دانلود رایگان ترجمه مقاله بهینه سازی اپلیکشین ها در محاسبات ابری موبایل – الزویر 2015

بهینه سازی برنامه در رایانش ابری موبایل: انگیزش، رده بندی و چالش های حل نشده

Application optimization in mobile cloud computing: Motivation, taxonomies, and open challenges

چکیده 
در رایانش ابری موبایل(MCC)، مهاجرت یک فرایند برنامه به مراکز داده های ابری امکان اجرای برنامه های منبع محور را دردستگاه های موبایل می دهد. با این حال، رویکرد های مهاجرت منبع محور و محدودیت های ذاتی محیط بی سیم مانع از دست یابی به عملکرد بهینه برنامه ها شده است. از این روی اجرای یک برنامه با هزینه پایین، سر بار حداقل و مهاجرت غیر نفوذی یک زمینه تحقیقاتی چالش بر انگیز می باشد. این مقاله یک سری چارچوب های اجرای برنامه موبایل پیشرفته را ارایه کرده و به بحث در خصوص راهبرد های بهینه سازی به منظور تسهیل دست یابی به طرح موثر، استفاده موثر و مهاجرت برنامه با عملکرد بهینه در MCC می می پردازد. ما اهمیت بهینه سازی عملکرد برنامه را با ارایه سناریو های زندگی واقعی که نیازمند طراحی موثر، استفاده کارامد و اجرای بهینه برنامه در MCC است برجسته تر می کنیم. هم چنین این مقاله یک سری رده بندی های مربوط به برنامه موبایل مبتنی بر ابر را ارایه می کند. با این حال، ما چارچوب های اجرای عملکرد و دستگاه های موبایل در MCC را مقایسه می کنیم. بحث ما در خصوص دستور العمل های آینده تحقیقاتی برای بهینه سازی برنامه در MCC است. در نهایت، ما به برجسته سازی اهمیت کلیدی و دستور العمل های آینده تحقیقاتی در بهینه سازی برنامه موبایل مبتنی بر ابر می پردازیم.

1- مقدمه
در طی دهه اخیر، پیشرفت های فناوری های شبکه و رشد دستگاه های محاسباتی و رایانشی موجب تحقق رویای رایانش فرا گیر شده است. پیشرفت های قابل توجه و مطلوب، یک نیروی محرک را برای تعدادی از برنامه های الکترونیک نظیر یادگیری الکترونیک، تجارت الکترونیک، دستور العمل الکترونیک، بهداشت الکترونیک و بازی های اینترنتی ارایه کرده اند. اخیرا، با ظهور فناوری های بی سیم( چین و همکاران 2014، احمد و همکاران 2015 ب،ج)، و دستگاه های موبایل، پارادایم برنامه الکترونیک به سمت پارادایم برنامه های m تغییر یافته است. از این روی، با ظهور طیف وسیعی از برنامه های موبایل، نظیر یادگیری موبایل( متیولالا 2007)، سلامت موبایل( کروز و باروس 2005)، دستور العمل های موبایل( اپرمن و اسپشت 1999)، بازی های موبایل( بالاگاس و همکاران 2007) و برنامه های کارگر سیار( مازولنی و تای 2007)، بخشی از مجموعه ای از برنامه های کاربر سیار است. کاربران موبایل انتظار می رود که برنامه های m را با سطح عملکرد مشابه در سیستم های کامپیوتری ساکن استفاده و اجرا کنند. با این حال دستگاه های موبایل دستکاه های با محدودیت منابع هستند که سطح یکسانی از تجربه کاربری را فراهم نمی کنند.
در این رابطه، مهاجرت رایانشی به صورت یک راه حل سطح نرم افزاری مهم در نظر گرفته می شود که موجب کاهش محدودیت منابع دستگاه های موبایل با مهاجرت برنامه ها به کامپیوتر های ساکن قابل دسترس می شوند( هیورت-کانپ و لی 2010، مارلینلی 2009، کویال و کارتر 2004، کورو و همکاران 2010، کووچ و همکاران 2012 ب، وربلان و همکاران 2012 ب، فرشیان و همکاران 2012، یانگ و همکاران 2008، چان و مانیتاس 2009). مهاجرت رایانشی توسط چارچوب های اجرای برنامه مدیریت می شود. مشابه با دیگر زمینه های تحقیقاتی نظیر شبکه های ارتباطی( شامشیرباند و همکاران 2015، زنگ 2008) و سیستم های توزیعی نظیر رایانش ابری( نینگ و همکاران 2013)، روش های بهینه سازی در چارچوب های اجرای برنامه MCC استفاده می شوند. چارچوب های اجرایی، توابع بهینه سازی هدف را به صورت زیر در نظر می گیرند: ذخیره برق پردازشی، استفاده از پهنای باند کارامد و کمینه سازی مصرف انرژی. به طور خلاصه، چارچوب ها برای بهینه سازی هزینه اجرایی طراحی می شوند. هدف کلی این رویکرد ها، عملی کردن برنامه های موبایل بر روی دستگاه های موبایل با محدودیت منابع می باشد. اجرای اجزای رایانشی برنامه موبایل در رایانش ابری سیار MCC مستلزم تقسیم برنامه پیچیده در سطوح مختلف و مهاجرت اجزا به گره سرور شبکه می باشد( احمد و همکاران 2015 الف). این مکانیسم های منبع محور و القا کننده تاخیر به شدت بر تجربه کاربر اثر منفی می گذارند. از این روی، استفاده از روش های سبک وزن برای اجرای بهینه برنامه های موبایل در MCC ضروری است. اجرای بهینه اشاره به وضعیت اجرای برنامه در MCC دارد که عملکرد بهینه نسبت به اجرای محلی با حداقل هزینه و سربار پایین دارد. طراحی موثر برنامه ها موجب کاهش هزینه، افزایش قابلیت اطمینان و عملکرد عالی می شوند. استفاده کارامد موجب اطمینان از این می شود که اجزای برنامه های موبایل در MCC دارای وابستگی حداقل به یک دیگر می باشند. این موجب کاهش هزینه اجرا و سربار عملیاتی می شود.
اگرچه چندین مقاله( ابولفضیلی و همکاران 2013، فرناندو و همکاران 2013، دینه و همکاران 2013، کامور و همکاران 2013، خان و همکاران 2014، رحیمی و همکاران 2014) به بررسی ابعاد مختلف اهرم بندی سرویس های ابری برای افزایش قابلیت های دستگاه های موبایل پرداخته اند، بهینه سازی اجرای برنامه درMCC هنوز مطالعه نشده است.در مقاله ابولفضلی و همکاران 2013، ما به طور جامع به بررسی تقویت موبایل مبتنی بر ابر و روش های مختلف برای افزایش پتانسیل دستگاه های موبایل می پردازیم. کار های تحقیقاتی انجام شده توسط فرناندو و همکاران(2013)، دین و همکاران(2013) و رحیمی و همکاران(2014)، یک نظر سنجی و مطالعه جامع را بر رویMCC ارایه کرده است که کاربرد، معماری، مسائل و چالش ها را در بر می گیرد. با این حال، این مقاله اولین مطالعه ای است که به بررسی چارچوب های اجرایی برنامه پیشرفته برای شناسایی رویکرد های بهینه سازی مورد استفاده توسط طراحان، طبقه بندی رویکرد های بهینه سازی و برجسته سازی چالش های دخیل در دست یابی به بهینه سازی برنامه می پردازد.
اهداف این مقاله شامل 1- بررسی چارچوب های اجرای برنامه پیشرفته در MCC، 2- شناسایی رویکرد های بهینه سازی مربوط به طراحی، استفاده و اجرای برنامه در MCC،3- طبقه بندی و ارایه رویکرد های شناسایی شده در شکل رده بندی 4- شناسایی چالش های تحقیقاتی اشکار در بهینه سازی طراخی، استفاده و اجرای برنامه در MCC است. مقایسه نشان دهنده نقاط مشترک و نقاط تفاوت در میان چارچوب های اجرای پیشرفته بر اساس پارامتر معنی دار است که عملکرد کاربرد اثر دارد. برخی از پارامتر ها، شامل تاخیر در انتقال، پشتیبانی کیفیت خدمات، سربار پروفیل، مقیاس پذیری و هزینه عملیاتی هستند. ما هم چنین شاخص های مهاجرت برنامه را ارایه می دهیم که در تصمیم مهاجرت بهینه سازی می شود. در نهایت، ما در مورد تحقیقات اینده مورد نیاز برای بهینه سازی طراحی کاربرد، استفاده و اجرا در MCC بحث می کنیم.
این مقاله به بخش های زیر سازمان دهی می شود. بخش2 مفاهیم اساسی MCC، برنامه موبایل مبتنی بر ابر و اجرای آن در MCC و بهینه سازی اجرای برنامه را معرفی می کند. بخش سوم به بحث در خصوص سناریو هایی می پردازد که نشان دهنده ملزومات بهینه سازی برنامه در MCC است. بخش چهارم شامل مرور منابع برای اجرای برنامه برای MCC بوده و مطالعه ای تفضیلی از چارچوب های اجرایی برای برجسته سازی نقاط قوت و ضعیف چارچوب های موجود ارایه می کند. رده بندی های برنامه محور در بخش 5 ارایه شده است که موارد زیر را پوشش می دهد1- راهبرد های بهینه سازی برنامه 2- عملیات اجرای برنامه و 3- چارچوب های اجرای برنامه. در بخش 6، مناسبت شاخص های مختلف برای کمک به طراحان چارچوب در انتخاب شاخص مناسب برای دست یابی به عملکرد برنامه بهینه سازی شده بررسی می شود. مطالعات آینده بر اساس مرور منابع در بخش 7 است. در نهایت چالش های تحقیقاتی اشکار در بخش 8 و 9 ارایه می شود و سپس نتیجه گیری با ارایه خلاصه و اطلاعاتی برای مخاطبان به پایان می رسد.

Abstract

In Mobile Cloud Computing (MCC), migrating an application processing to the cloud data centers enables the execution of resource-intensive applications on the mobile devices. However, the resource-intensive migration approaches and the intrinsic limitations of the wireless medium impede the applications from attaining optimal performance in the cloud. Hence, executing the application with low cost, minimal overhead, and non-obtrusive migration is a challenging research area. This paper presents the state-of-the-art mobile application execution frameworks and provides the readers a discussion on the optimization strategies that facilitate attaining the effective design, efficient deployment, and application migration with optimal performance in MCC. We highlight the significance of optimizing the application performance by providing real-life scenarios requiring the effective design, efficient deployment, and optimal application execution in MCC. The paper also presents cloud-based mobile application-related taxonomies. Moreover, we compare the application execution frameworks on the basis of significant optimization parameters that affect performance of the applications and mobile devices in MCC. We also discuss the future research directions for optimizing the application in MCC. Finally, we conclude the paper by highlighting the key contributions and possible research directions in cloud-based mobile application optimization.

1. Introduction

During the last decade, the advancements of network technologies and the growth of computational devices have turned the dream of ubiquitous computing into reality. The favourable developments have provided a driving force for a number of emerging e-applications such as e-learning, e-commerce, e-tourism guides, e-health, and internet gaming. Recently, with the advent of wireless technologies (Chin et al., 2014; Ahmed et al., 2015b,c) and mobile devices, e-application paradigm is shifted towards mapplication paradigm. Hence, a range of m-applications, such as m-learning (Motiwalla, 2007), m-health (Cruz and Barros, 2005), m-guides (Oppermann and Specht, 1999), m-gaming (Ballagas et al., 2007), and mobile worker applications (Mazzoleni and Tai, 2007), are now part of mobile user’s application suit. The mobile users expect to run m-applications with identical performance level as they get for the similar applications running on the stationary computer systems. However, the mobile devices are resource-constrained devices that cannot provide the same level of user experience. In this context, the computation migration is endeavoured as a significant software-level solution that mitigates resource constraints of mobile devices by migrating applications to available stationary computers (Huerta-Canepa and Lee, 2010; Marinelli, 2009; Goyal and Carter, 2004; Cuervo et al., 2010; Kovachev et al., 2012b; Verbelen et al., 2012b; Fesehaye et al., 2012; Yang et al., 2008; Chun and Maniatis, 2009). The computational migration is handled by the application execution frameworks. Similar to other research areas such as communication networks (Shamshirband et al., 2015; Zheng, 2008) and distributed systems such as cloud computing (Ning et al., 2013), the optimization techniques are also widely used in application execution frameworks of MCC. The execution frameworks consider diverse optimization objective functions as follows: saving processing power, efficient bandwidth utilization, and minimizing energy consumption. In short, the frameworks are designed to optimize the execution cost. The overall aim of all such approaches is to enable the computeintensive mobile applications on resource-constrained mobile devices. The execution of compute-intensive components of a mobile application in mobile cloud computing (MCC) involves the complex application partitioning at different granularity levels and component migration to the cloud server node (Ahmed et al., 2015a). Such delay-inducing and resource-intensive mechanisms adversely affect the user experience. Therefore, it is imperative to employ lightweight procedures for optimal execution of intensive mobile applications in MCC. The optimal execution refers to the state of the application execution in MCC that can deliver enhanced performance as compared to local execution with minimum cost and low overhead. The effective design of an application ensures that the finished design incurs low cost, high reliability, and the excellent performance. The efficient deployment ensures that non-collocated components of mobile application in MCC have minimal dependency on each other; thereby, reducing the operational overhead and execution cost. Although several survey papers (Abolfazli et al., 2013; Fernando et al., 2013; Dinh et al., 2013; Kumar et al., 2013; Khan et al., 2014; Rahimi et al., 2014) have studied different aspects of leveraging the cloud services to augment the capabilities of mobile devices, application execution optimization in MCC is still not investigated. In Abolfazli et al. (2013), we have comprehensively studied cloud-based mobile augmentation and discussed various methods to augment the potential of mobile devices. In Kumar et al. (2013) and Khan et al. (2014), the authors have reviewed state-of-the-art distributed application offloading frameworks for smart mobile devices. The research works in Fernando et al. (2013), Dinh et al. (2013), and Rahimi et al. (2014) present the comprehensive surveys on MCC that cover the application, architectures, open issues, and challenges. However, this paper is the first research effort that surveys the state-of-the-art application execution frameworks to identify optimization approaches employed by the application designers, classify the optimization approaches, and highlight the challenges involved in attaining the application optimization. The contribution of the paper includes (a) survey of the state-ofthe-art application execution frameworks in MCC; (b) identification of optimization approaches related to application design, deployment, and execution in MCC; (c) classification and presentation of identified approaches in the form of taxonomies; (d) comparison of the state-ofthe-art application execution frameworks; and (e) identification of open research challenges in optimizing the application design, deployment, and execution of application in MCC. The comparison highlights the commonalities and differences among the state-of-the-art application execution frameworks on the basis of significant parameters that affect the performance of application. Some of the parameters are transmission delay, Quality of Service (QoS) support, profiler overhead, scalability, and operational cost. We also present different application migration metrics that are usually optimized in migration decision. Finally, we discuss the future research required to optimize the application design, deployment, and execution in MCC. The paper is organized into the following sections. Section 2 introduces the fundamental concepts of MCC, cloud-based mobile application and its execution in MCC, and application execution optimization. Section 3 discusses the real-life scenarios that highlight the requirements of application optimization in MCC. Section 4 presents the literature survey for current application execution frameworks for MCC and provides the comparative study of current application execution frameworks to highlight the merits and demerits of existing frameworks. The application-centric taxonomies are presented in Section 5 that covers (a) application optimization strategies, (b) application execution operations, and (c) application execution frameworks. In Section 6, suitability of various metrics is investigated to assist the frameworks designers in selection of suitable metric for attaining the optimized application performance. Future research directions on the basis of literature survey are discussed in Section 7. Finally, open research challenges are presented in Section 8 and Section 9 draws the conclusions by presenting the summary and insights for the readers.