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(luò)——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(jìn)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(shù)的支持。

近年來，在信息技術(shù)領(lǐng)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(yīng)用。云計算的成功應(yīng)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(dāng)用戶發(fā)出搜索請求時，可以并行地從數(shù)千臺計算機(jī)上發(fā)起搜索并進(jìn)行排名，將結(jié)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(kuò)展性等特點正是物聯(lián)網(wǎng)規(guī)?；⒅悄芑l(fā)展所需的技術(shù)。

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(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)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(luò)。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(chǔ)仍是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)，其用戶端延伸和擴(kuò)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(yīng)用領(lǐng)域從面向企業(yè)的智能交通、電力抄表等擴(kuò)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(quán)威咨詢機(jī)構(gòu)Forrester預(yù)測，到2020年，世界上物物互聯(lián)的業(yè)務(wù)，跟人與人通信的業(yè)務(wù)相比，將達(dá)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(wù)。

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(yīng)用等領(lǐng)域，其中涉及的技術(shù)包括RFID射頻識別、傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)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(kuò)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(wù)。虛擬化、彈性規(guī)模擴(kuò)展、分布式存儲、分布式計算和多租戶是云計算的關(guān)鍵技術(shù)。

（1）虛擬化技術(shù)

虛擬化技術(shù)將物理資源進(jìn)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(xì)節(jié)。虛擬化技術(shù)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(yīng)用虛擬化等。

（2）彈性規(guī)模擴(kuò)展技術(shù)

云計算提供了一個巨大的資源池，而應(yīng)用的使用又有不同的負(fù)載周期，根據(jù)負(fù)載對應(yīng)用的資源進(jìn)行動態(tài)伸縮（即高負(fù)載時動態(tài)擴(kuò)展資源，低負(fù)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(shù)為不同的應(yīng)用架構(gòu)設(shè)定不同的集群類型，每一種集群類型都有特定的擴(kuò)展方式，然后通過監(jiān)控負(fù)載的動態(tài)變化，自動為應(yīng)用集群增加或者減少資源。

（3）分布式存儲技術(shù)

分布式存儲的目標(biāo)是利用云環(huán)境中多臺服務(wù)器的存儲資源來滿足單臺服務(wù)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(wù)，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(shù)

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(wù)分成很多細(xì)粒度的子任務(wù)，這些子任務(wù)分布式地在多個計算節(jié)點上進(jìn)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(shù)

多租戶技術(shù)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?wù)進(jìn)行客戶化配置，而不影響其他用戶的使用。多租戶技術(shù)的核心包括數(shù)據(jù)隔離、客戶化配置、架構(gòu)擴(kuò)展和性能定制。

3 電信網(wǎng)主導(dǎo)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(jié)構(gòu)，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(jī)”。感知單元是“鍵盤、鼠標(biāo)”，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(biāo)簽或傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中的存儲設(shè)備，存儲單元保存采集到的各種信息（如溫度、濕度、電子標(biāo)簽編碼等）以及這些信息的處理結(jié)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(fù)責(zé)對信息進(jìn)行集中大規(guī)?？焖偬幚砗头治?，發(fā)送指令，進(jìn)行指揮調(diào)度；展現(xiàn)單元是“顯示器”，通過電腦、手機(jī)或其他設(shè)備進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)信息的展現(xiàn)。

在物聯(lián)網(wǎng)“超級計算機(jī)”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(shù)，將感知單元與計算控制單元、展現(xiàn)單元、存儲單元關(guān)聯(lián)起來。由隨機(jī)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(gòu)成的傳感網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)作用。實際上，在當(dāng)前傳感網(wǎng)絡(luò)還處于發(fā)展起步階段，不具規(guī)模效應(yīng)前，電信運營商應(yīng)利用已有的技術(shù)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(dǎo)物聯(lián)網(wǎng)未來的發(fā)展。

4 物聯(lián)網(wǎng)運營平臺建設(shè)需求

電信運營商要主導(dǎo)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(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)運營平臺，作為無線傳感網(wǎng)絡(luò)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(wù)。物聯(lián)網(wǎng)運營平臺需具備以下功能。

（1）業(yè)務(wù)受理、開通、計費功能

要成為物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的服務(wù)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(yīng)用提供商的運營服務(wù)體系，包括組織、流程、產(chǎn)品、支撐系統(tǒng)，其中支撐系統(tǒng)應(yīng)具備業(yè)務(wù)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(wù)。對于電信運營商來說，現(xiàn)有的電信業(yè)務(wù)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(yīng)改造即可，當(dāng)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(luò)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(biāo)識，分配一個IP地址，接入電信運營商網(wǎng)絡(luò)，數(shù)以億計的傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點需要進(jìn)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(yuǎn)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(luò)拓?fù)湔宫F(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(luò)采集傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上的物品感知信息，進(jìn)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(yīng)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(yīng)能根據(jù)每輛車的位置和時間信息進(jìn)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(yīng)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(wù)，這些應(yīng)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(yīng)用集成

不同行業(yè)的業(yè)務(wù)規(guī)則和流程不同，其應(yīng)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(yīng)用中，需要根據(jù)大氣環(huán)境監(jiān)測設(shè)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(biāo)計算規(guī)則進(jìn)行分析計算，得出分析結(jié)果，展現(xiàn)到監(jiān)控中心計算機(jī)或監(jiān)控人員手機(jī)上；而在電力抄表應(yīng)用中，對于采集到的用戶電表讀數(shù)，將會用于計算當(dāng)月用電量和電費，生成電費賬單，進(jìn)而支持收費銷賬。不同行業(yè)應(yīng)用的性能需求也不相同，有些是大流量高帶寬應(yīng)用（如視頻監(jiān)控類業(yè)務(wù)），有些是小流量低頻次非實時應(yīng)用（如水質(zhì)監(jiān)測），有些是高頻次小流量應(yīng)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(yīng)用的集成能力，并且能夠滿足不同行業(yè)應(yīng)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(gòu)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(shè)備在不同時間采集的海量信息，并對這些信息進(jìn)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(fù)載變化大

有些行業(yè)應(yīng)用的峰值負(fù)載、閑時負(fù)載和正常負(fù)載之間差距明顯，例如無線POS刷卡應(yīng)用在白天較忙，而在夜晚較空閑。不同行業(yè)應(yīng)用的資源負(fù)載不同，例如低頻次應(yīng)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(yīng)用會要求30 s采集、處理一次數(shù)據(jù)。另外，同一行業(yè)應(yīng)用由于是面向多個用戶提供服務(wù)的，因此存在負(fù)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(wù)方式提供計算能力

雖然不同行業(yè)應(yīng)用的業(yè)務(wù)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(jìn)行分析處理，因此可以將這部分功能從行業(yè)密切相關(guān)的流程中剝離出來，包裝成面向不同行業(yè)的服務(wù)，以平臺服務(wù)方式提供給客戶，客戶只要滿足服務(wù)接口要求，就能享受到這些服務(wù)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(wù)接口，行業(yè)應(yīng)用調(diào)用這個接口就能夠獲得監(jiān)控數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

5.2 物聯(lián)網(wǎng)運營云平臺體系架構(gòu)設(shè)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(shù)構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)運營平臺?；谠朴嬎愕奈锫?lián)網(wǎng)運營平臺主要包括如下幾個部分。

（1）云基礎(chǔ)設(shè)施

通過引入物理資源虛擬化技術(shù)，使得物聯(lián)網(wǎng)運營平臺上運行的不同行業(yè)應(yīng)用以及同一行業(yè)應(yīng)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(shè)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(jìn)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(wù)質(zhì)量。

引入服務(wù)器集群技術(shù)，將一組服務(wù)器關(guān)聯(lián)起來，使它們在外界從很多方面看起來如同一臺服務(wù)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(luò)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(shù)，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(shù)，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(shù)將一個任務(wù)分解成多個任務(wù)，分布執(zhí)行，然后把處理結(jié)果進(jìn)行匯總。在具體實現(xiàn)時，需要根據(jù)不同行業(yè)應(yīng)用的特點進(jìn)行具體分析，將行業(yè)應(yīng)用中的計算功能從其業(yè)務(wù)流程中剝離出來，設(shè)計針對不同行業(yè)的計算模型，然后包裝成服務(wù)提供給云應(yīng)用調(diào)用，這樣既實現(xiàn)了接入云平臺的行業(yè)應(yīng)用接口的標(biāo)準(zhǔn)化，又能為行業(yè)應(yīng)用提供高性能計算能力。

（3）云應(yīng)用

云應(yīng)用實現(xiàn)了行業(yè)應(yīng)用的業(yè)務(wù)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(yīng)用，但在技術(shù)上應(yīng)通過應(yīng)用虛擬化技術(shù)，實現(xiàn)多租戶，讓一個物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)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(jī)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(wù)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(gòu)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(yīng)用還未大規(guī)模普及的情況下，電信運營商在建設(shè)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(luò)節(jié)點配置和監(jiān)控功能入手，與傳感器廠商、行業(yè)應(yīng)用廠商共同配合，為客戶提供物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。在這個階段，可以將物聯(lián)網(wǎng)運營平臺部署在云基礎(chǔ)設(shè)施上，實現(xiàn)資源的虛擬化和彈性伸縮，從而在小規(guī)模應(yīng)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(luò)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(shù)實現(xiàn)行業(yè)計算模型，包裝成對外服務(wù)；同時與行業(yè)應(yīng)用提供商合作，由行業(yè)應(yīng)用提供商按云平臺接口標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)云應(yīng)用，集成到云平臺上，形成物聯(lián)網(wǎng)運營平臺的平臺服務(wù)化和應(yīng)用服務(wù)化雛形。

最后，不斷拓展云應(yīng)用的行業(yè)領(lǐng)域，優(yōu)化云平臺服務(wù)和計算模型，提升云管理能力，以增強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)運營平臺應(yīng)對業(yè)務(wù)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(yīng)用和用戶的規(guī)模越大，構(gòu)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(jié)束語

本文提出的物聯(lián)網(wǎng)運營平臺架構(gòu)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)?；l(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(shè)，將讓電信運營商從提供簡單的網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)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(jìn)路徑.電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2009（12）

3 沈蘇彬，范曲立，宗平等.物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)與相關(guān)技術(shù)研究.南京郵電大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009，29（6）

4 李超.云計算理論及技術(shù)研究進(jìn)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(guān)鍵”.通信世界,2010（7）

6 曹魯.初探云計算與物聯(lián)網(wǎng)的“藍(lán)?！?通信世界,2010（7）