参考资料从云计算到海计算论物联网的标准体系结构.doc

从云计算到海计算：论物联网体系结构 -02-14 16:29:50 文章起源：OFweek电子工程网 导读: 基于云计算到海计算再到云海结合，从信息存放和处理角度出发，文章探讨了物联网承载和处理巨海量信息方法和结构，和物联网体系结构需要考虑问题，如开放性式循环结构和智能终端。 o 关键字 o 物联网体系结构云计算海计算智能终端开放式循环结构 物联网实现全球亿万种物品之间互连，将不一样行业、不一样地域、不一样应用、不一样领域物理实体按其内在关系紧密地关联在一起，对小到螺丝、铅笔，大到飞机、轮船等巨量物体进行联网和互动。物联网能够实现社会活动和大家生活方法变革，被预言为继互联网以后新全球信息化产业浪潮，受到各国政府、企业和学术界广泛重视。从信息技术角度看，物联网是指含有感知和智能处理能力可标识物体，基于标准可互操作通信协议，在宽带移动通信、下一代网络和云计算平台等技术支撑下，获取和处理物体本身或周围环境状态信息，对事件及其发展立即做出判定，提供对物体进行管理和控制决议依据，从而形成信息获取、物体管理和控制全球性信息系统。物体能够在人类直接干预或无需人工干预条件下感知事件、触发动作和生成服务，经过协同感知和互动来影响甚至控制事件向有利方向发展。物联网充足表现了物理世界和信息空间深度融合，使人类能够融入到一体化智能生态环境中，实现人、机、物协同统一。作为崭新综合性信息系统，物联网并不是单纯网络概念，它包含信息感知、传输、处理决议、服务等多个方面，展现出本身显著特点。首先是对客观物理世界全方面感知，它不仅表现在对单一现象或目标进行多方面观察取得综合感知数据，也表现在对现实世界多种物表现象普遍感知；其次是物联网实体间泛在互联，表现在多种物体经由多个接入模式实现异构互联，也突出表现在物联网不仅包含互联网、电信网等公共网络，还包含电网和交通网等专用网络，错综复杂，形成“网中网”形态；第三是智慧信息处理和决议，它表现在物联网中从感知到传输到决议应用信息流，并最终为控制提供支持，也广泛表现出物联网中大量物体和物体之间关联和互动。物体互动经过从物理空间到信息空间，再到物理空间过程，形成感知、传输、决议、控制开放式循环。物联网不一样于感知信息搜集传感器网络，也不一样于信息传输互联网。它包含亿万种多样物体，承载和处理巨海量感知信息，容纳多种模式接入和通信模式，实现从感知、处理到控制循环过程。其系统架构怎样组成，采取什么样体系结构，现已成为物联网研究关键问题之一。1 从云计算到海计算1.1 云计算云计算是互联网发展带来一个新型计算和服务模式，它是经过分布式计算和虚拟化技术建设数据中心或超级计算机，以租赁或无偿方法向技术开发者或企业用户提供数据存放、分析和科学计算等服务。广义上讲，云计算是指厂商经过建立网络服务集群，向多个用户提供硬件租赁、数据存放、计算分析和在线服务等不一样类型服务。云计算关键服务形式有以亚马逊企业为代表基础设施即服务，以Saleforce为代表平台即服务，和以微软代表软件即服务等。云计算“云”就是存在于互联网服务器集群上服务器资源，包含硬件资源（如服务器、存放器和处理器等）和软件资源（如应用软件、集成开发环境等）。当地终端只需要经过互联网发送一条请求信息，“云端”就会有成千上万计算机为你提供需要资源，并把结果反馈给发送请求终端。每个提供云计算服务企业，其服务器资源分布在相对集中世界上少许多个地方，对资源基础采取集中式存放管理，而资源分配调度采取分布式和虚拟化技术。云计算强调终端功效弱化，经过功效强大“云端”给需要多种服务终端提供支持。如同用电用水一样，我们能够随时随地获取计算、存放等信息服务。1.2 物联网图1所表示是欧盟发展框架7CASAGRAS1工作组给出物联网体系架构，包含感知层、传输层、处理层和应用层4个层次。在感知层中，嵌入有感知器件和射频标签（RFID）物体形成局部网络，协同感知周围环境或本身状态，并对获取感知信息进行初步处理和判决，和依据对应规则主动进行响应，同时，经过多种接入网络把中间或最终处理结果接入到传输层；传输层包含宽带无线网络、光纤网络、蜂窝网络和多种专用网络，在传输大量感知信息同时，对传输信息进行融合等处理；在处理层提供存放和处理功效，表现为多种多样数据中心以中间件形式采取数据挖掘、模式识别和人工智能等技术，提供数据分析、局势判定和控制决议等处理功效。云计算“云端”就在处理层，关键经过数据中心来提供服务；最上层应用层建立不一样领域中多种应用。互联网也能够看成存在类似架构，底层是数据传输网络支撑层，中间是数据中心处理层和上层是多种互联网应用。从层次架构来看，物联网不一样于互联网原因在于它感知层。感知层获取数据特征决定了物联网上层对应要发生部分改变。1.3 海计算物联网含有显著异构性、混杂性和超大规模等特点。异构性表现在不一样制造商、不一样拥有者、不一样类型、不一样等级、不一样范围对象网络共存于物联网中，网络之间在通信协议、信息属性、应用特征等多个方面存在差异性，并形成混杂异构网络或“网中网”形态；混杂性表现在网络形态和组成异构混杂性，多信息源并发混杂性，场景、服务和应用混杂性等多个方面；物联网是物理世界和信息空间深度融合系统，是包含全球人、机、物综合信息系统，其规模之大无所不包。物联网上述特点决定了感知层数据特征，即异构、混杂、大规模实时流感知数据。同时，感知数据还含有一个显著特点就是时空特征，就是感知数据在特定时间和特定空间内才有意义，假如不在这个地点或过了这个时间，数据意义可能就不大了。如中关村大街交通相关信息，这些交通信息经过很多节点实时采集，是大数据量随时间不停采样实时流信息。这些信息谁需要？是在这个区域人车才真正需要了解当初具体拥塞或停车信息等，方便立即掌握交通动态，调整行车路线或停止地方。其它地方大家可能不关心这个区域交通信息，或仅仅只需要了解大约情况，实时性要求也不是很高，如了解中关村大街历史交通信息等。另外，物联网物体之间需要协同交互，对事件立即做出反应，这就需要实时性采集、处理和控制，如在中关村大街上前后行驶两辆车需要实时交互，既要保持通畅行驶，又要经过保持一定车距来确保安全性，这就需要在目前场景下局部空间内车辆之间实时通信和决议处理。为此，我们针对物联网这些数据特征提出了哑铃式存放和计算模式。大量感知信息在采集和使用当地进行存放，经过处理后中间或最终结果存放在互联网上（后端），放到云中数据中心。感知信息预处理、判定和决议等信息处理关键在目前场景下前端完成，必需需要大运算量计算才经过“云端”数据中心来处理。只有这么，才能节省通信带宽，不然网络极难传输这么多感知数据；才能节省存放空间，数据中心再大也难存下实时流原始感知数据，也没有必需存放原始感知数据；才能满足实时性交互处理，假如经过互联网或云计算来做出处理和决定，就不能满足很多实时性应用；更关键是能够满足物联网大规模扩展性。物联网一定是分布式系统，局部空间内高度动态自治管理才有利于扩展性。中科院现在提出“海计算”2这个新计算模式，实质是把智能推向前端。智能化前端含有存放、计算和通信能力，能在局部场景空间内前端之间协同感知和判定决议，对感知事件立即做出响应，含有高度动态自治性。海计算每个“海水滴”就是全球每个物体，它们含有智能，能够帮助感知互动。亿万种物体组成物联网系统，就如同海水滴形成大海一样。1.4 云海结合物联网包含到全球物体（包含人）规模，和其应用需求和感知层数据特征，决定了物联网架构需要“云”和“海”相结合。首先，在局部应用场景中，感知数据存放在局部现场，智能前端在协同感知基础上，经过实时交互共同完成事件判定、决议等处理，立即对事件做出反应。其次，云计算“云”后端提供面向全球存放和处理服务。物联网多种前端把处理中间或最终结果存放到云后端。前端在当地处理过程中，在必需时需要后端存放信息和处理能力支持，立即发送服务请求取得云后端支持。这含有良好扩展性，既满足前端实时交互，又满足全球物体互联互动。 2 物联网体系结构除了获取、承载和处理超海量感知信息这个显著特征外，物联网另一个显著特征就是含有决议和控制功效，能够影响物体周围环境或控制事件进程；就是经过对物理世界感知，对感知信息传输和处理，到对事件判定和决议，再回到控制实施器进行实施动作，从而对事件产生作用来影响事件进程，形成从物理世界到信息空间再到物理世界循环过程。2.1 开放式循环结构物联网形成人机物协调环境系统，包含从感知、传输、处理和控制循环过程。物联网由亿万种物体、设备和人参与形成或和物理环境共存，这些对象之间存在极其复杂关系（或称为关系链）。一个事件往往受到多个原因影响，这些原因本身也是动态改变。如移动车辆在移动过程中所处局部环境含有高度动态性，因为车况、路况、周围车辆、无线接入网络等一直在改变。多个原因均会影响车辆间产生碰撞，造成交通事件，经过智能感知、通信和控制大家能够避免车辆碰撞。这使得物联网信息循环不一样于传统闭环控制，而是开放式循环过程3。物联网开放式循环结构图2所表示。传感设备感知信息包含物理环境信息和物理环境对系统反馈信息，实施器改变物理实体状态和实现系统对物理环境反馈。系统会预先设定控制语义。计算设备对物理信息进行计算和判定，当判定值在控制语义下满足一定触发条件时，控制设备会发送命令给实施器。因为物理环境、感知目标存在混杂性，信息设备存在一定误差，和其状态、行为存在不确定性等，对于循环结构而言，会带来获取感知信息不正确性，和物体控制不可靠性。所以，怎样全方面正确地获取感知信息，和怎样确保控制过程和结果符合设计要求，是开放式循环结构两个关键方面。2.2 智能前端伴随微电子、计算和通信等技术发展，在物体中嵌入微型感知、处理和通信等功效部件成为可能。越来越多物体成为物联网智能前端，带动物联网逐步应用和发展。智能前端兼有感知信息获取、决议操作实施，和很多处理和交互功效，是局部自治环境中终端实体，也是物联网基础单元。下面结合物联网经典应用之一智能交通来说明前端智能化。车辆安全系统能在人工干预或无需人工干预情况下，确保高速车辆安全行驶，是智能交通关键内容。图3所表示是车辆安全协作系统架构4示意图。车辆经过传感器、全球定位系统（GPS）等设备搜集车辆本身和周围环境信息。计算模块中消息产生机制产生车辆状态信息，并经过无线车载网络将状态消息广播给周围车辆。车辆经过专用短距离信道（DSRC）接收邻居车辆状态信息，依据本身和多个邻居车辆状态信息，估计车辆之间及车辆和周围环境之间位置关系，和可能发生碰撞，立即调整车辆操作参数来提升车辆行驶效率和保障安全。图3所表示架构仅仅把车辆状态信息立即广播出去，在车辆多情况下，有可能产生信息传输延迟较大，甚至信息丢失。Fallah5等人考虑无线网络通信状态，给车辆给予更智能功效，图4所表示。和传统车辆安全协作系统架构不一样之处于于，传输控制单元依据无线车载网络信道情况和状态信息，调整发送频率和消息长度，依据本身位置估量模型和实际位置决定是否发送本身位置信息，从而提升了系统鲁棒性和扩展性。2.3 融合系统体系结构体系结构是对系统抽象描述。物联网系统既包含规模庞大智能电网，又包含智能医疗医疗设备。现在世界各国全部在结合具体行业推广物联网应用，离形成全球物联网系统还需要很长时间。提出面向全球物联网、适应多种行业应用体系结构，和下一代互联网体系结构相比，含有更巨大困难和挑战。现在研究人员通常只是从具体行业或小系统去探索物联网体系结构。物联网和物理信息融合系统（CPS）6-9亲密相关，这两个概念现在越来越趋向一致。Tan.Y10等人提出了一个CPS体系结构原型，图5所表示。图5表示了物理世界、信息空间和人感知互动关系，给出了感知事件流、控制信息流步骤。CPS体系结构原型多个组件描述以下：（1）物理世界物理世界包含物理实体（诸如医疗器械、车辆、飞机、发电站）和实体所处物理环境。（2）传感器传感器作为测量物理环境手段，直接和物理环境或现象相关。传感器将相关信息传输到信息世界。 （3）实施器实施器依据来自信息世界命令，改变物理实体设备状态。（4）控制单元基于事件驱动控制单元接收来自传感单元事件和信息世界信息，依据控制规则进行处理。（5）通信机制事件/信息是通信机制抽象元素。事件既能够是传感器表示“原始数据”，也能够是实施器表示“操作”。经过控制单元对事件处理，信息能够抽象地表述物理世界。（6）数据服务器数据服务器为事件产生提供分布式统计方法，事件能够经过传输网络自动转换为数据服务器统计，方便于以后检索。（7）传输网络传输网络包含传感设备、控制设备、实施设备、服务器，和她们之间无线或有线通信设备。3 结束语即使大家提出物联网这个词已经有一段时间，但物联网概念一直在不停发展和演变。从最早传感器网络和基于RFID物体不停被跟踪统计，现已发展到物体智能化，能够协同感知和交互，和全球物体之间深度互联和互动。现在，大家从不一样行业探讨物联网应用，进行“竖井式”研发和推广应用。不过，到跨行业、跨领域，直到全球物体之间互联互动，还有相当长艰苦道路要走，现在只是勾画出人类信息发展一个美好前景。就像互联网改变大家交流方法和商业模式一样，物联网也会改变人、信息空间和和物理世界交互方法。它将大家所在物理世界和虚拟世界桥连起来，实现人和人、人和物、物和物紧密耦合，形成一个智能、绿色、友好世界。物联网需要我们长久研究和探索其中理论和技术问题。4 参考文件1 Coordination and Support Action for Global RFID-Related Activities and Standardization EB/OL。 -01-01。 ict.eu/successstories/s13.pdf.2 孙凝晖， 徐志伟， 李国杰。 海计算：物联网新型计算模型 J。 中国计算机学会通讯， （2）：39-43.3 ASTROM K J， MURRAY R M. 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