物联网“云管端”的技术发展与应用

刁兆坤, 曹世强, 孟繁丽

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

1 物联网概念与物联网的“十二五”发展规划

1.1 物联网概念阐释

目前对物联网还没有一个统一的标准定义，但从物联网本质上看，物联网是现代信息技术发展到一定阶段后出现的一种聚合性应用与技术提升，将各种感知技术、现代网络技术和人工智能与自动化技术聚合与集成应用，使人与物智慧对话，创造一个智慧的世界。物联网指的是将无处不在的末端设备和设施通过各种无线、有线的长距离和短距离通信网络实现互联互通、应用大集成以及基于云计算的SaaS营运等模式，在内网、专网或互联网环境下，采用适当的信息安全保障机制，提供安全可控乃至个性化的实时在线监测、定位追溯、报警联动、调度指挥、预案管理、远程控制、安全防范、远程维保、在线升级、统计报表、决策支持、领导桌面等管理和服务功能，实现对“万物”的“高效、节能、安全、环保”的“管、控、营”一体化。目前，物联网发展被正式列入国家发展战略。

1.2 物联网“十二五”发展规划

为抓住机遇，明确方向，突出重点，加快培育和壮大物联网，根据我国《物联网“十二五”发展规划》，到2015年，我国要在核心技术研发与产业化、关键标准研究与制定、产业链条建立与完善、重大应用示范与推广等方面取得显著成效，初步形成创新驱动、应用牵引、协同发展、安全可控的物联网发展格局。

首先，技术创新能力显著增强。攻克一批物联网核心关键技术，在感知、传输、处理、应用等技术领域取得500项以上重要研究成果；研究制定200项以上国家和行业标准；推动建设一批示范企业、重点实验室、工程中心等创新载体，为形成持续创新能力奠定基础。

其次，初步完成产业体系构建。形成较为完善的物联网产业链，培育和发展10个产业聚集区，100家以上骨干企业，一批“专、精、特、新”的中小企业，建设一批覆盖面广、支撑力强的公共服务平台，初步形成门类齐全、布局合理、结构优化的物联网产业体系。

最后，应用规模与水平显著提升。在经济和社会发展领域广泛应用，在重点行业和重点领域应用水平明显提高，形成较为成熟的、可持续发展的运营模式，在9个重点领域完成一批应用示范工程，力争实现规模化应用。

2 物联网的“云管端”

“云管端”的概念由华为率先提出。构建“云、管、端”一体化的运营体系，将大大降低运营商单位比特的资费成本及综合的运营成本，提供更具有竞争力的通信质量和网络服务。“云、管、端”一体化的运营体系如图1所示。

“云”指的是云计算。云计算的核心思想，是将大量用网络连接的计算资源统一管理和调度，构成一个计算资源池向用户按需服务。提供资源的网络被称为“云”。“云”中的资源在使用者看来是可以无限扩展的，并且可以随时获取，按需使用，随时扩展，按使用付费。云应用作为物联网运营平台的一部分，实现行业应用的业务流程，在技术上通过应用虚拟化技术让一个物联网行业应用的多个不同租户共享存储、计算能力等资源。按照云计算的思想，系统的拓扑结构包括3个层次的备份云:广域(公共)云,区域云及本地(私有)云。按照就近服务原则，完成新注册用户的调度分配。云计算为用户提供最可靠，最安全的数据存储中心，对用户端设备要求最低，使用方便，可以实现不同用户设备间的数据与应用共享，为用户使用网络提供无限可能。通过引入云计算等新技术，构建标准化和开放性的综合平台，着力打造两大应用提供模式：以综合平台能力开放为基础的合作应用提供模式和以核心能力为基础的自营应用创新提供模式。

“管”指的是信息传送通道（或管道）。现在管道的概念已经远远超过电信行业数据通信网络的概念，它包括电信行业的固定数据通信网、移动通信网、广电行业的有线电视网等运营商的传输网络，也包括电力行业中电力线为介质的传输网络、铁路系统的数据通信网络等行业专网。总之，只要是完成数据传输功能的通道，都可以把它纳入“管”的范围，是真正意义上的多网融合。通过引入先进网络技术建成的智能化管道，向上承接综合平台以及聚合内容和应用，向下协同用户终端，为用户提供从底层网络到上层增值应用的协同服务，着力凸显“光速化、智能化、层次化”等特点。光速化，支持光网高带宽接入，从EPON/GPON向10G PON等更高速率网络演进，统筹应用FTTB、FTTH（FTTO）等接入方式，实现用户可分配带宽持续增长的能力，满足原有业务质量提升及新业务引入的应用需求；智能化，融合DPI、策略控制、统一认证等智能管理新技术，完善对网络流量和应用的深入感知与分析能力，实现基于用户和业务的精确识别、流量管控和端到端服务质量保证；层次化，根据用户的应用层次需求，提供居家、社区和外出的综合信息化服务，从家庭信息化网络、社区服务网络和运营商基础通信网络3个层次，构建客户感知良好、运营管理方便、业务开通灵活的智能化管道。

“端”指的是所有和管道相连接的作为最终触角的设备。它包括各类传感器、摄像头、智能家电、POS机、远程电表、工控机器人等。“端”作为服务载体覆盖最终用户。

图1 “云、管、端”一体化的运营体系示意图

3 物联网“云管端”层次结构特征和体系架构

从物联网“云管端”层次结构来看，它应该具备3个特征：

一是全面感知，即利用RFID、传感器、二维码等随时随地获取物体的信息；

二是可靠传递，通过各种通信网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递出去；

图2 物联网体系架构图

三是智能处理，利用云计算、模糊识别等各种智能计算技术，对海量的数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化的控制。

物联网体系架构如图2所示。

4 物联网的4大网络支撑

物联网的发展依赖如下4大网络的支撑，如图3所示。

4.1 短距离无线通信网

它包括10多种已存在的短距离无线通信（如RFID、ZigBee、蓝牙等）标准网络以及组合形成的无线网状网（Mesh Networks)。射频识别技术（RFID）是物联网发展的排头兵，是市场最为关注的技术。RFID是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术，是目前比较先进的一种非接触识别技术。以简单RFID系统为基础，结合已有的网络技术、数据库技术、中间件技术等，构筑一个由大量联网的阅读器和无数移动的标签组成的，比Internet更为庞大的物联网成为RFID技术发展的趋势。

4.2 长距离无线通信网

它包括2G、3G、LTE等蜂窝网以及真正的长距离卫星移动通信网。无线接入网承载物联网业务的资源配置应按照物联网业务的区域与业务的类型灵活选择。针对移动性高、业务区域广、相对数据流量小、速率要求不高的业务，可选择由现有2G 网络承载；业务区域相对较广、数据流量与速率有一定要求的业务，可以考虑由3G网络承载；对于业务区域较小、数据流量与速率要求较高的业务，按其移动性要求可相应的选择TD-LTE及WLAN网络进行承载。

图4 物联网的4大网络支撑

4.3 短距离有线通信网

主要依赖10多种现场总线（如ModBus、DeviceNet等）标准，以及PLC电力线载波等网络。ModBus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（如以太网）和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。

4.4 长距离有线通信网

支持IP协议的网络，包括计算机网、广电网和电信网（三网融合）以及国家电网的通信网。所谓“三网融合”，就是指电信网、广播电视网和计算机通信网的相互渗透、互相兼容、并逐步整合成为全世界统一的信息通信网络。“三网融合”是为了实现网络资源的共享，避免低水平的重复建设，形成适应性广、容易维护、费用低的高速宽带的多媒体基础平台。

5 物联网“云管端”技术发展分析

5.1 云计算技术发展

云计算是随着处理器技术、虚拟化技术、分布式存储技术、宽带互联网技术和自动化管理技术的发展而产生的。从技术层面上讲，云计算基本功能的实现取决于两个关键的因素，一个是数据的存储能力，另一个是分布式的计算能力。因此，云计算中的“云”可以再细分为“存储云”和“计算云”，也即“云计算=存储云+计算云”。

云计算基础关键技术包括如下5大关键技术：

5.1.1 虚拟化技术

虚拟化是一个广义的术语，是指计算元件在虚拟的基础上而不是真实的基础上运行，是一个为了简化管理，优化资源的解决方案。如同空旷、通透的写字楼，整个楼层几乎看不到墙壁，用户可以用同样的成本构建出更加自主适用的办公空间，进而节省成本，发挥空间最大利用率。这种把有限的固定的资源根据不同需求进行重新规划以达到最大利用率的思路，在IT领域就叫做虚拟化技术。虚拟化能在降低费用的同时帮助将资源的利用率最大化。根据企业的需要去选择虚拟化技术和提供商。

5.1.2 分布式文件系统

目前在云计算领域研究较为成熟以及应用较为广泛的主要有GFS（Google Filesystem）和HDFS（Hadoop Distributed Filesystem）等。GFS是一个可扩展的分布式文件系统，用于大型的、分布式的、对大量数据进行访问的应用。它运行于廉价的普通硬件上，但可以提供容错功能。它可以给大量的用户提供总体性能较高的服务。HDFS是一个分布式文件系统，其有着高容错性的特点，并且设计用来部署在低廉的硬件上。而且它提供高传输率来访问应用程序的数据，适合那些有着超大数据集的应用程序。

5.1.3 分布式计算模型

Map/Reduce是一个用于大规模数据处理的分布式计算模型，它最初是由Google工程师设计并实现的，Google已经将它完整的MapReduce论文公开发布了。其中对它的定义是，Map/Reduce是一个编程模型，是一个用于处理和生成大规模数据集的相关的实现。

5.1.4 分布式数据库

分布式数据库系统通常使用较小的计算机系统，每台计算机可单独放在一个地方，每台计算机中都有DBMS的一份完整拷贝副本，并具有自己局部的数据库，位于不同地点的许多计算机通过网络互相连接，共同组成一个完整的、全局的大型数据库。分布式数据库中，处于各地的计算机由数据通信网络相联系，从而提高了系统的可靠性。

5.1.5 数据中心的构建（对象存储的实现方式）

数据中心是全球协作的特定设备网络，用来在Internet基础设施上加速信息的传递。采用Internet接入时，只需要一台能上网的PC加数据中心软件即可。

5.2 智能化信息传送管道技术发展分析

物联网网络提供商指数据的传输承载网络服务商，以通信网为主，包括固网和移动通信网。国内3家电信运营商都已经涉足了这一领域，另外，也有广电网络运营商的参与。作为物联网信息的传送管道，由“哑管道”走向“金管道”，将通信网络打造成物联时代的“核心价值纽带”具有非常意义。目前，各通信网络运营商正以需求和应用为导向，建设和丰富物联网平台，在统一标准和规范的指导下，面向各类物联网应用，采用多种模式和手段，开展物联网业务平台服务模式，并实现现有平台实现有效整合。

5.3 智能化感知终端技术发展分析

物联网终端是物联网中连接传感网络层和传输网络层，实现采集数据及向网络层发送数据的设备。它担负着数据采集、初步处理、加密、传输等多种功能。物联网终端基本由外围感知（传感）接口、中央处理模块和外部通信接口3个部分组成，通过外围感知接口与传感设备连接，如RFID读卡器，红外感应器，环境传感器等，将这些传感设备的数据进行读取并通过中央处理模块处理后，按照网络协议，通过外部通信接口，如GPRS模块、以太网接口、Wi-Fi等方式发送到以太网的指定中心处理平台。物联网终端属于传感网络层和传输网络层的中间设备，也是物联网的关键设备，通过他的转换和采集，才能将各种外部感知数据汇集和处理，并将数据通过各种网络接口方式传输到互联网中。如果没有它的存在，传感数据将无法送到指定位置，“物”的联网将不复存在。

6 物联网的应用前景

物联网被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。物联网一方面可以提高经济效益，大大节约成本；另一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力。目前，美国、欧盟、中国等都在投入巨资深入研究探索物联网。

经过10多年的发展，互联网仍然停留在虚拟世界，而融合了互联网及感应技术的物联网的出现，则使互联网真正开始从虚拟走向现实。一旦物联网大规模普及，无数的日常生活用品需要加装小巧智能的传感器，或者直接升级换代，给市场带来的商机将大得难以估量。在未来10年内，物联网就可能大规模普及，将广泛运用于智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、老人护理、个人健康等多个领域。美国权威咨询机构Forrester预测，到2020年，世界上物物互联的业务，跟人与人通信的业务相比，将达到30：1，因此，“物联网”被称为是下一个万亿级的通信业务。

物联网包含如图4所示的各种丰富应用。

图4 物联网应用范围示意图

从目前物联网发展现状看，首先受益的是RFID和传感器厂商，接着是系统集成商，最后是物联网运营商。这是因为：

（1）RFID和传感器需求量最为广泛，且厂商目前最了解客户需求；

（2）物联网涉及众多技术和行业，系统集成需求巨大，且系统集成商有可能掌控上游供应商；

（3）物联网的应用将从行业垂直应用向横向扩展，对海量数据处理和信息管理需求将催生运营商巨头。

从增长空间的角度看，增长最大的是物联网运营商，其次是系统集成商，最小的是RFID和传感器供应商。这是因为：

（1）物联网运营商是新兴的子行业，且未来很可能形成寡头垄断的格局；

（2）系统集成的需求将远高于目前电信网和互联网的需求；

（3）RFID和传感器厂商由于核心技术掌握度较低，很可能形成完全竞争的格局。

7 结束语

目前，物联网已正式列入国家重点发展的五大战略性新兴产业之一。我国“十二五”期间物联网产业发展的重点：初步形成完整产业链，培育一批具有较强国际竞争力的领军企业；突破一批核心关键技术，实现自主研发和技术创新。能否拥有核心自主知识产权、制定建立核心标准体系，将成为影响我国能否及时抢占物联网产业制高点的关键。从目前的发展来看，行业应用将成为未来几年物联网产业发展的主要驱动力。成熟度较高的智能交通、城市安防、智能电网等市场前景广阔，投资机会巨大，将成为未来几年物联网产业发展的重点领域。随着物联网相关技术、标准以及政策的发展完善，相信有更多领域会完善成熟起来。

[1] 中国物联网“十二五”发展规划[Z]. 2011,11.

[2] 移动互联网应用协议特别组（TC2）无线移动终端与应用工作组(WG2). 移动互联网云计算研究[R]. 2010,8.

[3] 刘越. 云计算技术及应用，专题研究报告，2009,12.

[4] 中国移动物联网白皮书[Z]. 2010,2.

[5] 中国移动物联网产业发展研究报告[R]. 2010,3.