移动云计算背景以及发展:
随着互联网和物联网的快速发展和4G/5G 以及无线网络的普及,移动终端(如智能手机或平板电脑)也大范围的普及与快速发展。这些移动设备终端的应用也日益丰富,功能强大。
虽然移动设备终端硬件性能不断提升,但在移动设备上的资源相对有限,比如CPU性能,存储性能和电池容量等。尽管新型移动设备在CPU性能方面越来越强大,但即使这些设备也可能无法在短时间内处理需要大量资源的应用程序。此外,高电能消耗仍然限制用户在移动设备上充分享受高要求应用,因此一些计算密集型应用(例如,增强现实、自然语言处理、图像处理、语音识别)较难以在移动设备上直接运行[1],这些情况推动了移动云计算(MCC)概念的发展。
移动云计算的概念是由2010年3月在Open Gardens[2]博客上发布的一篇文章中提出的, 其被定义为移动云生态系统中云计算服务的可用性。它合并了许多元素, 包括使用者、企业、家庭基站、代码转换、端到端安全、家庭网关和移动宽带的服务。它通过移动网络,使用户能够通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的基础设施、平台、软件、等信息资源或信息服务。移动云计算是基于云计算与移动设备两者结合而成的,它综合了移动计算、云计算和移动互联网的所有优势。MCC有以下几大优点,它通过将应用卸载到云中来计算从而延长电池寿命,为移动用户提供复杂的计算能力,以及为用户提供更高的数据存储能力[2]。移动云计算已经在一些方面得到了应用,如移动云音乐、移动云视频、移动云存储、移动社交网络、移动网游以及移动电子商务等移动云计算服务,并涉及医疗健康、多媒体娱乐、电子商务和社交网络等多个领域,并为智能交通、智能物流、智慧城市的建设实施构建良好的基础平台[3]。
然而,随着大量移动设备的出现,MCC正面临着明显的挑战,如高延迟、安全漏洞、低覆盖率和数据传输滞后。在下一代移动网络(例如,5G)中,这些挑战可能变得更加难以应对。此外,MCC不适用于涉及实时应用和保证高服务质量的场景[4]。
由于移动设备通过无线网络接入云端,用户需要通过无线网络进行多跳与云端进行交互,而目前的无线网络带宽并不高,如果传输大量数据到云端,所花的代价较高,交互过程造成高延迟,高能耗等问题;当有大量数据需要处理时,如何选择数据迁移的时机从而实现性能最优,当数据迁移过程中,如何保证数据的完整性也是当前面临的两大挑战[5];除此以外,移动云计算环境下,由于应用或服务通常会首先获取用户信息,这就可能造成用户的敏感隐私泄露。存储在云端的数据如果没有完善的安全机制,也有可能会遭攻击者入侵,盗取用户信息[6]。
相较于传统的移动云计算模式,Cloudlet(微云)模式表现更佳。Cloudlet是一个小型的数据中心,通常部署在距离移动设备[7](如医院、购物中心、办公楼等公共场所)的一个无线跃点上,方便快捷。Cloudlet可以利用与邻近云服务器的蜂窝数据连接来克服远程广域网延迟和能耗问题[8]。Cloudlet的主要重点是使云技术更接近最终用户,为对资源和延迟敏感的应用程序提供支持[9]。但它依赖于健壮和不间断的互联网连接而且存在一些涉及访问隐私服务的安全和隐私问题[10]。到今天,移动云计算已经发展到一种新的模式,即移动自组织云(mobile ad hoc cloud)模式,在这种模式下,移动设备通过协作方式共享资源。此时,终端移动设备不仅作为资源需求者获得服务,而且也作为服务方,为其它设备提供自己的空闲资源[11]。
为了实现协作移动边缘计算带来的深远利益,一个关键的挑战是如何促动设备之间的有效协作。现实环境下,由于分享其空闲资源会消耗设备的CPU,数据流量和电池电量等资源,设备用户作为资源共享者会顾虑到自身的利益,他们会希望能得到满足其期望的回报,而资源的需求者进行任务卸载时会消耗掉这些资源,他们所期望的是能消费较小的代价。另一方面,资源共享有可能在进行的过程中引发隐私泄露等安全性问题。考虑到这些问题,用户的共享资源的积极性便会大打折扣,所以一个好的移动云计算环境中多个边缘云之间基于协同的资源分配机制是十分有必要且极其关键的。本次研究就是分析这些激励机制,提出有效的机制来优化资源共享。
移动云计算体系架构:
移动设备通过基站、无线接入点或卫星等连接到移动网络。移动用户的请求被传到中心处理器,中心处理器通常连接提供移动网络服务的服务器。之后,用户的请求通过因特网传到云端。在云端,控制器处理请求,并将相应的服务提供给用户。
