從云計算到海計算：論物聯(lián)網(wǎng)的體系結構

　　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、不同應用、不同領域的物理實體按其內(nèi)在關系緊密地關聯(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)能夠實現(xiàn)社會活動和人們生活方式的變革，被預言為繼互聯(lián)網(wǎng)之后新的全球信息化產(chǎn)業(yè)浪潮，受到各國政府、企業(yè)和學術界的廣泛重視。

　　從信息技術角度看，物聯(lián)網(wǎng)是指具有感知和智能處理能力的可標識的物體，基于標準的可互操作的通信協(xié)議，在寬帶移動通信、下一代網(wǎng)絡和云計算平臺等技術的支撐下，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或無需人工干預條件下感知事件、觸發(fā)動作和生成服務，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。

　　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)絡概念，它包括信息的感知、傳輸、處理決策、服務等多個方面，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，還包括電網(wǎng)和交通網(wǎng)等專用網(wǎng)絡，錯綜復雜，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，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)架構如何構成，采用什么樣的體系結構，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模式，它是通過分布式計算和虛擬化技術建設數(shù)據(jù)中心或超級計算機，以租賃或免費方式向技術開發(fā)者或企業(yè)客戶提供數(shù)據(jù)存儲、分析以及科學計算等服務。廣義上講，云計算是指廠商通過建立網(wǎng)絡服務集群，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等不同類型的服務。云計算的主要服務形式有以亞馬遜公司為代表的基礎設施即服務，以Saleforce為代表的平臺即服務，以及以微軟代表的軟件即服務等。

　　云計算的“云”就是存在于互聯(lián)網(wǎng)的服務器集群上的服務器資源，包括硬件資源（如服務器、存儲器和處理器等）和軟件資源（如應用軟件、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，并把結果反饋給發(fā)送請求的終端。每個提供云計算服務的公司，其服務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存放管理，而資源的分配調(diào)度采用分布式和虛擬化技術。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。

　　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，包括感知層、傳輸層、處理層和應用層4個層次。在感知層中，嵌入有感知器件和射頻標簽（RFID）的物體形成局部網(wǎng)絡，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)相應規(guī)則積極進行響應，同時，通過各種接入網(wǎng)絡把中間或最終處理結果接入到傳輸層；傳輸層包括寬帶無線網(wǎng)絡、光纖網(wǎng)絡、蜂窩網(wǎng)絡和各種專用網(wǎng)絡，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，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；最上層的應用層建立不同領域中的各種應用。

　　互聯(lián)網(wǎng)也可以看成存在類似的架構，底層是數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡支撐層，中間是數(shù)據(jù)中心的處理層和上層是各種互聯(lián)網(wǎng)應用。從層次架構來看，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)的上層相應要發(fā)生一些變化。

　　1.3 海計算

　　物聯(lián)網(wǎng)具有顯著的異構性、混雜性和超大規(guī)模等特點。異構性表現(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)絡共存于物聯(lián)網(wǎng)中，網(wǎng)絡之間在通信協(xié)議、信息屬性、應用特征等多個方面存在差異性，并形成混雜的異構網(wǎng)絡或“網(wǎng)中網(wǎng)”形態(tài)；混雜性表現(xiàn)在網(wǎng)絡形態(tài)和組成的異構混雜性，多信息源的并發(fā)混雜性，場景、服務和應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，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。如中關村大街的交通相關信息，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，這就需要實時性采集、處理和控制，如在中關村大街上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。感知信息的預處理、判斷和決策等信息處理主要在當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)，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，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一樣。

　　1.4 云海結合

　　物聯(lián)網(wǎng)涉及到全球的物體（包括人）規(guī)模，以及其應用需求和感知層數(shù)據(jù)的特性，決定了物聯(lián)網(wǎng)的架構需要“云”和“海”相結合。一方面，在局部應用場景中，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。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。物聯(lián)網(wǎng)的各種前端把處理的中間或最后結果存儲到云的后端。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。