物联网与云计算、海计算的关系

[导读]摘 要:通过物联网能够实现全球亿万种物品之间的互连,将不同行业、不同地域、不同应用、不同 领域的物理实体按其内在关系紧密地关联在一起,从而对小到螺丝、铅笔,大到飞机、轮船等巨量物体进行 联网与互动。物联网能够实现社会活动和人们生活方式的变革,因而被预言为继互联网之后新的全球信息化 产业浪潮,并因此受到各国政府、企业和学术界的广泛重视。

从信息技术角度看,物联网是能够把具有感知和 智能处理能力的可标识物体,用基于标准的可互操作 的通信协议,在宽带移动通信、下一代网络和云计算 平台等技术支撑下,获取和处理物体自身或周围环境 的状态信息,对事件及其发展及时做出判断,提供对 物体进行管理和控制的决策依据,从而形成信息获取、 物体管理和控制的全球性信息系统。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,通过协同的感知和互动来影响甚至控制 事件向有利的方向发展。物联网充分体现了物理世界 和信息空间的深度融合,使人类可以融入到一体化的 智能生态环境中,实现人、机、物的协同统一。

作为崭新的综合性信息系统,物联网并不是单纯 的,它包括信息的感知、传输、处理决策、服务等多 个方面,呈现出自身显著的特点。首先是对客观物理 世界的全面感知,它不仅表现在对单一的现象或目标 进行多方面的观察获得综合的感知数据,也表现在 对现实世界各种物体现象的普遍感知;其次是物联网 实体间的泛在互联,表现在各种物体经由多种接入模 式实现异构互联,也突出表现在物联网不仅包括互联 网、电信网等公共网络,还包括电网和交通网等专用 网络,错综复杂,形成“网中网”的形态;第三是智 慧的信息处理和决策,它体现在物联网中从感知到传 输到决策应用的信息流,并最终为控制提供支持,也 广泛体现出物联网中大量的物体和物体之间的关联和 互动。物体互动经过从物理空间到信息空间,再到物 理空间的过程,形成感知、传输、决策、控制的开放 式的循环。

物联网不同于感知信息收集的传感器网络,也 不同于信息传输的互联网。它包含亿万种多样的物体, 承载和处理巨海量的感知信息,容纳各种模式的接 入和通信模式,实现从感知、处理到控制的循环过程。 其系统架构如何构成,采用什么样的体系结构,现已 成为物联网研究的核心问题之一。

1  物联网和云计算

工信部电子工业标准化研究所张辉介绍,目前大 部分人士都认同将物联网分成三个层次,一个是应用 层,还有一个网络层,还有感知层。未来的物联网应 该是一个由云+端组成的庞大网络,随着传感器网络 大规模部署,各种终端就像蓝海一样,分布到各种各 样基础设施上收集信息,再通过各种网络将这些信息 发送到云端进行计算和处理,经过计算和处理的信息 最后到了应用层为不同的领域各种各样行的支撑服务。

人类通过各种信息感应、探测、识别、定位、跟 踪和监控等手段和设备来实现对物理世界的“感、知、 控”,这一环节称为物联网的“前端”;而基于互联网 计算的涌现智能以及对物理世界的反馈和控制称为物

联网的“后端”当下无论学术界还是工业界,目光普 遍聚焦在物联网的“前端”,但物联网的“后端”也同 样重要。从“后端”看,物联网可以看作是一个基于 互联网的、以提高物理世界的运行、管理、资源使用 效率等水平为目标的大规模信息系统。该系统具备实 时感应、高度并发、自主协同和涌现效应等特征。

云计算为众多用户提供了一种新的、高效率的计 算模式,兼有互联网服务的便利、廉价和大型机的 能力。它的目的是将资源集中于互联网上的数据中心, 由这种云中心提供应用层、平台层和基础设施层的集 中服务,以解决传统IT系统零散性带来的低效率问题。 云计算是信息化发展进程中的一个阶段,强调信息资 源的聚集、优化、动态分配和回收,旨在节约信息化 成本、降低能耗、减轻用户信息化的负担,提高数据 中心的效率。云计算出现的初衷是解决特定大规模数 据处理问题,因此它被业界认为是支撑物联网“后端” 的最佳选择,云计算为物联网提供后端处理能力与应 用平台。笔者认为物联网“后端”建设应从互联和行 业云做起。在研究全面和理想化战略体系的同时,应 充分利用良好的前期基础,重视价值牵引作用,在特 定领域的典型应用和行业云上有所突破。

云计算是互联网发展带来的一种新型计算和服 务模式,它是通过分布式计算和虚拟化技术建设数据 中心或超级计算机,以租赁或免费方式向技术开发者 或企业客户提供数据存储、分析以及科学计算等服 务。广义上讲,云计算是指厂商通过建立网络服务集群, 向多种客户提供硬件租赁、数据存储、计算分析和在 线服务等不同类型的服务。云计算的主要服务形式有 以亚马逊公司为代表的基础设施即服务,以Saleforce 为代表的平台即服务,以及以微软代表的软件即服务等。

云计算的“云”就是存在于互联网的服务器集群 上的服务器资源,包括硬件资源(如服务器、存储器 和处理器等)和软件资源(如应用软件、集成开发环 境等)。本地终端只需要通过互联网发送一条请求信息, “云端”就会有成千上万的计算机为你提供需要的资 源,并把结果反馈给发送请求的终端。每个提供云计 算服务的公司,其服务器资源分布在相对集中的世界 上少量几个地方,对资源基本采用集中式的存放管理, 而资源的分配调度采用分布式和虚拟化技术。云计算 强调终端功能的弱化,通过功能强大的“云端”给需 要各种服务的终端提供支持。如同用电用水一样,我 们可以随时随地获取计算、存储等信息服务。

2  物联网和海计算

海计算(Sea Computing)就是通过在物理世界 的物体中融入计算与通信设备以及智能算法,让物与 物之间能够互连,在事先无法预知的场景中进行判断, 实现物与物之间的交互作用。海计算一方面可通过强 化融入在各物体中的信息装置,实现物体与信息装置 的紧密融合,从而有效地获取物质世界信息;另一方 面,可通过强化海量的独立个体之间的局部即时交互 和分布式智能,使物体具备自组织、自计算、自反馈 的海计算功能。海计算的本质是物与物之间的智能交 流,实现物与物之间的交互。云计算是服务器端的计 算模式,而海计算代表终端的大千世界,海计算是物 理世界各物体之间的计算模式。

简言之,海计算模式倡导由多个融入了信息装置、 具有一定自主性的物体,通过局部交互而形成具有群 体智能的物联网系统。该系统具有以下优点:

节能高效,而且充分利用局部性原理,可以 有效地缩短物联网的业务直径,可覆盖从感知、传输、 处理与智能决策直到控制的路径,从而降低能耗,提 高效率;

通用结构通过引入融入信息装置的“自主物 体”,有利于产生通用的、可批量重用的物联网部件和 技术,这是信息产业主流产品的必备特征;

分散式结构海计算物联网强调分散式结构, 较易消除单一控制点、单一瓶颈和单一故障点,扩展 更加灵活。群体智能使得海计算物联网更能适应需求 和环境变化。

在一般情况下,实时信息系统(Real – time Information System, RIS)可由信息采集、信息传输和 信息处理三个子系统组成。信息采集子系统由各种类 型的采集设备所组成,如传感器、射频识别和视频、 音频图像采集器等。用户以有线或无线的方式连接系 统,实时信息可以由实时信息系统根据用户个性需求 主动推送,也可以是用户主动发出请求后等待接收信 息。实时信息系统建设的一个重要原则是保证系统的 开放性,以促进实时信息的采集与共享。

2.1  实时物理信息采集

针对物理世界的实时信息采集方式,可以分为直 接采集和间接采集。直接采集是指利用各种采集设备 直接从物理世界的信源采集信息,包括自动采集、人 工采集和混合采集;而间接采集是指针对事先被上传

到互联网上仍然保持时效性的实时信息进行采集。物 联网中大多采用自动采集方式。自动采集是指利用各 种采集设备,针对某一目标主体连续实时地采集信息。 常见的采集设备包括物理传感器、化学传感器、生物 传感器、射频识别标签以及识别设备、全球定位系统 设备等。在物联网中,把所标记的物体的相关信息事 先写入射频识别标签,通过标签接收阅读器发出的射 频信号,凭借感应电流所获得的能量将存储在芯片中 的物体信息发出,这样阅读器就能采集物体信息,并 以此判定物体的位置和数量等实时信息。

2.2  实时信息处理

实时信息处理是指把原数据加工成信息的一个过 程,涉及分类实时信息收集、数据规整、实时场景重 构和数据挖掘等步骤,其中分类实时信息包括可视信 息、音频信息及其它物理量或化学量。实时场景重构 技术是实时信息处理研究领域的一个重要课题。实时 场景重构技术是指通过一定数量的实时信息采集设备 (包括无线手持设备和固定的视频图像采集设备)采集 信息,并用采集到的分类实时信息进行信息源的场景 重构。实时场景重构的实现涉及到分类实时信息的收 集和逆向建模技术。

2.3  实时信息发布

实时信息分发模型包括Pull和Push两种模型。 Pull模型一般是由用户主动发起信息请求,请求经过 处理后再转化成采集指令,然后由信息源采集设备将 采集到的信息传回给用户;ush模型一般是由信息源 采集设备采集到实时信息,并经过处理后,根据用户 的个性需求,有选择地传送。

此外,实时信息系统还有若干技术问题需要解决, 如:信息精准度问题、传递延迟以及隐私问题等。

海计算是在2009年8月18日,由通用汽车金融 服务公司董事长兼首席执行官Molina在2009技术创 新大会上提出的一种全新技术概念。海计算可为用户 提供基于互联网的一站式服务,是一种最简单、可依 赖的互联网需求交互模式。用户只要在海计算输入服 务需求,系统就能明确识别这种需求,并将该需求分 配给最优的应用或内容资源提供商处理,最终返回给 用户相匹配的结果。与云计算的后端处理相比,海计 算指的是智能设备的前端处理。

物联网具有显著的异构性、混杂性和超大规模等 特点。异构性表现在不同制造商、不同拥有者、不同 类型、不同级别、不同范畴的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,并形成混杂的异构网络或“网中 网”形态;混杂性表现在网络形态和组成的异构混杂 性,多信息源的并发混杂性,场景、服务和应用的混 杂性等多个方面;物联网是物理世界与信息空间的深 度融合系统,是涉及全球的人、机、物的综合信息系统, 其规模之大无所不包。

物联网的上述特点决定了感知层数据的特性,即 异构的、混杂的、大规模的实时流感知数据。同时, 感知数据还具有一个显著特点就是时空特性,就是感 知数据在特定时间和特定空间内才有意义,如果不在 这个地点或过了这个时间,数据的意义可能就不大了。 如中关村大街的交通相关信息,这些交通信息通过很 多节点实时采集,是大数据量的随时间不断采样的实 时流信息。这些信息谁需要?是在这个区域的人车才 真正需要了解当时的详细拥塞或停车信息等,以便及 时掌握交通动态,调整行车路线或停止地方。其他地 方的人们可能不关心这个区域的交通信息,或仅仅只 需要了解大概情况,实时性要求也不是很高,如了解 中关村大街的历史交通信息等。另外,物联网的物体 之间需要协同交互,对事件及时做出反应,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 驶的两辆车需要实时交互,既要保持畅通行驶,又要 通过保持一定的车距来保证安全性,这就需要在当前 场景下局部空间内车辆之间实时通信和决策处理。

为此,我们针对物联网的这些数据特性提出了哑 铃式的存储和计算模式。大量的感知信息在采集和使 用的本地进行存储,经过处理后的中间或最后结果存 储在互联网上(后端),放到云中的数据中心。感知信 息的预处理、判断和决策等信息处理主要在当前场景 下的前端完成,必要的需要大运算量的计算才通过“云 端”的数据中心来处理。只有这样,才能节省通信带宽, 否则网络很难传输这么多的感知数据;才能节省存储 空间,数据中心再大也难存下实时流的原始感知数据, 也没有必要存储原始感知数据;才能满足实时性的交 互处理,如果通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的应用;更重要的是能够满足 物联网的大规模的扩展性。物联网一定是分布式的系 统,局部空间内的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”这个新的计算模式的 实质,就是把智能推向前端。智能化的前端具有存储、 计算和通信能力,能在局部场景空间内前端之间协同

感知和判断决策,对感知事件及时做出响应,具有高 度的动态自治性。海计算的每个“海水滴”就是全球 的每个物体,它们具有智能,能够协助感知互动。亿 万种物体组成物联网系统,就如同海水滴形成大海一 样。

3  海计算与云计算的联系与区别

海计算和云计算同属于物联网的范畴,它们之间 可以通过物联网联系起来。云计算一般是服务器端的 计算模式,而海计算代表终端的大千世界,海计算是 物理世界各物体之间的计算模式。表1所列是海计算 和云计算之间的联系与区别。

据工信部电子工业标准化研究所张辉介绍,当初 提出IPv6概念的时候,就提到了要为地球上每一粒 沙子分配一个地址的狂想,这样的网络所收集到的 信息是惊人的,如果将这种信息量全丢给云端来计算, 也是不现实的。因此提出一个海计算,就是要让各种 终端进行简单的信息处理,再汇总到云端,这就需要 智能传感器。然而,现在国内传感器的技术水平比国 外要落后10 – 15年,工艺水平落后15 ~ 20年,装备 水平落后20 ~ 25年,可靠性指标低1~ 2个数量级, 基本性能指标落后3~5年。

表1海计算和云计算之间的联系与区别

‘类型
区别
云计算(Cloud Computing) 海计算(Sea Computing)
社会背景 IPv6概念的提出 云计算出现的初衷是解决特定大规模数据处理问题
内涵 海计算的本质是物与物之间的智能交流,实现物 与物之间的交互。云计算是服务器端的计算模 式,而海计算代表终端的大千世界,海计算是物 理世界各物体之间的计算模式。简言之,海计算 模式倡导由多个融入了信息装置、具有一定自主 性的物体,通过局部交互而形成具有群体智能的 物联网系统 云计算是信息化发展进程中的一个阶段,强调信息资 源的聚集、优化、动态分配和回收,旨在节约信息化 成本、降低能耗、减轻用户信息化的负担,提高数据 中心的效率
发展目标 海计算通过在物理世界的物体中融入计算与通信 设备以及智能算法,让物与物之间能够互连,并 在事先无法预知的场景中进行判断,实现物与物 之间的交互 云计算可为众多用户提供一种新的、高效率的计算模 式,它兼有互联网服务的便利、廉价和大型机的能 力。其目的是将资源集中于互联网上的数据中心
技术支撑 海计算模式倡导由多个融入了信息装置、具有一 定自主性的物体,通过局部交互而形成具有群体 智能的物联网系统 通过各种信息感应、探测、识别、定位、跟踪和监控 等手段和设备来支撑
实际结果 实现物体与信息装置的紧密融合,有效地获取物 质世界信息;强化海量的独立个体之间的局部即 时交互和分布式智能,使物体具备自组织、自计 算、自反馈的海计算功能 基于互联网计算的涌现,实现智能以及对物理世界的 反馈和控制,云计算一般称为物联网的“后端”
位置 在海计算中,用户犹如置身于海中,用户在海计 算中需要承担任务,因此,在海计算中,用户不 需要为运算付费 云计算需要通过线缆(或者其他)连接到云上;用户 在云计算中不承担任务。故在云计算中,用户需要向 云服务提供商支付一定的报酬(该报酬也许是你的注 意力)
特性 安全的、公共的、不私有、无资本、接入有门 槛,需要把关 分为公有云、私有云、混合云,具有资本效应

目前传感器的成本还很高,需要不断降低成本且 能跟芯片一起集成制造,能实现简单的处理并将处理 后的物理信号放到后台服务系统,到那个时候,物联 网才会真正到来。虽然现在有人提出云计算,但我们 不能把所有的传感器信息都放到云端去计算,所以还 需要“海计算”来辅助,要让90%的基础信息在传感 器海里面处理,云只负责处理从’海”中蒸发的复杂信息。

在海计算中,用户可置身于庞大的网络中发布和 获取信息(数据),该网络为用户提供解决方案,并将 用户的计算机处理工程交由该网络当中的每个计算机, 通过优化分配的方式,让该网络中的计算机分担处理 并建立联系,返回结果,为用户提供强大的运算服务。 海计算主要为用户提供基于互联网的一站式服务,是 一种最简单、可依赖的互联网需求交互模式。它的实 现,关键在于庞大的网络、共享机制以及协调(优化 分配)机制的建立。

海就是一个拥有共享机制、协调机制的庞大网络, 每一个用户都置身于海中,每一个用户都将自己的工 程分担在海上,也分担海要求的一部分运算任务。海 计算之所以能够实现,是因为每一台计算机的运算能 力都没有充分的发挥,CPU的运行能力不会稳定,而 会波动,在很多时候,CPU是负担很小的,但是在某 些时候,CPU又在超负荷运算。实际上,这对CPU的 寿命也是有害的。通过海的优化配置,可以让每一台 计算机的CPU运算都稳定在一个最健康的状态。

海计算与云计算的不同在于:在海计算中,用户 犹如置身于海中,而在云计算中,用户要通过线缆(或 者其他)连接到云上;用户在海计算中需要承担任务, 而在云计算中则不承担任务。因此,在海计算中,用 户不需要为运算付费,而在云计算中,用户需要向云 服务提供商支付一定的报酬(该报酬也许是你的注意 力)。在海计算中,用户本身置身于海中,因此不需要 一个框来链接,只需要一个开放的搜索工具。

搜索工具是一个来自于海的解决方案,像其他的 解决方案一样,这些方案都来自于海,是开源的,并 且是免费提供的。所有的解决方案都是海所共有的, 用户不需要在本地安装或者下载。更多的,海可为用 户提供信息的接入服务,用户可以通过海发布自己的 在线直播、文学创作等等。

海是安全的。更加可贵的是,海是公共的,不是 私有的,也不是资本的。那么,人们是不是会因此而 贪恋便宜?需知道权利和义务是统一的。那么海的接 入应该有一定的要求和门槛(比如CPU和存储器的要 求),有接入的把关人。那么把关人应该由谁担当?当 然应该由海来担当。海应该拥有这样的功能,它能审 核用户,并做出是否为其接入的决定。

4  云海结合

早在2009年,腾讯和阿里巴巴也在构建类似“云 计算”和“框计算”的概念,腾讯的计划命名为“海计算”, 阿里巴巴的计划命名为“风计算”。相对于腾讯,阿里 巴巴等传统互联网和Techword计划联合人人网、豆 瓣网等web2.0网站,推出地球上最大的web2.0信 息碎片整合平台,计划命名为“片计算”,片计算能整 合人们在日常生活中留下的有价值的信息碎片。

5  结束语

总而言之,不管是云计算、海计算、框计算还是 风计算,物联网以其涉及全球物体(包括人)规模及 其应用需求和感知层数据的特性,决定了物联网的架 构需要“云”和“海”相结合。一方面,在局部应用场 景中,感知数据存储在局部现场,智能前端在协同感 知的基础上,通过实时交互共同完成事件判断、决策 等处理,及时对事件做出反应。另一方面,云计算的’云” 的后端需要提供面向全球的存储和处理服务。物联 网的各种前端把处理的中间或最后结果存储到云的后 端。前端在本地处理过程中,有时也需要后端的存储 信息和处理能力的支持,及时发送服务请求获得云的 后端支持。这具有良好的扩展性,既满足前端实时交互, 又满足全球物体的互联互动。2011年5月19日,工信 部杨学山部长在云计算大会上提到的三点:第一要充 分认识发展云计算的重要性和必要性。第二要遵循规 律。要循序渐进,符合规律。第三要充分发挥比较优势, 形成发展合力。物联网发展潜力无限,但物联网的实 现并不仅仅是技术方面的问题,建设物联网的过程涉 及到若干规划、管理、协调、合作等方面的问题,还 涉及到标准和安全保护等方面的问题,这需要一系列 相应的配套政策和规范的制定和完善。尽管目前物联 网的应用和研究取得了长足的进步,并得到国家层面 的高度重视,但就目前的技术水平而言还面临众多挑 战。此外,物联网在不同行业中的应用各不相同,因此应将行业知识与物联网技术充分集成和融合,使物 联网更好地为人们的生产生活服务。

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