第 1 章 引 言 本章首先介绍智能终端和移动云计算技术的相关研究背景，包括智 能终端上应用的用户体验需求，移动云计算的基本概念，以及移动云计 算的主要研究内容。随后介绍移动云计算技术在用于服务体验（quality of experience，QoE）优化时所面临的主要挑战，以及本研究的研究方法、 研究内容和成果。最后介绍后续章节的内容框架。 1.1 移动云计算研究背景 近年来，移动互联网的高速发展使得人们在日常生活中的学习和生活方 式有了巨大的改变。各式各样的移动应用，例如即时通信、社交网络、移动 支付、移动音频/视频等应用程序，正在逐渐渗透到人们学习和生活的各个 方面，并在不断改变人类社会教育、沟通、娱乐和消费的方式。2017 年中国 互联网发展报告[1] 中的统计数据表明，近年来移动互联网的产值不断增长， 对国家的经济贡献不断增大。在 2016 年，中国移动互联网的市场总收入高 达 13 786 亿元人民币，同比增长 12%，占国家 GDP 增长总值的 1.5%。据 估计，未来移动互联网产生的经济价值仍会持续稳定地增长。 移动互联网的发展主要得益于智能终端设备和无线网络的发展。其 中，智能终端主要以智能手机为代表，主要指能够运行移动操作系统（如 Android、iOS 等）的手持设备。智能终端通过触摸屏或键盘等硬件与用 户交互，可以运行多种移动应用程序。大部分移动应用通过无线网络（例 如 WiFi 和蜂窝网络）访问互联网中的资源，为用户提供多样的功能和服 务。随着智能终端的普及，应用程序的用户体验也越来越重要。例如，用 户通过手机浏览网页时，总是希望页面能够尽快地被加载，同时不希望产 2 面向移动云计算的智能终端传输优化 生过多的流量开销。因此，保证移动应用高质量的服务体验成为了移动网 络运营商、手机设备商和应用提供者所共同关注的重要问题。 1.1.1 智能终端应用程序及服务质量需求 当今智能终端上运行的应用程序种类繁多，琳琅满目。移动应用程序 按照其资源消耗情况可分为计算密集型应用（例如虚拟现实应用和实时 图像处理应用）、带宽密集型应用（例如云同步服务和流媒体服务）、延 迟敏感型应用（例如即时通信应用和 Web 应用）和其他应用（例如邮件 服务）。对于不同种类的移动应用而言，影响其用户体验的关键性能指标 也有所不同。例如，对于即时通信类应用而言，最主要的 QoE 优化目标 是用户进行通信时收发消息延迟要足够低。对于流媒体应用来说，主要 的 QoE 优化目标是音频/视频播放的过程中要尽可能地提供高清且流畅 不卡顿的流媒体服务。 一般而言，提升应用程序的用户体验主要有以下几个方向。第一，提 升应用的内容质量。例如，对于流媒体视频应用而言。视频内容的清晰度 越高，画质越高，使用过程中的用户体验越好。第二，降低应用的交互延 迟。例如使用即时通信应用进行通话或收发消息时，用户希望尽快地收到 对方的信息，使用浏览器阅读网页内容时，希望能够尽快地加载页面。第 三，降低应用运行时产生的能耗开销，提升智能终端的续航能力。第四， 移动应用的可靠性和安全性也是非常重要的 QoE 指标。智能终端和用户 日常生活中的数据关系紧密，移动应用需要尽可能保证用户数据安全和 可靠。因此，从移动网络架构的角度进行分析，要向上层应用提供更好的 QoE，其根本方法是要设计并实现低延迟、高带宽的网络传输方案，同时 要保证应用支撑系统的稳定性、安全性和低功耗。 1.1.2 移动云计算技术的定义与主要特点 移动云计算作为一种提升智能终端服务性能、稳定性和安全性的重 要技术，得到了学术界和工业界的广泛关注。近年来，在移动计算领域有 许多相关的研究。移动云计算技术是从云计算的概念上延伸和发展起来 的。云计算技术作为一种被广泛应用的计算架构，具有成本低、资源利用 率高、可以灵活地按需进行资源配置等优点。另一方面，无线网络技术的 第 1 章 引 言 3 不断发展增强了世间万物的连通性。因此，移动云计算技术本质上是通过 无线网络技术将智能终端和云计算服务相结合的产物。移动云计算技术 使得云端强大的计算能力、丰富的存储资源能够通过无线网络传递给智 能终端使用，以提供更好的用户体验，同时能够降低移动应用的开发、管 理和运营开销。 图 1.1绘制了移动云计算的基本架构，主要由移动终端及应用程序、 无线接入网和云端服务三部分组成。在数据传输过程中，移动终端通过 空中接口和基站或无线接入点连接，此连接包括用于传输数据的数据连 接和用于传输控制信令的控制连接。此后，移动用户的请求和其他信息 （例如身份标识和位置信息等）依次通过接入网和骨干网传递到云服务提 供商。在接入网中，移动运营商会对移动终端进行身份认证、频谱资源分 配和计费等操作，然后再将用户的请求转发到骨干网。内容提供商借助 云端的云计算技术，响应用户请求，按需提供多样化的服务。接下来介绍 图 1.1 中的几个关键组成部分。 图 1.1 移动云计算基本架构 移动终端及应用程序：移动终端主要指消费级的移动电子设备，例如 智能手机、笔记本电脑、平板电脑、智能手表和虚拟现实头盔等设备。这 些设备一般像传统的桌面主机一样，具备 CPU、RAM 和无线网卡等计 算、存储和网络传输硬件设备。移动终端之上运行移动操作系统和各式 各样的应用程序供用户使用。一般而言，现今的移动智能终端都配备支持 WiFi 和蜂窝网络的芯片。大部分的移动应用程序，例如即时通信应用和 社交网络应用等需要通过网络来提供完整的服务。 无线接入网：无线接入网是连接移动终端和云端服务的桥梁。WiFi 4 面向移动云计算的智能终端传输优化 网络的接入网主要包括一个支持 WiFi 网络的无线接入点（access point， AP），一方面发出无线电波和终端进行通信，另一方面连接到骨干链路上 与互联网连接。蜂窝网络的接入网部分则更加复杂，由基站（node B）、射 频网络控制器（radio network controllers）和核心网（core network）几 个关键部分组成。 云端服务：云端服务则是移动终端及其应用程序的远程支持，主要包 括提供云计算服务平台的数据中心、提供内容的互联网内容提供商（internet content provider，ICP）和提供网络连接服务的互联网服务提供商 （internet service provider，ISP）。另外，在一些体系结构下，在接近接入 网的部分会部署一些本地的微云（edge），其计算能力比远程的云计算数 据中心低，但是由于距离终端更近，微云能够提供更低延迟的服务。云端 服务的各个部分综合在一起为终端用户提供多样化的应用服务。 1.1.3 移动云计算技术的主要研究内容 近年来有许多相关工作围绕移动云计算技术展开了研究，接下来将 介绍本研究在移动云计算领域的几个主要研究内容。 （1）基于移动云计算的能耗优化技术 对于智能终端来说，能耗（也称为功耗）是一个非常重要的性能指 标。更低的功耗能够确保设备有更长的续航时间。一些现有工作重点研究 了面向智能终端的 CPU 或屏幕节能技术[2, 3]，但是这些工作都需要从硬 件层面修改现有智能终端的体系架构。计算迁移技术是移动云计算背景 下一种被广泛使用的技术，它通过网络将原本在本地执行的计算任务迁 移到云端执行。计算迁移技术也被广泛地用于智能终端的能耗优化，它能 够有效地降低本地计算的功耗。例如，实验数据表明，仅仅将手机上一些 常用的图像处理任务迁移到云端执行就可以降低约 41% 的本地功耗[2]。 MAUI[4] 是一种利用计算迁移来降低终端功耗的计算框架，利用计算迁 移能够降低 27% 的云游戏能耗。 （2）基于移动云计算的计算和存储性能优化 因为受到功耗约束，现今智能终端的计算和存储资源都非常有限。 借助移动云计算技术，可以向移动终端提供云端更强大的计算和存储 能力。移动个人云存储服务是一种常见的通过移动云计算提升终端的计 第 1 章 引 言 5 算和存储能力的移动应用，它利用云端的存储资源，为智能终端提供数 据备份、文件协同和共享等功能。除此之外，有许多应用利用移动云计 算技术为终端提供更强大的计算能力。云游戏[5-12] 是一个典型的通过 移动云计算来提升终端用户体验的应用。它通过服务器渲染计算负载非 常高的游戏画面，并通过网络传递到终端显示给用户，提升了终端用户 体验。 （3）移动数据可靠性研究 移动云计算技术还可以用来提升移动数据的可靠性。利用云端的分 布式系统，可以将终端上的数据冗余备份在多个云端存储节点上，避免数 据的损坏或丢失。文献 [13, 14] 中设计了新型的移动数据安全模型，利用 移动云计算技术为用户数据提供更强的安全和隐私保障。 1.2 研究领域及面临的主要挑战 本书主要研究移动云计算技术在实际应用时的传输优化问题，为移 动应用提供更好的用户体验。然而，如图 1.1所示，移动网络的架构非常 复杂，包括终端、无线接入网和云端服务三大部分。影响应用 QoE 的因 素非常繁杂，最终智能终端上的用户体验是由这三部分共同决定的。具 体而言，优化移动云计算中的数据传输主要面临着以下三个方面的重要 挑战。 1.2.1 计算资源和功耗受限的移动终端 相比于传统桌面环境下的计算机设备，移动智能终端因为其尺寸相 对较小且要求具备移动性，一般都通过自身的独立电源（例如锂电池）进 行供电。由于移动电源可提供的电容有限，移动终端无法像桌面主机那 样支持大功率的 CPU 等计算单元。此外，为了避免运行时自身过热而 产生安全隐患，在操作系统层面会进行软件控制，约束移动终端的 CPU 不能长时间以最大功率运行，以延长续航时间和避免硬件过热。因此， 移动终端上芯片的计算能力十分有限。受限的计算能力给计算密集型应 用程序（例如游戏或者新兴的 VR/AR 应用）的 QoE 优化带来了巨大 挑战。 6 面向移动云计算的智能终端传输优化 1.2.2 延迟、带宽受限的无线网络环境 相比传统的有线网络，无线网络受其特有的电气特征约束，能提供的 可用带宽往往更低，端到端延迟往往更高。这主要是因为无线网络是通过 广播的形式传播数据的，在空间中传播需要通过额外的计算来处理干扰、 冲突和障碍等环境因素。受限的带宽和延迟使得延迟敏感型应用（例如语 音通信）和带宽敏感型应用（例如视频直播）在无线网络环境下的 QoE 优化面临着巨大的困难。 1.2.3 移动性导致的网络不稳定 移动性是移动终端的重要特征之一。如图 1.1所示，终端在移动过程 中可能需要在不同的无线接入点之间进行连接切换。切换时终端和之前 的基站先断开连接，然后和新的基站建立新的连接。在这个过程中可能会 产生信号的波动以及网络连接的中断。因此，网络的性能，如延迟和带宽 可能发生剧烈的波动，网络的可用性也会受到影响。网络连接中断事件会 对正在进行网络通信的上层应用的 QoE 产生重大影响。因此，要保证上 层应用的 QoE，在移动网络环境下必须重点考虑用户移动性导致的网络 性能的抖动和连接的中断与恢复（统称为移动网络的不稳定性）。 1.3 研究方法、研究内容与研究成果 1.3.1 基于计算-网络融合的协同优化方法 考虑到移动互联网架构的复杂性，用户所感知到的 QoE 问题往往受 到终端、网络和云端上众多复杂因素的综合影响。因此，为了克服现有方 法的局限性，充分利用移动云计算技术提升智能终端的 QoE，本书提出 一种新型的研究方法：基于计算-网络融合的协同优化方法。其基本思想 是：智能终端、移动网络和云端服务三者均具备不同的计算和网络资源。 通过移动云计算优化用户体验时，充分理解所执行任务的计算和网络特 性，将任务进行合理地拆分，利用端、网和云上的资源协同地执行任务， 优化用户体验。在解决具体问题时，首先通过大规模的测量实验深入理解 具体应用场景中的性能瓶颈，找出影响用户体验的关键因素。其次，针对 第 1 章 引 言 7 发现的性能瓶颈，设计和实现相关优化方案。最后，通过大量的实验和现 有解决方案进行对比，验证所提出方案的有效性。 图 1.2绘制了本书的主要研究内容和移动网络基本架构之间的关系 图。移动互联网架构非常复杂，每个关键的组成部分均包含各种计算、存 储和网络资源。移动应用根据其主要资源消耗类型及程度可以分为计算 密集型应用（例如游戏、VR/AR 应用）、带宽密集型应用（例如流媒体应 用）、延迟敏感型应用（例如语音通话、即时通信类应用）和其他应用（例 如电子邮件）。其中带宽密集型应用和延迟敏感型应用又统称为网络密集 型应用。本研究站在移动云计算的视角，运用基于计算-网络融合的协同 优化技术对主流的重要移动应用分别设计了 QoE 优化方案。本书首先针 对主流的计算密集型应用，例如新兴的 VR/AR 应用，采用移动云计算的 方法将其繁杂的计算任务迁移到云端执行，并在终端、无线网络和服务器 端三部分都进行了专门的优化，克服在进行计算迁移过程中遇到的网络 延迟大和带宽不足等具体挑战，最终实现了基于现有移动终端和移动网 络的高清低延迟虚拟现实系统。其次，本书针对主要的网络密集型应用， 例如移动个人云存储服务的同步效率进行了优化研究。通过测量实验，发 现、分析了个人云存储服务的同步协议在移动网络环境下同步效率低下 的问题，并设计新的同步方案解决了其性能瓶颈。新的同步方案根据终 端、网络和云端三部分的特点进行了联合优化。最后，为了解决移动网络 环境下底层网络连接的不稳定性对上层应用 QoE 的影响，本书设计并实 图 1.2 本书研究主要内容和移动网络基本架构之间的关系 8 面向移动云计算的智能终端传输优化 现了面向移动终端的稳定高效传输系统。综上所述，本书的研究内容和创 新成果可以归纳为以下几点。 1.3.2 研究成果 1：计算密集型移动应用 QoE 优化 计算密集型应用是当今智能终端上重要的应用之一。但是，由于智能 终端计算能力有限，无法提供充足的计算能力，智能终端难以像传统的桌 面环境那样提供极致的用户体验。移动云计算中的计算迁移技术是提升 终端计算能力的一种关键技术，它将本地复杂的计算工作迁移到云端执 行，利用云端强大的计算资源进行计算，最后将结果回传给用户。但是， 计算迁移的方法同时也给无线网络带来了巨大的网络开销。例如，传输虚 拟现实的高清内容需要消耗几个 Gb/s 的带宽。如何优化移动云计算在 实际应用中的传输问题是一个重要且具有挑战的任务。本书研究了新兴 计算密集型应用虚拟现实系统的传输优化问题，提升了其用户体验。 当今的高性能虚拟现实系统（例如 Oculus Rift 或 HTC VIVE）都 是通过数据线（例如 HDMI）将高清内容传输到头显设备上。但是，数据 线限制了用户的可移动性，大大降低了用户体验。使用有线网络的主要原 因在于移动设备（例如智能手机）和无线网络（例如 WiFi）无法承受高 性能 VR 应用所带来的高计算和高传输负载。本研究设计并实现了面向 无线智能终端的高清，低延迟交互式虚拟现实系统 Furion 。借助计算迁 移和压缩等技术，让高清 VR 应用能够运行在现有智能手机和无线网络 环境下，提升画面质量，降低用户操作延迟，同时将功耗限制在可接受范 围内。 1.3.3 研究成果 2：网络密集型移动应用 QoE 优化 网络密集型应用，如流媒体和个人云存储服务是现今非常流行的移 动应用。随着无线技术的发展，越来越多的用户在移动设备（例如手机 和平板电脑）上使用个人云存储服务（例如 Dropbox 和 OneDrive）来进 行协同办公或者文件分享。相关数据显示，云存储服务已经占据了整个 互联网 4% 的流量[15]。本研究围绕重要的网络密集型应用——移动个人 云存储服务的 QoE 优化问题设计了优化方案。现有的个人云存储服务少 有对移动无线网络环境下的高延迟、带宽受限、网络连接不稳定等因素 第 1 章 引 言 9 进行优化，导致在移动场景下个人云存储服务面临同步效率低下等问题。 本研究针对现今主流的个人云存储服务进行了大规模的测量分析，通过 大规模的实验分析找出了移动场景下同步效率低下的原因，设计并实现 了同步效率优化系统 QuickSync 。QuickSync 改进了现有同步传输协议， 并利用网络自适应的冗余消除等技术，增强了在移动环境下个人云存储 服务的同步效率，提升了用户体验，同时能够降低数据同步造成的移动数 据开销。 1.3.4 研究成果 3：移动网络传输稳定性优化 对于移动云计算技术而言，除了需要优化网络的传输性能（如高带宽 和低延迟），优化在移动场景下网络的稳定性也至关重要。具体而言，移 动应用需要考虑弱场环境（例如信号强度差或网络连接不稳定）的持续 低带宽对上层应用用户体验的影响。然而，现有的移动平台上的网络协 议栈仍沿用了传统桌面设备的协议栈，并没有针对弱场环境中的网络异 常进行重点优化，这导致在实际系统中，许多移动应用忽略了对网络断 连和持续低带宽的处理，进而导致应用的传输性能、用户体验受到严重 影响。本研究设计并实现了面向移动终端的稳定、高效的网络传输系统 Janus 。Janus 运行于移动设备之上，帮助各种移动应用应对弱场环境中 复杂的异常处理问题，同时能够智能准确地选择合适的传输路径，降低传 输时延开销。 1.4 本 书 框 架 本书的研究思路和框架如图 1.3所示。为了提升移动应用程序的用户 体验，本书围绕移动云计算技术应用到智能终端时面临的网络传输问题 设计了相关传输优化方案，主要克服了三大技术难点：à智能终端上受限 的计算、存储、网络资源；á复杂的网络结构；.移动性所造成的网络性 能和可用性波动。本书的主要贡献是：à设计并实现了面向移动智能终端 的高清低延迟交互式 VR 系统，提升了计算密集型应用的用户体验；á设 计并实现了面向移动个人云存储的高效同步框架，提升了网络密集型应 用的用户体验；.设计并实现了面向移动终端的稳定高效传输框架，提升 10 面向移动云计算的智能终端传输优化 了应用在网络不稳定状况下的传输性能。 图 1.3 本书的研究思路和框架 本书共分为 6 章，后续的章节将分别介绍以下内容。 第 2 章对移动云计算相关的已有工作进行总结。首先，总结了利用 移动云计算技术对计算密集型任务进行计算迁移，进而提升移动应用性 能的相关工作。主要包括通用计算迁移技术、针对特定类型的计算迁移 框架和计算迁移节能技术等相关工作。其次，介绍了和网络密集型应用， 尤其是移动云存储服务相关的端云协同优化的方案。主要包括对移动云 存储服务的测量分析相关研究，以及降低网络开销的同步协议、相关存储 技术。最后，介绍现有的在移动网络环境下的传输框架，主要包括利用多 连接来解决切换问题的方案，在端系统进行修改网络协议栈的相关方案， 以及修改接入网络基础架构的相关研究。 第 3 章设计并实现了能够在现有无线网络和移动终端上支持高清、 低延迟的交互式虚拟现实系统的相关技术。首先，测量并分析了现有的 支持 VR 系统的方案的性能瓶颈。其次，提出了基于协同渲染技术来支 持高清、低延迟交互式 VR 的 Furion 系统。Furion 利用协同渲染、预渲 第 1 章 引 言 11 染、预加载、并行编解码等技术，实现了在现有无线网络环境下的低延 迟、高清交互 VR。随后介绍了 Furion 的系统实现和部署方案，并通过 大量实验证明，相比现有的 VR 方案，Furion 可以大幅提升移动 VR 的 画质，降低交互式延迟。 第 4 章阐述了优化移动个人云存储服务同步效率的 QuickSync 系 统。首先，针对现今主要的个人云存储服务（如 Dropbox 和 GoogleDrive 等) 的同步效率进行深入地测量和分析，找出了在移动网络环境下影 响个人云存储服务同步效率的主要原因。其次，改进了现有的同步协 议，并进一步设计和实现了能够提升在移动网络下个人云存储服务同 步效率的 QuickSync 系统。本章还介绍了基于 Dropbox 和 Seafile 的 QuickSync 系统的实现和部署方案，并通过大量真实场景下的用户负载 证明了 QuickSync 能够有效地提升同步效率，并降低同步过程中产生的 流量开销。 第 5 章提出了面向移动终端的高效稳定传输框架 Janus 。首先，通 过大规模的测量和分析，量化性地给出了现实世界中用户所遭受的移动 网络性能波动（例如延迟和带宽的剧烈抖动）和网络的不稳定性（例如网 络断连的频数和规律）。其次，为了提升移动应用在不稳定的移动网络环 境下进行传输的稳定性和效率，本章设计并实现了 Janus 传输框架，结 合上层应用的流量特征和下层网络的网络特性进行联合优化。通过智能 选接口和透明网络恢复等技术，降低了移动开发人员的开发负担，同时也 通过原型系统的实现和评估，证明了 Janus 能够在各种移动网络环境下 确保应用进行稳定、高效的数据传输，提升应用 QoE。 第 6 章总结全书的主要研究内容和主要贡献，并介绍了研究展望。