移動計算中的一些基本的挑戰(zhàn)

移動計算中的一些基本的挑戰(zhàn)M.SatyanarayananSchoolofComputerScienceCarnegieMellonUniversity概要這份文檔是對于以下問題的解答：“移動計算有什么獨特和有什么概念上的不同？”這份文檔以描述移動計算內在的系統(tǒng)規(guī)定參數的設置為開始，還有檢視這些系統(tǒng)規(guī)定參數在分布系統(tǒng)上的作用。其次總結Coda還有Odyssey系統(tǒng)的主要成效。最后，描述有關移動計算的五個重要的論題的機會：緩存指標，語義回調和驗證，資源的撤銷，適應性分析，并從局部的觀測來對全局的評估。引言關于移動計算的真正區(qū)別是什么呢？計算機使用無線技術的相比使用以太網的體積更小，更容易攜帶。怎么才可能讓這些有區(qū)別呢？移動通信系統(tǒng)并不是僅僅是一個分布式系統(tǒng)的特殊情況呢？有新的和更深層的議題要去調查嗎？又或者移動計算僅僅只是一時的流行？這份文檔是我要去回答這些問題的嘗試。這份文檔分三個部分：描述移動計算的本質；簡短的總結我的研究小組在Coda和Odyssey的背景下所獲得的成果；多種研究主題等待學術研究的指導體驗?？紤]到這份文檔是由前沿的，趨向于理論的計算機科學家的，移動信息系統(tǒng)的實現者的論文移動性的系統(tǒng)規(guī)定參數移動計算以四個系統(tǒng)規(guī)定參數來構成其特征相對于靜止的設備而言，移動的設備的資源是比較缺乏的。在一定的花費和科技水平上，考慮到重量，續(xù)航能力，體積和在計算的資源上的工效學上的準確損失，比如處理器的速度，內存大小，存儲的容量。然而，移動的設備，未來一定會有性能改善，但其相比靜態(tài)的設備，資源上的缺乏會一直存在。流動性存在的固定的風險一位華爾街股票經紀人很容易在曼哈頓大街被人搶劫，他的筆記本電腦相比于放在他工作地點的辦公室電腦更容易被盜。除了考慮安全因素，筆記本電腦更容易的丟失或者受到損壞。在高度變化的工作環(huán)境和可靠性中移動的連接性能一些建筑有時會提供可靠的，高帶寬的無線連接，但有時其他地方只提供低帶寬的連接。在戶外，一個移動設備的客戶端不得不依賴于在覆蓋的范圍里有缺陷低帶寬的無線網絡。移動設備依賴于有限的續(xù)航資源雖然，電池技術在將來一定會隨著時間得到改善，而對電池的容量的需求也不會減少。考慮到電池的消耗，在軟件和硬件這兩個層面上，都必須做到高度的有效率。這些系統(tǒng)規(guī)定參數不是當今技術之前的東西，而是移動設備的本質，這些參數使得移動信息系統(tǒng)的設計和要求我們去反思我們過去傳統(tǒng)的獲取信息的方法，這兩點變得更加復雜需要適應的東西移動設備所有分布式系統(tǒng)在自治和相互依賴之間的特性變得更加緊張。相對于移動設備上資源缺的缺乏，還有在安全性和健壯性的低下，人們更加贊同依賴于靜態(tài)的服務器設備。但必須解決的是不可靠還有低性能的網絡環(huán)境，同樣的，還有移動設備本身脆弱的續(xù)航能力。任何可以實現移動計算的方法，都將打擊到這些競爭中平衡，這種平衡一定不是靜態(tài)的；隨著攜帶移動設備客戶端的環(huán)境的改變，其一定會影響和有力地再次分配客戶端和服務器的責任，換句話說，移動客戶端一定會適應的適配策略的分類學適配策略的范圍有兩個極端的來界定，如圖表1所示。在這個極端，適配完全由個人的應用軟件來負責。而這種放任自由的方法避免了系統(tǒng)所需要的支持，它缺少了一個中間的仲裁者去解決不同應用軟件之間的的資源需求，和加強在資源使用上的限制。它同時也讓應用軟件很難去寫入，還有它未能分期的支撐適配的發(fā)展成本。Applicdtion^aware(collaboratian}Laissez-faireApplication-transparem(nosystemsupport}(nochiariges1aapplicationsj圖表l:適配策略的范圍對應用程序透明地適應另一個極端為系統(tǒng)適應全部責任。這種方法很有吸引力，因為它是向后兼容現有的應用程序:其繼續(xù)工作時，移動端沒有任何修改。該系統(tǒng)提供了資源仲裁和控制重點。這種方法的缺點是有可能的情況下由系統(tǒng)執(zhí)行的適應是不夠的，甚至適得其反。這兩個極端之間存在一個可能性，我們統(tǒng)稱為應用感知適應范圍。通過支持應用程序和系統(tǒng)之間的一個合作伙伴關系，這種方法允許應用程序確定如何最好地適應，但保留了系統(tǒng)的監(jiān)測能力和執(zhí)行資源分配的決定?？蛻舳?服務器模式的延伸用移動的系統(tǒng)規(guī)定參數的作用特性的方式去檢視其在傳統(tǒng)的客戶端-服務器模式的影響。在這種模式中，一些少量可信的服務器構成了真正的本地數據。這些高效率和安全接入的數據是來自于大量不可信的客戶端。像高速緩存和預讀這些技術能提供好的工作性能，而端對端的鑒別還有加密傳輸能用于保護安全性。這種模式證明了可伸縮性的特別價值?？头?服務器的模式以相對緩慢的速度把大型的分布式系統(tǒng)分解為小型的客戶端，還有大大小小的靜態(tài)的邊緣客戶。從安全和系統(tǒng)管理的前景來看，系統(tǒng)的規(guī)模會變得更小型。但從性能和有效性的前景來看，在邊緣的使用者接受到的幾乎都是從獨立的服務器的數據。處理移動的系統(tǒng)規(guī)定參數要求我們去反思這種模式。在客戶和服務器之間的區(qū)別，可能會有暫時性的混亂，導致這種擴展的客戶端-服務器模式的如圖表2所示?？蛻艨赡苄枰馁Y源限制，通常對客戶進行有時是在資源豐富的服務器上執(zhí)行某些操作。相反，需要應對不確定的連接需要，客戶有時要扮演一臺服務器的功能。這些，當然，從經典的客戶端-服務器的性能和可用性的目的模型的短期偏差。從系統(tǒng)管理和安全長遠的角度來看，服務器和客戶端的角色不變。綜述Coda和Odyssey的結果我們一直在探索距今約1990年的應用程序透明的適應。我們的研究工具一直是Coda檔案系統(tǒng)，AFS的下一代，Coda一直被使用了5年，并已被證明是一個有價值的試驗平臺°Coda的客戶，在超過一個如10Mb/s以太網，以2Mb/s的速度廣播，在9600波特率調制解調器網絡的廣泛范圍內正常使用。由于Coda的研究貢獻已經得到了廣泛的文獻記載中，我們只在這里提供了重要成果的高度概括：斷開操作Coda已經證明，斷開操作是可行的，有效的，可用在分布式Unix文件系統(tǒng)。為支持斷開連接運行的關鍵機制包括囤積（用戶輔助高速緩存管理），具有廣泛的優(yōu)化，同時更新斷開，并在重新連接時在整合。優(yōu)化復雜Coda是最早系統(tǒng)之一，以證明優(yōu)化的副本控制策略可用于嚴重的和實際使用的移動計算它采用了一些新的機制，以使這種方法是可行的。其中包括基于日志的目錄決定，應用程序特定的文件的決定，以及沖突檢測，控制和移動端修復機制。支持弱連接Coda表明，弱連接可以被利用來減輕斷開操作的局限性。需要完成的機制，這包括自適應傳輸協(xié)議，快速緩存驗證機制，為傳播更新滴融合機制，模型為基礎的緩存錯過可用性處理。隔離處理在Coda的背景下，一個新的抽象稱為隔離處理已經發(fā)展到應付檢測和處理的讀寫操作過程中斷開沖突。這種抽象選擇性地融合了數據庫事務的概念，同時使資源貧乏的移動客戶端的最低要求，維護與Unix應用程序的向上兼容性。服務器復制Coda展示了如何服務器復制可用于補充斷開操作。盡管這不是特別相關的流動性，這是一個在分布式系統(tǒng)的一個重要的結果，因為它澄清了一流的復制和二等復制的關系。它也代表了第一個示范優(yōu)化復制應用到與客戶端服務器模型的分布式系統(tǒng)。最近，我們已開始在Odyssey的應用感知適應的探索，為移動計算平臺。Odyssey初步的樣機已經建成較完整的原型正在開發(fā)中。早期的證據是有希望的，但它遠遠不能最終結果。3探索多種主題我們現在到了有希望的研究課題在移動計算的討論。就其性質而言，本文件的這一部分是高度投機性，并提出更多的問題遠遠比它的答案。此外，這是一種選擇性的清單：它肯定不是為了并加五相反，我的目標是讓讀者對問題的豐富移動計算確定空間。在選擇的五個專題討論中，我都跟隨兩個準則。首先，這些問題更容易被嚴密性和分析解決比實施和經驗。其次，這些問題每一個是真實的，不做作。好這些問題的解決方案和見解將大大地影響到未來的移動計算系統(tǒng)。每個主題，提出分兩個部分：一個簡短的討論，規(guī)定了該專題的問題空間的開放問題，它遵循有關樣本。同樣，我提出這些問題的目的不是詳盡無遺，而是提供精神食糧。緩存度量緩存，因為它能夠緩解弱連接和斷開操作的性能和可用性的限制，在移動計算的關鍵作用。但是，移動計算評估替代緩存策略是有問題的。今天，唯一的緩存質量指標是錯失率這一指標的基本假設是，所有的緩存未命中是等價的（即所有緩存未命中從用戶的確切大致相同的罰款）。這一假設是有效的，當緩存和主副本強連通的，因為從緩存性能損失很小，導致錯過，在一次近似，文件長度無關。但假設是不大可能在斷開或弱連接的操作有效。丟失比率也沒有考慮到時間的缺失。例如，用戶可能反應各異有cache在斷線前幾分鐘發(fā)生的，而不是一個接近結束時的斷線。又例如，定期剝離移動磁盤，以節(jié)省計算機的電源，使服務更便宜的若干頁錯誤，如果他們聚集在一起，如果他們被廣泛比間隔下來。是有益的，新的緩存必須滿足兩個指標。首先，它們應與定性的性能和可用性在移動計算用戶遇到的看法是一致的。第二，他們應該便宜，易于監(jiān)測。目前的挑戰(zhàn)是發(fā)展這樣的度量和展示其適用于移動計算。為此初步工作是通過Ebling一些開放性的問題什么是移動計算合適的設置？在什么情況下使用每一個指標？怎樣才能有效地監(jiān)控這些指標？什么是替代這些影響指標緩存的算法？3.2語義回調和驗證器在差的連接下保持高速緩存的一致性是昂貴的。大型通信延遲增加了緩存的對象驗證的成本。間歇性故障的頻率增加了驗證，因為它必須執(zhí)行的每個通信恢復的時間。一個懶的辦法，在需求可能減少驗證次數驗證;但這種方法會惡化一致性，因為它增加了舊的被訪問對象的可能性，而斷開。緩存的一致性成本加劇了像科達系統(tǒng)使用可用性預期緩存，因為緩存的對象（駐留集大?。┑臄盗勘饶壳笆褂弥械膶ο螅üぷ骷笮。┑臄盗枯^大。Coda解決方案是維護緩存的一致性多層次的粒度和使用回調。客戶端和服務器維護版本個別對象以及他們的整個子樹的信息。快速緩存驗證可以通過比較子樹版本的stamp。一旦建立，有效性，可以通過回調維持。這種對行業(yè)的高速緩存一致性的方法驗證速度為無效的精度。它保留的正確性，同時大大減少條件下的弱連通的高速緩存的一致性成本。從Coda使用的測量證實，這些潛在的收益確實是在實踐中實現的。我們必須保持連貫性，多粒度的概念可以推廣到的數據類型和多種應用方式如下：緩存數據，滿足客戶從服務器的一些謂詞P。服務器記得一個謂詞Q是便宜得多的計算，并具有所有物Q意味著P,換句話說，只要是真正為Q,它所對應的是保證緩存數據是有效的。但是，如果Q是假的，沒有任何東西可以推斷出大約的數據。每次更新，服務器重新評估Q。如果Q為假，服務器通知客戶端，它可能是超時的緩存數據。下次訪問之前，客戶端必須與服務器聯(lián)系并取得準確的P的新數據我們指到Q的P語義作為回調，因為P和Q解讀的數據和應用程序的細節(jié)而定。例如，P是一個SQLSELECT語句，如果一個是從一個關系數據庫緩存的數據。或者，也可以是一段代碼，它執(zhí)行從圖像數據庫為特定的個人的臉模式匹配。Q必須符合P：在第一種情況簡單的select語句，并執(zhí)行一段代碼，在第二種情況下更準確的模式匹配。在Coda，p對應于一個被等于特定值（x）對象的版本號，而Q對應的封裝體積是自上次對象的版本號是確定不變的版本數x語義驗證可以擴展到移動計算領域之外。這將是廣泛的，尤其是在地理上的分布式系統(tǒng)，其中本地與遠程操作時間差異過大，無法忽視，即使在光的傳播速度發(fā)生有價值。在這種情況下謂詞Q作為一個復雜的標準，為滿足一些廉價的緩存數據驗證。考慮一個洲際分布在美國系統(tǒng)的例子。即使在光線，通信速度從一個海岸到另一個需要大約16毫秒。來回RPC需要30毫秒。在此期間，一個有100個處理器可以執(zhí)行超過300萬的指示！由于處理器速度可以預料隨著時間增加，失去計算的機會，這種情況下計算的表現只會惡化。隨著時間的推移，同步模型的RPC使用會越來越站不住腳了。最后，非常的廣域分布式系統(tǒng)都必須圍繞著一個異步模型結構。在什么范圍和時間會發(fā)生這種轉變取決于兩個因素大大簡化了設計，執(zhí)行和調試中所固有的同步模型和性能相當高（因此可用性）的異步模型。一個有希望的異步模型相結合，得到了編程的優(yōu)化并控制的特點風格的便宜，但卻是保守的驗證方法。承擔由此產生的一些方法的提示在分布式系統(tǒng)中使用類似的地方，最好是通過一個例子來說明。考慮一個在火星表面的機器人探險遠程控制。由于光線需要多分鐘，從地球飛往火星，和各種可能出現的緊急情況在火星上，機器人必須對自己的反應能力。同時，要探索通過定向控制地球上的生活-一個典型的指揮和控制問題。這個例子刻畫一個分布式系統(tǒng)，其中通信延遲是足夠大，同步設計的模式將不能工作。該機器人的狀況的了解，將永遠在地球上已經過時。但是，由于緊急情況是罕見的，這方面的知識通常會從當前的現實不同的兩種良性途徑之一。無論是在屬性中的差異無關手頭的任務，或者可與差異，如死了足夠精確地預測推算方法。假設機器人的狀態(tài)是P,如在地球傳輸的特點?；谝恍傩?，問，這個國家，命令被頒發(fā)給機器人。對于這個命令是有意義當它達到機器人，問仍必須是真實的。這可以驗證發(fā)送命令，隨著強，并具有機器人驗證在收到Q值。使用這種方法是可行的，同時發(fā)送和評估Q必須便宜。當然，許多具體的問題需要回答關于這一做法。但它還是提供了非常廣泛的結合區(qū)與分布式系統(tǒng)性能的正確性有趣的方式。一些開放性問題在什么情況下是最有用的語義回調？當他們沒有用？什么形式的P和Q可以采取數據類型和常用應用程序？有人估計是如何在這些情況下，它們的相對成本？P和Q真的可以任意代碼？是否有限制，以提高效率和實用性有必要嗎？怎樣才能得到Q從P迅速？P上是否有限制，使這個簡單？如何一次性的相對成本和效益的P和Q的好處？權衡空間是離散或連續(xù)的？可這一權衡作出適應性？3.3撤銷資源算法應用感知適應復雜的資源管理問題。原則上，該系統(tǒng)擁有的所有資源。在任何時候，它可能會暫時吊銷，該公司已經委托給一個應用的資源。唉，現實往往不是那么簡單。各種因素復雜化的問題。首先，一些應用程序比其他更重要。任何可以接受的戰(zhàn)略必須撤銷這些差異很敏感。第二，撤銷相同的資源成本可能不同，不同的應用。例如，可用的帶寬減少到一個應用程序可能會導致其大幅增加的處理量，以補償它。在帶寬的另一個應用程序類似的減少可能導致在處理小得多增加。一個好的戰(zhàn)略必須撤銷考慮到這些不同影響。第三，有可能影響之間的依賴關系。第三，有可能是之間應考慮在撤銷過程中的依賴關系。例如，兩個進程可能有一個生產者與消費者的關系。撤銷從一個進程的資源可能導致其他來搪塞。更復雜的依賴關系，涉及多個進程也是可能的。除非撤銷考慮到這些依賴關系，如死鎖的危險可能會發(fā)生。從應用的資源，撤銷不常見的現有系統(tǒng)。古典作業(yè)系統(tǒng)的研究都集中在資源分配問題，而不是資源撤銷。因此目前還沒有撤銷編纂有關安全和高效率的技術知識。這一缺陷必須予以糾正的應用感知適應日益廣泛的應用。一些未解決的問題如何制定一個資源撤銷問題？一個人如何在不同的應用特點撤銷的不同影響？做一個什么樣的戰(zhàn)略使用，如果多個資源必須同時撤銷？一個人如何區(qū)分資源的撤銷很容易恢復和那些它是昂貴或無法恢復？一個人如何處理死鎖在撤銷？3.4適應分析一個人如何比較兩個移動客戶的適應能力？主圖的優(yōu)點是靈活性，或者一個客戶的能力，及時應對擾動。由于它有可能為客戶更對一些變量（如帶寬）比其他人（如電池電源），敏捷性，應作為一個綜合指標。一個高度靈活的系統(tǒng)，可能受到不穩(wěn)定。這樣的系統(tǒng)幾乎所有的資源消耗反應輕微的擾動，因此很少有用執(zhí)行計算。理想的手機客戶端，顯然是一個高度靈活的，但非常穩(wěn)定，對于所有感興趣的變量。控制理論是一個域，可能有有益的見解，提供完善這些想法和量化他們。從歷史上看，控制理論側重于硬件系統(tǒng)。但是，沒有概念的原因不能擴展到軟件系統(tǒng)。只有認真調查可以知道，當然，無論是直接的相關性和有用的或僅僅是膚淺的。一些未解決的問題什么是快速的準確指標？是否有系統(tǒng)的技術來提高系統(tǒng)的靈活性？如何做一個決定時，移動通信系統(tǒng)是“足夠靈活”？什么是正確的指標體系的穩(wěn)定？一個人能開發(fā)設計指引，以確保穩(wěn)定呢？沒有一個人能解析得出它首先建設一個自適應系統(tǒng)的靈活性和穩(wěn)定性屬性？3.5。從局部觀察全局估計適應需要一個移動客戶在其環(huán)境意識的變化，使對這些變化的原因的推論，然后作出適當反應。這意味著能夠使當地的觀測為基礎的全球估計。要檢測的變化，客戶端必須依靠當地的意見。例如，它可以測量信號強度的地方，比率，平均往返時間，并在往返時間分散數量等。但是，這些意見是正常的解釋。在給定的量的變化可能是由于一個非本地現象的多樣性。例如，比率將下降原因是在一