[論文レビュー] Rio: A System Solution for Sharing I/O between Mobile Systems

Ardalan Amiri Sani, Kevin Boos+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2013

Cloud Computing and Remote Desktop Technologies参考文献 11被引用数 48

ひとこと要約

Rio は、モバイルデバイスのシステムレベル I/O 共有ソリューションであり、カメラ、マイク、センサー、モデムなどの I/O デバイスを、デバイスファイル境界を軸とするスプリットスタックアーキテクチャによって、異なるモバイルシステム間で未変更のアプリケーションがリモートでアクセス可能にする。音声、センサー、モデムに関してはローカルに近いパフォーマンスを達成しており、カメラに関しては Wi-Fi のスループット制限により性能が制限されるが、新しいデバイスクラスのサポートに必要なコードオーバーヘッドは非常に小さく（1 I/O クラスあたり 450 行未満）、実現可能である。

ABSTRACT

Mobile systems are equipped with a diverse collection of I/O devices, including cameras, microphones, sensors, and modems. There exist many novel use cases for allowing an application on one mobile system to utilize I/O devices from another. This paper presents Rio, an I/O sharing solution that supports unmodified applications and exposes all the functionality of an I/O device for sharing. Rio's design is common to many classes of I/O devices, thus significantly reducing the engineering effort to support new I/O devices. Our implementation of Rio on Android consists of 6700 total lines of code and supports four I/O classes with fewer than 450 class-specific lines of code. Rio also supports I/O sharing between mobile systems of different form factors, including smartphones and tablets. We show that Rio achieves performance close to that of local I/O for audio, sensors, and modems, but suffers noticeable performance degradation for camera due to network throughput limitations between the two systems, which is likely to be alleviated by emerging wireless standards.

研究の動機と目的

• 未変更のモバイルアプリケーションが、リモートのモバイルシステム上の I/O デバイスにアクセスできるようにすること。
• アプリケーションの変更なしに、リモート I/O デバイスの完全な機能（設定や制御を含む）を透過的に公開すること。
• デバイスファイル抽象化を通じて、新しい I/O デバイスクラスのサポートにかかる工学的作業を最小限に抑えること。
• スマートフォンやタブレットを含む、異種のモバイルシステム間での I/O 共有をサポートすること。
• ワイヤレス I/O 共有における、システム間メモリアクセス、高遅延、接続不安定性といった課題に対処すること。

提案手法

• Rio は、クライアントとサーバーのモバイルシステム間のデバイスファイル境界で分割された I/O スタックを採用するスプリットスタック I/O アーキテクチャを用いる。
• 異なる物理メモリ上に存在するプロセスとデバイスドライバ間のメモリマッピングを可能にするために、分散共有メモリ（DSM）設計を採用する。
• クライアントとサーバーのシステム間での効率的な調整により、ラウンドトリップ遅延を最小限に抑えることで、メモリ操作を最適化する。
• 切断時にリモート I/O 状態をクリーンアップし、利用可能な場合はローカル I/O にフォールバックすることで、接続のレジリエンスを実現する。
• I/O クラスに依存しない抽象化としてデバイスファイルを活用することで、最小限のクラス固有コードで複数の I/O タイプをサポートする。
• 既存の OS レベルの保護メカニズムに依存することで、セキュアなリモートアクセスを実現し、将来的にはドライバのサンドボックス化とクライントデータ保護の拡張を想定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 未変更のモバイルアプリケーションが、異なるモバイルシステム間でリモート I/O デバイスにアクセスできるシステムを構築できるか？
• RQ2 設定や制御を含む、デバイスの完全な機能を透過的かつクロスシステム的に公開できるか？
• RQ3 多様な I/O デバイスクラスにわたって、最小限の工学的作業で I/O 共有を実装できるか？
• RQ4 特にワイヤレスネットワーク制約下において、リモート I/O のパフォーマンスがローカル I/O と比較してどの程度か？
• RQ5 切断などの動的ネットワーク状態変化に対し、残留状態を残さずに処理できるか？

主な発見

• Rio は、デバイスファイル境界での I/O スタック抽象化により、アプリケーションの透過性を保ちながら未変更のアプリケーションがリモート I/O デバイスにアクセス可能であることを実現する。
• カメラの解像度、露出、ホワイトバランス設定といった、すべてのデバイス機能がリモートで設定・アクセス可能である。
• 実装には合計 6700 行のコードで構成されており、1 I/O クラスあたり 450 行未満のコードが使用されており、工学的オーバーヘッドが非常に小さいことが示された。
• 音声、センサー、モデムに関しては、ローカル I/O パフォーマンスに近く、低遅延通信の最適化が効果的であったことが示された。
• カメラ共有は、Wi-Fi のスループット制限により顕著なパフォーマンス劣化を受けるが、将来的に高スループットのワイヤレス規格が登場すれば改善が見込まれる。
• Rio は、スマートフォンやタブレットを含む異種のモバイルシステム間での I/O 共有をサポートしており、切断時にはローカル I/O にフォールバック可能である。