移动云计算关键技术.doc

移动云计算关键技术xxx. 华中科技大学. 通信xx班. U20xxxxxxx.摘要：智能手机、平板电脑和云计算都融合于一个新的快速增长的移动云计算领域。随着一种更移动的、钟爱设备的云环境的出现，在短短的几年时间当中，将会有1 万亿云计算就绪的设备。本文主要介绍并阐述了移动云计算的关键技术，包括4G、HTML5 和CSS3、虚拟机监控程序、Web技术、并行计算等几个方面。关键词：移动云计算，移动云计算平台，关键技术。1.引言科技从来都是朝着方便人类生产生活的方向发展。代步工具，通信设备的出现都很好的印证了这一观点。在资源的利用方面，人类也在不断地追求着便利，“心有所想，手到擒来”一直是我们追求的理想标准。随着人类社会的进步，相当一部分资源已经基本能达到这个标准了，很多资源以基础设施的形式被提供给人们使用。用户可以在任意时间根据他们的需要频繁访问这些基础设施，如水、电，并只需要对他们所使用的资源付费。信息时代里，数据计算能力作为一种至关重要的资源，在人们的日常生活中逐渐变得不可或缺，于是如何以更好地方式给公众提供计算资源受到很多研究人员和实践者的关注。如何做到“手到擒来”一直是IT人倾注心血，致力实现的梦想。近些年，一种新型的计算模式云计算越来越被大家提及。云计算就是这样一种可能帮助人们实现这一理想的技术，它能够按需部署计算资源，用户只需要为所使用的资源付费。为了更好地理解云计算，先让我们举个生活中的例子。这就好比是从古老的单台发电机模式转向了电厂集中供电的模式。它意味着计算能力也可以作为一种商品进行流通，就像煤气、水电一样，取用方便，费用低廉，最大的不同在于，它是通过互联网进行传输的口。让用户通过高速互联网租用计算资源，而不再需要自己进行大量的软硬件投资。从本质上来讲，云计算是指用户终端通过远程连接，获取存储、计算、数据库等计算资源。云计算在资源分布上包括“云”和“云终端”。【1】“云”是列互联网或大型服务器集群的一种比喻，由分布的互联网基础设施构成，几乎所有的数据和应用软件，都可存储在“云”里，只需要拥有一个功能完备的浏览器，并安装一个简单的操作系统，通过网络接入“云”，就可以轻松地使用云中的计算资源。传统意义上的“云终端”主要指PC，随着移动互联网的蓬勃发展，基于手机等移动终端的云计算服务已经出现。移动云计算是在Open Gardens 博客上发布的一篇文章中首次被定义的。本文主要在云计算技术的基础上，总结分析移动云计算的特点及其核心技术，并对移动云计算的未来发表一些看法。【2】2 云计算与移动云计算 从上面引言部分，我们对云计算和移动云计算是什么已经有了一个初步大体的印象。这里我们再对其具体学术的概念作进一步解释。 云计算是一种新兴的共享基础架构的方法。它统一管理大量的物理资源，并将这些资源虚拟化，形成一个巨大的虚拟化资源池。云是一类并行和分布式的系统，这些系统由一系列互联的虚拟计算机组成。这些虚拟计算机是基于服务级别协议(供应者和消费者之问协商确定)被动态部署的，并且作为一个或多个统一的计算资源而存在。云计算可以按照用户对资源和计算能力的需求动态部署虚拟资源，而不受物理资源的限制。用户所有基于云的计算和应用工作在虚拟化的资源上，不需要关心这些资源部署在哪些物理资源上，用户可以方便地变更对计算资源的需求。移动云计算云计算技术在移动互联网中的应用被定义为“移动云生态系统中云计算服务的可用性，这合并了许多元素，包括使用者、企业、家庭基站、转码、端到端安全性、家庭网关和启用移动宽带的服务”。移动云计算有两个关键特性：云计算支持便捷地对可配置计算资源的共享池（比如网络、服务器、存储、应用程序和服务）进行按需网络访问，云计算的这些资源可以通过最少的管理工作或服务提供者交互来快速予以配置和发布云计算它有3种基本的云服务模型，包括基础架构服务（IaaS）、平台服务（PaaS）和软件服务（SaaS）。【3】移动的云计算借助于移动的互联网，充分发挥了我们后台计算的价值，我们把复杂的计算和存储资源放置到后端，允许我们形成强大的云。与此同时利用后台的云，可以对我们终端设备进行快速的试配，如果终端的系统比较强，可以把部分的计算和处理过程，放在我们终端进行。充分的发挥我们终端的优势，如果我们这个终端的性能比较弱也没有问题，我们可以直接咱们后台计算好的结果和资源直接的推送到我们终端上，这样就实现了一个小巧轻便的终端，也能够运行更加复杂的应用。3云计算的特点从现有的云计算半台来看，它与传统的单机和网络应用模式相比，具有如下特点：1)虚拟化技术：这是云计算最强调的特点，包括资源虚拟化和应用虚拟化。每一个应用部署的环境和物理平台是没有关系的。通过虚拟半台进行管理达到对应用进行扩展、迁移、备份，操作均通过虚拟化层次完成。【4】2)动态可扩展：通过动态扩展虚拟化的层次达到对应用进行扩展的目的。：可以实时将服务器加入到现有的服务器机群中，增加“云”的计算能力。3)按需部署：用户运行不同的应用需要不同的资源和计算能力。云计算平台可以按照用户的需求部署资源和计算能力。4)高灵活性：现在大部分的软件和硬件都对虚拟化有一定支持，各种IT资源，例如，软件、硬件、操作系统、存储网络等所有要素通过虚拟化，放在云计算虚拟资源池中进行统一管理。同时，能够兼容不同硬件厂商的产品，兼容低配置机器和外设而获得高性能计算”。5)高可靠性：虚拟化技术使得用户的应用和计算分布在不同的物理服务器上面，即使单点服务器崩溃，仍然可以通过动态扩展功能部署新的服务器作为资源和计算能力添加进来，保证应用和计算的正常运转。6)高性价比：云计算采用虚拟资源池的方法管理所有资源，对物理资源的要求较低。可以使用廉价的PC组成云，而计算性能却可超过大型主机。4.计算的不同服务类型云计算从一开始就以实现XaaS为首要任务。从体系结构上看，云计算的底层由硬件组成，在此基础上分别是IaaS(in-frastructure as service)、PaaS(platform as a service)和SaaS(software as a service)。【5】这三层不仅包含了实现按需所需的资源，也同时定义了新的应用开发模型。由于云计算起步不久，每一层内都还有很多尚未解决的问题，下面是各层的简单介绍：a)基础架构即服务(IaaS)指的是以服务形式提供服务器、存储和网络硬件。这类基础架构一般是利用网格计算架构建立虚拟化的环境，网络光纤、服务器、存储设备、虚拟化、集群和动态配置软件被涵盖在IaaS之中。b)平台即服务(PaaS)是在IssA之上的一层，这种形式的云计算把开发环境作为一种服务来提供，指的是以服务形式将应用程序开发及部署平台提供给第三方开发人员。这种平台一般包含数据库、中间件及开发工具，均以服务形式通过互联网提供。c)软件即服务(SaaS)指的是通过浏览器，将应用程序以服务形式提供给用户的形式，应用程序可以是公有云提供商提供的商用SaaS应用，或企业专用云提供的商用或订制的SaaS应用。这种类型的云计算通过浏览器把程序提供给成千上万的用户使用。5.移动云计算平台5.1智能手机一个家庭基站可能是“移动生态系统”的一个有趣部分，但是这里关注的元素是智能手机和平板电脑，其中目前为止最普遍的平台是智能手机，平板电脑较新且刚刚开始蔓延于市场，有很多智能手机制造商，但设备本身可根据操作系统分组，最常用的移动操作系统是Research in Motion (RIM) BlackBerry 操作系统、Windows Mobile 操作系统、Nokia 的Symbian 平台和UNIX 变体，比如Google Android 和Apple iOS。RIM 开发的BlackBerry 操作系统是专有移动操作系统，对于应用程序开发人员，它提供一种Java 开发环境，包括一个BlackBerry IDE、一个智能手机仿真器，以及用于Java Platform、Micro Edition (Java ME) 和BlackBerry 的API。应用程序通过BlackBerry AppWorld 和MobiHand 等第三方供应商分发。Android移动操作系统构建于修改的Linux 内核之上，起初由Android, Inc.开发，2005 年由Google 收购，Android 开发和维护，现在由Google 领导的Android Open SourceProject 执行。Android 应用程序开发人员主要使用Android SDK 以Java 语言编写代码，Android SDK 包含一个用于测试和调试的运行仿真器，应用程序通过Google Android Market 以及GetJar 和Handango 等其他分销渠道分发，Apple iOS 来自Apple Mac OS X，它本身是一组基于UNIX 的操作系统和GUI，开发人员构建的应用程序，主要是以Objective-C 使用AppleiOS SDK、Xcode 和Interface Builder，应用程序通过Apple 的App Store分发，该存储中目前包含300 000多个应用程序。【6】当前的Windows Mobile专用操作系统称为WindowsPhone 7，是Windows Mobile 操作系统的后续版本，据Microsoft 介绍，Windows Phone 7是专为用户体验而设计的，而非用于企业支持，开发人员编写代码来通过API 访问设备但是一些API 目前不可用，比如一个指针API、一个视频API 或一个套接字API，应用程序通过Windows Phone Marketplace分发；Symbian平台是一个专为Nokia 智能手机设计的开源操作系统，它使用一个专属操作系统服务层，以及一个Java ME 应用服务层，应用程序开发人员使用C+、Java 语言和Perl 编写代码，并将一个可定制的SDK用于开发人员要使用的IDE，Nokia 放弃MeeGoNokia放弃结盟开发另一个名为MeeGo 的开源移动操作系统，该操作系统是与Intel 和由较小规模公司组成的联盟共同开发的，MeeGo面向各种平台，包括智能手机、平板电脑、汽车系统和机顶盒，尽管Intel 仍然致力于MeeGo，但是Nokia的撤出所产生的影响仍然是可见的，Nokia 和Microsoft 协商宣布了一项协议，即Nokia的手机采用Windows Phone 7，来自Nokia 的公告表示，让运行Windows Phone 7的Nokia手机出现在市场上需要一年的时间，而且2011年和2012 年将是智能手机销售的过渡期，当Windows Phone 7 智能手机开始出现时，基于Symbian的智能手机将被淘汰。5.2平板电脑平板电脑比智能手机大，但采用同样的方式与用户交互，使用触摸屏作为主要输入设备，它们通常没有键盘，不同于笔记本电脑，它们是单一用户的个人设备，但是平板电脑访问云的方式与智能手机一样，截止2010年底，最畅销的平板电脑是Samsung、Motorola和AcerApple 制造的iPad 和Android 平板电脑，2011 年1 月在内华达州拉斯维加斯举行的消费者电子展中的参观者看到，大量平板电脑将在2011年进入市场，很多基于Android 操作系统。RIM 将引入其BlackBerry PlayBook，它使用BlackBerry TabletOS。Motorola 将引入其基于Android 的Xoom 平板电脑。Apple 将发布其第 代和第 代iPad 平板电脑，预期的改进包括一个双核处理器、一个高质量显示器和一个前视相机以及一个SD 卡插槽。6.移动云计算成功案例移动云计算的几个成功实例：1) 加拿大RIM公司面向众多商业用户提供的黑莓企业应用服务器方案，可以说是一种具有云计算特征的移动互联网应用。在这个方案中，黑莓的邮件服务器将企业应用、无线网络和移动终端连接在一起，让用户通过应用推送(Push)技术的黑莓终端远程接入服务器访问自己的邮件账户，从而可以轻松地远程同步邮件和日历，查看附件和地址本。除黑莓终端外，RIM同时也授权其他移动设备平台接入黑莓服务器，享用黑莓服务。目前，黑莓正通过它的无线平台扩展自己的应用，如在线CRM等。以云计算模式提供给用户的应用成为了RIM商业模式的核心，取得了极大的成功。【7】2) 苹果公司推出的“MobileMe”服务是一种基于云存储和计算的解决方案。按照苹果公司的整体设想，该方案可以处理电子邮件、记事本项目、通信簿、相片以及其他档案，用户所做的一切都会自动地更新至iMac、iPod、iPhone等由苹果公司生产的各式终端界面。此外，苹果公司的iPhone以及专为其提供应用下载的Apple Store所开创的网店形式已经得到了移动终端厂商和移动通信运营商的一致追捧，聚集了大量的开发者和使用者，提供的应用数量超过100 000种，下载次数超过30亿次，成为潮流的引领者。3) 微软公司推出的“LiveMesh”能够将安装有Windows操作系统的电脑、安装有Windows Mobile系统的智能手机、Xbox，甚至还能通过公开的接口将使用Mac系统的苹果电脑以及其他系统的手机等终端整合在一起，通过互联网进行相互连接，从而让用户跨越不同设备完成个人终端和网络内容的同步化，并将数据存储在“云”中。随着Azure云平台的推出，微软将进一步增强云端服务的能力，并依靠在操作系统和软件领域的成功为用户和开发人员提供更为完善的云计算解决方案。7.移动云计算关键技术6.1 4G4G是第四代移动通信及其技术的简称，是能够传输高质量视频图像以及图像传输质量与高清晰度电视不相上下的技术产品。4G的概念可称为广带(Broad-band)接入和分布网络具有超过2Mbps的非对称数据传输能力。对全速移动用户能提供150Mbps的高质量的影像服务，并首次实现三维图像的高质量传输，无线用户之间可以进行三维虚拟现实通信。它包括广带无线固定接人、W-LAN、移动广带系统和互操作的广播网络。在不同的固定无线平台和跨越不同频带的网络中，4G可提供无线服务，并在任何地方宽带接入互联网(包括卫星通信和平流层通信)，提供信息通信以外的定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。同时，4G系统还是多功能集成的宽带移动通信系统，是宽带接入IP系统。【8】4G技术在移动云计算中的应用主要是帮助解决延迟和带宽的问题。而且移动计算市场的增长将通过广泛的使能技术进一步增强，2011 年对平板电脑的大量引入是另一促进因素。 Samsung于2010 年1 月在马来西亚引入了Yes Buzz 4 G 云手机，它没有SIM 卡，允许在互联网上保存和同步联系人，在2011 年2 月，Motorola 引入了4 G手机Atrix，它使用指纹识别器来解锁手机，它还配有一个可选的底座，可连接到键盘和鼠标，将手机转化为笔记本电脑，报告显示这款新手机有问题，但是Motorola 声称它展示了未来10 年内将如何使用移动设备。【9】6.2 HTML5和CSS3HTML5 对于移动web 应用来说是重要的一步，HTML 是一种文档发布标记语言，提供一种方式来指定web 页面元素，比如标题、文字、表格、列表和图片，增强的HTML5 解决了对web 应用的支持需求，HTML5 还支持规范离线支持，使本地存储成为可能，帮助解决连接中断问题，它还添加画布和视频功能，支持在无需插件的情况下使用图形和视频，HTML5在表单规范方面的改进有利于移动应用，此外，HTML5 通常带有一个地理位置API。HTML5 的一个好处是，能够观看视频而无需Adobe Flash 或MicrosoftSilverlight 等插件；另一个好处是能够存储和访问电子邮件消息和日历等数据，这使得web 应用程序更加有用。【10】CSS3 与HTML5 一同指定如何呈现页面元素，一个HTML 规范告诉web 浏览器要显示什么，一个CSS 规范告诉web 浏览器如何显示它。HTML5 规范中的新元素需要新的指导来显示它们，因而需要新版CSS 标准。HTML5 和CSS3 仍处于开发阶段，但是浏览器中的有些功能已经实现，比如Apple Safari 和Google Chrome，可在CNN.com 上找到样例web 站点，The New York Times 和Vimeo，HTML5功能还在Phone Gap、QuickConnect、RhoMobile、Titanium和Mobile等混合应用框架中得到实现，这些框架帮助实现跨平台的移动设备开发。从W3C已经发布的HTML5离线存储细则来看，HTML5将为Web的离线存储制定一套标准，进而在真正意义上实现Web离线存储。这项功能将内嵌到本地的SQL数据库当中，以用来更好地加速交互式搜索、缓存以及索引功能。【11】有了这些功能，离线Web程序将获得更便捷使用HTML5使一些程序在离线时仍可使用是因为它引入了基于浏览器的程序缓存，这个功能能够将应用数据缓存在本地，从而加速Web程序的运行。你可以把离线存储认为是类似谷歌Gears的东西。离线存储正是云计算看重的重要特性。6.3 虚拟机监控程序跨平台应用的另一促成因素是一个嵌入式虚拟机监控程序，它支持web 应用程序在任何智能手机上运行，而无需知道底层架构，虚拟机监控程序允许其他软件在虚拟环境中运行，移动平台需要内置虚拟机监控程序。例如，Motorola Atrix 有一个嵌入式虚拟机监控程序支持它运行广泛的应用程序。通过虚拟化技术，单个服务器可以支持多个虚拟机运行多个操作系统和应用，从而大大提高服务器的利用率，通过虚拟化为应用提供了灵活可变、可扩展的平台服务。虚拟机技术的核心是Hypervisor(虚拟机监控程序)，Hypervisor在虚拟机和底层硬件之间建立一个抽象层，它可以拦截操作系统对硬件的调用，为驻留在其上的操作系统提供虚拟的CPU和内存。目前VMwareESX和Citrix XenServer能直接运行在硬件上，虚拟的操作系统又运行在Hypervisor之上，从而能够按照用户需求提供IT基础设施。随着虚拟化技术的应用，对虚拟资源的管理是研究的热点之一。【12】当前的云计算系统一般是以虚拟机的形式来满足用户的计算资源需求，但用户需要根据自己的要求将这些虚拟机手动配置成一个工作集群。另外，虚拟专用网络VPN的发展为用户在访问计算云的资源时提供了一个可以定制的网络环境。目前对于虚拟资源管理的研究，在满足用户对虚拟资源的QoS需求及服务等级协议(service level agreement，SLA)方面还有待进一步研究。6.4 Cloudlets如果扩展视图包含之前提到的家庭基站，那么可以求助于cloudlets，它承诺帮助解决移动云计算中的延迟问题。Wi-Fi热点和其他本地设备可配有本地处理和存储，一个cloudlet 是驻留在附近的一个小型的简单设备，可能在一个咖啡店中，需要时设备从一个集中位置下载用户数据，允许本地用户访问，从而减少延迟，完成后如有需要，可以将用户数据返回到集中位置，该过程对用户不可见，不过用户对更快的响应感到满意。6.5 Web技术Web 技术已经从 90 年初的“混沌期”和本世纪初的“阵痛期”走出，已经进入“快速发展期”，并随着类似 AJAX 、 jQuery 、 Flash 、 Silverlight 和 HTML5 等 Web 技术的不断地发展， Chrome 、 Firefox 和 Safari 等性能出色和功能强大的浏览器的不断涌现，使得 Web 已经不再是只能显示简单的页面或者在用户体验方面远逊于传统的桌面应用，而是能支持多种多媒体功能和复杂的事件处理，在用户体验方面已经越来越接近桌面应用，使得用户只要通过互联网和云连上，就能通过浏览器使用各种功能强大的 Web 应用。【13】6.6并行计算并行计算指的是同时使用多种计算资源解决计算问题的过程，是提高计算机系统计算速度和处理能力的一种有效手段。它的基本思想是用多个处理器来协同求解同一问题，即将被求解的问题分解成若干个部分，各部分均由一个独立的处理机来并行计算。并行计算系统既可以是专门设计的、含有多个处理器的超级计算机，也可以是以某种方式互连的若干台的独立计算机构成的集群。通过并行计算集群完成数据的处理，再将处理的结果返回给用户。7.总结计算作为一项服务功能是人们长久以来的梦想。使用的弹性符合了通过互联网向用户直接提供服务的商业需求，因为，相比20年前，工作量的增长和收缩变得更加快速。过去要花好几年时间来增加业务和发展几百万用户，现在只要一个月的时间就可以做到。云计算是一种新型的计算模式。它的最主要特征是系统拥有大规模数据集、基于该数据集，向用户提供服务。它使用大量的普通商用机来构建系统，通过冗余存储的方式确保整个系统的可靠性和可用性。与传统超级计算机在底层编程不同，数据密集计算的云系统上使用基于Map-Reduce的高级编程模式。【14】这使得编程人员可以