構建基于云計算的物聯(lián)網(wǎng)運營平臺

趙 鈞

（中國電信股份有限公司上海研究院 上海 200122）

1 引言

2005年國際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布了《ITU互聯(lián)網(wǎng)報告2005：物聯(lián)網(wǎng)》，報告指出“過去任何人之間在任何時間任何地點的信息交換，加入了任何物體后，各種連接會成倍增加，并由此創(chuàng)造出一個全新的動態(tài)的網(wǎng)絡——物聯(lián)網(wǎng)”。有專家指出，物聯(lián)網(wǎng)具有全面感知、可靠傳遞和智能處理3個特征：其中智能處理需要對海量的信息進行分析和處理，對物體實施智能化的控制，這就需要信息技術的支持。

近年來，在信息技術領域，云計算作為一種新興的計算模式被提出，并迅速從概念走向應用。云計算的成功應用之一是Google搜索引擎，它的數(shù)據(jù)分布式存儲在各地的數(shù)據(jù)中心，當用戶發(fā)出搜索請求時，可以并行地從數(shù)千臺計算機上發(fā)起搜索并進行排名，將結果反饋給用戶。云計算的超大規(guī)模、虛擬化、多用戶、高可靠性、高可擴展性等特點正是物聯(lián)網(wǎng)規(guī)模化、智能化發(fā)展所需的技術。

2 物聯(lián)網(wǎng)和云計算概述

2.1 物聯(lián)網(wǎng)

根據(jù)現(xiàn)在較通用的定義，物聯(lián)網(wǎng)是指通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡。簡而言之，物聯(lián)網(wǎng)就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，其核心和基礎仍是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎上延伸和擴展的網(wǎng)絡，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間的信息交換和通信。

物聯(lián)網(wǎng)的應用領域從面向企業(yè)的智能交通、電力抄表等擴展到了面向公眾的個人醫(yī)療、智能家居等，遍及各行各業(yè)，但目前還處在創(chuàng)新起步階段，未大規(guī)模普及。美國權威咨詢機構Forrester預測，到2020年，世界上物物互聯(lián)的業(yè)務，跟人與人通信的業(yè)務相比，將達到30∶1，因此物聯(lián)網(wǎng)被稱為是下一個萬億級的通信業(yè)務。

物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)覆蓋了傳感感知、傳輸通道、運算處理、行業(yè)應用等領域，其中涉及的技術包括RFID射頻識別、傳感器、無線網(wǎng)絡傳輸、高性能計算、智能控制等。

2.2 云計算

云計算的定義有多種版本，按照維基百科的定義，云計算是將動態(tài)、易擴展且被虛擬化的計算資源通過互聯(lián)網(wǎng)提供出來的一種服務。虛擬化、彈性規(guī)模擴展、分布式存儲、分布式計算和多租戶是云計算的關鍵技術。

（1）虛擬化技術

虛擬化技術將物理資源進行了替換，呈現(xiàn)給用戶的是一個與物理資源有相同功能和接口的虛擬資源，可能是建立在一個實際的物理資源上，也可能是跨多個物理資源，用戶不需要了解底層的物理細節(jié)。虛擬化技術根據(jù)對象不同，可分為存儲虛擬化、操作系統(tǒng)虛擬化和應用虛擬化等。

（2）彈性規(guī)模擴展技術

云計算提供了一個巨大的資源池，而應用的使用又有不同的負載周期，根據(jù)負載對應用的資源進行動態(tài)伸縮（即高負載時動態(tài)擴展資源，低負載時釋放多余的資源），將可以顯著提高資源的利用率。該技術為不同的應用架構設定不同的集群類型，每一種集群類型都有特定的擴展方式，然后通過監(jiān)控負載的動態(tài)變化，自動為應用集群增加或者減少資源。

（3）分布式存儲技術

分布式存儲的目標是利用云環(huán)境中多臺服務器的存儲資源來滿足單臺服務器所不能滿足的存儲需求，其特征是存儲資源能夠被抽象表示和統(tǒng)一管理，并且能夠保證數(shù)據(jù)讀寫與操作的安全性、可靠性等各方面要求。云計算催生了優(yōu)秀的分布式文件系統(tǒng)和云存儲服務，最典型的云平臺分布式文件系統(tǒng)是Google的GFS和開源的HDFS。

（4）分布式計算技術

基于云平臺的最典型的分布式計算模式是MapReduce編程模型，MapReduce將大型任務分成很多細粒度的子任務，這些子任務分布式地在多個計算節(jié)點上進行調(diào)度和計算，從而在云平臺上獲得對海量數(shù)據(jù)的處理能力。

（5）多租戶技術

多租戶技術目的在于使大量用戶能夠共享同一堆棧的軟硬件資源，每個用戶按需使用資源，能夠?qū)浖者M行客戶化配置，而不影響其他用戶的使用。多租戶技術的核心包括數(shù)據(jù)隔離、客戶化配置、架構擴展和性能定制。

3 電信網(wǎng)主導的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展模式

電信運營商在物聯(lián)網(wǎng)中扮演什么角色呢？要回答這個問題，就要研究物聯(lián)網(wǎng)的體系結構，這里可以將物聯(lián)網(wǎng)抽象為感知單元、存儲單元、傳輸單元、計算控制單元、展現(xiàn)單元組成的一個“超級計算機”。感知單元是“鍵盤、鼠標”，感知的不是人的點擊，而是熱、力、光、電、聲、位移等信號；存儲單元是“內(nèi)存、硬盤”，在物聯(lián)網(wǎng)中還包括嵌入到電子標簽或傳感網(wǎng)絡節(jié)點中的存儲設備，存儲單元保存采集到的各種信息（如溫度、濕度、電子標簽編碼等）以及這些信息的處理結果數(shù)據(jù)；傳輸單元是“總線”，將信息通過無線傳感網(wǎng)、電信網(wǎng)傳送到全球每一個角落；計算控制單元是“中央處理器CPU”，負責對信息進行集中大規(guī)模快速處理和分析，發(fā)送指令，進行指揮調(diào)度；展現(xiàn)單元是“顯示器”，通過電腦、手機或其他設備進行物聯(lián)網(wǎng)信息的展現(xiàn)。

在物聯(lián)網(wǎng)“超級計算機”抽象模型中可以看出，電信運營商扮演的是傳輸單元的角色，通過無線傳輸技術，將感知單元與計算控制單元、展現(xiàn)單元、存儲單元關聯(lián)起來。由隨機分布的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的微小節(jié)點通過自組織的方式構成的傳感網(wǎng)絡雖然具有通信功能，但是不具備物與物的全球聯(lián)通能力，因此電信運營商在物聯(lián)網(wǎng)中扮演的傳輸單元的地位是不可替代的。如果電信運營商只滿足于做傳輸單元，那么在整個物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈中電信運營商將淪為簡單的通道提供者，難以發(fā)揮主導作用。實際上，在當前傳感網(wǎng)絡還處于發(fā)展起步階段，不具規(guī)模效應前，電信運營商應利用已有的技術和資源優(yōu)勢，積極向物聯(lián)網(wǎng)計算控制單元延伸，掌控物聯(lián)網(wǎng)的核心點和制高點，像運營電信網(wǎng)一樣運營物聯(lián)網(wǎng)，主導物聯(lián)網(wǎng)未來的發(fā)展。

4 物聯(lián)網(wǎng)運營平臺建設需求

電信運營商要主導物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，掌控物聯(lián)網(wǎng)的計算控制能力，就需要構建物聯(lián)網(wǎng)運營平臺，作為無線傳感網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)之間重要的本地化中央信息處理中心，集成產(chǎn)業(yè)鏈的上下游系統(tǒng)，為客戶提供一站式電信級物聯(lián)網(wǎng)運營服務。物聯(lián)網(wǎng)運營平臺需具備以下功能。

（1）業(yè)務受理、開通、計費功能

要成為物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的服務提供商，需要建立一套面向客戶、傳感器廠商、第三方行業(yè)應用提供商的運營服務體系，包括組織、流程、產(chǎn)品、支撐系統(tǒng)，其中支撐系統(tǒng)應具備業(yè)務受理、開通、計費等功能，能夠提供物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的快速開通服務。對于電信運營商來說，現(xiàn)有的電信業(yè)務運營支撐系統(tǒng)已經(jīng)具備了較完善的受理、開通、計費等功能，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品特點做相應改造即可，當然也可以在物聯(lián)網(wǎng)運營平臺中提供這部分功能。

（2）網(wǎng)絡節(jié)點配置和控制功能

在未來的物聯(lián)網(wǎng)中，每個物品都可能被貼上一個標識，分配一個IP地址，接入電信運營商網(wǎng)絡，數(shù)以億計的傳感網(wǎng)絡節(jié)點需要進行配置、管理和監(jiān)控，這就需要物聯(lián)網(wǎng)運營平臺具備節(jié)點參數(shù)配置、節(jié)點狀態(tài)監(jiān)測、節(jié)點遠程喚醒/激活/控制、節(jié)點故障告警、節(jié)點按需接入、節(jié)點軟件升級、節(jié)點網(wǎng)絡拓撲展現(xiàn)等功能。

（3）信息采集、存儲、計算、展示功能

物聯(lián)網(wǎng)運營平臺需要支持通過無線或有線網(wǎng)絡采集傳感網(wǎng)絡節(jié)點上的物品感知信息，進行格式轉(zhuǎn)換、保存和分析計算。相比互聯(lián)網(wǎng)相對靜態(tài)的數(shù)據(jù)，在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，將更多地涉及基于時間和空間特征、動態(tài)的超大規(guī)模數(shù)據(jù)計算，并且不同行業(yè)的計算模型不同。例如在出租車車載定位應用中，一般要求每輛車每30 s發(fā)送一次定位數(shù)據(jù)，物聯(lián)網(wǎng)運營中心應能根據(jù)每輛車的位置和時間信息進行實時分析，跟蹤車輛運行軌跡，或快速匹配客戶叫車地址，為車輛調(diào)度提供支持；再例如隨著未來傳感器的普及應用，Google地球模式將會發(fā)展成為法律許可范圍內(nèi)對整個物理世界的搜索，電信運營商也許不能做到全球，但可以做到提供一個城市、一個地區(qū)或一個國家范圍內(nèi)的商品、人流、車流、動植物生長等滿足廣大用戶工作和生活所需的動態(tài)搜索服務，這些應用所產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)對物聯(lián)網(wǎng)運營平臺的采集、存儲、計算能力都提出了巨大的挑戰(zhàn)。

（4）行業(yè)的應用集成

不同行業(yè)的業(yè)務規(guī)則和流程不同，其應用的功能和計算需求也有差別，例如在大氣環(huán)保監(jiān)控應用中，需要根據(jù)大氣環(huán)境監(jiān)測設備上采集到的降塵、一氧化碳、二氧化硫等數(shù)據(jù)，按一定的指標計算規(guī)則進行分析計算，得出分析結果，展現(xiàn)到監(jiān)控中心計算機或監(jiān)控人員手機上；而在電力抄表應用中，對于采集到的用戶電表讀數(shù)，將會用于計算當月用電量和電費，生成電費賬單，進而支持收費銷賬。不同行業(yè)應用的性能需求也不相同，有些是大流量高帶寬應用（如視頻監(jiān)控類業(yè)務），有些是小流量低頻次非實時應用（如水質(zhì)監(jiān)測），有些是高頻次小流量應用（如車輛軌跡連續(xù)定位）。物聯(lián)網(wǎng)運營平臺不可能是一個面向各行各業(yè)都適用的通用系統(tǒng)，需要具備第三方行業(yè)應用的集成能力，并且能夠滿足不同行業(yè)應用的差異化性能要求。

5 基于云計算的物聯(lián)網(wǎng)運營平臺架構和實施策略

5.1 物聯(lián)網(wǎng)運營平臺云計算特征分析

通過分析物聯(lián)網(wǎng)運營平臺的功能和性能需求，發(fā)現(xiàn)其在以下幾個方面顯現(xiàn)出了云計算特征。

（1）對資源有大規(guī)模、海量需求

未來物聯(lián)網(wǎng)運營平臺需要存儲數(shù)以億計的傳感設備在不同時間采集的海量信息，并對這些信息進行匯總、拆分、統(tǒng)計、備份，這需要彈性增長的存儲資源和大規(guī)模的并行計算能力。

（2）資源負載變化大

有些行業(yè)應用的峰值負載、閑時負載和正常負載之間差距明顯，例如無線POS刷卡應用在白天較忙，而在夜晚較空閑。不同行業(yè)應用的資源負載不同，例如低頻次應用一般10 min以上甚至1天采集、處理一次數(shù)據(jù)，而高頻次應用會要求30 s采集、處理一次數(shù)據(jù)。另外，同一行業(yè)應用由于是面向多個用戶提供服務的，因此存在負載錯峰的可行性，例如居民電力抄表可以分時分區(qū)上報數(shù)據(jù)。

（3）以服務方式提供計算能力

雖然不同行業(yè)應用的業(yè)務流程和功能存在較大差異，但從物聯(lián)網(wǎng)運營角度來看，其計算控制需求是相同的，都需要對采集的數(shù)據(jù)進行分析處理，因此可以將這部分功能從行業(yè)密切相關的流程中剝離出來，包裝成面向不同行業(yè)的服務，以平臺服務方式提供給客戶，客戶只要滿足服務接口要求，就能享受到這些服務能力。例如可以在物聯(lián)網(wǎng)運營平臺實現(xiàn)一個大氣污染監(jiān)控的計算模型，并暴露服務接口，行業(yè)應用調(diào)用這個接口就能夠獲得監(jiān)控數(shù)據(jù)分析結果。

5.2 物聯(lián)網(wǎng)運營云平臺體系架構設計

針對物聯(lián)網(wǎng)運營平臺的云計算特征，考慮引入云計算技術構建物聯(lián)網(wǎng)運營平臺。基于云計算的物聯(lián)網(wǎng)運營平臺主要包括如下幾個部分。

（1）云基礎設施

通過引入物理資源虛擬化技術，使得物聯(lián)網(wǎng)運營平臺上運行的不同行業(yè)應用以及同一行業(yè)應用的不同客戶間的資源（存儲、CPU等）實現(xiàn)共享。例如不必為每個客戶都分配一個固定的存儲空間，而是所用客戶共用一個跨物理存儲設備的虛擬存儲池。

提供資源需求的彈性伸縮，例如在不同行業(yè)數(shù)據(jù)智能分析處理進程間共享計算資源，或在單個客戶存儲資源耗盡時動態(tài)從虛擬存儲池中分配存儲資源，以便用最少的資源來盡可能滿足客戶需求，減少運營成本的同時提升服務質(zhì)量。

引入服務器集群技術，將一組服務器關聯(lián)起來，使它們在外界從很多方面看起來如同一臺服務器，從而改善物聯(lián)網(wǎng)運營平臺的整體性能和可用性。

（2）云平臺

這是物聯(lián)網(wǎng)運營云平臺的核心，實現(xiàn)了網(wǎng)絡節(jié)點的配置和控制、信息的采集和計算功能，在實現(xiàn)上可以采用分布式存儲、分布式計算技術，實現(xiàn)對海量數(shù)據(jù)的分析處理，以滿足大數(shù)據(jù)量且實時性要求非常高的數(shù)據(jù)處理要求。例如可采用Hadoop的HDFS技術，將文件分割成多個文件塊，保存在不同的存儲節(jié)點上；采用Hadoop的MapReduce技術將一個任務分解成多個任務，分布執(zhí)行，然后把處理結果進行匯總。在具體實現(xiàn)時，需要根據(jù)不同行業(yè)應用的特點進行具體分析，將行業(yè)應用中的計算功能從其業(yè)務流程中剝離出來，設計針對不同行業(yè)的計算模型，然后包裝成服務提供給云應用調(diào)用，這樣既實現(xiàn)了接入云平臺的行業(yè)應用接口的標準化，又能為行業(yè)應用提供高性能計算能力。

（3）云應用

云應用實現(xiàn)了行業(yè)應用的業(yè)務流程，可以作為物聯(lián)網(wǎng)運營云平臺的一部分，也可以集成第三方行業(yè)應用，但在技術上應通過應用虛擬化技術，實現(xiàn)多租戶，讓一個物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應用的多個不同租戶共享存儲、計算能力等資源，提高資源利用率，降低運營成本，而多個租戶之間在共享資源的同時又相互隔離，保證了用戶數(shù)據(jù)的安全性。

（4）云管理

由于采用了彈性資源伸縮機制，用戶占用的電信運營商資源是在隨時間不斷變化的，因此需要平臺支持按需計費，例如記錄用戶的資源動態(tài)變化，生成計費清單，提供給計費系統(tǒng)用于計費出賬。另外還需要提供用戶管理、安全管理、服務水平協(xié)議（SLA）等功能。

5.3 物聯(lián)網(wǎng)運營云平臺實施策略

上述基于云計算的物聯(lián)網(wǎng)運營平臺架構是面向各行各業(yè)、大數(shù)據(jù)量、高性能計算的信息處理系統(tǒng)，而在現(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)應用還未大規(guī)模普及的情況下，電信運營商在建設物聯(lián)網(wǎng)運營平臺時，不需要也不可能一步到位，因此可以采用分步實施的策略。

首先，從提供無線傳輸通道、網(wǎng)絡節(jié)點配置和監(jiān)控功能入手，與傳感器廠商、行業(yè)應用廠商共同配合，為客戶提供物聯(lián)網(wǎng)服務。在這個階段，可以將物聯(lián)網(wǎng)運營平臺部署在云基礎設施上，實現(xiàn)資源的虛擬化和彈性伸縮，從而在小規(guī)模應用下最大限度地降低成本。

其次，以1～2個行業(yè)為突破口，將云平臺的網(wǎng)絡節(jié)點配置和監(jiān)控功能向計算功能延伸，采用分布式計算等技術實現(xiàn)行業(yè)計算模型，包裝成對外服務；同時與行業(yè)應用提供商合作，由行業(yè)應用提供商按云平臺接口標準開發(fā)云應用，集成到云平臺上，形成物聯(lián)網(wǎng)運營平臺的平臺服務化和應用服務化雛形。

最后，不斷拓展云應用的行業(yè)領域，優(yōu)化云平臺服務和計算模型，提升云管理能力，以增強物聯(lián)網(wǎng)運營平臺應對業(yè)務量不斷增長的要求。這是個長期發(fā)展的過程，物聯(lián)網(wǎng)應用和用戶的規(guī)模越大，構建在云計算上的物聯(lián)網(wǎng)運營平臺的作用越明顯，就越能發(fā)揮電信運營商在物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈中的價值。

6 結束語

本文提出的物聯(lián)網(wǎng)運營平臺架構在云計算之上，既能夠降低初期成本，又解決了未來物聯(lián)網(wǎng)規(guī)模化發(fā)展過程中對海量數(shù)據(jù)的存儲和計算問題。通過基于云計算的物聯(lián)網(wǎng)運營平臺的建設，將讓電信運營商從提供簡單的網(wǎng)絡傳輸通道轉(zhuǎn)向提供物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展所需的計算和控制能力，從而在物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈中占據(jù)主導地位。

1 International Telecommunication Union.ITU Internetreports 2005:the Internet of things,2005

2 孔曉波.物聯(lián)網(wǎng)概念和演進路徑.電信工程技術與標準化，2009（12）

3 沈蘇彬，范曲立，宗平等.物聯(lián)網(wǎng)的體系結構與相關技術研究.南京郵電大學學報（自然科學版），2009，29（6）

4 李超.云計算理論及技術研究進展.科技創(chuàng)業(yè)月刊,2009（12）

5 李新苗.物聯(lián)網(wǎng)牽手云計算的 “兩大關鍵”.通信世界,2010（7）

6 曹魯.初探云計算與物聯(lián)網(wǎng)的“藍海”.通信世界,2010（7）