云端+终端：开辟云计算新模式

转自：悦智网

本文刊登于IEEE Spectrum中文版《科技纵览》

作者：黄罡、曹春、吴松、彭鑫、刘譞哲、马郓

应用软件根据设备特性等情况，动态/在线地调整云端和终端的功能分布，进而按需使用终端和云端资源的云-端融合计算模式，将是一种新兴的云计算模式，孕育着新的产业生长点。

如今，智能终端设备几乎已无处不在：外出时，可以用智能手机和平板电脑叫来出租车，或是随时随地与同事、家人沟通与联络，一切都如此便捷；运动时，智能手表可以提供运动健康的实时数据，让运动事半功倍；回到家，可以打开智能电视，使用智能冰箱和各类智能电器，做出一顿可口的晚餐，或是戴上智能眼镜，放松地沉浸在虚拟现实的世界当中。我们的一天在各类智能终端的陪伴下度过，而这一切，已经越来越离不开云服务的保障。

随着云服务向智能终端不断延伸，终端的计算、存储、传感等资源成为新一代互联网应用的必需品，不仅能够极大地丰富和扩展云服务的应用深度和广度，其自身不断增长的能力也是对云端服务压力与运维成本的一种有效缓解；与此同时，云服务可以为终端提供近乎无限的计算、存储和电力资源，也使得终端应用的服务能力与用户体验得到进一步的增强。因此，应用软件根据设备特性、用户偏好、使用场景、资源现状等情况，动态/在线地调整云端和终端的功能分布，进而按需使用终端和云端的计算、存储、网络、甚至电力等资源的云-端融合计算模式，将是一种新兴的云计算模式，孕育着新的产业生长点。

这种机遇重重的“云-端融合”新模式也面临着两项核心挑战：“如何使得云端和终端资源被按需使用”和“服务和应用如何具备按需使用资源能力”。为了迎接挑战，北京大学、南京大学、华中科技大学、复旦大学等单位组成研究团队，共同承担国家863计划项目“云端和终端资源自适应协同与调度平台”，在资源按需使用软件体系结构与程序框架、应用分析重构引擎、终端运行平台、云端运行平台、云端融合虚拟网、自适应分析决策引擎等方面开展研究，取得了一系列技术创新和突破。

在技术层面，研究团队首先以应用结构为云端融合技术体系突破点，建立了云端和终端资源按需使用的软件体系结构和程序框架。研究团队提出了一种新型构件模型SMVC，即服务（Service）、模型（Model）、视图（View）、控制器（Controller），统一支撑了移动和桌面Java/Web应用按需使用云端和终端的计算、存储、电量、网络等资源。其中服务负责提供与其他软件应用和云服务的交互接口；模型负责提供软件应用执行的数据资源，数据可来自本地或远程；视图负责提供用户交互界面，是根据模型中的数据实例化得到的结果；控制器负责协调模型与服务、视图之间的关系。

其次，针对Java应用的3类常见易混淆方法，研究团队提出了“应用分析重构引擎”，自动支持云端和终端资源的按需使用：针对逻辑跳转混淆，提出基于执行路径分析的死代码（dead code）检测技术；针对新增方法和变量的混淆，提出基于抽象语法树聚类的“离群”代码判定方法，防止混淆代码影响程序代理生成的完整性和被代理逻辑的执行效率；针对字符串混淆，提出全局命名表分析方法，防止重构中代理对象发生代理目标调用转发错误。在云端资源异构性方面，提出了浮点精度检测方法和精度特定的浮点数运算修复方法，解决了跨设备程序浮点运算语义不一致的问题。

再次，在终端资源需求预测方面，研究团队通过分析已有相似应用的千万级用户行为配置文件的语义、语法，结合机器学习技术，准确地预测新的软件应用（或重构后的应用）在不同软硬件环境下的资源使用情况和质量，平均预测准确度94%；在终端代码云端运行方面，研究团队提出了超轻量移动容器云平台，与传统平台相比，安卓系统启动时间从28秒加速到1.75秒，内存从1.9千兆字节缩小到24兆字节，磁盘从2.5千兆字节缩小到26兆字节；在云端融合方面，研究团队提出了基于社会化虚拟网的终端和终端协同，通过丰富的人机交互和协作机制，实现用户之间的资源分享和互助，并与各种软件服务和资源实现有机融合，以满足用户高层需求。

除此之外，研究团队基于运行时模型的资源使用自适应，建立了“自适应分析决策引擎”：收集分析了350个混合型安卓应用（Web App）运行数据，揭示了现有安卓WebKit的资源使用性能缺陷；实现了基于代理的自适应软件体系结构，重构WebKit资源加载流程，降低了资源管理的复杂度。

当前，研究团队申请发明专利26项（其中国际发明专利6项），取得软件著作权10项，制定企业标准2项，并在国际顶级期刊和会议上发表了多篇论文来阐述研究成果。其中以“层次化云计算资源协同管理方法与技术”作为主要创新点之一，《软件定义的云管理关键技术及系统》荣获2015年高等学校科技进步一等奖。以“软件定义云-端融合资源管理方法与框架”作为主要技术发明点之一，《云-端融合计算的资源反射机制与互操作技术及其平台应用》荣获2017年中国电子学会技术发明特等奖。

基于所取得的成果，研究团队针对终端应用云端运行、云端服务终端运行、数据单端锁定、云服务和端应用混合组装4类典型的云端融合应用场景，在政府或大型企业进行了验证性应用，如因特睿燕云DaaS应用程序接口管理平台等。其中因特睿燕云DaaS应用程序接口管理平台通过重构客户端软件，使其具备对象请求动态远程调用和状态同步的能力，将终端应用部署在云端容器中执行，进而基于运行时模型的软件自适应环路进行协同与调度，以保障接口性能。由于大幅降低了云端负载，平台能够支持大规模应用实例并发运行，被广泛应用于人力资源和社会保障部、科技部、工信部等10余个部委，以及北京、贵州、浙江等20多个省市自治区的国家政务信息系统整合共享、互联网+政务服务、新型智慧城市等重大工程和任务之中。

如今，在云计算、物联网和各类智能技术的赋能下，信息技术已发展到人机物融合的新阶段。人机物融合标志着信息技术及其应用开始从“自然世界信息化”向“信息世界自然化”发展，其泛在化、社会化、情境化、智能化等新型应用形态与模式，蕴含着“全栈全网信息资源随需即用”的核心技术特征，“以云计算架构和服务模式深度融合人机物三元空间中云、网、端的软硬件及数据和服务资源”的重大技术需求应运而生，成为云计算国际学术研究的主要热点和焦点。研究团队提出的云-端融合体系结构可以作为研究基础，延伸到人机物融合的应用之中，为未来的全新融合模式铺平道路。

致谢：感谢国家863计划项目“云端和终端资源自适应协同与调度平台”（项目编号：2015AA01A203）的支持。

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