Energy-aware run-time management of distributed mobile devices

In the latest years, we observed an exponential growth of the market of the mobile devices. In this scenario, it assumes particular importance the rate at which the smartphones are replaced. According to the International Telecommunicaton Union, in fact, this happens every 20 months, on average. The side effect of this trend is to deal with the disposal of an increasing amount of electronic devices which, in many cases, are still working. This thesis aims to propose a solution to mitigate this problem. More in detail, through a change of paradigm, it is possible to achieve a two-fold objective: 1) extend the mobile devices lifetime; 2) enable a new opportunity to deploy mobile applications on distributed devices. In this sense, the proposed paradigm is characterized by two elements: 1) the interconnection of mobile devices in a local network (domestic or corporate); 2) the availability of a resource manager software to manage the distributed system according to an energy-efficiency maximization objective. From the user-stand point the interaction with a single device is extended through a transparent use of multiple devices. This thesis presents an extension of the Barbeque Run-Time Resource Manager framework to manage the execution of Android applications over multiple devices. In this regard, we presented an extension of the device capability and features concepts related to the execution of applications in Android systems. The key aspect is the concept of device Capability which is an aggregated representation of specific resources status, available hardware Android Features and power conditions of the device. This model introduces a dependency between the device functionalities and its run-time status. In this sense the definition of Capability allows to identify a set of available devices for the execution of an application. The BarbequeRTRM framework is the software layer in charge to select the devices for the application execution and to manage their resources. In this regard the framework has been extended to operate in a distributed fashion. A further contribution of this thesis is the development of an energy-efficiency oriented device selection policy, implemented as a framework plugin. The policy exploits an a-priori energy-efficiency characterization of the single application execution over different devices. In order to do this, we exploited two benchmark suites from which we have: 1) extracted energy-efficiency profiles; 2) performed a classification process of real applications. The current implementation represents a "proof-of-concept" of the execution of mobile application in a distributed context. Moreover, the obtained experimental results show that, as well as increasing the utilization of multiple mobile devices available to the single user, using an energy-efficiency approach considerably increases the device lifetime between 10% and 30%, despite a tolerable performance loss for applications that do not have real-time constraints.

Negli ultimi anni, si è osservata una crescita esponenziale del mercato dei dispositivi mobili come smartphone e tablet. In questo contesto, è rilevante osservare con quale frequenza gli utenti di smartphone sostituiscono il proprio dispositivo. Secondo uno studio dell'International Telecommunication Union, infatti, questo accade mediamente ogni 20 mesi. L'effetto collaterale di questo trend è la gestione dello smaltimento di un numero sempre crescente di dispositivi elettronici in molti casi ancora perfettamente funzionanti. Questa tesi si pone l'obiettivo di proporre una soluzione per mitigare tale problema. Più in dettaglio crediamo che attraverso un cambio di paradigma, sia possibile perseguire un duplice obiettivo: 1) estendere la vita dei dispositivi mobili riducendo la quantità di rifiuti elettronici prodotti; 2) avere la possibilità di aumentare le prestazioni delle applicazioni attraverso l'esecuzione parallela su più dispositivi. In quest'ottica, il paradigma proposto è caratterizzato da due elementi: 1) l'interconnessione di più dispositivi mobili in una rete locale (domestica o aziendale); 2) la presenza sui dispositivi di un software di gestione delle risorse computazionali al fine di gestire questo tipo di sistema distribuito secondo un obiettivo di massimizzazione dell'efficienza energetica. Dal punto di vista dell'utente ciò che accade è che l'interazione con un singolo dispositivo viene estesa attraverso l'utilizzo trasparente di più dispositivi. Questa tesi presenta una estensione del framework Barbeque Run-Time Resource Manager per gestire l'esecuzione di applicazioni Android su più dispositivi. A tal riguardo viene proposta anche una estensione dei concetti di device capability e features connessi all'esecuzione di applicazioni su sistemi Android. Il concetto centrale è quello di Capability, ossia una rappresentazione aggregata dello stato delle risorse, delle Features hardware esposte dai sistemi Android e delle condizioni energetiche e termiche del dispositivo. Questo modello introduce, quindi, una dipendenza tra le funzionalità offerte da un dispositivo e il suo stato a runtime. In tal senso la nozione di Capability ci permette di individuare una serie di dispositivi candidati all'esecuzione di una applicazione. Il framework BarbequeRTRM si fa carico della selezione dei dispositivi e della gestione delle loro risorse. A tal riguardo il framework è stato esteso per poter operare in maniera distribuita. Un ulteriore contributo è stato lo sviluppo di una politica di selezione orientata all'efficienza energetica, integrata in BarbequeRTRM. Tale politica sfrutta una caratterizzazione a priori dell'efficienza energetica delle singole applicazioni per ogni dispositivo. Per fare ciò sono state utilizzate due suite di benchmark attraverso le quali, in una seconda fase, si è effettuato inoltre un processo di classificazione di applicazioni reali. L'implementazione attuale della soluzione proposta rappresenta una "proof-of-concept" dell'esecuzione di applicazioni mobili in maniera distribuita. I risultati sperimentali ottenuti dimostrano inoltre che, oltre ad aumentare l'utilizzo dei molteplici dispositivi mobili di cui un utente può disporre, l'approccio proposto ci permette di incrementare sensibilmente la durata della batteria dei dispositivi tra il 10% e il 30%, al costo di una perdita di performance tollerabile per applicazioni che non hanno vincoli real-time.