[论文解读] 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 48

一句话总结

Rio 是一种面向移动设备的系统级 I/O 共享解决方案，通过以设备文件边界为中心的拆分栈架构，使未修改的应用程序能够跨不同移动系统远程访问 I/O 设备（如摄像头、麦克风、传感器和调制解调器）。它在音频、传感器和调制解调器方面实现了接近本地的性能，摄像头性能受限于 Wi-Fi 吞吐量，同时为新设备支持引入的代码开销极小（每类 I/O 设备少于 450 行代码）。

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.

研究动机与目标

• 使未修改的移动应用程序能够访问远程移动系统上的 I/O 设备。
• 在不修改应用程序的前提下，透明地暴露远程 I/O 设备的全部功能，包括配置和控制。
• 通过设备文件抽象，降低支持新 I/O 设备类别的工程工作量。
• 支持异构移动系统之间的 I/O 共享，包括智能手机和平板电脑。
• 解决无线 I/O 共享中的挑战，如跨系统内存访问、高延迟和连接不稳定等问题。

提出的方法

• Rio 采用拆分栈 I/O 架构，将 I/O 栈在客户端和服务器移动系统之间的设备文件边界处拆分。
• 采用分布式共享内存（DSM）设计，实现在独立物理内存中进程与设备驱动程序之间的跨系统内存映射。
• 通过在客户端和服务器系统之间批量处理和高效协调，最小化往返延迟，优化内存操作。
• 通过在断开连接时清理远程 I/O 状态，并在本地 I/O 可用时回退至本地 I/O，实现连接容错。
• 该系统利用设备文件作为与 I/O 类型无关的抽象，通过极少的类特定代码，支持多种 I/O 类型。
• 通过依赖现有的操作系统级保护机制，支持安全的远程访问，未来还将扩展以实现驱动程序沙箱化和客户端数据保护。

实验结果

研究问题

• RQ1 系统能否使未修改的移动应用程序在不同移动系统之间访问远程 I/O 设备？
• RQ2 能否以透明的、跨系统的方式暴露远程设备的全部功能，包括配置和控制？
• RQ3 能否以极低的工程工作量在多种多样的 I/O 设备类别中实现 I/O 共享？
• RQ4 在无线网络限制下，远程 I/O 的性能与本地 I/O 相比如何？
• RQ5 系统能否在动态网络条件下（如断开连接）运行，而不会遗留残留状态？

主要发现

• Rio 通过在设备文件边界抽象 I/O 栈，使未修改的应用程序能够访问远程 I/O 设备，确保了应用程序透明性。
• 所有设备功能（如摄像头分辨率、曝光和白平衡设置）均可远程配置和访问。
• 实现仅需 6700 行代码，且任何单一 I/O 类别的代码量均少于 450 行，证明了其工程开销极低。
• 音频、传感器和调制解调器的性能接近本地 I/O 性能，表明其在低延迟通信方面实现了有效优化。
• 由于 Wi-Fi 吞吐量限制，摄像头共享存在明显的性能下降，但预计随着新兴高吞吐量无线标准的出现，性能将得到改善。
• Rio 支持异构移动系统（包括智能手机和平板电脑）之间的 I/O 共享，并可在断开连接时回退至本地 I/O。