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移动计算卸载- 影响技术进化的因素
Juntunen, Antero, Aalto University, PO Box 15400, FI-00076 AALTO, Finland, antero.juntunen@aalto.fi
Kemppainen, Matti, Aalto University, PO Box 15400, FI-00076 AALTO, Finland, kemppi@cs.hut.fi
Luukkainen, Sakari, Aalto University, PO Box 15400, FI-00076 AALTO, Finland, sakari.luukkainen@aalto.fi
摘要
与桌面设备相比，移动设备有其固有的限制，比如有限的处理能力、内存和电池容量。随着 资源消耗型应用程序的扩散，研究人员正在寻找新的解决方案来解决这些限制。其中一个解 决方案是移动云计算 (MCC) ，它使用云基础设施来增强移动设备的能力。本文重点介绍了一种相关的新兴技术 —— 移动计算卸载技术 (mobile compution offloading，MCO)，其重点是将计算从运行在移动设备上的本地应用程序动态卸载到云基础设施等外部替代品上。通过分析影响MCO 技术演进的关键因素，运用探索性方法对 MCO 的业务潜力进行评价。我们在文献综述的基础上对 MCO 进行了评价，并利用现有的关于技术进化和 MCO 的文献提出了一个研究框架。
关键词 : 移动卸载、移动计算卸载、移动云计算、技术进化
1 引言
近年来，具有先进计算能力和功能的智能手机或高端移动电话越来越多地主导着移动电话领 域。2011 年第二季度，西欧智能手机的出货量首次超过了功能手机(普通手机)的出货量(IDC， 2011 年)，2010 年至 2011 年，全球智能手机的年增长率为 47%(Gartner，2012 年)。在过去的十年中，移动设备的处理器速度、内存和显示能力迅速提高，使得设备可以运行更多需要计算的应用程序。技术能力的提高与这些设备上可用的应用程序的扩散同步。应用程序可用性的增加主要是由于应用程序存储的增加，这简化了为最终用户查找和安装应用程序的过程，增加了对移动应用程序的需求。此外，设备制造商更加开放的政策允许小型开发者和业余爱好者开发和发布他们的移动设备应用程序，从而增加了移动应用程序的供应。
然而，尽管智能手机的性能有所提高，但手机在运行应用程序方面还是不如台式电脑。与台 式计算机相比，移动设备拥有更少的计算能力、内存、存储容量和网络带宽。这些限制对于 视频流和移动游戏等资源消耗型应用程序尤其严重，这些应用程序有助于设备制造商寻求不 断提高移动设备的性能。此外，移动设备的一个方面是电池电量没有跟上处理器速度和内存 大小的步伐。虽然电池技术已经不断发展，但是这种发展已经被电池容量需求的增加所掩盖， 这些需求来自于耗电的应用、显示设备和传感器。因此，移动设备的电力需求和供应之间的 差距一直在增加，并将在可预见的未来继续增加，除非出现不可预见的突破(Bakhshi，2009 年)。
当今移动设备面临的这两个挑战——有限的计算资源和电池能量——可以通过使用云计算基础设施增强移动设备的能力来部分解决。我们将移动云计算(MCC)的这一趋势定义为使用云计算原则为移动设备提供应用程序和服务。MCC 还可以借助基于浏览器的应用程序和开放 api (Juntunen，Suikkola，Raivio 和 Luukkainen，2011)来限制移动操作系统碎片化的负面影响。 因此，MCC 可以被视为移动技术轨迹中的一个潜在的技术不连续性，将智能从移动设备转移到云中，并为终端用户和应用提供商提供切实的利益。
本文主要研究移动云计算的一个子集——移动卸载计算(MCO)。出于本文的目的，我们将 MCO定义为纯粹的将计算卸载到代理设备中，如云服务器，通常旨在增强移动设备的计算能力或节省设备的电池电量。因此，内容卸载即将用户数据和其他内容卸载到云中，超出了 MCO的范围，除非需要执行计算。虽然现有的解决方案，如辅助 GPS(a-GPS)从移动设备卸载计算，这些解决方案是绑定到特定的硬件，如 GPS接收器。在我们的定义中，MCO更广泛地关注本机应用程序，其处理是在代理或移动设备上动态执行的。MCO可以被看作是一种具有潜在破坏性的使能技术，它可以将重点从提高计算能力转移到一个新的性能维度(Christensen,1997)。
因为 MCO 是一种新兴的技术，我们使用探索性研究来更详细地描述这种现象。因此，我们的研究目标是找出影响 MCO 技术进化的关键因素。我们的工作基于对最近文献的回顾，这是一个基本的研究状态并专注于不同的技术解决方案 (例如，Chun 等人，2011; Cuervo 等人,2010; Kemp,Palmer,KielmannandBal,2010)。本文以我们自己的研究框架为研究重点，在现有的技术进化和 MCO 文献的基础上，对这些文献进行了分析。第二部分介绍了本文的研究框架和理论背景，以及前人的研究成果。我们在第三节使用这个框架来分析 MCO，在第四节总结和讨论结果，并在第五节给出我们的结论。
2 理论背景
2.1 技术进化
技术随着时间通过主要技术进步间断的增量变化而进化(Tushman 和 Anderson，1986)。Tushman 和Anderson区分了现有技术的渐进式改进和打破渐进式改进的技术间断。Anderson和 Tushman (1997)后来将技术间断定义为由数量级提高工业技术水平的创新。此外，技术不连续性是以新技术为基础的，与以前的主导技术相比，技术限制较小。
工业是通过技术周期的有序发展而演变的。这些循环是由通过科学进步或通过现有补充技术 的独特融合而出现的技术不连续性发起的，这些技术最终取代了现有的产品(Anderson 和 Tushman，1990 )。在某种程度上，随着技术开始达到极限和新的替代技术开始出现，报酬 递减开始浮出水面。替代产品的威胁取决于许多因素，包括相对价格、新特性和附加值、性 能和转换成本(Porter，1985)。
许多新进入者的成功导致了一种被称为“攻击者优势”的现象。这一术语指的是那些在开发和 商业化新兴技术方面优于现有技术的新进入者，因为新进入者规模较小，依赖路径的历史有 限，而且对以前技术的价值网络没有承诺(Foster，1986 ;Christensenamp;Rosenbloom，1995 年)。新进入者也可以取得成功，尽管现有者拥有更多的资源和现有技术的经验。然而，行业存在进入壁垒，这保护了现有企业的现有利润水平，阻碍了新进入者进入市场。进入壁垒对每个行业都是独一无二的，包括诸如成本优势、规模经济、品牌识别、转换成本、资本要求、 学习曲线、监管、获得投入或分销以及专利产品等因素(Porter，1985)。
Christensen (1997)指出，任职者改善其技术性能的现有轨迹，最终甚至超过最苛刻的客户的需求。 同时，新进入者首先为其他行业客户的需要开发新的、更具成本效益的技术。这些新技术开始在 要求较低的客户群中增加市场份额。这些技术最初被现任者忽略，因为他们的小市场渗透率将进 入现有的主流市场。克里斯滕森将这些技术和相关创新称为“破坏性”，这是对本节前面讨论的技术不连续概念的延伸。同样，颠覆性创新显著改变了当前的市场结构、客户使用模式和价值主张。如果颠覆性技术的市场快速发展，新进入者会因为规模经济而获得优势。如果发展较慢，现有企业将有更多的时间作出反应。
Rogers(2003)认为影响创新扩散的最重要因素是相对于竞争技术替代品的相对优势(价格和绩效)， 这种优势随着时间的推移而变化。第二个影响扩散的因素是与价值观、规范和最终用户经验的相容性。已经被证实的老技术相关联的创新具有优势。复杂性会阻碍这种扩散，因为最终用户很难使用和理解产品。可试用性与产品可以低风险试验的程度有关。早期采用者的易于试用性增强了扩散。这也得到了Gaynor(2003)的支持，他强调了实验的重要性，尤其是在市场极不确定的时期。罗杰斯模型的最后一个因素是创新的可观察性，这意味着在用户社区中的可见性。除了与产品直接相关的因素外，其他问题也会影响扩散，如实施决策的特点。
虽然所有计算机系统都需要考虑安全问题，但移动通信和网络支持服务可能特别容易受到攻 击，在开发移动应用程序时应仔细考虑安全问题(Siau 和 Shen，2003)。此外，云计算还带来了涉及隐私和信任的挑战(Robinson 等人，2011)。因此，这三个方面都是相关的，当考虑一个技术，如移动计算卸载，结合移动应用程序和云计算。
2.2 移动计算卸载
在20世纪90年代，普适计算的愿景描述了将人机交互带到一个全新水平的技术。他们将难以区分地融入普通人的日常生活，为扩增实境和其他许多当时被认为只是梦想的事情提供了手段。随着移动计算在过去的二十年里采取了巨大的进化步骤，这些想法已经得到了一个平台，在这个平台上进化。此外，由于开放了针对移动设备的 api 和在线应用程序市场，移动应用程序设计如今不仅成为与设备供应商合作的经验丰富的专业人士的游乐场，也成为独立创业者和业余爱好者的游乐场。移动应用领域如今非常活跃，以各种创造性的方式利用智能手机和平板电脑等移动设备不断增加的资源和上下文信息。
传统上，移动资源的匮乏一直是将移动普适计算的理念变为现实的最大障碍。具体来说，电 池寿命和计算能力之间在技术进步方面存在着显著的差距。由于电池是奢侈的移动性的首要 组成部分，我们显然需要优化能源使用，以防止移动设备成为固定由于我们的资源饥饿的应 用。Satyanarayanan(2001)提出通过外部资源来增加移动资源作为解决方案，称之为网络觅食。虽然这篇论文留下了许多问题，后来的研究甚至在现代主流移动设备上也支持了这个想法 (Kemp 等人，2010;Cuervo 等人，2010;Chun 等人，2011;Zhang，Jeong，Kunjithapatham 和 Gibbs，2010)。
最近，移动计算卸载已经确立了自己的术语，因为研究集中在更小的领域。MCO是一种使能技术，它试图通过将部分计算迁移到移动设备之外来克服移动性的挑战。卸载通过网络将控制数据和应用程序状态信息传输到称为代理的服务器机器，代理机器将完成计算任务并将结果发送回移动客户端。与基于web 的应用程序相比，MCO 类似于一种低级的分布式系统体系结构，如远程过程调用(RPC)。由于移动网络连接通常是有限的，卸载是应用程序进程的一种机会操作，使其成为一种优化方法。换句话说，卸货只有在有利的情况下才能进行，也就是说，卸货的成本低于性能增益。
移动性的本质要求实时决定卸载，因为整个环境通常是未定义的，直到它动态发展。此外，决策分析的准确性决定了系统整体性能的最大化水平。某些特定于设备的功能根本不可移植，例如低级用户界面处理、用户输入或本地文件系统访问。
移动网络环境也面临着自身的挑战。首先，现代移动设备通过许多不同的网络接口进行通信， 比如 WiFi、3G/LTE 和蓝牙，所有这些都可以被认为是到代理项的有效路径。由 Kemp 等人 (2010)提出的网络抽象层可以帮助应用程序开发者减轻负担。第二，考虑到普遍可访问的代理，我们希望这样一个抽象来处理主机移动性方面的网络拓扑。第三，网络应该以最优的方式使用，以最小化能源消耗。
有许多最近开发的卸载框架可以帮助应用程序开发人员。事实上，本文中讨论的框架通常向 应用程序开发人员承诺简单性，但是所有框架都至少需要一些开发人员的交互。为了保持对 移动应用开发的关注，我们指定了卸载框架工作的三个任意层次:特性、方法和系统层次。我 们强调，这种分类仅仅提示了框架的实际实现，而且它仅仅用于支持应用程序开发人员的观 点。
特性卸载拦截那些软件开发人员手动设置用于卸载的部分代码。显然，开发人员必须能够为 框架提供有意义的功能，这在 ElasticApplicationModel(Zhangetal.2010)中尤其突出，该模型为每个应用程序组件选择执行位置。另一方面，一个名为 Cuckoo 的框架(Kemp 等人，2010)通过在应用程序中为应用程序开发人员定义的接口创建代理，集成到 Android 应用程序中。然后，代理决定是调用其对应的本地方法，还是将计算迁移到代理项。如果应用程序包含任何 UI 或其他高优先级任务，那么功能需要与流程的其余部分并行运行，以减少移动性负面影响的严重性。由于手工劳动定义了优化基线，因此这种方法也高度依赖于应用程序开发人员的领域专业知识。应用程序开发人员还可以选择为客户机和代理项提供不同的接口实现。
方法卸载不需要单独的接口或组件，而是直接使用每个方法注释和包装方法进行代理。实现 这种思想的最著名的框架是 MAUI(Cuervo等人，2010)。从应用程序开发人员的角度来看，这种方法的干扰性较小，因为它在概念上不需要严格分离可卸载的代码部分。另一方面，在代理项上运行的应用程序代码与在移动设备上运行的应用程序代码相同，因此运行时环境至少在迁移方法调用的范围内是可互操作的。与仅仅减轻应用程序开发人员的负担相比，系统级或进程
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