。如果由16個子朵云構(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個用戶的連接服務(wù)[16]。

表4 朵云和企業(yè)云時延結(jié)果數(shù)值對比

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

本仿真實驗中，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，并設(shè)定每個朵云能夠同時處理150個移動設(shè)備的接入請求。因此，16個朵云構(gòu)成的移動云系統(tǒng)能接收總共2 400個移動用戶，故本次仿真使用能夠同時支持2 400用戶接入的企業(yè)云。移動設(shè)備移動方式使用隨機路點移動模型[17-18]。信息大小從10～100 KB，所有節(jié)點隨機發(fā)送。

表5給出了不同朵云數(shù)目條件下移動云系統(tǒng)CMCC的性能仿真結(jié)果。據(jù)圖可知，隨著移動云系統(tǒng)規(guī)模增加，單移動用戶的時延和功率消耗會出現(xiàn)下降趨勢，這是因為移動設(shè)備使用了更低能耗成本的WiFi無線接口。此外，由于使用3G無線連接，直接連接企業(yè)云的性能最差。再者，每增加2個朵云，CMCC的功耗和時延性能將提升大約8%至15%。當(dāng)移動云系統(tǒng)使用16個朵云時，移動設(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)模移動云計算系統(tǒng)CMCC，通過使用多個朵云構(gòu)建移動云系統(tǒng)，移動設(shè)備通過WiFi接入朵云進(jìn)而實現(xiàn)和企業(yè)云服務(wù)器的連接。該系統(tǒng)在兼顧移動設(shè)備移動性和移動特征的前提下，進(jìn)一步降低了移動設(shè)備的功耗和處理時延。仿真實驗結(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為移動云計算進(jìn)一步應(yīng)用于具有高業(yè)務(wù)需求和大規(guī)模應(yīng)用特點的多媒體應(yīng)用場景提供了技術(shù)支撐。

表5 CMCC云系統(tǒng)仿真結(jié)果