云計(jì)算在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用模式淺析

王 藝

（中國(guó)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(shì)

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）具備 3個(gè)特征：全面感知，即利用傳感設(shè)備和物體識(shí)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(duì)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(duì)所觀測(cè)對(duì)象的完整認(rèn)識(shí)，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(dòng)的“智慧地球”，有人簡(jiǎn)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(shì)，如智能電網(wǎng)等。對(duì)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(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)等，終端數(shù)量的規(guī)模化對(duì)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(tái)，還是縱向的特定的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺(tái)，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(dòng)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(shí)，對(duì)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(guó)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(tái)，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(gè)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(jià)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(gè)類似的案例。

在這個(gè)案例中，多個(gè)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(gè)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(gè)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(shí)，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(dòng)。

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(chǔ)；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(tái)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(jià)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(yíng)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(yíng)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(yíng)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(yíng)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(guó)電信提出的業(yè)務(wù)能力開放業(yè)務(wù)平臺(tái)。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(gè)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(shí)屏蔽底層網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)和差異。

運(yùn)營(yíng)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(tái)。以O(shè)range為例，M2M Connect是Orange的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)，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(tái)，用戶通過網(wǎng)頁(yè)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(shí)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(shí)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(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的應(yīng)用開發(fā)、部署和運(yùn)行平臺(tái)，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(tái)。通過云計(jì)算PaaS模式，架構(gòu)上可以較好地滿足上述需求?？蛻粼谝粋€(gè)具備通用應(yīng)用邏輯組件和界面套件的平臺(tái)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(jiǎn)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(shí)，還可以針對(duì)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(duì)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(jiǎn)化應(yīng)用的開發(fā)過程。

以Telelogic Object平臺(tái)為例，其開發(fā)的Shepherd是一個(gè)應(yīng)用支撐和管理平臺(tái)，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(kù)（包括傳感器、GPS等），應(yīng)用提供商可以基于服務(wù)平臺(tái)和 設(shè)備庫(kù)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(tái)實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)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(shí)數(shù)據(jù)的傳送和歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)；

·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(duì)此有以下觀點(diǎn)。

·電信運(yùn)營(yíng)商提供的M2M平臺(tái)與IT廠商提供的面向應(yīng)用邏輯的通用平臺(tái)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(zhǎng)期演進(jìn)看，移動(dòng)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(tái)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(tái)。

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(tái)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(gè)集中的后端平臺(tái)通過廣域網(wǎng)絡(luò)連接，網(wǎng)絡(luò)傳輸導(dǎo)致的傳輸時(shí)延和海量終端導(dǎo)致的分析處理時(shí)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(tái)的處理時(shí)間將變得更長(zhǎng)，響應(yīng)速度會(huì)更低，影響部分時(shí)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(huì)占用、進(jìn)而競(jìng)爭(zhēng)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(gè)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(shí)，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(tái)進(jìn)行后續(xù)的分析處理。下面以幾個(gè)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(gè)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(tái)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(gè)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(hào)。

（2）全球眼客流識(shí)別系統(tǒng)

中國(guó)電信基于全球眼平臺(tái)推出的客流密度分析系統(tǒng)，結(jié)合人體識(shí)別和越界分析技術(shù)，對(duì)出入口區(qū)域的人和車輛出入情況自動(dòng)計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域的出入總量和實(shí)時(shí)人和車輛數(shù)量的準(zhǔn)確分析，這種智能分析能力是在對(duì)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(tái)即可。

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

中國(guó)科學(xué)院相關(guān)專家提出了“海計(jì)算”這個(gè)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(chǎng)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(chǔ)空間，滿足實(shí)時(shí)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(huì)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(tái)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(duì)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(tái)，智能處理主要集中于后端平臺(tái)。

·對(duì)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(huì)增加相應(yīng)的智能處理邏輯，和后端集中平臺(tái)一起協(xié)作完成全程智能處理。

·對(duì)于本地互動(dòng)控制功能較多的應(yīng)用，邊緣節(jié)點(diǎn)上用于本地互動(dòng)控制的智能處理邏輯可以和后端平臺(tái)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(tái)之間的多個(gè)單元上，如何分布取決于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用類型。一個(gè)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(tái)，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(gè)中間平臺(tái)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(gè)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(gè)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(tái)之間的多個(gè)單元上。之所以這么處理，其中一個(gè)原因是通信帶寬的不足。面對(duì)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(jìng)爭(zhēng)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(yǔ)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(tái)的中樞智能處理能力，就需要解決隨時(shí)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(duì)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(chǔ)，數(shù)據(jù)集中存放在各種安全等級(jí)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(duì)物聯(lián)網(wǎng)安全是有益的。但前提是要解決如下2個(gè)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(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)的核心價(jià)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(jià)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(shì)。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