云計(jì)算在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用模式淺析

王 藝

（中國電信股份有限公司上海研究院 上海 200122）

1 物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算結(jié)合的必然趨勢

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）具備 3個特征：全面感知，即利用傳感設(shè)備和物體識別設(shè)備在更廣的范圍內(nèi)獲取環(huán)境信息和物體信息；可靠傳遞，即利用WSN和電信廣域網(wǎng)絡(luò)將上述信息迅速可靠地傳送出去；智能處理，即利用各種智能計(jì)算技術(shù)，對海量信息進(jìn)行分析處理，挖掘各種信息之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，形成對所觀測對象的完整認(rèn)識，并進(jìn)一步開放共享。云計(jì)算就是上述“智能技術(shù)”中的一種。

IBM大力推動的“智慧地球”，有人簡單地總結(jié)為：云計(jì)算+物聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)連接大量的傳感器，采集大量的數(shù)據(jù)，云計(jì)算技術(shù)用來處理這些數(shù)據(jù)，并為用戶提供基于數(shù)據(jù)分析的系統(tǒng)服務(wù)。

物聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模大到一定程度后，和云計(jì)算結(jié)合起來是一種必然趨勢，如智能電網(wǎng)等。對于規(guī)模小的局域的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，不一定需要結(jié)合云計(jì)算技術(shù)。

2 物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算結(jié)合的多種模式

物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算的結(jié)合存在多種模式，IaaS模式、PaaS模式、SaaS模式可以與物聯(lián)網(wǎng)很好地結(jié)合起來。此外，從智能分布的角度出發(fā)，“邊緣計(jì)算”也是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用智能處理模式的一種典型特征。

2.1 IaaS模式在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展到一定規(guī)模，在物理資源層和云計(jì)算的結(jié)合是水到渠成。一部分行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，如智能電網(wǎng)、地震臺網(wǎng)監(jiān)測等，終端數(shù)量的規(guī)模化對物理資源提出了比較高的需求：一方面接入終端的數(shù)量可能是海量的，另一方面采集的數(shù)據(jù)是海量的。

無論是橫向的通用的支撐平臺，還是縱向的特定的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺，都可以在IaaS技術(shù)虛擬化的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)物理資源的共享，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)處理能力的動態(tài)彈性擴(kuò)展。IaaS技術(shù)為解決物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的海量終端接入和數(shù)據(jù)處理問題提供了有效途徑；同時，對各類內(nèi)部異構(gòu)的物理資源環(huán)境提供了統(tǒng)一的服務(wù)界面，為資源定制、出讓和高效利用提供了統(tǒng)一界面；也有利于實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的軟系統(tǒng)和硬系統(tǒng)之間的松耦合。

目前國內(nèi)建設(shè)的一些和物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的云計(jì)算中心、云計(jì)算平臺，首先切入的點(diǎn)主要集中在IaaS模式的應(yīng)用。

2.2 SaaS模式在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

SaaS模式被云計(jì)算概念重新包裝后，除了可以利用云計(jì)算的其他技術(shù)（如IaaS技術(shù)）外，并沒有本質(zhì)上的變化。SaaS模式實(shí)現(xiàn)的仍然是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供的服務(wù)被多個客戶共享使用，這為各類行業(yè)應(yīng)用資源和信息共享提供了有效途徑，也為高效利用基礎(chǔ)設(shè)施資源、實(shí)現(xiàn)高性價比的海量數(shù)據(jù)處理提供了可能。

筆者認(rèn)為，在物聯(lián)網(wǎng)范疇內(nèi)，出現(xiàn)的一些變化是SaaS應(yīng)用在感知延伸層進(jìn)行了拓展，依賴感知延伸層的各種信息采集設(shè)備，采集了大量的數(shù)據(jù)，并以這些數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析和處理，向最終用戶提供最終的業(yè)務(wù)功能和服務(wù)。在ITU-T Y.2221中提及的USN Weather Information Service就是一個類似的案例。

在這個案例中，多個USN SP（傳感網(wǎng)服務(wù)提供商）在不同地域布放傳感節(jié)點(diǎn)，提供各個地域的氣象環(huán)境基礎(chǔ)信息。其他提供綜合服務(wù)的USN SP可以將多個這樣的USN SP提供的信息聚合起來，開放給公眾，為公眾提供出行指南。同時，這些信息也被送到政府的監(jiān)控中心，一旦有突發(fā)的氣象事件，政府的公共服務(wù)機(jī)構(gòu)就可以迅速展開行動。

2.3 PaaS模式在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

Gartner把 PaaS分成兩類：APaaS(application platform as a service)和 IPaaS(integration platform as a service)。APaaS主要為應(yīng)用提供運(yùn)行環(huán)境和數(shù)據(jù)存儲；IPaaS主要用于集成和構(gòu)建復(fù)合應(yīng)用。人們經(jīng)常說的PaaS平臺大都是指APaaS，如 Force.com 和 Google App Engine。

在物聯(lián)網(wǎng)范疇內(nèi)，由于構(gòu)建者本身價值取向和實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的不同，PaaS模式的具體應(yīng)用存在不同的應(yīng)用模式和應(yīng)用方向。

電信運(yùn)營商一直致力于電信網(wǎng)絡(luò)和IT應(yīng)用的有機(jī)結(jié)合，其核心思想是“能力開放”，即將網(wǎng)絡(luò)能力進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，以統(tǒng)一的接口開放給IT應(yīng)用，這種能力開放模式就是PaaS的一種應(yīng)用模式。從早期的Parlay網(wǎng)關(guān)開始，電信運(yùn)營商一直在構(gòu)建類似的能力開放系統(tǒng)。在物聯(lián)網(wǎng)范疇內(nèi)，除了開放傳統(tǒng)的短信通知、彩信通知、終端定位等能力外，電信運(yùn)營商正在嘗試向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開放終端遠(yuǎn)程管理、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)路由等能力。典型的電信運(yùn)營商能力開放體系案例如圖1所示。

在Parlay架構(gòu)中，應(yīng)用安裝在基于任何IT技術(shù)的應(yīng)用服務(wù)器上，通過Parlay/OSA的接口標(biāo)準(zhǔn)調(diào)用業(yè)務(wù)能力服務(wù)器（service capability server）提供各種業(yè)務(wù)能力。

ISMP/ISAG是中國電信提出的業(yè)務(wù)能力開放業(yè)務(wù)平臺。SP/CP的應(yīng)用統(tǒng)一通過ISAG接入網(wǎng)絡(luò)，使用電信網(wǎng)絡(luò)中各個業(yè)務(wù)引擎提供的能力，通過ISMP完成鑒權(quán)計(jì)費(fèi)和業(yè)務(wù)管理功能。通過ISMP/ISAG，實(shí)現(xiàn)SP/CP應(yīng)用的統(tǒng)一業(yè)務(wù)接入、統(tǒng)一業(yè)務(wù)門戶、統(tǒng)一鑒權(quán)計(jì)費(fèi)、統(tǒng)一業(yè)務(wù)管理、統(tǒng)一內(nèi)容管理，同時屏蔽底層網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)和差異。

運(yùn)營商除了開發(fā)規(guī)模化的M2M應(yīng)用，也一直在探討建立通用的服務(wù)于M2M業(yè)務(wù)的平臺。以O(shè)range為例，M2M Connect是Orange的一個標(biāo)準(zhǔn)化平臺，為連接、應(yīng)用和解決方案服務(wù)，是Orange供客戶使用其M2M服務(wù)的平臺，用戶通過網(wǎng)頁界面與其M2M智能設(shè)備建立安全連接，直接控制智能設(shè)備運(yùn)作并實(shí)時反饋設(shè)備的運(yùn)行情況等信息。只要在Orange的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)，用戶就可以隨時隨地通過M2M Connect與遠(yuǎn)程智能設(shè)備建立連接。

傳統(tǒng)IT廠商在嘗試另外一種思路：構(gòu)建針對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的應(yīng)用開發(fā)、部署和運(yùn)行平臺，以實(shí)現(xiàn)快速的業(yè)務(wù)流程定義，加速新業(yè)務(wù)部署，為各類物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的快速實(shí)現(xiàn)、部署和運(yùn)行提供基礎(chǔ)平臺。通過云計(jì)算PaaS模式，架構(gòu)上可以較好地滿足上述需求。客戶在一個具備通用應(yīng)用邏輯組件和界面套件的平臺上進(jìn)行開發(fā)，只需要關(guān)心與自己業(yè)務(wù)相關(guān)的特定應(yīng)用邏輯實(shí)現(xiàn)和交互界面的搭建，不需要關(guān)心通用組件的底層實(shí)現(xiàn)方式和運(yùn)行環(huán)境的搭建，極大地簡化了應(yīng)用的開發(fā)、部署和運(yùn)行。業(yè)務(wù)發(fā)展到一定階段時，還可以針對一些使用面較廣的應(yīng)用類型，根據(jù)其所在行業(yè)的特點(diǎn)，將行業(yè)應(yīng)用中的通用邏輯功能單元從其業(yè)務(wù)流程中剝離出來，設(shè)計(jì)針對不同行業(yè)的業(yè)務(wù)模型單元，然后包裝成服務(wù)或通用組件供應(yīng)用調(diào)用，進(jìn)一步簡化應(yīng)用的開發(fā)過程。

以Telelogic Object平臺為例，其開發(fā)的Shepherd是一個應(yīng)用支撐和管理平臺，如圖2所示，為應(yīng)用服務(wù)提供商開放API開發(fā)M2M應(yīng)用，使得M2M應(yīng)用和設(shè)備之間可以交換數(shù)據(jù)。這些API采用restfull HTTP架構(gòu)，以XML傳輸數(shù)據(jù)。Telenor Object本身還擁有一系列M2M的設(shè)備庫（包括傳感器、GPS等），應(yīng)用提供商可以基于服務(wù)平臺和 設(shè)備庫開發(fā)各種應(yīng)用，最終這些應(yīng)用組成一些端到端的解決方案。

從圖2看，Shepherd平臺實(shí)現(xiàn)了兩個主體功能：

·終端/傳感器和應(yīng)用之間的數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)的傳送和歷史數(shù)據(jù)的存儲；

·提供Shepherd Dashboard作為上述 “數(shù)據(jù)中心”和“終端/傳感器”設(shè)備的管理門戶。綜上所述，筆者對此有以下觀點(diǎn)。

·電信運(yùn)營商提供的M2M平臺與IT廠商提供的面向應(yīng)用邏輯的通用平臺的有機(jī)結(jié)合，將為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供高效的中間件基礎(chǔ)設(shè)施。

·從長期演進(jìn)看，移動互聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的子集，而互聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)/泛在網(wǎng)的子集。上述PaaS模式的平臺最終應(yīng)發(fā)展成為綜合物與物、物與人、人與人信息交互處理的通用應(yīng)用開發(fā)、部署和運(yùn)行平臺。

2.4 邊緣計(jì)算/海計(jì)算在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合，能夠強(qiáng)化后端平臺實(shí)現(xiàn)“中樞智能”的能力。但在單一集中智能模式下，如果終端和某個集中的后端平臺通過廣域網(wǎng)絡(luò)連接，網(wǎng)絡(luò)傳輸導(dǎo)致的傳輸時延和海量終端導(dǎo)致的分析處理時延都是不容忽視的。一旦終端數(shù)量越來越多，數(shù)據(jù)量越來越大，數(shù)據(jù)傳送頻率越來越高，后端平臺的處理時間將變得更長，響應(yīng)速度會更低，影響部分時延敏感的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的實(shí)施效果。此外，頻繁交互的海量數(shù)據(jù)也會占用、進(jìn)而競爭廣域網(wǎng)絡(luò)，尤其是無線接入網(wǎng)絡(luò)的帶寬，從而影響整個物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的運(yùn)行效率。

在實(shí)施基于云計(jì)算技術(shù)的集中智能的同時，也要在感知層充分依賴基于邊緣計(jì)算的邊緣智能。所謂邊緣計(jì)算，指區(qū)別于后端集中智能的、分布于物聯(lián)網(wǎng)邊緣節(jié)點(diǎn)的智能計(jì)算能力，往往分布于感知延伸層的終端單元內(nèi)。通過邊緣計(jì)算，將部分智能處理功能分布到這些終端單元，感知到的數(shù)據(jù)首先在這些單元進(jìn)行預(yù)處理，然后根據(jù)預(yù)設(shè)邏輯將結(jié)果上傳到后端平臺進(jìn)行后續(xù)的分析處理。下面以幾個案例進(jìn)行說明。

(1)溫濕度信息的采集處理

圖3是OGC文獻(xiàn)中的一個案例。圖3（a）中，直接將采集到的原始溫度數(shù)據(jù)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換后，傳送到后端平臺進(jìn)行處理；圖3（b）中，感知延伸層的終端節(jié)點(diǎn)采集了溫度、風(fēng)速和降水等多個指標(biāo)后，經(jīng)過本地的運(yùn)算處理，在滿足預(yù)先設(shè)定的某種條件后，發(fā)出“風(fēng)暴”預(yù)警信號。

（2）全球眼客流識別系統(tǒng)

中國電信基于全球眼平臺推出的客流密度分析系統(tǒng)，結(jié)合人體識別和越界分析技術(shù)，對出入口區(qū)域的人和車輛出入情況自動計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)對區(qū)域的出入總量和實(shí)時人和車輛數(shù)量的準(zhǔn)確分析，這種智能分析能力是在對采集到的視頻圖像進(jìn)行算法處理后獲得的。在實(shí)現(xiàn)方式上，上述算法的處理功能在采集點(diǎn)附近的特殊終端完成，終端只需要定期把分析得到的結(jié)果傳送到后端平臺即可。

此外，很多應(yīng)用場景下，信息的采集、處理和反饋往往在本地完成。智能家居場景下，居室內(nèi)的各種設(shè)備之間的互動在本地就能夠完成；車聯(lián)網(wǎng)場景下，汽車與汽車（V2V）之間、汽車與設(shè)施之間（V2H）的信息互動，對于車輛來說，也是本地就可以完成。對于這些場景，邊緣計(jì)算是一個必然的選擇。

中國科學(xué)院相關(guān)專家提出了“海計(jì)算”這個概念，認(rèn)為感知信息的預(yù)處理、判斷和決策等往往在當(dāng)前場景下的前端單元完成，需要大運(yùn)算量的計(jì)算才通過“云端”的數(shù)據(jù)中心處理。只有這樣，才能節(jié)省通信帶寬、存儲空間，滿足實(shí)時性的交互處理和物聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模擴(kuò)展性要求。

筆者認(rèn)為，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的復(fù)雜性，會導(dǎo)致智能分布的不同模式選擇。智能處理邏輯在后端平臺以及邊緣的網(wǎng)關(guān)和終端都可能分布，如圖4所示，這取決于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的不同類型。

·對于以采集原始數(shù)據(jù)為目標(biāo)的應(yīng)用，邊緣節(jié)點(diǎn)智能處理可能很少，絕大部分的數(shù)據(jù)都要匯總傳遞到集中的后端平臺，智能處理主要集中于后端平臺。

·對于監(jiān)控類的應(yīng)用，原始信息本身往往不是關(guān)注的

重點(diǎn)。系統(tǒng)關(guān)注的是原始信息的變化是否達(dá)到門限，或者多項(xiàng)原始信息的組合判斷的結(jié)果。這種情況下，邊緣節(jié)點(diǎn)往往會增加相應(yīng)的智能處理邏輯，和后端集中平臺一起協(xié)作完成全程智能處理。

·對于本地互動控制功能較多的應(yīng)用，邊緣節(jié)點(diǎn)上用于本地互動控制的智能處理邏輯可以和后端平臺無關(guān)。這種情況下，邊緣節(jié)點(diǎn)也有大量的本地智能處理邏輯。

總的來看，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的智能處理邏輯可以分布于從終端到后端集中平臺之間的多個單元上，如何分布取決于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用類型。一個極端的例子，邊緣節(jié)點(diǎn)可以演變?yōu)?“智能節(jié)點(diǎn)”，智能處理邏輯主要分布在這些智能節(jié)點(diǎn)上，透過薄薄的一層中間平臺，這些智能節(jié)點(diǎn)提供的信息或服務(wù)供不同應(yīng)用或用戶進(jìn)行訪問。進(jìn)一步說，這是另一種形式的云計(jì)算，即讓很多處理能力一般的、分布于不同位置的智能節(jié)點(diǎn)完成主要的計(jì)算處理工作，透過一個中間平臺為用戶提供服務(wù)，如圖5所示，如同Google的搜索服務(wù)，讓很多低成本、不同位置的PC共同完成一個搜索任務(wù)。

3 物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算結(jié)合的相關(guān)問題

（1）無所不在的寬帶是推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算結(jié)合的一個重要因素

上一節(jié)談到，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的智能處理邏輯可以分布于從終端到后端集中平臺之間的多個單元上。之所以這么處理，其中一個原因是通信帶寬的不足。面對大量的物聯(lián)網(wǎng)終端，無線接入的通信帶寬仍然是不足的，總體來看，蜂窩網(wǎng)無線接入帶寬仍然十分有限。物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的機(jī)器通信和其他通信共同競爭有限的帶寬。蜂窩網(wǎng)基站規(guī)劃，主要考慮的是與人相關(guān)的語音通信和上網(wǎng)需求，而大量物聯(lián)網(wǎng)終端分布在荒郊野外。如果希望進(jìn)一步充分利用基于低成本的分布式計(jì)算平臺的中樞智能處理能力，就需要解決隨時隨地接入的帶寬問題。

（2）結(jié)合云計(jì)算后的物聯(lián)網(wǎng)安全問題

目前的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用主要用于數(shù)據(jù)采集。如果對數(shù)據(jù)安全有一定要求，則采用加密機(jī)制。通過云計(jì)算的中樞智能處理和中樞數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)集中存放在各種安全等級較高的數(shù)據(jù)中心，改變大量敏感數(shù)據(jù)分散在邊緣節(jié)點(diǎn)的格局，這對物聯(lián)網(wǎng)安全是有益的。但前提是要解決如下2個問題。

·數(shù)據(jù)的源頭——感知延伸層的終端/節(jié)點(diǎn)安全：在受控環(huán)境下，安全問題容易解決，主要難點(diǎn)在于非受控環(huán)境下的終端/節(jié)點(diǎn)安全問題。

·網(wǎng)絡(luò)層的傳輸通道安全：有多種措施，如采用端到端加密機(jī)制、使用公共網(wǎng)絡(luò)上邏輯隔離的專網(wǎng)、使用物理隔離的專網(wǎng)。

4結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)的核心價值在于建立了智能中樞到各種神經(jīng)末梢的信息傳輸通路，而云計(jì)算的核心價值在于構(gòu)建了面向大量信息的智能處理基礎(chǔ)設(shè)施，構(gòu)建了強(qiáng)大的智能中樞的基礎(chǔ)。大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用使用云計(jì)算技術(shù)，是一種必然趨勢。無論是從IaaS、PaaS層面，還是SaaS層面，都有相應(yīng)的結(jié)合點(diǎn)。此外，在不同類型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，還應(yīng)通過邊緣計(jì)算和云計(jì)算的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智能處理的恰當(dāng)分布。

1 ITU-T Y.2221.Requirements for Support of Ubiquitous Sensor Network(USN)Applications and Services in NGN Environment,2010

2 OGC 06-021r4.Sensor Web Enablement Architecture,2007

3 孫利民,沈杰,朱紅松.從云計(jì)算到海計(jì)算：論物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu).中興通訊技術(shù),2011(1)

4 www.telenorobjects.com