物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論 課件 第4章4.3 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層技術(shù)_第1頁
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論 課件 第4章4.3 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層技術(shù)_第2頁
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文檔簡介

4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)

教學(xué)目標(biāo)掌握物聯(lián)網(wǎng)的三層結(jié)構(gòu)理解物聯(lián)網(wǎng)感知層的關(guān)鍵技術(shù)理解物聯(lián)網(wǎng)傳輸層的關(guān)鍵技術(shù)理解物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層的關(guān)鍵技術(shù)

重點:物聯(lián)網(wǎng)感知層、傳輸層關(guān)鍵技術(shù)

難點:物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層的中間件、云計算關(guān)鍵技術(shù)

14物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)

4.3物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層技術(shù)4.3.1物聯(lián)網(wǎng)中間件4.3.2云計算4.3.3物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用2

應(yīng)用層側(cè)重于對感知層采集數(shù)據(jù)的計算、處理和知識挖掘,從而達(dá)到對物理世界實時控制、精確管理和科學(xué)決策的目的。

從下圖物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層架構(gòu)可知,應(yīng)用層包括應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施/中間件和各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施/中間件為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供信息處理、計算等通用基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施、能力及資源調(diào)用接口,以此為基礎(chǔ)實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)在眾多領(lǐng)域的各種應(yīng)用。下面主要介紹物聯(lián)網(wǎng)中間件和云計算技術(shù)。4.3物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層技術(shù)34.3.1物聯(lián)網(wǎng)中間件

物聯(lián)網(wǎng)中間件是一種獨立的系統(tǒng)軟件或服務(wù)程序,中間件將許多可以公用的能力進(jìn)行統(tǒng)一封裝,提供給物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用使用。從本質(zhì)上看,物聯(lián)網(wǎng)中間件是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的共性需求(感知、互聯(lián)互通和智能),與已存在的各種中間件及信息處理技術(shù),包括信息感知技術(shù)、下一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能與自動化技術(shù)的聚合與技術(shù)提升。當(dāng)前,一方面,受限于底層不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和硬件平臺,物聯(lián)網(wǎng)中間件研究主要還集中在底層的感知和互聯(lián)互通方面,現(xiàn)實目標(biāo)包括屏蔽底層硬件及網(wǎng)絡(luò)平臺差異,支持物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)、運(yùn)行時共享和開放互聯(lián)互通,保障相關(guān)系統(tǒng)的可靠部署與可靠管理等內(nèi)容;另一方面,當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用復(fù)雜度和規(guī)模還處于初級階段。

44.3.1物聯(lián)網(wǎng)中間件下面將按物聯(lián)網(wǎng)底層感知及互聯(lián)互通,和面向大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用兩方面介紹當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)中間件的相關(guān)研究現(xiàn)狀:在物聯(lián)網(wǎng)底層感知與互聯(lián)互通方面,EPC、OPC中間件相關(guān)規(guī)范已經(jīng)過多年的發(fā)展,相關(guān)商業(yè)產(chǎn)品在業(yè)界已被廣泛接受和使用。WSN中間件,以及面向開放互聯(lián)的OSGi中間件,正處于研究熱點。在大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用方面,面對海量數(shù)據(jù)實時處理等的需求,傳統(tǒng)面向服務(wù)的中間件技術(shù)將難以發(fā)揮作用,而事件驅(qū)動架構(gòu)、復(fù)雜事件處理CEP中間件則是物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模應(yīng)用的核心研究內(nèi)容之一。54.3.1物聯(lián)網(wǎng)中間件基于目的和實現(xiàn)機(jī)制的不同,業(yè)內(nèi)將中間件分為以下幾類:遠(yuǎn)程過程調(diào)用中間件(RemoteProcedureCall)面向消息的中間件(Message-OrientedMiddleware)對象請求代理中間件(ObjectRequestBrokers)幾類中間件可向上提供不同形式的通信服務(wù),在這些基本的通信平臺之上,可構(gòu)筑各種框架,為應(yīng)用程序提供不同領(lǐng)域內(nèi)的服務(wù),如事務(wù)處理監(jiān)控器、分布數(shù)據(jù)訪問、對象事務(wù)管理器等。64.3.1物聯(lián)網(wǎng)中間件物聯(lián)網(wǎng)中間件發(fā)展的三個階段:應(yīng)用程序中間件階段(ApplicationMiddleware)架構(gòu)中間件階段(InfrastructureMiddleware)解決方案中間件階段(SolutionMiddleware)目前,物聯(lián)網(wǎng)中間件最主要的代表是EPC、OPC、WSN、OSGI、CEP等中間件,其他的還有嵌入式中間件、數(shù)字電視中間件、通用中間件、M2M物聯(lián)網(wǎng)中間件等。

74.3.1物聯(lián)網(wǎng)中間件EPC(ElectronicProductCode)中間件扮演電子產(chǎn)品標(biāo)簽和應(yīng)用程序之間的中介角色。應(yīng)用程序使用EPC中間件所提供的一組通用應(yīng)用程序接口,即可連到RFID讀寫器,讀取RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)。

EPCGlobal體系結(jié)構(gòu)參考模型如圖所示。1.EPC中間件84.3.1物聯(lián)網(wǎng)中間件1.EPC中間件

EPCGlobal主要針對RFID編碼及應(yīng)用開發(fā)規(guī)范方面進(jìn)行研究,其主要職責(zé)是在全球范圍內(nèi)對各個行業(yè)建立和維護(hù)EPC網(wǎng)絡(luò),保證供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)信息的自動、實時識別采用全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。(1)EPC標(biāo)簽編碼規(guī)范通過統(tǒng)一的、規(guī)范化的編碼來建立全球通用物品信息交換語言;(2)EPC射頻標(biāo)簽邏輯通信接口規(guī)范制定了EPC標(biāo)簽的空中接口與交互協(xié)議;(3)EPC標(biāo)簽識讀器提供一個多頻帶低成本RFID標(biāo)簽識讀器參考平臺;(4)Savant中間件規(guī)范,支持靈活的物體標(biāo)記語言查詢,負(fù)責(zé)管理和傳送產(chǎn)品電子標(biāo)簽相關(guān)數(shù)據(jù),可對來自不同識讀器發(fā)出的海量標(biāo)簽流或傳感器數(shù)據(jù)流進(jìn)行分層、模塊化處理;(5)ONS本地物體名稱解析服務(wù)規(guī)范能夠幫助本地服務(wù)器吸收用標(biāo)簽識讀器偵測到的EPC標(biāo)簽的全球信息;(6)物體標(biāo)記語言(PML)規(guī)范,類似于XML,可廣泛應(yīng)用在存貨跟蹤、事務(wù)自動處理、供應(yīng)鏈管理、機(jī)器操縱和物對物通訊等方面。94.3.1物聯(lián)網(wǎng)中間件在國際上,目前比較知名的EPC中間件廠商有IBM、Oracle、Microsoft、SAP、Sun(Oracle)、Sybase、BEA(Oracle)等的相關(guān)產(chǎn)品,這些產(chǎn)品部分或全部遵照EPCGlobal規(guī)范實現(xiàn),在穩(wěn)定性、先進(jìn)性、海量數(shù)據(jù)的處理能力方面都比較完善,已經(jīng)得到了企業(yè)的認(rèn)同,并可以和其它EPC系統(tǒng)進(jìn)行無縫對接和集成。

1.EPC中間件104.3.1物聯(lián)網(wǎng)中間件OPC(OLEforProcessControl,用于過程控制的OLE)是一個面向開放工控系統(tǒng)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。管理這個標(biāo)準(zhǔn)的國際組織是OPC基金會,它由一些世界上占領(lǐng)先地位的自動化系統(tǒng)、儀器儀表及過程控制系統(tǒng)公司與微軟緊密合作而建立,面向工業(yè)信息化融合方面的研究,目標(biāo)是促使自動化/控制應(yīng)用、現(xiàn)場系統(tǒng)/設(shè)備和商業(yè)/辦公室應(yīng)用之間具有更強(qiáng)大的互操作能力。OPC基于微軟的OLE(ActiveX)、COM(構(gòu)件對象模型)和DCOM(分布式構(gòu)件對象模型)技術(shù),包括一整套接口、屬性和方法的標(biāo)準(zhǔn)集,用于過程控制和制造業(yè)自動化系統(tǒng),現(xiàn)已成為工業(yè)界系統(tǒng)互聯(lián)的缺省方案。

2.OPC中間件114.3.1物聯(lián)網(wǎng)中間件

OPC是為不同供應(yīng)廠商簡化設(shè)備和應(yīng)用程序之間數(shù)據(jù)交換的目的而提出的,OPC是連接數(shù)據(jù)源(OPC服務(wù)器)和數(shù)據(jù)使用者(OPC應(yīng)用程序)之間的軟件接口標(biāo)準(zhǔn)。如圖所示,OPC接口是適用于很多系統(tǒng)的具有高厚度柔軟性的接口標(biāo)準(zhǔn)。

2.OPC中間件124.3.1物聯(lián)網(wǎng)中間件OPC統(tǒng)一架構(gòu)是OPC基金會最新發(fā)布的數(shù)據(jù)通信統(tǒng)一方法,它克服了OPC之前不夠靈活、平臺局限等的問題

。其架構(gòu)如圖所示。

2.OPC中間件134.3.1物聯(lián)網(wǎng)中間件相比RFID和OPC中間件產(chǎn)品的成熟度和業(yè)界廣泛應(yīng)用程度,WSN中間件還處于初級研究階段,所需解決的問題也更為復(fù)雜。WSN中間件主要用于支持基于無線傳感器應(yīng)用的開發(fā)、維護(hù)、部署和執(zhí)行,其中包括復(fù)雜高級感知任務(wù)的描述機(jī)制,傳感器網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制,傳感器節(jié)點之間協(xié)調(diào)以便在各傳感器節(jié)點上分配和調(diào)度該任務(wù),對合并的傳感器感知數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合以得到高級結(jié)果,并將所得結(jié)果向任務(wù)指派者進(jìn)行匯報等機(jī)制。

3.WSN中間件144.3.1物聯(lián)網(wǎng)中間件針對上述目標(biāo),目前的WSN中間件研究提出了許多不同的設(shè)計方法。(1)分布式數(shù)據(jù)庫基于分布式數(shù)據(jù)庫設(shè)計的WSN中間件把整個WSN網(wǎng)絡(luò)看成一個分布式數(shù)據(jù)庫,用戶使用類SQL的查詢命令以獲取所需的數(shù)據(jù)。查詢通過網(wǎng)絡(luò)分發(fā)到各個節(jié)點,節(jié)點判定感知數(shù)據(jù)是否滿足查詢條件,決定數(shù)據(jù)的發(fā)送與否。典型實現(xiàn)如Cougar,TinyDB,SINA等。分布式數(shù)據(jù)庫方法把整個網(wǎng)絡(luò)抽象為一個虛擬實體,屏蔽了系統(tǒng)分布式問題,使開發(fā)人員擺脫了對底層問題的關(guān)注和繁瑣的單節(jié)點開發(fā)。然而,建立和維護(hù)一個全局節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)抽象需要整個網(wǎng)絡(luò)信息,這也限制了此類系統(tǒng)的擴(kuò)展。3.WSN中間件154.3.1物聯(lián)網(wǎng)中間件(2)虛擬共享元組空間所謂虛擬共享元組空間就是分布式應(yīng)用利用一個共享存儲模型,通過對元組的讀、寫和移動以實現(xiàn)協(xié)同。在虛擬共享元組空間中,數(shù)據(jù)被表示為稱為元組的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),所有的數(shù)據(jù)操作與查詢看上去像是本地查詢和操作一樣。虛擬共享元組空間通信范式在時空上都是去耦的,不需要節(jié)點的位置或標(biāo)志信息,非常適合具有移動特性的WSN,并具有很好的擴(kuò)展性。但它的實現(xiàn)對系統(tǒng)資源要求也相對較高,與分布式數(shù)據(jù)庫類似,考慮到資源和移動性等的約束,把傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有連接的傳感器節(jié)點映射為一個分布式共享元組空間并非易事。典型實現(xiàn)包括TinyLime,Agilla等。3.WSN中間件164.3.1物聯(lián)網(wǎng)中間件(3)事件驅(qū)動基于事件驅(qū)動的WSN中間件支持應(yīng)用程序指定感興趣的某種特定的狀態(tài)變化。當(dāng)傳感器節(jié)點檢測到相應(yīng)事件的發(fā)生就立即向相應(yīng)程序發(fā)送通知。應(yīng)用程序也可指定一個復(fù)合事件,只有發(fā)生的事件匹配了此復(fù)合事件模式才通知應(yīng)用程序。這種基于事件通知的通信模式,通常采用Pub/Sub機(jī)制,可提供異步的、多對多的通信模型,非常適合大規(guī)模的WSN應(yīng)用,典型實現(xiàn)包括DSWare,Mires,Impala等。盡管基于事件的范式具有許多優(yōu)點,然而在約束環(huán)境下的事件檢測及復(fù)合事件檢測對于WSN仍面臨許多挑戰(zhàn),事件檢測的時效性、可靠性及移動性支持等仍值得進(jìn)一步的研究。3.WSN中間件174.3.1物聯(lián)網(wǎng)中間件(4)服務(wù)發(fā)現(xiàn)基于服務(wù)發(fā)現(xiàn)機(jī)制的WSN中間件,可使得上層應(yīng)用通過使用服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議,來定位可滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用數(shù)據(jù)需求的傳感器節(jié)點。例如,MiLAN中間件可由應(yīng)用根據(jù)自身的傳感器數(shù)據(jù)類型需求,設(shè)定傳感器數(shù)據(jù)類型、狀態(tài)、QoS以及數(shù)據(jù)子集等信息描述,通過服務(wù)發(fā)現(xiàn)中間件以在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的任意傳感器節(jié)點上進(jìn)行匹配,尋找滿足上層應(yīng)用的傳感器數(shù)據(jù)。MiLAN甚至可為上層應(yīng)用提供虛擬傳感器功能,例如通過對2個或多個傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,以提高傳感器數(shù)據(jù)質(zhì)量等。由于MiLAN采用傳統(tǒng)的SDP,SLP等服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議,這對資源受限的WSN網(wǎng)絡(luò)類型來說具有一定的局限性。3.WSN中間件184.3.1物聯(lián)網(wǎng)中間件(5)移動代理移動代理(或移動代碼)可以被動態(tài)注入并運(yùn)行在傳感器網(wǎng)絡(luò)中。這些可移動代碼可以收集本地的傳感器數(shù)據(jù),然后自動遷移或?qū)⒆陨砜截愔疗渌麄鞲衅鞴?jié)點上運(yùn)行,并能夠與其他遠(yuǎn)程移動代理(包括自身拷貝)進(jìn)行通信。SensorWare是此類型中間件的典型,基于SensorWare

Tcl動態(tài)過程調(diào)用腳本語言實現(xiàn)。除上述提到的WSN中間件類型外,還有許多針對WSN特點而設(shè)計的其他方法。

3.WSN中間件194.3.1物聯(lián)網(wǎng)中間件4.OSGi中間件

OSGi(OpenServicesGatewayinitiative)是一個1999年成立的開放標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟,旨在建立一個開放的服務(wù)規(guī)范,一方面,為通過網(wǎng)絡(luò)向設(shè)備提供服務(wù)建立開放的標(biāo)準(zhǔn),另一方面,為各種嵌入式設(shè)備提供通用的軟件運(yùn)行平臺,以屏蔽設(shè)備操作系統(tǒng)與硬件的區(qū)別。OSGi規(guī)范基于JAVA技術(shù),可為設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)定義一個標(biāo)準(zhǔn)的、面向組件的計算環(huán)境,并提供已開發(fā)的諸如HTTP服務(wù)器、配置、日志、安全、用戶管理、XML等很多公共功能標(biāo)準(zhǔn)組件。OSGi組件可以在無需網(wǎng)絡(luò)設(shè)備重啟下被設(shè)備動態(tài)加載或移除,以滿足不同應(yīng)用的不同需求。204.3.1物聯(lián)網(wǎng)中間件4.OSGi中間件

OSGi規(guī)范的核心組件是OSGi框架,如圖所示,該框架為應(yīng)用組件(bundle)提供了一個標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行環(huán)境,包括允許不同的應(yīng)用組件共享同一個Java虛擬機(jī),管理應(yīng)用組件的生命期(動態(tài)加載、卸載、更新、啟動、停止等)、Java安裝包、安全、應(yīng)用間依賴關(guān)系,服務(wù)注冊與動態(tài)協(xié)作機(jī)制,事件通知和策略管理的功能?;贠SGi的物聯(lián)網(wǎng)中間件技術(shù)早已被廣泛的用到了手機(jī)和智能M2M終端上,在汽車業(yè)(汽車中的嵌入式系統(tǒng))、工業(yè)自動化、智能樓宇、網(wǎng)格計算、云計算、各種機(jī)頂盒、Telematics等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。有業(yè)界人士認(rèn)為,OSGi是“萬能中間件”。一定會在物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中大有作為。

214.3.1物聯(lián)網(wǎng)中間件5.CEP中間件由于面向服務(wù)的中間件架構(gòu)無法滿足物聯(lián)網(wǎng)的海量數(shù)據(jù)及實時事件處理需求,物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)流程開始向以事件為基礎(chǔ)的EDA架構(gòu)(Event-DrivenArchitecture)演進(jìn)。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用采用事件驅(qū)動架構(gòu)主要的目的,是使得物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)能針對海量傳感器事件,在很短的時間內(nèi)立即做出反應(yīng)。事件驅(qū)動架構(gòu)不僅可以依數(shù)據(jù)/事件發(fā)送端決定目的,更可以動態(tài)依據(jù)事件內(nèi)容決定后續(xù)流程。復(fù)雜事件處理代表一個新的開發(fā)理念和架構(gòu),具有很多特征,例如分析計算是基于數(shù)據(jù)流而不是簡單數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行的。它不是數(shù)據(jù)庫技術(shù)層面的突破,而是整個方法論的突破。

224.3.1物聯(lián)網(wǎng)中間件5.CEP中間件目前,復(fù)雜事件處理中間件主要面向金融、監(jiān)控等領(lǐng)域,包括IBM流計算中間件InfoSphereStreams(如圖所示),以及Sybase、Tibico等的相關(guān)產(chǎn)品。234.3.1物聯(lián)網(wǎng)中間件6.其他相關(guān)中間件

國際電信聯(lián)盟對物聯(lián)網(wǎng)提出的任何時刻、任何地點、任意物體之間互聯(lián)(AnyTime、AnyPlace、AnyThingsConnection),無所不在的網(wǎng)絡(luò)(Ubiquitousnetworks)和無處不在的計算的發(fā)展愿景,在某種程度上,與普適計算的核心思想是一致的。普適計算(Ubiquitouscomputing或pervasivecomputing),又稱普存計算、普及計算,是一個強(qiáng)調(diào)和環(huán)境融為一體的計算概念,而計算機(jī)本身則從人們的視線里消失。在普適計算的模式下,人們能夠在任何時間、任何地點、以任何方式進(jìn)行信息的獲取與處理。另外,由于行業(yè)應(yīng)用的不同,即使是RFID應(yīng)用,也可能因其在商場、物流、健康醫(yī)療、食品回溯等領(lǐng)域的不同,而具有不同的應(yīng)用架構(gòu)和信息處理模型。針對智能電網(wǎng),智能交通,智能物流,智能安防,軍事應(yīng)用等領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)中間件,也是當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)中間件研究的熱點內(nèi)容。

244.3.1物聯(lián)網(wǎng)中間件6.其他相關(guān)中間件

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求對現(xiàn)有中間件帶來了的巨大挑戰(zhàn),這主要體現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)資源環(huán)境受限,系統(tǒng)規(guī)模龐大,設(shè)備異構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性,數(shù)據(jù)過濾與整合,系統(tǒng)安全等方面。隨著技術(shù)的深入研究,未來的物聯(lián)網(wǎng)中間件必將:①能夠以更有效的機(jī)制支持傳感器節(jié)點的低功耗通信并延長傳感器節(jié)點的壽命;②能夠支持在網(wǎng)絡(luò)動態(tài)變化情況下維持整個系統(tǒng)的性能和健壯性;③能夠屏蔽各種異構(gòu)硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)帶來的差異;④能夠在可靠性、能量消耗以及系統(tǒng)響應(yīng)速度之間進(jìn)行有效折中;⑤能夠支持物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的動態(tài)發(fā)現(xiàn)以及動態(tài)定位;⑥能夠?qū)A繑?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合并剔除冗余數(shù)據(jù);⑦能夠在面向領(lǐng)域的特性需求與中間件共性服務(wù)之間實現(xiàn)平衡,并應(yīng)對越來越多的安全方面的挑戰(zhàn)!254.3.2云計算1.云計算概念云計算概念是由Google提出的一種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模式。關(guān)于云計算其概念的發(fā)展可以分為3個階段,如圖所示。狹義云計算是指IT基礎(chǔ)設(shè)施的交付和使用模式,指通過網(wǎng)絡(luò)以按需、易擴(kuò)展的方式獲得所需的資源;廣義云計算是指服務(wù)的交付和使用模式,指通過網(wǎng)絡(luò)以按需、易擴(kuò)展的方式獲得所需的服務(wù)。

云計算是并行計算、分布式計算和網(wǎng)格計算的發(fā)展,或者說是這些計算機(jī)科學(xué)概念的商業(yè)實現(xiàn)。云計算是虛擬化、效用計算、IaaS(基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù))、PaaS(平臺即服務(wù))、SaaS(軟件即服務(wù))等概念混合演進(jìn)并躍升的結(jié)果。

264.3.2云計算1.云計算概念由于云計算尚處于發(fā)展過程當(dāng)中,對于云計算的理解也是千差萬別,可以從以下四個角度進(jìn)行理解。如圖所示。274.3.2云計算1.云計算概念總的來說,云計算可以算作是網(wǎng)格計算的一個商業(yè)演化版。我國劉鵬教授早在2002年,就針對傳統(tǒng)網(wǎng)格計算思路存在不實用問題,提出計算池的概念:“把分散在各地的高性能計算機(jī)用高速網(wǎng)絡(luò)連接起來,用專門設(shè)計的中間件軟件有機(jī)地粘合在一起,以Web界面接受各地科學(xué)工作者提出的計算請求,并將之分配到合適的結(jié)點上運(yùn)行。計算池能大大提高資源的服務(wù)質(zhì)量和利用率,同時避免跨結(jié)點劃分應(yīng)用程序所帶來的低效性和復(fù)雜性,能夠在目前條件下達(dá)到實用化要求?!边@個理念與當(dāng)前的云計算非常接近。讀者也可在網(wǎng)絡(luò)上查看劉鵬教授的相關(guān)文章。284.3.2云計算2.云計算特點

(1)超大規(guī)?!霸啤本哂邢喈?dāng)?shù)囊?guī)模,Google云計算已經(jīng)擁有100多萬臺服務(wù)器,Amazon、IBM、微軟、Yahoo等的“云”均擁有幾十萬臺服務(wù)器。企業(yè)私有云一般擁有數(shù)百上千臺服務(wù)器?!霸啤蹦苜x予用戶前所未有的計算能力。如下左圖所示為Google公司位于比利時的圣吉蘭(SaintGhislain)數(shù)據(jù)中心,他完全依靠數(shù)據(jù)中心外面的空氣來冷卻系統(tǒng)。

294.3.2云計算2.云計算特點

(1)超大規(guī)模如下右圖所示為Google公司的Dalles數(shù)據(jù)中心,位于俄勒岡州的哥倫比亞河旁,河上的Dalles大壩為數(shù)據(jù)中心提供電力。數(shù)據(jù)中心有2座4層樓高的冷卻塔。Google數(shù)據(jù)中心以集裝箱為單位,每個集裝箱有1160臺服務(wù)器,每個數(shù)據(jù)中心有眾多集裝箱。Google一次搜索查詢的能耗能點亮100瓦的燈泡11秒鐘。

304.3.2云計算2.云計算特點

(2)虛擬化

云計算支持用戶在任意位置、使用各種終端獲取應(yīng)用服務(wù),如圖4.100為云計算架構(gòu)。所請求的資源來自“云”,而不是固定的有形的實體。應(yīng)用在“云”中某處運(yùn)行,但實際上用戶無需了解、也不用擔(dān)心應(yīng)用運(yùn)行的具體位置。只需要一臺筆記本或者一個手機(jī),就可以通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)來實現(xiàn)我們需要的一切,甚至包括超級計算這樣的任務(wù)。

314.3.2云計算2.云計算特點

(3)高可靠性“云”使用了數(shù)據(jù)多副本容錯、計算節(jié)點同構(gòu)可互換等措施來保障服務(wù)的高可靠性,使用云計算比使用本地計算機(jī)可靠。(4)通用性云計算不針對特定的應(yīng)用,在“云”的支撐下可以構(gòu)造出千變?nèi)f化的應(yīng)用,同一個“云”可以同時支撐不同的應(yīng)用運(yùn)行。(5)高擴(kuò)展性“云”的規(guī)??梢詣討B(tài)伸縮,滿足應(yīng)用和用戶規(guī)模增長的需要。(6)按需服務(wù)“云”是一個龐大的資源池,你可按需購買;云可以像自來水、電、煤氣那樣計費。

324.3.2云計算2.云計算特點(7)極其廉價由于“云”的特殊容錯措施可以采用極其廉價的節(jié)點來構(gòu)成云,“云”的自動化集中式管理使大量企業(yè)無需負(fù)擔(dān)日益高昂的數(shù)據(jù)中心管理成本,“云”的通用性使資源利用率較之傳統(tǒng)系統(tǒng)大幅提升,因此用戶可以充分享受“云”的低成本優(yōu)勢,只要花費幾百美元、幾天時間就能完成以前需要數(shù)萬美元、數(shù)月時間才能完成的任務(wù)。(8)潛在的危險性云計算服務(wù)除了提供計算服務(wù)外,還必然提供了存儲服務(wù)。但是云計算服務(wù)當(dāng)前壟斷在私人機(jī)構(gòu)(企業(yè))手中,不可避免地讓這些私人機(jī)構(gòu)以“數(shù)據(jù)(信息)”的重要性挾制整個社會。對于信息社會而言,“信息安全性”是至關(guān)重要的。另一方面,云計算中的數(shù)據(jù)對于數(shù)據(jù)所有者以外的其他用戶云計算用戶是保密的,但是對于提供云計算的商業(yè)機(jī)構(gòu)而言確實毫無秘密可言。

334.3.2云計算3.云計算服務(wù)類型云計算作為一種新的服務(wù)模式。按服務(wù)類型大致可分:(1)將基礎(chǔ)設(shè)施作為服務(wù)(InfrastructureasaService,IaaS)消費者通過Internet可以從完善的計算機(jī)基礎(chǔ)設(shè)施獲得服務(wù)。目前,只有世紀(jì)互聯(lián)集團(tuán)旗下的云快線公司稱要開拓新的IT基礎(chǔ)設(shè)施業(yè)務(wù),但其本質(zhì),它只能實現(xiàn)主機(jī)托管業(yè)務(wù)延伸,很難與亞馬遜等企業(yè)相媲美。(2)將軟件作為服務(wù)(Softwareasaservice,SaaS)

SaaS:軟件即服務(wù)。它是一種通過Internet提供軟件的模式,用戶無需購買軟件,而是向提供商租用基于Web的軟件,來管理企業(yè)經(jīng)營活動。相對于傳統(tǒng)的軟件,SaaS解決方案有明顯的優(yōu)勢,包括較低的前期成本,便于維護(hù),快速展開使用等。(3)將平臺作為服務(wù)(Platformasaservice,PaaS)

PaaS實際上是指將軟件研發(fā)的平臺作為一種服務(wù),以SaaS的模式提交給用戶。因此,PaaS也是SaaS模式的一種應(yīng)用。但是,PaaS的出現(xiàn)可以加快SaaS的發(fā)展,尤其是加快SaaS應(yīng)用的開發(fā)速度。但是,PaaS還是存在一定的技術(shù)門檻,國內(nèi)大多數(shù)公司還沒有此技術(shù)實力。

344.3.2云計算4.云計算的應(yīng)用(1)國外云計算應(yīng)用①亞馬遜:亞馬遜的云名為亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)(AmazonWebServices,下稱AWS),目前主要由4塊核心服務(wù)組成:簡單存儲服務(wù)(S3);彈性計算云(EC2);簡單排列服務(wù)以及尚處于測試階段的SimpleDB。換句話說,亞馬遜現(xiàn)在提供的是可以通過網(wǎng)絡(luò)訪問的存儲、計算機(jī)處理、信息排隊和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)接入式服務(wù),亞馬遜的云計算結(jié)構(gòu)如圖所示。

354.3.2云計算4.云計算的應(yīng)用(1)國外云計算應(yīng)用②谷歌公司(Google,下稱谷歌)

Google搜索引擎建立在分布于200多個地點、超過100萬臺服務(wù)器的支撐之上。圍繞因特網(wǎng)搜索創(chuàng)建了一種超動力商業(yè)模式。如今,他們又以應(yīng)用托管、企業(yè)搜索以及其他更多形式向企業(yè)開放了他們的“云”。

2008年4月,谷歌推出了谷歌應(yīng)用軟件引擎(GoogleAppEngine,下稱GAE),這種服務(wù)讓開發(fā)人員可以編譯基于Python的應(yīng)用程序,并可免費使用谷歌的基礎(chǔ)設(shè)施來進(jìn)行托管(最高存儲空間達(dá)500MB)。對于超過此上限的存儲空間,谷歌按“每CPU內(nèi)核每小時”10至12美分及1GB空間15至18美分的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行收費。最近,谷歌還公布了提供可由企業(yè)自定義的托管企業(yè)搜索服務(wù)計劃。

364.3.2云計算4.云計算的應(yīng)用(1)國外云計算應(yīng)用②谷歌公司(Google,下稱谷歌)谷歌云計算三大法寶之一:GoogleFileSystem文件系統(tǒng)

GFS是一個可擴(kuò)展的分布式文件系統(tǒng),用于大型的、分布式的、對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問的應(yīng)用。Google文件系統(tǒng)中的文件讀寫模式和傳統(tǒng)的文件系統(tǒng)不同。

一個GFS集群包含一個主服務(wù)器和多個塊服務(wù)器,被多個客戶端訪問。谷歌GFS文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。通過服務(wù)器端和客戶端的聯(lián)合設(shè)計GFS客戶端代碼被嵌入到每個程序里,它實現(xiàn)了Google文件系統(tǒng)API,對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫。

374.3.2云計算4.云計算的應(yīng)用(1)國外云計算應(yīng)用②谷歌公司(Google,下稱谷歌)谷歌云計算三大法寶之二:MapReduce分布式編程環(huán)境

MapReduce是Google實現(xiàn)的一套大規(guī)模數(shù)據(jù)處理的編程規(guī)范Map/Reduce系統(tǒng),用于大規(guī)模數(shù)據(jù)集(大于1TB)的并行運(yùn)算。Map/Reduce通過“Map(映射)”和“Reduce(化簡)”這樣兩個簡單的概念來參加運(yùn)算,用戶只需要提供自己的Map函數(shù)以及Reduce函數(shù)就可以在集群上進(jìn)行大規(guī)模的分布式數(shù)據(jù)處理。程序編寫人員能夠不用去顧慮集群的可靠性、可擴(kuò)展性等問題。谷歌云計算三大法寶之三:分布式大規(guī)模數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)BigTable

構(gòu)建于上述兩項基礎(chǔ)之上的第三個云計算平臺就是將數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)擴(kuò)展到分布式平臺上的BigTable系統(tǒng)。BigTable使用結(jié)構(gòu)化的文件來存儲數(shù)據(jù)。它不是一個關(guān)系型的數(shù)據(jù)庫,它不支持關(guān)聯(lián)或是類似于SQL的高級查詢,取而代之的是多級映射的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。384.3.2云計算4.云計算的應(yīng)用(1)國外云計算應(yīng)用②谷歌公司(Google,下稱谷歌)除以上3大應(yīng)用,谷歌Google還建立了分布式程序的調(diào)度器、分布式的鎖服務(wù)等一系列相關(guān)的云計算服務(wù)平臺。Google在其云計算基礎(chǔ)設(shè)施之上建立了一系列新型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。其中典型的Google云計算應(yīng)用程序就是Google推出的Docs網(wǎng)絡(luò)服務(wù)程序。GoogleDocs是一個基于Web的工具,有簡單易用的文檔權(quán)限管理,記錄所有用戶對文檔所做的修改。如圖所示。394.3.2云計算4.云計算的應(yīng)用(1)國外云計算應(yīng)用③Salesforce

Salesforce是軟件即服務(wù)廠商的先驅(qū),它一開始提供的是可通過網(wǎng)絡(luò)訪問的銷售力量自動化應(yīng)用軟件。在該公司的帶動下,其他軟件即服務(wù)廠商已如雨后春筍般蓬勃而起。Salesforce的下一目標(biāo)是:平臺即服務(wù)。該公司正在建造自己的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件平臺shijiexuexi,這一平臺可作為其他企業(yè)自身軟件服務(wù)的基礎(chǔ)。shijiexuexi包括關(guān)系數(shù)據(jù)庫、用戶界面選項、企業(yè)邏輯以及一個名為Apex的集成開發(fā)環(huán)境。程序員可以在平臺的Sandbox上對他們利用Apex開發(fā)出的應(yīng)用軟件進(jìn)行測試,然后在Salesforce的AppExchange目錄上提交完成后的代碼。

404.3.2云計算4.云計算的應(yīng)用(1)國外云計算應(yīng)用④微軟公司

根據(jù)有些廠商的預(yù)想,未來絕大部分的IT資源都將來自云計算,但微軟卻并不這么認(rèn)為。2010年初,微軟首席軟件架構(gòu)師(CSA)雷.奧茲(RayOzzie)曾表示,微軟的宏偉計劃是“提供均衡搭配的企業(yè)級軟件、合作伙伴托管服務(wù)以及云服務(wù)”。簡而言之,微軟將其稱為“軟件加服務(wù)”(softwareplusservices)。微軟推出軟件即服務(wù)產(chǎn)品包括DynamicsCRMOnline、ExchangeOnline、OfficeCommunicationsOnline以及SharePointOnline。每種產(chǎn)品都具有多客戶共享版本,其主要服務(wù)對象是中小型企業(yè)。單客戶版本的授權(quán)費用在5,000美元以上。針對普通用戶,微軟的在線服務(wù)還包括WindowsLive、OfficeLive和XboxLive等。

414.3.2云計算4.云計算的應(yīng)用(1)國外云計算應(yīng)用④微軟公司

WindowsAzure是微軟基于云計算的操作系統(tǒng),提供了“軟件+服務(wù)”計算方法,用于幫助開發(fā)者開發(fā)可以跨越云端和專業(yè)數(shù)據(jù)中心的下一代應(yīng)用程序。如圖所示。

424.3.2云計算4.云計算的應(yīng)用(1)國外云計算應(yīng)用④微軟公司W(wǎng)indowsAzure用于服務(wù)托管,可擴(kuò)展的存儲、計算和網(wǎng)絡(luò)的管理。MicrosoftSQLServices可以擴(kuò)展應(yīng)用到云中的能力。Microsoft.NETServices可以便捷地創(chuàng)建基于云的松耦合的應(yīng)用程序。另外還包含訪問控制機(jī)制,可以保衛(wèi)用戶的程序安全。LiveServices提供了一種一致性的方法處理用戶數(shù)據(jù)和程序資源,使得用戶可以在PC、手機(jī)、PC應(yīng)用程序和Web網(wǎng)站上存儲、共享和同步文檔、照片、文件以及其他信息。MicrosoftSharePointServices和MicrosoftDynamicsCRMServices,用于在云端提供針對業(yè)務(wù)內(nèi)容、協(xié)作和快速開發(fā)的服務(wù),建立更強(qiáng)的客戶關(guān)系。

434.3.2云計算4.云計算的應(yīng)用(2)國內(nèi)云計算應(yīng)用①百會移動辦公----典型應(yīng)用:百會CRM:一款全球領(lǐng)先的企業(yè)級客戶關(guān)系管理整體解決方案,圍繞客戶生命周期,將市場活動、線索、商機(jī)、銷售跟蹤和預(yù)測有機(jī)整合。百會辦公門戶:集成企業(yè)郵箱、企業(yè)即時通訊、企業(yè)網(wǎng)盤、群組、日歷、企業(yè)知識庫及內(nèi)部論壇等多種應(yīng)用的企業(yè)辦公平臺。百會云郵箱:企業(yè)即時通訊、文檔協(xié)作和企業(yè)郵箱的完美結(jié)合,云端收發(fā)共享,多終端郵件同步的最佳方式。百會文件:集成Office的企業(yè)網(wǎng)盤,獨創(chuàng)技術(shù)實現(xiàn)多人、異地、實時、協(xié)作編輯同一個文檔的協(xié)作平臺。百會快OA:具備超強(qiáng)的快速定制能力,基于全球知名的云開發(fā)平臺,可為中小企業(yè)的管理需求提供量身定制的、高性價比的解決方案。百會創(chuàng)造者:一個提供了應(yīng)用快速在線開發(fā)和運(yùn)行環(huán)境的云開發(fā)平臺。百會Office:將常用辦公工具與數(shù)據(jù)存儲、協(xié)作辦公、云計算進(jìn)行無縫整合,打破了傳統(tǒng)Office的局限,使辦公更為方便、快捷!444.3.2云計算4.云計算的應(yīng)用(2)國內(nèi)云計算應(yīng)用②易度云辦公平臺提供文件和項目管理易度云辦公平臺,如圖所示,典型應(yīng)用:文檔管理、項目管理和云辦公服務(wù)。以文檔管理為例,能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能:TB級海量文檔集中安全存儲;100多種文檔在線查看;強(qiáng)大的文檔搜索功能;精細(xì)的文檔權(quán)限控制;文檔審核、變更流程的控制。454.3.2云計算4.云計算的應(yīng)用(2)國內(nèi)云計算應(yīng)用③中國云計算計劃“十二五”規(guī)劃綱要及《國務(wù)院關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》,均把“云計算”作為新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重要部分來強(qiáng)調(diào)。如圖為中國各地的云計算計劃。46

4.3.3物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)在各行業(yè)的典型應(yīng)用如圖所示:47

4.3.3物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用通過對車輛加裝監(jiān)控終端,并通過車輛定位和掃描,實現(xiàn)準(zhǔn)確路況信息、車輛跟蹤定位、運(yùn)輸路徑的選擇、物流網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與優(yōu)化。人車監(jiān)控調(diào)度:顯示終端列表、獲取位置信息等。車輛狀態(tài)報警:可以靈活設(shè)置超速報警、區(qū)域報警、疲勞駕駛報警、語音呼叫功能。數(shù)據(jù)統(tǒng)計分折:提供車輛統(tǒng)計報表的管理功能。

1.世博車務(wù)通成功案例:世博園區(qū)管理單位所有車輛開通該應(yīng)用;上海移動目前已將超過10萬個芯片裝載在出租車、公交車上。48

4.3.3物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用手機(jī)票務(wù):世博手機(jī)票突破性地實現(xiàn)了用戶使用手機(jī)就能在世博期間享受“一機(jī)在手,購票無憂,園區(qū)暢游”的優(yōu)質(zhì)服務(wù),體現(xiàn)了綠色環(huán)保的無紙化發(fā)行理念,有效地降低制票、物流配送、倉儲、銷售的成本。方便使用:實現(xiàn)用戶通過手機(jī)購票、手機(jī)刷卡入園,方便、環(huán)保。票務(wù)防偽:可通過電子票務(wù)的檢測避免紙質(zhì)票務(wù)使用中偽造票情況。2.世博手機(jī)票成功案例:世博門票可以通過手機(jī)實現(xiàn)票務(wù)功能。如圖所示。49

4.3.3物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用用戶只要通過手機(jī)就可以在商場、便利店、食堂,或乘坐園區(qū)公交時進(jìn)行支付。如圖為手機(jī)支付圖。RFID與SIM卡結(jié)合:通過使用更換了RFID-SIM卡的手機(jī),用戶可以在專用POS機(jī)上進(jìn)行非接觸式刷卡,實現(xiàn)在商場、便利店、食堂或乘坐地鐵時進(jìn)行支付。使用便捷:只要使用手機(jī)便可以隨意支付,方便了消費者和商戶。管理方便:可以基于統(tǒng)一的支付管理平臺方便地進(jìn)行管理。

2.世博手機(jī)票成功案例:上海市多家餐飲店及上海軌道交通,都已可以通過手機(jī)實現(xiàn)支付功能。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用屬于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層,是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)學(xué)習(xí)了解的一個重點。在后續(xù)章節(jié)將詳細(xì)介紹物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)應(yīng)用實例。50【案例分析】智能建筑典范-比爾蓋茨的豪宅

世界首富比爾.蓋茨從1990年開始,花了七年時間、約1億美元與無數(shù)心血

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