參考資料1從云計算到海計算論物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)(精)

1、從云計算到海計算：論物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)2011-02-14 16:29:50 文章來源：OFweek 電子工程網(wǎng)導(dǎo)讀：基于云計算到海計算再到云海結(jié)合，從信息存儲和處理的角度出發(fā)，文章探討了物聯(lián)網(wǎng)承載和處理巨海量信息的方式和結(jié)構(gòu)，以及物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)需要考慮的問題，如開放性式循環(huán)結(jié)構(gòu)和智能終端。o關(guān)鍵字o物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)云計算海計算智能終端 開放式循環(huán)結(jié)構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)全球億萬種物品之間的互連，將不同行業(yè)、不同地域、不同應(yīng)用、不同領(lǐng)域的物理實體按其內(nèi)在關(guān)系緊密地關(guān)聯(lián)在一起，對小到螺絲、鉛筆，大到飛機、輪船等巨量物體進行聯(lián)網(wǎng)與互動。物聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)社會活動和人們生活方式的變革，被預(yù)言為繼互聯(lián)網(wǎng)之后新的全球信息

2、化產(chǎn)業(yè)浪潮，受到各國政府、企業(yè)和學(xué)術(shù)界的廣泛重視。從信息技術(shù)角度看，物聯(lián)網(wǎng)是指具有感知和智能處理能力的可標(biāo)識的物體，基于標(biāo)準(zhǔn)的可互操作的通信協(xié)議，在寬帶移動通信、下一代網(wǎng)絡(luò)和云計算平臺等技術(shù)的支撐下， 獲取和 處理物體自身或周圍環(huán)境的狀態(tài)信息，對事件及其發(fā)展及時做出判斷，提供對物體進行管理和控制的決策依據(jù)，從而形成信息獲取、物體管理和控制的全球性信息系統(tǒng)。物體能夠在人類直接干預(yù)或無需人工干預(yù)條件下感知事件、觸發(fā)動作和生成服務(wù)，通過協(xié)同的感知和互動來影響甚至控制事件向有利的方向發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)充分體現(xiàn)了物理世界和信息空間的深度融 合，使人類可以融入到一體化的智能生態(tài)環(huán)境中，實現(xiàn)人、機、物的協(xié)同統(tǒng)一。

3、作為嶄新的綜合性信息系統(tǒng)，物聯(lián)網(wǎng)并不是單純的網(wǎng)絡(luò)概念，它包括信息的感知、傳輸、處理決策、服務(wù)等多個方面，呈現(xiàn)出自身顯著的特點。首先是對客觀物理世界的全面感知， 它不僅表現(xiàn)在對單一的現(xiàn)象或目標(biāo)進行多方面的觀察獲得綜合的感知數(shù)據(jù)，也表現(xiàn)在對現(xiàn)實世界各種物體現(xiàn)象的普遍感知；其次是物聯(lián)網(wǎng)實體間的泛在互聯(lián)，表現(xiàn)在各種物體經(jīng)由多種接入模式實現(xiàn)異構(gòu)互聯(lián)，也突出表現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)不僅包括互聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)等公共網(wǎng)絡(luò)，還包括電網(wǎng)和交通網(wǎng)等專用網(wǎng)絡(luò)，錯綜復(fù)雜，形成網(wǎng)中網(wǎng)”的形態(tài)；第三是智慧的信息處理和決策， 它體現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)中從感知到傳輸?shù)經(jīng)Q策應(yīng)用的信息流，并最終為控制提供支持， 也廣泛體現(xiàn)出物聯(lián)網(wǎng)中大量的物體和物體之間的關(guān)

4、聯(lián)和互動。物體互動經(jīng)過從物理空間到信息空間，再到物理空間的過程，形成感知、傳輸、決策、控制的開放式的循環(huán)。物聯(lián)網(wǎng)不同于感知信息收集的 傳感器網(wǎng)絡(luò)，也不同于信息傳輸?shù)幕ヂ?lián)網(wǎng)。它包含億萬種 多樣的物體，承載和處理巨海量的感知信息，容納各種模式的接入和通信模式，實現(xiàn)從感知、 處理到控制的循環(huán)過程。其系統(tǒng)架構(gòu)如何構(gòu)成，采用什么樣的體系結(jié)構(gòu)，現(xiàn)已成為物聯(lián)網(wǎng)研 究的核心問題之一。1 從云計算到海計算1.1 云計算云計算是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展帶來的一種新型計算和服務(wù)模式，它是通過分布式計算和虛擬化技術(shù)建設(shè)數(shù)據(jù)中心或超級 計算機，以租賃或免費方式向技術(shù)開發(fā)者或企業(yè)客戶提供數(shù)據(jù)存儲、 分析以及科學(xué)計算等服務(wù)。廣義上講，云

5、計算是指廠商通過建立網(wǎng)絡(luò)服務(wù)集群，向多種客戶提供硬件租賃、數(shù)據(jù)存儲、計算分析和在線服務(wù)等不同類型的服務(wù)。云計算的主要服務(wù)形式有以亞馬遜公司為代表的基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)，以Saleforce 為代表的平臺即服務(wù)，以及以微軟代表的軟件即服務(wù)等。云計算的 云”就是存在于互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)器集群上的服務(wù)器資源，包括硬件資源（如服務(wù) 器、存儲器和處理器等）和軟件資源（如應(yīng)用軟件、集成開發(fā)環(huán)境等）。本地終端只需要通 過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送一條請求信息，云端”就會有成千上萬的計算機為你提供需要的資源，并把結(jié)果反饋給發(fā)送請求的終端。 每個提供云計算服務(wù)的公司， 其服務(wù)器資源分布在相對集中的世界上少量幾個地方，對資源基本采用集中式的

6、存放管理，而資源的分配調(diào)度采用分布式和虛擬化技術(shù)。云計算強調(diào)終端功能的弱化，通過功能強大的云端”給需要各種服務(wù)的終端提供支持。如同用電用水一樣，我們可以隨時隨地獲取計算、存儲等信息服務(wù)。1.2 物聯(lián)網(wǎng)圖 1 所示是歐盟發(fā)展框架 7 的 CASAGRAS : 1 工作組給出的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，包括 感知層、傳輸層、處理層和應(yīng)用層 4 個層次。在感知層中，嵌入有感知器件和 射頻標(biāo)簽（RFID ） 的物體形成局部網(wǎng)絡(luò)，協(xié)同感知周圍環(huán)境或自身狀態(tài)，并對獲取的感知信息進行初步處理和 判決，以及根據(jù)相應(yīng)規(guī)則積極進行響應(yīng)，同時，通過各種接入網(wǎng)絡(luò)把中間或最終處理結(jié)果接入到傳輸層；傳輸層包括寬帶 無線網(wǎng)絡(luò)、光纖網(wǎng)

7、絡(luò)、蜂窩網(wǎng)絡(luò)和各種專用網(wǎng)絡(luò)，在傳輸大量 感知信息的同時，對傳輸?shù)男畔⑦M行融合等處理；在處理層提供存儲和處理功能，表現(xiàn)為各種各樣的數(shù)據(jù)中心以中間件的形式采用數(shù)據(jù)挖掘、模式識別和人工智能等技術(shù)，提供數(shù)據(jù)分析、局勢判斷和控制決策等處理功能。云計算的云端”就在處理層，主要通過數(shù)據(jù)中心來提供服務(wù)；最上層的應(yīng)用層建立不同領(lǐng)域中的各種應(yīng)用。圖1物聯(lián)阿怖翳架構(gòu)互聯(lián)網(wǎng)也可以看成存在類似的架構(gòu)， 底層是數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)支撐層， 中間是數(shù)據(jù)中心的 處理層和上層是各種互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。 從層次架構(gòu)來看， 物聯(lián)網(wǎng)不同于互聯(lián)網(wǎng)的原因在于它的感 知層。感知層獲取數(shù)據(jù)的特性決定了物聯(lián)網(wǎng)的上層相應(yīng)要發(fā)生一些變化。1.3 海計算物聯(lián)網(wǎng)具

8、有顯著的異構(gòu)性、 混雜性和超大規(guī)模等特點。 異構(gòu)性表現(xiàn)在不同制造商、 不同 擁有者、不同類型、 不同級別、 不同范疇的對象網(wǎng)絡(luò)共存于物聯(lián)網(wǎng)中， 網(wǎng)絡(luò)之間在通信協(xié)議、 信息屬性、應(yīng)用特征等多個方面存在差異性，并形成混雜的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)或 “網(wǎng)中網(wǎng) ”形態(tài)；混雜 性表現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)形態(tài)和組成的異構(gòu)混雜性， 多信息源的并發(fā)混雜性， 場景、 服務(wù)和應(yīng)用的混雜 性等多個方面； 物聯(lián)網(wǎng)是物理世界與信息空間的深度融合系統(tǒng)，是涉及全球的人、 機、物的 綜合信息系統(tǒng)，其規(guī)模之大無所不包。物聯(lián)網(wǎng)的上述特點決定了感知層數(shù)據(jù)的特性， 即異構(gòu)的、 混雜的、 大規(guī)模的實時流感知 數(shù)據(jù)。 同時，感知數(shù)據(jù)還具有一個顯著特點就是時空特性，

9、就是感知數(shù)據(jù)在特定時間和特定空間內(nèi)才有意義， 如果不在這個地點或過了這個時間， 數(shù)據(jù)的意義可能就不大了。 如中關(guān)村 大街的交通相關(guān)信息， 這些交通信息通過很多節(jié)點實時采集， 是大數(shù)據(jù)量的隨時間不斷采樣 的實時流信息。 這些信息誰需要？是在這個區(qū)域的人車才真正需要了解當(dāng)時的詳細擁塞或停 車信息等， 以便及時掌握交通動態(tài)， 調(diào)整行車路線或停止地方。 其他地方的人們可能不關(guān)心 這個區(qū)域的交通信息， 或僅僅只需要了解大概情況， 實時性要求也不是很高， 如了解中關(guān)村 大街的歷史交通信息等。 另外， 物聯(lián)網(wǎng)的物體之間需要協(xié)同交互， 對事件及時做出反應(yīng)，這 就需要實時性采集、 處理和控制， 如在中關(guān)村大街上

10、前后行駛的兩輛車需要實時交互， 既要 保持暢通行駛， 又要通過保持一定的車距來保證安全性， 這就需要在當(dāng)前場景下局部空間內(nèi) 車輛之間實時通信和決策處理。為此， 我們針對物聯(lián)網(wǎng)這些數(shù)據(jù)的特性提出了啞鈴式的存儲和計算模式。 大量的感知信 息在采集和使用的本地進行存儲，經(jīng)過處理后的中間或最后結(jié)果存儲在互聯(lián)網(wǎng)上（后端）， 放到云中的數(shù)據(jù)中心。感知信息的預(yù)處理、 判斷和決策等信息處理主要在當(dāng)前場景下的前端 完成，必要的需要大運算量的計算才通過 “云端 ”的數(shù)據(jù)中心來處理。只有這樣，才能節(jié)省通 信帶寬， 否則網(wǎng)絡(luò)很難傳輸這么多的感知數(shù)據(jù)； 才能節(jié)省存儲空間， 數(shù)據(jù)中心再大也難存下 實時流的原始感知數(shù)據(jù)，

11、也沒有必要存儲原始感知數(shù)據(jù)； 才能滿足實時性的交互處理， 如果 通過互聯(lián)網(wǎng)或云計算來做出處理和決定， 就不能滿足很多實時性的應(yīng)用； 更重要的是能夠滿 足物聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模的擴展性。 物聯(lián)網(wǎng)一定是分布式的系統(tǒng)， 局部空間內(nèi)的高度動態(tài)自治管理 才有利于擴展性。中科院現(xiàn)在提出 “海計算 ” 2這個新的計算模式，實質(zhì)是把智能推向前端。智能化的 前端具有存儲、 計算和通信能力， 能在局部場景空間內(nèi)前端之間協(xié)同感知和判斷決策， 對感 知事件及時做出響應(yīng)， 具有高度的動態(tài)自治性。 海計算的每個 “海水滴 ”就是全球的每個物體， 它們具有智能， 能夠協(xié)助感知互動。 億萬種物體組成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)， 就如同海水滴形成大海

12、一 樣。1.4 云海結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)涉及到全球的物體（包括人）規(guī)模，以及其應(yīng)用需求和感知層數(shù)據(jù)的特性，決定了物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)需要 云”和?！毕嘟Y(jié)合。一方面，在局部應(yīng)用場景中，感知數(shù)據(jù)存儲在局部 現(xiàn)場，智能前端在協(xié)同感知的基礎(chǔ)上，通過實時交互共同完成事件判斷、決策等處理，及時對事件做出反應(yīng)。另一方面，云計算的云”的后端提供面向全球的存儲和處理服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)的各種前端把處理的中間或最后結(jié)果存儲到云的后端。前端在本地處理過程中，在必要時需要后端的存儲信息和處理能力的支持，及時發(fā)送服務(wù)請求獲得云的后端支持。這具有良好的擴展性，既滿足前端實時交互，又滿足全球物體的互聯(lián)互動。2 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)除了獲取、承載和處理超海

13、量的感知信息這個顯著特征外，物聯(lián)網(wǎng)的另一個顯著特征就是具有決策和控制功能， 能夠影響物體周圍的環(huán)境或控制事件的進程；就是通過對物理世界的感知，對感知信息的傳輸和處理，到對事件的判斷和決策，再回到控制執(zhí)行器進行執(zhí)行動 作，從而對事件產(chǎn)生作用來影響事件的進程，形成從物理世界到信息空間再到物理世界的循環(huán)過程。2.1 開放式循環(huán)結(jié)構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)形成人機物的協(xié)調(diào)環(huán)境系統(tǒng)，包含從感知、傳輸、處理和控制的循環(huán)過程。物聯(lián)網(wǎng)由億萬種物體、設(shè)備和人參與形成或與物理環(huán)境共存，這些對象之間存在極其復(fù)雜的關(guān)系（或稱為關(guān)系鏈）。一個事件往往受到多種因素影響，這些因素本身也是動態(tài)變化的。如移動車輛在移動過程中所處局部環(huán)境具有高度

14、動態(tài)性，因為車況、路況、周圍車輛、無線接入 網(wǎng)絡(luò)等一直在變化。多種因素均會影響車輛間產(chǎn)生碰撞，造成交通事件，通過智能的感知、 通信和控制人們可以避免車輛碰撞。這使得物聯(lián)網(wǎng)的信息循環(huán)不同于傳統(tǒng)的閉環(huán)控制，而是開放式的循環(huán)過程】3 。物聯(lián)網(wǎng)開放式循環(huán)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。傳感設(shè)備的感知信息包括物理環(huán)境的信息和物理環(huán)境對系統(tǒng)的反饋信息，執(zhí)行器改變物理實體狀態(tài)和實現(xiàn)系統(tǒng)對物理環(huán)境的反饋。系統(tǒng)會預(yù)先設(shè)定控制語義。計算設(shè)備對物理信息進行計算和判斷，當(dāng)判斷值在控制語義下滿足一定的觸發(fā)條件時，控制設(shè)備會發(fā)送命令給執(zhí)行器。A02物聯(lián)面開放式循環(huán)第構(gòu)由于物理環(huán)境、感知目標(biāo)存在混雜性，信息設(shè)備存在一定的誤差，以及其狀態(tài)

15、、行為存在不確定性等，對于循環(huán)結(jié)構(gòu)而言， 會帶來獲取的感知信息的不準(zhǔn)確性，以及物體控制的不可靠性。因此，如何全面準(zhǔn)確地獲取感知信息，以及如何保證控制過程和結(jié)果符合設(shè)計要求,是開放式循環(huán)結(jié)構(gòu)的兩個重要方面。2.2 智能前端隨著微電子、計算和通信等技術(shù)的發(fā)展，在物體中嵌入微型的感知、處理和通信等功能 部件成為可能。越來越多的物體成為物聯(lián)網(wǎng)的智能前端，帶動物聯(lián)網(wǎng)逐步應(yīng)用和發(fā)展。智能前端兼有感知信息的獲取、決策操作的執(zhí)行，以及諸多的處理和交互功能，是局部自治環(huán)境中的終端實體，也是物聯(lián)網(wǎng)的基本單元。下面結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用之一智能交通來說明前端的智能化。車輛安全系統(tǒng)能在人工干預(yù)或無需人工干預(yù)情況下，保證

16、高速車輛的安全行駛，是智能交通的核心內(nèi)容。圖3 所示是車輛安全協(xié)作系統(tǒng)架構(gòu)4示意圖。車輛通過傳感器、全球定位系統(tǒng)（GPS ）等設(shè)備收集車輛自身與周圍環(huán)境的信息。計算模塊中的消息產(chǎn)生機制產(chǎn)生車輛狀態(tài)信息，并通過無線車載網(wǎng)絡(luò)將狀態(tài)消息廣播給周圍車輛。車輛通過專用短距離信道（DSRC ）接收鄰居車輛的狀態(tài)信息，根據(jù)自身和多個鄰居車輛的狀態(tài)信息，預(yù)測車輛之間及車輛與周圍環(huán)境之間的位置關(guān)系，以及可能發(fā)生的碰撞，及時調(diào)整車輛操作參數(shù)來提高車輛行駛的效率和保障安全。車輛安全協(xié)議果統(tǒng)衆(zhòng)構(gòu)圖 3 所示的架構(gòu)僅僅把車輛狀態(tài)信息及時廣播出去，在車輛多的情況下，有可能產(chǎn)生信息傳輸延遲較大，甚至信息丟失。Fallah

17、:5等人考慮無線網(wǎng)絡(luò)的通信狀態(tài)，給車輛賦予更智能的功能，如圖 4 所示。與傳統(tǒng)的車輛安全協(xié)作系統(tǒng)架構(gòu)不同之處在于，傳輸控制 單元根據(jù)無線車載網(wǎng)絡(luò)的信道情況和狀態(tài)信息，調(diào)整發(fā)送的頻率和消息長度，根據(jù)自身位置估計模型和實際位置決定是否發(fā)送自身位置信息，從而提高了系統(tǒng)的魯棒性和擴展性。軍紀(jì)fl壞嵐佶用產(chǎn)弄面b湍c：專用鬆逅蹟信迫2.3 融合系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)是對系統(tǒng)的抽象描述。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)既涉及規(guī)模龐大的智能電網(wǎng)，又包含智能醫(yī) 療的醫(yī)療設(shè)備。目前世界各國都在結(jié)合具體行業(yè)推廣物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，離形成全球的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)還需要非常長的時間。提出面向全球物聯(lián)網(wǎng)、適應(yīng)各種行業(yè)應(yīng)用的體系結(jié)構(gòu)，與下一代互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)相

18、比，具有更巨大的困難和挑戰(zhàn)?，F(xiàn)在研究人員通常只是從具體行業(yè)或小的系 統(tǒng)去探索物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)。物聯(lián)網(wǎng)與物理信息融合系統(tǒng)（ CPS ） 6-9 密切相關(guān)， 這兩個概念目前越來越趨向一 致。Tan.Y 10等人提出了一種 CPS 體系結(jié)構(gòu)的原型，如圖 5 所示。圖 5 表示了物理世 界、信息空間和人的感知的互動關(guān)系，給出了感知事件流、控制信息流的流程。竺世空字増閤4更旨能化的 車輛穽全協(xié)諫系斷架構(gòu)用戶弄面用戶弄面軍涵啟息廉鞘1軍涵啟息廉鞘內(nèi)理信遠度頂內(nèi)理信遠度頂D沖C；奇用趙3&蹋佶7慚理世界信息處理館理世界CPS 體系結(jié)構(gòu)原型的幾個組件描述如下：（1 ）物理世界物理世界包括物理實體 （諸

19、如醫(yī)療器械、車輛、飛機、發(fā)電站）和實體所處的物理環(huán)境。（2）傳感器傳感器作為測量物理環(huán)境的手段，直接和物理環(huán)境或現(xiàn)象相關(guān)。傳感器將相關(guān)的信息傳 輸?shù)叫畔⑹澜?。?）執(zhí)行器執(zhí)行器根據(jù)來自信息世界的命令，改變物理實體設(shè)備狀態(tài)。（4 ）控制單元基于事件驅(qū)動的控制單元接受來自傳感單元的事件和信息世界的信息，根據(jù)控制規(guī)則進行處理。（5 ）通信機制事件/信息是通信機制的抽象元素。事件既可以是傳感器表示的原始數(shù)據(jù)”，也可以是執(zhí)行器表示的 操作”。通過控制單元對事件的處理，信息可以抽象地表述物理世界。（6）數(shù)據(jù)服務(wù)器數(shù)據(jù)服務(wù)器為事件的產(chǎn)生提供分布式的記錄方式，事件可以通過傳輸網(wǎng)絡(luò)自動轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)服務(wù)器的記錄，以

20、便于以后檢索。（7 ）傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸網(wǎng)絡(luò)包括傳感設(shè)備、控制設(shè)備、執(zhí)行設(shè)備、服務(wù)器，以及他們之間的無線或有線通信設(shè)備。3 結(jié)束語雖然人們提出物聯(lián)網(wǎng)這個詞已有一段時間，但物聯(lián)網(wǎng)的概念一直在不斷的發(fā)展和演變。從最早的傳感器網(wǎng)絡(luò)和基于RFID 的物體不斷被跟蹤記錄， 現(xiàn)已發(fā)展到物體的智能化， 能夠協(xié)同感知和交互，以及全球物體之間的深度互聯(lián)和互動。目前，人們從不同行業(yè)探討物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，進行 豎井式”的研發(fā)和推廣應(yīng)用。但是，到跨行業(yè)、跨領(lǐng)域，直到全球物體之間的 互聯(lián)互動，還有相當(dāng)長的艱苦道路要走，現(xiàn)在只是勾畫出人類信息發(fā)展的一個美好前景。就像互聯(lián)網(wǎng)改變?nèi)藗兊慕涣鞣绞胶蜕虡I(yè)模式一樣， 物聯(lián)網(wǎng)也會改變?nèi)恕?信息

21、空間和和物 理世界的交互方式。 它將人們所在物理世界和虛擬世界橋連起來， 實現(xiàn)人與人、人與物、物 與物的緊密耦合，形成一個智能、綠色、 和諧的世界。物聯(lián)網(wǎng)需要我們長期研究和探索其中 的理論和技術(shù)問題。4 參考文獻 1 Coordination and Support Action for Global RFID-Related Activities and Standardization EB/OL 。 2008-01-01 。http:/www.eeca- ict.eu/successstories/s13.pdf. 2 孫凝暉， 徐志偉， 李國杰。 海計算：物聯(lián)網(wǎng)的新型計算模型J。 中國計

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