物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)及應(yīng)用

第8章物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)及應(yīng)用

遠(yuǎn)距離有線接入技術(shù)：光纖等。

向遠(yuǎn)距離無線接入技術(shù)：GSM、GPRS、3G、LTE等。

絡(luò)

層近距離無線接入技術(shù)：WLAN（WiFi-IEEE802.11）,ZigBee,Bluetooth技術(shù)、AdHoc、IrDA（紅

外）技術(shù)、UWB（超寬帶）技術(shù)等。

近距離有線接入技術(shù)：RS232總線、RS485總線、PROFIBUS總線、CAN總線、局域網(wǎng)等。

感

知

層

RFID標(biāo)簽和讀寫設(shè)備M2M終端條形碼無線傳感網(wǎng)絡(luò)

圖8.1感知層和網(wǎng)絡(luò)層相關(guān)技術(shù)

如圖8.1所示，通過前面章節(jié)，我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)感知層和網(wǎng)絡(luò)層

當(dāng)中的相關(guān)技術(shù)，為了更好理解這些技術(shù)，在本章我們對這些技術(shù)加以應(yīng)用，以便

讓同學(xué)們更為系統(tǒng)地掌握物聯(lián)網(wǎng)中的感知技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)接入和承載技術(shù)、組網(wǎng)技術(shù)和

物聯(lián)網(wǎng)中間件技術(shù)。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，各類物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)持續(xù)增長，已經(jīng)應(yīng)用到物流信息化、

企業(yè)一卡通、公交視頻、校園通、手機(jī)購物、手機(jī)錢包、智能電網(wǎng)、智慧城市、智能

交通、智能醫(yī)療等各行各業(yè)中。由于物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用的廣泛性，所以分類方法很多，

我們可以從網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特征把物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)大致分為四類，分別是：身份相關(guān)業(yè)務(wù)、信

息匯聚型業(yè)務(wù)、協(xié)同感知類業(yè)務(wù)和泛在服務(wù)。（1）身份相關(guān)業(yè)務(wù)類應(yīng)用主要是利用

射頻標(biāo)識（RHD）、二維碼、條形碼等可以標(biāo)志身份的技術(shù)，并基于身份所提供的各

類服務(wù)；（2）信息匯聚型業(yè)務(wù)主要是由物聯(lián)網(wǎng)終端采集、處理，經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)上報數(shù)

據(jù)，由物聯(lián)網(wǎng)平臺處理，提交具體的應(yīng)用和服務(wù)，其典型結(jié)構(gòu)示意圖如圖8.2所示。

具體的應(yīng)用類型如農(nóng)業(yè)大棚、智能家電、電梯管理、智能電網(wǎng)、交通管理等，整個系

統(tǒng)主要由機(jī)器到機(jī)器(M2M)終端、通信網(wǎng)絡(luò)、平臺、應(yīng)用以及運(yùn)營系統(tǒng)構(gòu)成；⑶

在信息匯聚型業(yè)務(wù)中，物聯(lián)網(wǎng)的終端只要接受物聯(lián)網(wǎng)平臺管理，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、簡

單處理、上報和接受管理等功能，物聯(lián)網(wǎng)終端之間不需要進(jìn)行通信。然而，隨著物

聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用應(yīng)該能夠提供更為復(fù)雜的業(yè)務(wù)和服務(wù)，也需要物聯(lián)網(wǎng)終端

之間、物聯(lián)網(wǎng)終端和人之間執(zhí)行更為復(fù)雜的通信，而且這種通信能力在可靠性、時

延等方面可能有更高要求，對物聯(lián)網(wǎng)終端的智能化要求也更為突出，這樣才能滿足

協(xié)同處理的要求；(4)泛在服務(wù)以無所不在、無所不包、無所不能為基本特征，以實(shí)

現(xiàn)在任何時間、任何地點(diǎn)、任何人、任何物都能順暢地通信為目標(biāo)，是服務(wù)的極致。

：!…工：--：

M2M終端：溫室大生線網(wǎng)絡(luò)：GSM、：標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用?一?!

棚、智能家電、視頻WAP/GPRS、M2M平臺應(yīng)號輯、聶普'應(yīng)用：個人、企業(yè)應(yīng)用接入

監(jiān)控、智能電網(wǎng)等3G、LTE等計(jì)費(fèi)'服務(wù)等

圖8.2物聯(lián)網(wǎng)信息匯集業(yè)務(wù)示意圖

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用目前蓬勃發(fā)展，涉及日常工作生活的多個領(lǐng)域，如圖8.3所示。在電

力行業(yè)，遠(yuǎn)程抄表、輸變電監(jiān)測、節(jié)能等應(yīng)用正在逐步拓展；在交通領(lǐng)域，路網(wǎng)監(jiān)

測、車輛管理和調(diào)度等應(yīng)用正在發(fā)揮積極作用；在物流領(lǐng)域，物品倉儲、運(yùn)輸、監(jiān)測

應(yīng)用正廣泛推廣；在醫(yī)療領(lǐng)域，個人健康監(jiān)護(hù)、遠(yuǎn)程醫(yī)療等應(yīng)用日趨成熟。除此之

外，物聯(lián)網(wǎng)在環(huán)境監(jiān)測、市政設(shè)施監(jiān)控、樓宇節(jié)能、食品藥品溯源、工業(yè)自動化、公

共安全等方面也開展了廣泛的應(yīng)用。本章我們在前面章節(jié)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)之上，重點(diǎn)學(xué)

習(xí)物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)和幾個典型應(yīng)用案例，以便加深對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的理解。

8.1M2M業(yè)務(wù)

M2M是Machine-to-Machine/Man的簡稱，是一種以機(jī)器終端設(shè)備智能交互為核

心的、網(wǎng)絡(luò)化的應(yīng)用與服務(wù)。它通過在機(jī)器內(nèi)部嵌入通信模塊，通過各種承載方式

將機(jī)器接入網(wǎng)絡(luò)，為客戶提供綜合的信息化解決方案，以滿足客戶對監(jiān)控、指揮調(diào)

度、數(shù)據(jù)采集和測量等方面的信息化需求。

M2M業(yè)務(wù)通過感知、智能設(shè)備獲得客觀世界事物的信息，并對感知到的信息進(jìn)

行分析和智能化的處理，與通信對象進(jìn)行交互，完成應(yīng)用相關(guān)的業(yè)務(wù)邏輯。

M2M應(yīng)用非常豐富，各種應(yīng)用的特征也不相同。例如在健康醫(yī)療生命體征監(jiān)測

應(yīng)用中，普通的生命體征數(shù)據(jù)只需要周期性地傳送或在事件驅(qū)動的情況下傳送，只

需要傳輸少量的數(shù)據(jù)信息，不需要很大的網(wǎng)絡(luò)帶寬，只有在緊急情況下數(shù)據(jù)信息才

需要實(shí)時傳送，需要較高的QoS級別保證。而在視頻監(jiān)控類業(yè)務(wù)中則需要傳輸大量

的監(jiān)控信息，需要較高的網(wǎng)絡(luò)帶寬。與話音等傳統(tǒng)通信業(yè)務(wù)相比，M2M應(yīng)用在通信

特征方面呈現(xiàn)出差異化和多樣化。

從M2M到物聯(lián)網(wǎng)并非一個全新概念，比爾?蓋茨在華盛頓湖畔的智能化豪宅,

聯(lián)想、長虹等國內(nèi)廠商推出的閃聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)外運(yùn)營商推出的手機(jī)支付、路燈監(jiān)控

等M2M應(yīng)用都是物聯(lián)網(wǎng)的雛形。就如互聯(lián)網(wǎng)之初也是由一個個局域網(wǎng)構(gòu)成，現(xiàn)有的

M2M應(yīng)用也是物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)成基礎(chǔ)。從M2M到物聯(lián)網(wǎng)，已經(jīng)為世界勾畫出了一幅智

能化的未來畫卷。物聯(lián)網(wǎng)由分布式中央處理單元、傳輸網(wǎng)絡(luò)和感應(yīng)識別末梢組成，

也可以說是由無數(shù)個M2M系統(tǒng)構(gòu)成，就如人身體不同機(jī)能一樣，不同的M2M系統(tǒng)

負(fù)責(zé)不同的功能處理，通過中央處理單元協(xié)同運(yùn)作，最終組成智能化的社會系統(tǒng)，

如圖8.4。

8.1.1M2M概述

物聯(lián)網(wǎng)中最核心部分就是機(jī)器設(shè)備間的互聯(lián)互通，也就是M2M。2009年初，IBM

提出了智慧地球，將地球上各種設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，將數(shù)據(jù)匯集到后臺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能管理。

同年8月份，溫家寶總理在江蘇無錫指出大力發(fā)展智能信息化建設(shè)（即“感知中

國”），物聯(lián)網(wǎng)推進(jìn)工作逐步展開。

8.1.2M2M系統(tǒng)架構(gòu)和通信協(xié)議

M2M系統(tǒng)架構(gòu)

口］M2M系統(tǒng)架構(gòu)圖

應(yīng)用層

圖8.5M2M系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與技術(shù)體系

類似于物聯(lián)網(wǎng)的三層體系架構(gòu)，M2M系統(tǒng)架構(gòu)也分為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和設(shè)

備終端層，如圖&5所示。應(yīng)用層提供各種平臺和用戶界面以及數(shù)據(jù)的存儲，并通過

中間件與網(wǎng)絡(luò)傳輸層相連，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)到終端。當(dāng)機(jī)器設(shè)備有通信需求

時，會通過通信模塊和外部硬件發(fā)送數(shù)據(jù)信號，通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)较鄳?yīng)的M2M網(wǎng)

關(guān)，然后進(jìn)行業(yè)務(wù)分析和處理，最終到達(dá)用戶界面，人們可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，也

可以遠(yuǎn)程操控機(jī)器設(shè)備。應(yīng)用層的業(yè)務(wù)服務(wù)器也可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器之間的互相通信來完

成總體的任務(wù)。

(1)應(yīng)用層

應(yīng)用層包括中間件、業(yè)務(wù)分析、數(shù)據(jù)存儲和用戶界面等幾部分。其中數(shù)據(jù)存儲

用來臨時或者永久存儲應(yīng)用系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)，業(yè)務(wù)分析面向數(shù)據(jù)和應(yīng)用，提供信息

處理和決策，用戶界面提供用戶遠(yuǎn)程監(jiān)測和管理的界面。

中間件包括M2M網(wǎng)關(guān)和數(shù)據(jù)收集/集成部件兩部分。網(wǎng)關(guān)是M2M系統(tǒng)中的“翻

譯員”，它獲取來自通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳送給信息系統(tǒng)。主要的功能是完成

不同通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)收集/集成部件是為了將數(shù)據(jù)變成有價值的信息，對

原始數(shù)據(jù)進(jìn)行不同加工處理，并將結(jié)果呈獻(xiàn)給需要這些信息的觀察者和決策者。

（2）網(wǎng)絡(luò)傳輸層

網(wǎng)絡(luò)傳輸層即用來傳輸數(shù)據(jù)的通信網(wǎng)絡(luò)。從技術(shù)上來分，通信網(wǎng)絡(luò)包括：廣域

網(wǎng)（無線移動通信網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)、Internet、公眾電話網(wǎng)）、局域網(wǎng)（以太網(wǎng)、WLAN、

Blue-tooth）、個域網(wǎng)（ZigBee、傳感器網(wǎng)絡(luò)）等。

（3）設(shè)備終端層

設(shè)備終端層包括通信模塊以及硬件系統(tǒng)等。通信模塊產(chǎn)品按照通信標(biāo)準(zhǔn)可劃分

為移動通信模塊、ZigBee模塊、WLAN模塊、RFID模塊、藍(lán)牙模塊、GPS模塊和網(wǎng)

絡(luò)模塊等，硬件系統(tǒng)包括從傳感器收集數(shù)據(jù)的I/。端口、協(xié)議轉(zhuǎn)換接口、控制終端、

傳感器，以及調(diào)制解調(diào)器、天線、線纜等部件。設(shè)備終端層的作用是通過無線通信

技術(shù)發(fā)送機(jī)器設(shè)備的數(shù)據(jù)到通信網(wǎng)絡(luò)，最終傳送給服務(wù)器和用戶。而用戶也可以通

過通信網(wǎng)絡(luò)傳送控制指令到目標(biāo)通信終端，然后通過控制系統(tǒng)對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制

和操作，從而形成一個閉環(huán)。

[2]典型M2M業(yè)務(wù)體系

圖8.6移動物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)體系結(jié)構(gòu)

典型的M2M業(yè)務(wù)體系主要由M2M終端、M2M平臺、M2M應(yīng)用業(yè)務(wù)平臺、短

信網(wǎng)關(guān)、USSDC、GGSN、BOSS、行業(yè)終端監(jiān)控平臺和網(wǎng)管系統(tǒng)組成，如圖8.6所

不O

(1)M2M終端：M2M終端基于WMMP協(xié)議并具有接收遠(yuǎn)程M2M平臺激活指

令、本地故障告警、數(shù)據(jù)通信、遠(yuǎn)程升級、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)以及端到端的通信交互等功能。

(2)M2M平臺：為M2M應(yīng)用服務(wù)客戶提供統(tǒng)一的M2M終端管理和終端設(shè)備鑒

權(quán)，并對目前短信網(wǎng)關(guān)尚未實(shí)現(xiàn)的接入方式進(jìn)行鑒權(quán)。支持多種網(wǎng)絡(luò)接入方式，提

供標(biāo)準(zhǔn)化的接口使得數(shù)據(jù)傳輸簡單直接，提供數(shù)據(jù)路由、監(jiān)控、用戶鑒權(quán)和計(jì)費(fèi)等

管理功能。

(3)M2M應(yīng)用業(yè)務(wù)平臺：為提供各類M2M應(yīng)用服務(wù)業(yè)務(wù)，由多個M2M應(yīng)用業(yè)

務(wù)平臺構(gòu)成，主要包括個人、家庭、行業(yè)三大類M2M應(yīng)用業(yè)務(wù)平臺。

(4)短信網(wǎng)關(guān)：包括行業(yè)應(yīng)用網(wǎng)關(guān)和移動網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)組成，與短信中心連接，提供

通信能力，負(fù)責(zé)短信通信過程中的業(yè)務(wù)鑒權(quán)。短信網(wǎng)關(guān)產(chǎn)生短信等通信原始使用話

單，送給BOSS計(jì)費(fèi)。

(5)USSDC(非結(jié)構(gòu)化補(bǔ)充數(shù)據(jù)業(yè)務(wù))：負(fù)責(zé)建立M2M終端與M2M平臺的USSD

通信。

(6)GGSN(網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(diǎn))：負(fù)責(zé)建立M2M終端與M2M平臺的GPRS

通信，提供數(shù)據(jù)路由、地址分配及必要的網(wǎng)間安全機(jī)制。

(7)BOSS(業(yè)務(wù)運(yùn)營支撐系統(tǒng))：與短信網(wǎng)關(guān)和M2M平臺相連，完成客戶管理、

業(yè)務(wù)受理、計(jì)費(fèi)結(jié)算和收費(fèi)功能。對EC/SI提供的業(yè)務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)配置和管理，支持

簽約關(guān)系受理功能，支持通過HTTP/FTP接口與行業(yè)網(wǎng)關(guān)、M2M平臺、EC/SI進(jìn)行

簽約關(guān)系以及黑白名單等同步功能。

(8)行業(yè)終端監(jiān)控平臺：M2M平臺提供FTP目錄，將每月統(tǒng)計(jì)文件存放在FTP

目錄，供行業(yè)終端監(jiān)控平臺下載，以同步M2M平臺的終端管理數(shù)據(jù)。

(9)網(wǎng)管系統(tǒng)：網(wǎng)管系統(tǒng)與平臺網(wǎng)絡(luò)管理模塊通信，完成配置管理、性能管理、

故障管理、安全管理及系統(tǒng)自身管理等功能。

WMMP通信協(xié)議

[1]WMMP協(xié)議背景

在\VMMP協(xié)議提出之前，M2M技術(shù)通常采用兩種方式實(shí)現(xiàn)：①兩臺具有GPRS

功能的M2M終端直接通訊，雙方通過無線方式接入核心網(wǎng)后進(jìn)行連續(xù)通訊；②將一

臺GPRS終端作為M2M終端，將一臺電腦作為服務(wù)器放在Internet上作為M2M應(yīng)

用，終端通過無線方式進(jìn)行通訊。對于第一種方式，整個系統(tǒng)過于簡單，只要終端

數(shù)量增加，相互間的邏輯關(guān)系就會復(fù)雜到無法有條理的區(qū)分；對于第二種方式，則

受到無線網(wǎng)內(nèi)互聯(lián)相關(guān)法規(guī)的約束而發(fā)展緩慢。此外終端合法性、終端通訊異常處

理、終端上報數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、終端與服務(wù)器之間通訊協(xié)議也是當(dāng)時M2M技術(shù)中難以解決

的問題。

[2]WMMP協(xié)議概述

WMMP(WirelessM2MProtocol)協(xié)議是為實(shí)現(xiàn)M2M業(yè)務(wù)中M2M終端與平臺以及

應(yīng)用平臺三者相互之間數(shù)據(jù)通信過程而設(shè)計(jì)的應(yīng)用層協(xié)議，其體系如圖8.7所示。

協(xié)議為M2M架構(gòu)中的協(xié)議泛稱，M2M終端和平臺接口協(xié)議完成M2M

平臺與M2M終端之間的數(shù)據(jù)通信，以及終端之間借助M2M平臺轉(zhuǎn)發(fā)、路由所實(shí)現(xiàn)

的端到端數(shù)據(jù)通信，是WMMP協(xié)議體系中最重要的部分。

圖8.7WMMP體系

（WMMP-A:M2M應(yīng)用接口協(xié)議WMMP-T:M2M終端接口協(xié)議）

WMMP協(xié)議的核心是其可擴(kuò)展的協(xié)議棧及報文結(jié)構(gòu)，其外層是由WMMP協(xié)議

核心衍生的接入方式，與通信機(jī)制和安全機(jī)制沒有任何關(guān)系。在此基礎(chǔ)之上，由內(nèi)

向外依次為WMMP的M2M終端管理功能和WMMP的M2M應(yīng)用擴(kuò)展功能。

[3]WMMP協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

M2M終端/M2M平臺M2M終端/M2M平臺

WMMPWMMP

TCP或UDPTCP或UDP

SMS/USSDSMS/USSD

IPIP

底層承載底層承載

圖8.8M2M終端與M2M平臺之間的通信協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

WMMP協(xié)議建立在TCP/IP或UDP/IP協(xié)議、SMS和USSD之上，其協(xié)議棧結(jié)

構(gòu)如圖8.8所示。

在網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量欠佳的情況下，建議優(yōu)先采用UDP協(xié)議。例如在采用GPRS作為接

入方式時，建議采用UDP協(xié)議作為傳輸層協(xié)議，這是由于GPRS網(wǎng)絡(luò)帶寬較窄，延

遲較大，不適于采用TCP協(xié)議進(jìn)行通信。采用UDP方式通信，可以提高傳輸效率,

減少數(shù)據(jù)流量，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬資源。UDP是無連接的、面向消息的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，

與TCP協(xié)議相比，它有兩個致命的缺點(diǎn)：一是沒有確認(rèn)機(jī)制，數(shù)據(jù)包容易丟失；二

是數(shù)據(jù)包無序。因而，M2M數(shù)據(jù)通信過程通過在UDP的上層應(yīng)用層的WMMP協(xié)議

實(shí)現(xiàn)類似TCP的包確認(rèn)和重傳機(jī)制，從而提高通信效率及可靠性。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)發(fā)

現(xiàn)，采用UDP方式傳輸，丟包率能控制在1%以下，能夠滿足M2M應(yīng)用的需要。

[4]WMMP協(xié)議通信方式

WMMP協(xié)議中采用了邏輯連接的概念。所謂邏輯連接是指M2M終端與M2M平

臺一次完整的報文交互過程。M2M終端以登錄請求報文向M2M平臺登錄，其后M2M

平臺鑒權(quán)成功并發(fā)送登錄應(yīng)答報文為開始，以通信雙方一端發(fā)起退出請求，另一端

發(fā)出退出應(yīng)答作為結(jié)束，在邏輯連接中通信超時也視為連接結(jié)束。在此交互過程中，

通信形式可以是SMS、USSD、或基于GPRS的TCP或UDP方式，也可以是混合模

式，即通信方式可在邏輯連接中切換。但需要注意的是，對于一對請求和應(yīng)答，必

須在同一通信方式下完成。

(1)長連接和短連接

采用基于IP的通信方式做承載時，根據(jù)M2M終端與M2M平臺之間的IP鏈路

連接是否一直存在，可分兩種連接方式：長連接和短連接。

所謂長連接，指在一個連接過程中可以連續(xù)發(fā)送多個數(shù)據(jù)報文，如果沒有數(shù)據(jù)

報文發(fā)送，需要M2M終端發(fā)送心跳報文以維持此連接。短連接是指通信雙方有數(shù)據(jù)

交互時，就建立一個WMMP連接過程，數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，則斷開此WMMP連接過

程。

無論長連接，還是短連接，在采用IP方式時，都可以根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量采

用TCP或UDP方式。若網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量較好時（3G網(wǎng)絡(luò)以上），可以優(yōu)先選擇TCP協(xié)

議作為傳輸方式。

（2）協(xié)議端口

本協(xié)議在UDP協(xié)議下使用的端口暫定為9991,在TCP協(xié)議下使用的端口暫定

為9992。

（3）交互過程中的應(yīng)答方式

V7MMP協(xié)議數(shù)據(jù)報文以同步方式交互，如不作特殊說明，每一個數(shù)據(jù)報文請求

必須有一個應(yīng)答。

當(dāng)M2M終端通過SMS方式傳送數(shù)據(jù)時，由于每條短消息只能傳送140字節(jié)，可

能需要發(fā)送多條短消息。每次M2M終端使用SMS方式（采用8比特編碼，數(shù)據(jù)編碼方

式為0x04）傳送數(shù)據(jù)到M2M平臺，M2M平臺在接收到數(shù)據(jù)后，都向M2M終端回送

應(yīng)答，M2M終端在接收到應(yīng)答后再發(fā)送下一次信息。

當(dāng)M2M終端通過USSD方式傳送數(shù)據(jù)時，首先向M2M平臺發(fā)起處理USSD會

話請求，M2M平臺應(yīng)答后，M2M終端對數(shù)據(jù)進(jìn)行BASE64編碼，然后采取ASC編碼

方式（數(shù)據(jù)編碼方式為OxOF）傳輸。USSD方式每次最多傳送160字節(jié)，由于存在BASE64

編碼轉(zhuǎn)換，實(shí)際的有效傳輸數(shù)據(jù)量為120字節(jié)。M2M平臺收到后給予應(yīng)答，然后M2M

終端再傳送剩下的數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)傳送完成關(guān)閉USSD會話。

當(dāng)M2M終端采用IP方式傳送數(shù)據(jù)時，底層采用TCP/IP或UDP/IP協(xié)議，一

般采用UDP/IPoM2M終端使用設(shè)置的端口號向M2M平臺發(fā)起連接，連接建立后向

M2M平臺傳送采集數(shù)據(jù)，M2M平臺收到后給予應(yīng)答。

8.1.3M2M支撐技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的設(shè)備具有了通信和連網(wǎng)能力，網(wǎng)絡(luò)一切

(NetworkEverythin0逐步變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。人與人之間的通信需要更加直觀、精美的界面和

更豐富的多媒體內(nèi)容，而M2M的通信更需要建立一個統(tǒng)一規(guī)范的通信接口和標(biāo)準(zhǔn)化

的傳輸內(nèi)容。

M2M是一種理念，也是所有增強(qiáng)機(jī)器設(shè)備通信和網(wǎng)絡(luò)能力的技術(shù)總稱。人與人

之間的溝通很多也是通過機(jī)器實(shí)現(xiàn)的，例如通過手機(jī)、電話、電腦、傳真機(jī)等。另外

一類技術(shù)是專為機(jī)器和機(jī)器建立通信而設(shè)計(jì)的。例如許多智能化儀器儀表都帶有RS-

232接口和GPIB通信接口，增強(qiáng)了儀器與儀器之間，儀器與電腦之間的通信能力。

當(dāng)然目前物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域絕大多數(shù)的機(jī)器和傳感器尚不具備本地或者遠(yuǎn)程的通信和連網(wǎng)

能力。

無論哪一種M2M技術(shù)與應(yīng)用，它們都有五個重要的技術(shù)組成部分，即機(jī)器、

M2M硬件、通信網(wǎng)絡(luò)、中間件和應(yīng)用，如圖8.9所示。

應(yīng)用(Applications)

中間件(Middleware)

通信網(wǎng)絡(luò)(CommunicationNetwork)

M2M硬件(M2MHardware)

機(jī)器(Machines)

圖8.9M2M系統(tǒng)組成

(1)智能化機(jī)器：使機(jī)器能夠“開口說話”，讓機(jī)器具備信息感知、信息加工(計(jì)

算能力)和無線通信能力。實(shí)現(xiàn)M2M的第一步就是從機(jī)器/設(shè)備中獲得數(shù)據(jù)，然后把

它們通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去。使機(jī)器具備“說話”能力的基本方法有兩種：生產(chǎn)設(shè)備的

時候嵌入M2M硬件；對已有機(jī)器進(jìn)行改裝，使其具備通信/聯(lián)網(wǎng)能力。

(2)M2M硬件：進(jìn)行信息的提取，從各種機(jī)器/設(shè)備那里獲取數(shù)據(jù)，并傳送到通

信網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)有M2M硬件產(chǎn)品主要可分為五種。

①嵌入式硬件

嵌入到機(jī)器里面，使其具網(wǎng)絡(luò)通信能力。常見的產(chǎn)品是支持GSM/GPRS或

CDMA無線移動通信網(wǎng)絡(luò)的無線嵌入數(shù)據(jù)模塊，例如Nokia12GsM嵌入式無線數(shù)

據(jù)模塊;SonyEricsson的GR48和GT48;Motorola的G18/G20forGSM,C18for

CDMA;Siemens用于GSM網(wǎng)絡(luò)的TC45、TC35i、MC35i等嵌入式模塊。

②可組裝硬件

在M2M工業(yè)應(yīng)用中，廠商擁有大量不具備M2M通信和連網(wǎng)能力的設(shè)備儀器，

可組裝硬件就是為滿足這些機(jī)器的網(wǎng)絡(luò)通信能力而設(shè)計(jì)的，實(shí)現(xiàn)形式也各不相同，

包括從傳感器收集數(shù)據(jù)的I/O設(shè)備，以及可以完成協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到

通信網(wǎng)絡(luò)的連接終端。

③調(diào)制解調(diào)器

嵌入式模塊將數(shù)據(jù)傳送到移動通信網(wǎng)絡(luò)或通過公用電話/以太網(wǎng)送出時，都需要

相應(yīng)的調(diào)制解調(diào)器。

④傳感器

傳感器可分成普通傳感器和智能傳感器兩種。智能傳感器(SmartSensor)是指具

有感知能力、計(jì)算能力和通信能力的微型傳感器。由智能傳感器組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)

是M2M技術(shù)的重要組成部分。一組具備通信能力的智能傳感器以AdHoc方式構(gòu)成

無線網(wǎng)絡(luò)，協(xié)作感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)布

給用戶。也可以通過GSM網(wǎng)絡(luò)或衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸給遠(yuǎn)程服務(wù)器。典型產(chǎn)品

如Intel基于微型傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展規(guī)劃—智能微塵（SmartDust）等。

目前智能微塵面臨的最具挑戰(zhàn)性的技術(shù)難題之一是如何在低功耗下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離

傳輸，另一個技術(shù)難題在于如何將大量智能微塵自動組織成網(wǎng)絡(luò)。

⑤識別標(biāo)識

識別標(biāo)識如同每臺機(jī)器或每個商品的“身份證”，使機(jī)器之間可以相互識別和

區(qū)分。常用技術(shù)包括條形碼技術(shù)和射頻識別技術(shù)等。標(biāo)識技術(shù)已經(jīng)被廣泛用于商業(yè)

庫存和供應(yīng)鏈管理。

（3）通信網(wǎng)絡(luò)：其作用是將信息傳送到目的地。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)徹底改變了我們的生活

方式和生存面貌，而隨著M2M技術(shù)的出現(xiàn)，使得網(wǎng)絡(luò)社會的內(nèi)涵有了新的內(nèi)容。網(wǎng)

絡(luò)社會的成員除了原有人、計(jì)算機(jī)和IT設(shè)備之外，數(shù)以億計(jì)的非IT機(jī)器/設(shè)備正要

加入進(jìn)來。隨著M2M技術(shù)的發(fā)展，這些新成員的數(shù)量和數(shù)據(jù)交換的網(wǎng)絡(luò)流量將會迅

速地增加。

通信網(wǎng)絡(luò)在整個M2M技術(shù)框架中處于核心地位，包括：廣域網(wǎng)（無線移動通信

網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)、光纖骨干網(wǎng)、Internet、公眾電話網(wǎng)）、局域網(wǎng)（以太網(wǎng)、無線局

域網(wǎng)WLAN、Bluetooth）和個域網(wǎng)（ZigBee、傳感器網(wǎng)絡(luò)）。

在M2M技術(shù)框架中的通信網(wǎng)絡(luò)中，有兩個主要參與者，他們是網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商和網(wǎng)

絡(luò)集成商。尤其是移動通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商，在推動M2M技術(shù)應(yīng)用方面起著至關(guān)重要的

作用。第三代移動通信技術(shù)除了提供語音服務(wù)之外，數(shù)據(jù)服務(wù)業(yè)務(wù)的開拓是其發(fā)展

的重點(diǎn)。隨著移動通信技術(shù)向3G和4G的演進(jìn)，必定將M2M應(yīng)用帶到一個新的境

界。國外提供M2M服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)有AT&TWireless的M2M數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃，Aeris的

MicroBurst無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)等。

(4)中間件(Middleware):中間件在通信網(wǎng)絡(luò)和IT系統(tǒng)間起橋接作用，包括M2M

網(wǎng)關(guān)和數(shù)據(jù)收集/集成部件兩個部分。網(wǎng)關(guān)是M2M系統(tǒng)中的“翻譯員”，獲取來自

通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送給信息處理系統(tǒng)，主要的功能是完成不同通信協(xié)議

之間的轉(zhuǎn)換。典型產(chǎn)品如Nokia的M2M網(wǎng)關(guān)。

數(shù)據(jù)收集/集成部件是為了將數(shù)據(jù)變成有價值的信息。對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行不同加工

和處理，并將結(jié)果呈現(xiàn)給需要這些信息的觀察者和決策者，例如數(shù)據(jù)分析和商業(yè)智

能部件，異常情況報告和工作流程部件，數(shù)據(jù)倉庫和存儲部件等。

(5)應(yīng)用：對獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行加工分析，為決策和控制提供依據(jù)。

8.1.4M2M業(yè)務(wù)應(yīng)用

在不久的將來，人與人通信的手機(jī)可能僅占整個無線移動終端設(shè)備數(shù)量的1/3,

而大量的通信是以機(jī)器到機(jī)器(M2M)終端的方式，通過移動通信網(wǎng)、無線局域網(wǎng)或無

線個域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。

M2M中所說的“機(jī)器”有兩種含義。一種是指傳統(tǒng)意義上的機(jī)器，而另一種則

是指物聯(lián)網(wǎng)中的智能終端設(shè)備、智能機(jī)器人等。只要這些硬件或軟件配置有能夠執(zhí)

行M2M通信協(xié)議的接口模塊，就可以構(gòu)成M2M終端。典型的基于移動通信的M2M

應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8.10所示。

M2M終端將待發(fā)送的用戶數(shù)據(jù)通過M2M接口模塊，按照無線M2M協(xié)議，封裝

成M2M數(shù)據(jù)包；M2M數(shù)據(jù)包通過3G/4G移動通信網(wǎng)上的M2M平臺，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)

智能終端設(shè)備與服務(wù)器之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸。

用戶數(shù)據(jù)《*M2M包頭用戶數(shù)據(jù)?*用戶數(shù)據(jù)

物聯(lián)網(wǎng)M2M數(shù)據(jù)包

智能終

端設(shè)備

應(yīng)用服務(wù)器

網(wǎng)關(guān)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

物聯(lián)網(wǎng)智能終

端設(shè)備

圖8.10典型M2M應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

目前，M2M技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，如環(huán)境監(jiān)控、手機(jī)移動支付、物品位

置跟蹤、物業(yè)監(jiān)控等。下面以電力抄表為例介紹M2M業(yè)務(wù)應(yīng)用。

在電力行業(yè)中，遠(yuǎn)程抄表和電力終端監(jiān)控管理的應(yīng)用較多。遠(yuǎn)程抄表應(yīng)用如圖

8.11所示，該系統(tǒng)主要包括：數(shù)據(jù)采集器（智能電表內(nèi)置）、M2M無線抄表終端（內(nèi)置

WMMP通信模組）、移動通信網(wǎng)絡(luò)、M2M運(yùn)營管理平臺和遠(yuǎn)程抄表數(shù)據(jù)中心。

（1）M2M無線抄表終端：集中采集本地電表的用電信息，并通過移動通信網(wǎng)絡(luò)

與M2M運(yùn)營管理平臺連接，最終實(shí)現(xiàn)與電力公司抄表數(shù)據(jù)中心交互。

(2)M2M運(yùn)營管理平臺：通過WMMP協(xié)議和M2M終端進(jìn)行交互，提供終端查

詢、終端配置、遠(yuǎn)程控制、軟件升級等功能；傳輸電力公司用戶的應(yīng)用數(shù)據(jù)(如月用

電量)；同時可為電力公司提供業(yè)務(wù)監(jiān)控、故障處理等支撐服務(wù)。

(3)遠(yuǎn)程抄表數(shù)據(jù)中心：電力公司后臺應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用電信息采集和分時計(jì)價

處理。

本節(jié)關(guān)鍵詞或關(guān)鍵知識點(diǎn)：M2M系統(tǒng)三層結(jié)構(gòu)；典型業(yè)務(wù)體系組成；WMMP

可擴(kuò)展協(xié)議棧；邏輯連接；M2M系統(tǒng)五大技術(shù)組成部分。

8.2云計(jì)算

8.2.1云計(jì)算概述

云計(jì)算是一種新的計(jì)算模式。自計(jì)算機(jī)發(fā)展以來，計(jì)算模式已經(jīng)歷了主機(jī)、個

人計(jì)算機(jī)(PC)、互聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)格計(jì)算等階段，現(xiàn)在云計(jì)算也被普遍認(rèn)為是一個新階段。

最早的主機(jī)一終端模式是集中計(jì)算，一切計(jì)算資源都集中在主機(jī)上。到了PC時代,

變成了分散計(jì)算，主要計(jì)算資源分散在各個PC上?；ヂ?lián)網(wǎng)的出現(xiàn)將分散的PC聯(lián)在

了一起，部分計(jì)算資源雖然還分布在PC上，但已經(jīng)越來越多地集中到互聯(lián)網(wǎng)上。云

計(jì)算的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了更高程度的集中，它繼承和發(fā)展了網(wǎng)格計(jì)算、公用計(jì)算(又稱效能

計(jì)算)和SaaS等優(yōu)點(diǎn)，可將分布在世界范圍內(nèi)的計(jì)算資源整合為一個統(tǒng)一的資源為用

戶提供服務(wù)；另一方面，云計(jì)算又可按某個用戶的需求分出所需的資源為其服務(wù)，

從而使計(jì)算資源可以像電力和自來水一樣，統(tǒng)一地實(shí)現(xiàn)按需服務(wù)。由于不少學(xué)校后

續(xù)課程還有專門介紹云計(jì)算的，這里我們簡單地描述一下云計(jì)算的相關(guān)基礎(chǔ)知識。

云計(jì)算概念

云計(jì)算(CloudComputing是網(wǎng)格計(jì)算(GridComputing)x分布式計(jì)算(Distributed

Computing)、并行計(jì)算(ParallelComputing)、效用計(jì)算(UtilityComputing)網(wǎng)絡(luò)存儲

(NetworkStorageTechnologies)、虛擬化(Virtualization)、負(fù)載均衡(LoadBalance)等傳統(tǒng)

計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展融合的產(chǎn)物。它旨在通過網(wǎng)絡(luò)把多個成本相對較低的計(jì)

算實(shí)體整合成一個具有強(qiáng)大計(jì)算能力的完美系統(tǒng)。云計(jì)算的一個核心理念就是通過

不斷提高“云”的處理能力，進(jìn)而減少用戶終端的處理負(fù)擔(dān)，最終使用戶終端簡化

成一個單純的輸入輸出設(shè)備，并能按需享受“云”的強(qiáng)大計(jì)算處理能力。然而，對

于到底什么是云計(jì)算，至少可以找至打00多種解釋，目前還沒有公認(rèn)的定義。中國網(wǎng)

格計(jì)算和云計(jì)算專家劉鵬曾給出如下定義：“云計(jì)算將計(jì)算任務(wù)分布在大量計(jì)算機(jī)

構(gòu)成的資源池上，使各種應(yīng)用系統(tǒng)能夠根據(jù)需要獲取計(jì)算力、存儲空間和各種軟件

服務(wù)”。

通俗的理解是，云計(jì)算的“云”就是存在于互聯(lián)網(wǎng)上的服務(wù)器集群上的資源，

它包括硬件資源(服務(wù)器、存儲器、CPU等)和軟件資源(如應(yīng)用軟件、集成開發(fā)環(huán)境

等)，本地計(jì)算機(jī)只需要通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送一個需求信息，遠(yuǎn)端就會有成千上萬的計(jì)算

機(jī)提供需要的資源并將結(jié)果返回到本地計(jì)算機(jī)，這樣，本地計(jì)算機(jī)幾乎不需要做什

么，所有的處理都在云計(jì)算提供商所提供的計(jì)算機(jī)群來完成。

之所以稱為“云”，是因?yàn)樗谀承┓矫婢哂鞋F(xiàn)實(shí)中云的特征：云一般都較大；

云的規(guī)?？梢詣討B(tài)伸縮，它的邊界是模糊的；云在空中飄忽不定，無法也無需確定

它的具體位置，但它確實(shí)存在于某處。之所以稱為“云”，還因?yàn)樵朴?jì)算的鼻祖之

一亞馬遜公司將大家曾經(jīng)稱為網(wǎng)格計(jì)算的東西，取了一個新名稱“彈性計(jì)算

云”(ElasticComputingCloud),并取得了商業(yè)上的成功。

云計(jì)算的特點(diǎn)

從研究現(xiàn)狀來看，云計(jì)算具有以下特點(diǎn)。

(1)按需自助服務(wù)。消費(fèi)者可對計(jì)算資源(如服務(wù)器時間和網(wǎng)絡(luò)存儲)進(jìn)行單邊部

署以自動滿足需求，并且無須與服務(wù)提供商的人工配合。

(2)泛在網(wǎng)絡(luò)連接。云計(jì)算資源可以通過網(wǎng)絡(luò)獲取和通過標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制訪問，這些訪

問機(jī)制能夠促進(jìn)用戶通過異構(gòu)的瘦客戶平臺或胖客戶平臺(手機(jī)、筆記本電腦、掌上

電腦等)來使用云計(jì)算，也包括其它傳統(tǒng)的或基于云的服務(wù)。

(3)與地理位置無關(guān)的虛擬化資源“池”。云計(jì)算服務(wù)商采用多用戶模式，根據(jù)

用戶需求動態(tài)地分配和再分配物理資源和虛擬資源。用戶通常不用知道這些資源具

體所在位置，資源包括存貯器、處理器、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)、虛擬機(jī)等。雖然存在某種程度

上的位置無關(guān)性，也就是說用戶無法控制或根本無法知道所使用資源的確切物理位

置，但是原則上可以在較高抽象層面上來指定位置(例如國家、州、省、或者數(shù)據(jù)中

心)。資源的例子包括存儲、處理、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)帶寬以及虛擬機(jī)等。即使是私有的“云”

往往也趨向?qū)①Y源虛擬“池”化來為組織的不同部門提供服務(wù)。

(4)快速靈活地部署資源。云計(jì)算供應(yīng)商可快速靈活地部署云計(jì)算資源，快速地

放大和縮小。對于用戶，云計(jì)算資源通常顯得是無限的，并可以在任何時間購買任

何數(shù)量的資源。

(5)服務(wù)計(jì)費(fèi)(可測量的服務(wù))。通過對不同類型的服務(wù)進(jìn)行計(jì)費(fèi)，云計(jì)算系統(tǒng)能

自動控制和優(yōu)化資源利用情況，可以監(jiān)測、控制資源利用情況，并形成報告或報表，

為云計(jì)算提供商和用戶就所使用的服務(wù)提供透明性。

云計(jì)算服務(wù)模式

云計(jì)算服務(wù)模式大致可以分為三種，即將基礎(chǔ)設(shè)施作為服務(wù)(laaS)、將平臺作

為服務(wù)(PaaS)和將軟件作為服務(wù)(SaaS),如圖8.12所示。

專用將軟件作為服務(wù)

如：SalesforceonlineCRM

SaaS(SoftwareasaService)

將平臺作為服務(wù)如：GoogleAppEngine

PaaS(PlatformasaService)MicrosoftWindowsAzure

將基礎(chǔ)設(shè)施作為服務(wù)

如：AmazonEC2/S3

IaaS(InfrastructureasaService)

.通用

圖8.12云計(jì)算服務(wù)模式

(1)軟件作為服務(wù)(SaaS)

在這種模式下，提供商在云計(jì)算設(shè)施上運(yùn)行程序，用戶通過各種客戶端設(shè)備的

客戶界面(如網(wǎng)頁瀏覽器、基于網(wǎng)頁的電子郵件)使用這些應(yīng)用程序。用戶不需管理或

控制底層的網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、操作系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)、應(yīng)用程序等，但可能需要完成一些

與用戶相關(guān)的應(yīng)用程序參數(shù)設(shè)置?！鞍衍浖鳛榉?wù)”的特色是根據(jù)需要作為服務(wù)

提供的一整套應(yīng)用程序。該軟件的單個實(shí)例運(yùn)行于云上，并為多個最終用戶或客戶

機(jī)構(gòu)提供服務(wù)。

最著名的SasS示例是。1999年，28歲的甲骨文(oracle)高級副總

裁、俄羅斯裔美國人馬克?貝尼奧夫創(chuàng)辦了S公司，并提出軟件即服務(wù)

(SaaS,Software-as-a-service)的思想，并運(yùn)用于客戶關(guān)系管理服務(wù)(CRM)軟件。目前已

有82,500家公司采用了Salesforce的CRM。

(2)平臺作為服務(wù)(PaaS)

在這種交付模式下，用戶采用提供商支持的編程語言和工具編寫好應(yīng)用程序，

然后放到云計(jì)算平臺上運(yùn)行。用戶不需管理或控制底層的網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、操作系統(tǒng)、

存儲系統(tǒng)等，但要控制應(yīng)用程序，可能還需要設(shè)置應(yīng)用程序的運(yùn)行環(huán)境。

從服務(wù)生產(chǎn)商或消費(fèi)者的觀點(diǎn)看，關(guān)于PaaS的觀點(diǎn)至少有兩種：

①生產(chǎn)PaaS的某個人可能通過集成OS、中間件、應(yīng)用軟件甚至是一個隨后

作為服務(wù)提供給客戶的開發(fā)環(huán)境來生產(chǎn)一個平臺。例如，開發(fā)PaaS的人可能會使其

以一組SunxVM管理程序虛擬機(jī)為基礎(chǔ)，這組虛擬機(jī)包括一個NetBcans集成化開

發(fā)環(huán)境、一個SunGlassFishWeb棧，并支持像Peri或Ruby等其它編程語言。

②使用PaaS的人會看到一個封裝式服務(wù)，該服務(wù)是通過API提供給用戶的。

客戶通過API與該平臺互動，而且該平臺執(zhí)行一切必要的操作來管理和擴(kuò)展其本身,

以提供規(guī)定的服務(wù)水平。虛擬設(shè)備可以歸類為PaaS的實(shí)例。例如，一個內(nèi)容交換設(shè)

備會將其所有組成軟件對客戶隱藏起來，而只向客戶提供用來配置和部署服務(wù)的一

個API或GUE

PaaS的商業(yè)示例如GoogleAppEngine,谷歌推出了谷歌應(yīng)用軟件引擎（Google

AppEngine,簡稱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(fèi)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）o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(fèi)。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(jì)

劃。

（3）基礎(chǔ)設(shè)施作為服務(wù)（laaS）

在這種交付模式下，用戶將部署處理器、存儲系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)及其它基本的計(jì)算資

源，并按自己的意志運(yùn)行操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序等軟件。用戶不需管理或控制底層的

云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施，但要控制操作系統(tǒng)、儲存系統(tǒng)和應(yīng)用程序，可能還需要選擇網(wǎng)絡(luò)

組件（防火墻、負(fù)載均衡器等）。

亞馬遜的云計(jì)算產(chǎn)品總稱為AmazonWebService（亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)），主要由四部

分組成，包括S3（SimpleStorageService,簡單的存儲服務(wù)）、EC2（ElasticComputeCloud,

可伸縮計(jì)算云）、SQS（SimpleQueuingService,簡單信息隊(duì)列服務(wù)）以及SimpleDB（簡

單數(shù)據(jù)庫）。也就是說，亞馬遜目前為開發(fā)者提供了存儲、計(jì)算、中間件和數(shù)據(jù)庫管

理系統(tǒng)服務(wù)。作為laaS在實(shí)際應(yīng)用中的一個例子，《紐約時報》使用成百上千臺

AmazonEC2實(shí)例在36小時內(nèi)處理TB級的文檔數(shù)據(jù)。如果沒有EC2,《紐約時報》

處理這些數(shù)據(jù)將要花費(fèi)數(shù)天甚至數(shù)月的時間。

云計(jì)算的部署模式

不管利用了哪種服務(wù)模型(SaaS、PaaS或laaS),目前都存在四種云服務(wù)部署模

型，或者用以解決某些特殊需求而在它們之上的演化變形。

(1)私有云。在這種模式下，云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施由單個組織經(jīng)營，可由該組織或第

三方管理，可以是場內(nèi)服務(wù)(on-prcmises),也可以是場外服務(wù)(off-premises)。

(2)社區(qū)云。在這種模式下，云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施由數(shù)個組織共享，并為一個有共同

關(guān)注點(diǎn)的團(tuán)體提供支持，可由團(tuán)體組織或第三方管理。云基礎(chǔ)設(shè)施由若干個組織分

享，以支持某個特定的社區(qū)。社區(qū)是指有共同訴求和追求的團(tuán)體(例如使命、安全要

求、政策或合規(guī)性考慮等)。

(3)公共云。在這種模式下，云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施由一家銷售云計(jì)算服務(wù)的組織所擁

有，該組織將云計(jì)算服務(wù)銷售給公眾或大型工業(yè)團(tuán)體。

(4)混合云。在這種模式下，云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施由兩種或兩種以上的云(私有、團(tuán)體

或公共)組成，每種模式的云都保持獨(dú)立，但通過標(biāo)準(zhǔn)或?qū)Ｓ屑夹g(shù)被組合成一體，具

有數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序的可移植性。如AmazonWebServer等既為企業(yè)內(nèi)部又為外部用戶

提供云計(jì)算服務(wù)。這些技術(shù)促成數(shù)據(jù)和應(yīng)用的可移植性(例如用于云之間負(fù)載均衡的

cloudbursting技術(shù))。

云計(jì)算的核心技術(shù)

云計(jì)算以數(shù)據(jù)為中心，是一種數(shù)據(jù)密集型的超級計(jì)算方式。它運(yùn)用了許多技術(shù)，

其中以編程模型、數(shù)據(jù)管理技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲技術(shù)、虛擬化技術(shù)、云計(jì)算平臺管理技

術(shù)最為關(guān)鍵。

(1)編程模型

為了使用戶能更輕松地享受云計(jì)算帶來的服務(wù)，讓用戶能利用該編程模型編寫

簡單的程序來實(shí)現(xiàn)特定的目的，云計(jì)算上的編程模型必須十分簡單，必須保證后臺

復(fù)雜的并行執(zhí)行和任務(wù)調(diào)度對用戶和編程人員透明化。

云計(jì)算采用MapReduce的編程模型?，F(xiàn)在所有IT廠商提出的云計(jì)劃中采用的編

程模型，都是基于M叩Reduce思想開發(fā)的編程工具。MapReduce不僅僅是一種編程

模型，同時也是一種高效的任務(wù)調(diào)度模型，不僅適用于云計(jì)算，在多核和多處理器

以及異構(gòu)機(jī)群上同樣具有良好的性能。

該編程模型目前主要適用于編寫任務(wù)內(nèi)部松耦合、能夠高度并行化的程序。如

何改進(jìn)編程模式，是程序員能夠輕松編寫緊耦合的程序，運(yùn)行時能同時高效調(diào)度和

執(zhí)行任務(wù)是MapReduce編程模型未來的發(fā)展方向。

(2)海量數(shù)據(jù)分布存儲技術(shù)

云計(jì)算系統(tǒng)由大量服務(wù)器組成，同時為大量用戶服務(wù)，因此云計(jì)算系統(tǒng)采用分

布式存儲方式存儲數(shù)據(jù)，用冗余存儲的方式保證數(shù)據(jù)的可靠性。云計(jì)算系統(tǒng)中廣泛

使用的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)是Google的GFS和Hadoop團(tuán)隊(duì)開發(fā)的開源HDFS。GFS即

Google文件系統(tǒng)(Google),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。

(3)海量數(shù)據(jù)管理技術(shù)

云計(jì)算需要對分布的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，因此，數(shù)據(jù)管理技術(shù)必需能夠

高效地管理大量數(shù)據(jù)。云計(jì)算系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)管理技術(shù)主要是Google的BT(BigTablc)

數(shù)據(jù)管理技術(shù)和Hadoop團(tuán)隊(duì)開發(fā)的開源數(shù)據(jù)管理模塊HBascoBT是建立在GFS,

Scheduler,LockService和MapReduce之上的一個大型分布式數(shù)據(jù)庫。與傳統(tǒng)的關(guān)系

數(shù)據(jù)庫不同，它把所有數(shù)據(jù)都作為對象來處理，形成一個巨大的表格，用來分布存

儲大規(guī)模結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。Go。質(zhì)的很多項(xiàng)目使用BT來存儲數(shù)據(jù)，包括網(wǎng)頁查詢,Google

Earth和Google金融。這些應(yīng)用程序?qū)T的要求各不相同：數(shù)據(jù)大小(從URL到網(wǎng)

頁到衛(wèi)星圖象)不同，反應(yīng)速度不同(從后端的大批處理到實(shí)時數(shù)據(jù)服務(wù))。對于不同

的要求，BT都成功地提供了靈活高效的服務(wù)。

(4)虛擬化技術(shù)

通過虛擬化技術(shù)可實(shí)現(xiàn)軟件應(yīng)用與底層硬件相隔離，既包括將單個資源劃分成

多個虛擬資源的裂分模式，也包括將多個資源整合成一個虛擬資源的聚合模式。虛

擬化技術(shù)根據(jù)對象可分成存儲虛擬化、計(jì)算虛擬化和網(wǎng)絡(luò)虛擬化等，計(jì)算虛擬化又

分為系統(tǒng)級虛擬化、應(yīng)用級虛擬化和桌面虛擬化。

(5)云計(jì)算平臺管理技術(shù)

云計(jì)算資源規(guī)模龐大，服務(wù)器數(shù)量眾多并分布在不同的地點(diǎn)，同時運(yùn)行著數(shù)百

種應(yīng)用，如何有效地管理這些服務(wù)器，保證整個系統(tǒng)提供不間斷的服務(wù)是巨大的挑

戰(zhàn)。云計(jì)算系統(tǒng)的平臺管理技術(shù)能夠使大量的服務(wù)器協(xié)同工作，方便業(yè)務(wù)部署和開

通，快速發(fā)現(xiàn)和恢復(fù)系統(tǒng)故障，通過智能化的手段實(shí)現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng)的可靠運(yùn)營。

云計(jì)算實(shí)現(xiàn)機(jī)制

由于云計(jì)算分為laaS、PaaS和SaaS三種類型，不同的廠家又提供了不同的解決

方案，目前還沒有一個統(tǒng)一的技術(shù)體系結(jié)構(gòu)，圖8.13提供了一個參考的云計(jì)算體系

結(jié)構(gòu)。

這個體系結(jié)構(gòu)概括了不同解決方案的主要特征，每一種方案或許只實(shí)現(xiàn)了其中

部分功能，或許也還有部分相對次要功能尚未概括進(jìn)來。

云計(jì)算技術(shù)體系結(jié)構(gòu)分為四層：物理資源層、SOA(Sen-icc-OricntcdArchitecture,

面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu))構(gòu)建層、資源池層和管理中間件層。物理資源層包括計(jì)算機(jī)、

存儲器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、數(shù)據(jù)庫和軟件等。資源池層是將大量相同類型的資源構(gòu)成同構(gòu)

或接近同構(gòu)的資源池，如計(jì)算資源池、數(shù)據(jù)資源池等。構(gòu)建資源池更多的是物理資

源的集成和管理工作，例如研究在一個標(biāo)準(zhǔn)集裝箱的空間如何裝下2000個服務(wù)器、

解決散熱和故障節(jié)點(diǎn)替換的問題并降低能耗。管理中間件層負(fù)責(zé)對云計(jì)算的資源進(jìn)

行管理，并對眾多應(yīng)用任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，使資源能夠高效、安全地為應(yīng)用提供服務(wù)。

SOA構(gòu)建層將云計(jì)算能力封裝成標(biāo)準(zhǔn)的WebServices服務(wù)，并納入到SQA體系進(jìn)行

管理和使用，包括服務(wù)接口、服務(wù)注冊、服務(wù)查找、服務(wù)訪問和服務(wù)工作流等。管理

中間件層和資源池層是云計(jì)算技術(shù)的最關(guān)鍵部分，SOA構(gòu)建層的功能更多依靠外部

設(shè)施提供。

SOA構(gòu)建層

［“務(wù)接口］［服務(wù)注冊］［服務(wù)杳找］［服務(wù)訪問］［版務(wù)工作流］

資源池［計(jì)算一源1］［存儲資源池］「網(wǎng)絡(luò)資源池］「數(shù)據(jù)資源油］|軟件資源油

JJ

「、

物理資源［計(jì)制1］［存儲器］［網(wǎng)絡(luò)設(shè)施］［數(shù)據(jù)庫］［軟件］

圖8.13云計(jì)算技術(shù)體系結(jié)構(gòu)

云計(jì)算的管理中間件層負(fù)責(zé)資源管理、任務(wù)管理、用戶管理和安全管理等工作。

資源管理負(fù)責(zé)均衡地使用云資源節(jié)點(diǎn)，檢測節(jié)點(diǎn)故障并試圖恢復(fù)或屏蔽之，并對資

源的使用情況進(jìn)行監(jiān)視統(tǒng)計(jì)；任務(wù)管理負(fù)責(zé)執(zhí)行用戶或應(yīng)用提交的任務(wù)，包括完成

用戶任務(wù)映象(Image)的部署和管理、任務(wù)調(diào)度、任務(wù)執(zhí)行、任務(wù)生命期管理等；用戶

管理是實(shí)現(xiàn)云計(jì)算商業(yè)模式的一個必不可少的環(huán)節(jié)，包括提供用戶交互接口、管理

和識別用戶身份、創(chuàng)建用戶程序的執(zhí)行環(huán)境、對用戶的使用進(jìn)行計(jì)費(fèi)等；安全管理

保障云計(jì)算設(shè)施的整體安全，包括身份認(rèn)證、訪問授權(quán)、綜合防護(hù)和安全審計(jì)等。

8.2.2云計(jì)算應(yīng)用實(shí)例

云計(jì)算的兩個重要目標(biāo)就是可擴(kuò)展性和高可用性?？蓴U(kuò)展性表達(dá)了云計(jì)算能夠

無縫地擴(kuò)展到大規(guī)模的集群之上，甚至包含數(shù)千個節(jié)點(diǎn)同時處理。高可用性代表了

云計(jì)算能夠容忍節(jié)點(diǎn)的錯誤，甚至有很大一部分節(jié)點(diǎn)發(fā)生失效也不會影響程序的正

常運(yùn)行。下面給出3個具體的云計(jì)算實(shí)例，具體包括Google的云計(jì)算平臺以及云計(jì)

算的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序、IBM公司的“藍(lán)云”平臺產(chǎn)品以及Amazon公司的彈性計(jì)算云。

(1)Google的云計(jì)算平臺

Google云計(jì)算技術(shù)包括Google文件系統(tǒng)GFS、分布式計(jì)算編程模型MapReduce、

分布式鎖服務(wù)Chubby和分布式結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)Bigtable等。其中GFS提供了海

量數(shù)據(jù)存儲和訪問的能力，MapReduce使得海量信息的并行處理變得簡單易行，

Chubby保證了分布式環(huán)境下并發(fā)操作的同步問題，Bigtablc使得海量數(shù)據(jù)的管理和

組織十分方便。

應(yīng)用(Filename,chunkindex)GFS主服務(wù)器

Filenamespace

GFS客戶

(chunkhandle,chunk

locations)

Instructionstochunkserver

(chunkhandletbyetrange)Chunkserverstate

GFS塊服務(wù)器GFS塊服務(wù)器

Chunkdata

Linux文件系統(tǒng)Linux文件系統(tǒng)

數(shù)據(jù)消息

控制消息6行..

圖8.14Google系統(tǒng)架構(gòu)

①Google文件系統(tǒng)（GFS）

GFS系統(tǒng)架構(gòu)如圖8.14所示，作為一個大型分布式文件系統(tǒng)，位于所有核心技

術(shù)的底層。GFS使用廉價的商用機(jī)器構(gòu)建分布式文件系統(tǒng)，將容錯任務(wù)交由文件系

統(tǒng)來完成，利用軟件的方法解決系統(tǒng)可靠性問題，這樣可以使得存儲的成本成倍下

降。

GFS將整個系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)分為三類：Client（客戶端）、Master（主服務(wù)器）和Chunk

Server（數(shù)據(jù)塊服務(wù)器）。Client是GFS提供給應(yīng)用程序的訪問接口，以庫文件的形式

提供。Master是GFS的管理節(jié)點(diǎn)，在邏輯上只有一個，保存系統(tǒng)的元數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)整

個文件系統(tǒng)的管理。ChunkServer負(fù)責(zé)具體的存儲工作，它的數(shù)目直接決定了GFS的

規(guī)模?？蛻舳嗽谠L問GFS時，首先訪問Master節(jié)點(diǎn)，獲取將要與之進(jìn)行交互的Chunk

Server信息，然后直接訪問這些ChunkServer完成數(shù)據(jù)存取。這種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了控制

流和數(shù)據(jù)流的分離，降低了Master的負(fù)載。

②M;ipRcducc分布式編程環(huán)境

M叩Reduce并行計(jì)算框架的核心思想是分而治之，將計(jì)算任務(wù)分解成兩步，分

別是Map和ReduceoMap通常有很多個，每個Mapper為被分解后的子任務(wù)；Reduce

可以為一個或多個，每個Reducer負(fù)責(zé)將Map的部分輸出合并。Mapper和Reducer

是定義在(key,value)對上的函數(shù)。Mapper的輸入為一個域上的(key,value)對，它的輸

出為另一域上(key,value)對的鏈表，即Map(kl,vl)一■list(k2,v2)。Map函數(shù)會并行地

應(yīng)用于全部輸入數(shù)據(jù)，從而為每個輸入(kl,vl)生成一系列(k2,v2)對。然后MapReduce

框架會將所有k2相同的(k2,v2)收集起來形成一組，并將所有組按一定規(guī)則分發(fā)到

Reducer上。每個組將被應(yīng)用Reduce函數(shù)，生成0個或多個值，即Reduce(k2,list(v2))

-list(v3)。這里可以將Map理解為“分工”，將Reduce理解理解為“合伙”。

假設(shè)某購物中心的老板，想了解人們在周末購物的熱情，并希望針對這一情況

安排適當(dāng)?shù)拇黉N活動以促進(jìn)業(yè)務(wù)增長，需要知道周六和周日購物中心的總營業(yè)額，

這可以通過統(tǒng)計(jì)周末兩天的營業(yè)記錄來獲知。但是由于規(guī)模龐大，營業(yè)賬本填滿了

辦公室，顯然需要幫助。若按照MapReduce的思想，叫來40個營業(yè)員和2位副經(jīng)理

A、B,將賬本平均分配給營業(yè)員，讓他們將所分?jǐn)偟礁髯再~本上的周六和周日的營

業(yè)記錄分別報告給副經(jīng)理A和B,而2位副經(jīng)理負(fù)責(zé)將記錄累加。這樣就快速地得

到了想要信息。這里，營業(yè)員是Mapper,副經(jīng)理是Reducer。

reducer)reducer

It

R8?8

圖8.15M叩Reduce處理程序的執(zhí)行過程

圖8.15給出了MapReduce處理程序的執(zhí)行過程。首先輸入被分隔成多塊并分配

給mapper,mapper處理輸入并生成(key,value)對；MapReduce框架將具有相同key的

對聚合成一組，并按照一定的規(guī)則再將這些組分配到reducer_E；最后reducer處理

這些具有相同key的組并生成結(jié)果。圖8.15中小長方形就代表(key,value)對，例如

表示一筆營業(yè)額為1的星期六營業(yè)記錄；聚合相同key的組并對其進(jìn)行分

類的操作稱為Shu田eandsort(聚合分類)。值得注意的是圖8.15中除了mapper和

reducer之外，還有其它三個可選的部件，分別是Combiner、Partitioncr和Comparatoro

Combiner位于mapper之后和shuffleandsort之前,與reducer的功能基本相同。它的

好處是預(yù)先處理可以reduce的對，減少數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上的傳輸量，從而提高效率。

Partitioner決定如何將聚合后的(key,value)組分配至！|reducer上。Comparator則決定了

同組內(nèi)(key,value)對之間的相對順序。在默認(rèn)情況下，Combiner為空；Partitioncr則

根據(jù)key的Hash值進(jìn)行分配；而Comparator則使用value類型的比較函數(shù)進(jìn)行排序。

③分布式鎖服務(wù)Chubby

Chubby是基于松耦合，能夠提供粗粒度鎖服務(wù)的一個分布式文件系統(tǒng)，解決了

分布的一致性問題。GFS使用Chubby來選取一個GFS主服務(wù)器,Bigtable使用Chubby

指定一個主服務(wù)器并發(fā)現(xiàn)、控制與其相關(guān)的字表服務(wù)器。Chubby還可以作為一個穩(wěn)

定的存儲系統(tǒng)存儲包括原數(shù)據(jù)在內(nèi)的小數(shù)據(jù)，同時Google內(nèi)部使用Chubby進(jìn)行名

字服務(wù)(NameServer)。Chubby系統(tǒng)本質(zhì)上是一個分布式的、存儲大量小文件的文件

系統(tǒng)，它所有的操作都是在文件的基礎(chǔ)上完成的，Chubby的文件系統(tǒng)與UNIX類似。

④分布式的大規(guī)模數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)Bigtable

Bigtable是一個分布式多維映射表，表中數(shù)據(jù)通過一個行關(guān)鍵字、列關(guān)鍵字和一

個時間戳進(jìn)行索引。Bigtable對存儲在其中的數(shù)據(jù)不做任何解析，一律看做字符串，

具體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)由用戶自行處理。Bigtable的存儲格式如圖8.16。Bigtable不支