一种基于云平台的物联网专网开发设计
2014-12-13张朵朵王海春
张朵朵++王海春
摘要：常规的物联网应用一般是小流量的M2M应用，传输的数据量很小，原有的2G网络足以实现对这些数据量的支撑。但是，物联网也有大量占用高带宽的应用，如平安城市建设、公共交通监控、应急指挥系统等以视频图像为主的监控业务。本文主要描述了一个基于云平台的物联网专网的开发与设计，给出了系统设计的框架和具体的方案，具有重要的技术参考价值。
关键词：物联网 云平台 专网设计
中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）08-0140-02
1 引言
当前，全球信息化方兴未艾，各国纷纷启动国家级智慧城市发展战略。人们热切地关注物联网，各地兴建了若干物联网示范工程，有的如视频监控、安全应急响应、城市交通管理等。但当这些系统真正投入运行的话，支撑物联网发展的主要资源—无线电频谱是不能够承载其发展需求的。网络层是物联网的中间环节，也是最重要的环节。而物联网无处不在的特点，使得有线传输受到很大限制，移动网络和宽带无线接入将成为物联网的主要传输方式。而物联网信息交互与传输以无线为主的特点，注定了它将成为频谱资源需求的大户。虽然我国宽带、移动通信用户数已经是全球第一，但仍处于“低速宽带”阶段，无论是有线、无线宽带速率还是普及率，与发达国家相比都存在较大差距。目前物联网应用一般是小流量的M2M应用，比如路灯管理、水质监测等，所需要传输的数据量很小，原有的2G网络足以实现对这些数据量的支撑。同时，物联网涉及的控制、计费、支付，实际上都不会占用大量带宽，目前有充足的频谱资源支撑建设物联网。但是，物联网也有大量占用高带宽的应用，比如平安城市、公共交通等以视频图像为主的监控业务。以成都公交系统视频监控业务为例，目前成都市有6000多辆公交车，如果每辆公交车上布设4个摄像头，则6000辆公交车的数据总量预计将达到约50Gbit/s，且对图像的连续性和实时性有较高要求，所以传输频谱需求绝不是目前2G、3G甚至未来4G可以轻松承载的。
目前多数城市和大型企业在建设云计算中心，但据我们调查，大部分在建的云中心都重点考虑基础数据的存储和查询使用。基于成本考虑，建设大规模并行存储的云中心现在还没有。而一些重点监控领域的物联网，对基于云存储的数据中心的响应速度要求是很高的。
综上所述，基于一个专有的企业云中心，开发物联网应用，专门用于涉及视频监控和安全应急响应等应用，具有现实的需求。同时，基于这样的云中心，建设一个涉及视频监控和安全应急响应、交通监视及生产管理的物联网专网，对提高区域物联网应用水平，具有重要意义。
2 国内外现状分析
目前国内外云中心建设发展很快。多数城市和大型企业都在规划各自的云计算中心和云平台。但据我们调查，大部分在建的云中心都重点考虑基础数据的存储和查询使用。基于成本考虑，建设大规模并行存储的云中心现在还没有。
2.1 物联专网建设中的通信现状
未来10年，当很多在建的物联网正式实现，有超过500亿以上的终端需要通过无线方式连接在一起时，形成远远大于人与人通信互联的移动通信与无线接入的数据量，其对频谱的需求绝不是如今己分配的移动通信和无线接入频率所能承载的。到那时，频谱资源的短缺将成为物联网难以克服的瓶颈。
目前物联网应用一般是小流量的M2M应用，比如路灯管理、水质监测等，所需要传输的数据量很小，原有的2G网络足以实现对这些数据量的支撑。同时，物联网涉及的控制、计费、支付，实际上都不会占用大量带宽，目前有充足的频谱资源支撑建设物联网。但是，物联网也有大量占用高带宽的应用，比如平安城市、公共交通等以视频图像为主的监控业务。以城市公交系统视频监控业务为例，目前某城市有3万多辆公交车，如果每辆公交车上布设4个摄像头，则3万辆公交车的数据总量预计将达到约180Gbit/s，且对图像的连续性和实时性有较高要求，所以传输频谱需求绝不是目前2G、3G甚至未来4G可以轻松承载的。
物联网的规模巨大，尽管有些业务每次传输的数据量不一定非常大，甚至只有几十个字节，但是必须一次传输成功，有着非常实时的传输要求。另外，移动蜂窝网络着重考虑用户数量，而物联网数据流量具有突发特性，可能会造成大量用户堆积在热点区域，引发网络拥塞或者资源分配不平衡。这些都会造成物联网对频谱的需求方式和规划方式有别于己有的无线通信，所以不能轻言物联网不存在频谱资源的制约。
2.2 物联专网建设中的国外通信现状
为了适应不断的变化、整合和急需频谱的美国物联市场，最近发生的多起收购，都与频谱有关。
Dish与Softbank（软银）在竞购Sprint，而Sprint想收购Clearwire剩下50%股份，同时Dish和Verizon也打算收购Clearwire。还有T-Mobile去年下半年宣布收购MetroPCS，但遭到一部分MetroPCS股东的抵制。美国无线市场正在快速整合，大者恒大，小的联手。
那么，这段时间美国无线市场并购活动如此频繁的原因何在？Analysys Mason高级经理Philip Bates表示一切都是为了频谱。
“美国的频谱政策导致了移动运营商之间的频谱资产不平衡，从而创造出一个运营商到运营商的交易市场”。
由于运营商们要努力赶上Verizon在LTE方面的步伐，所以他们不得不不断战斗以获得更多的频谱和用户数，从而导致市场大型玩家和低成本Alternative运营商之间的分化更严重，同时这两者中间的运营商也受到挤压。
2.3 国内在建云中心现状分析
硬件平台：从应用角度分析，未来不会只有一个云平台。目前云中心的三种工作模式如图1所示。
目前已公布的在建云数据中心，基于建设成本考虑，操作系统和数据都保存在存储器中，不管理其采取的集群文件系统（如google）还是SAN块存储结构，其数据读写速度（I/O）都不是很高。能满足一般基础数据库数据存取业务的要求。但对于支撑大规模、高速、宽带的物联专网业务，显得力不从心。endprint
3 物联网专网开发设计思路
3.1 建设一个支撑物联网专网应用的企业云平台
研究开发建设一个支撑物联网专网应用的企业云平台，平台支持大规模高分辩率视频信号的安全存取。
3.2 开发两项关键技术
（1）并行存储技术。将控制器与多块磁盘并行连接，将信息并行存放与提取，提高信息的吞吐率。具体考虑购买部分低价硬盘，通过自己研发的控件器，实现并行存取。
（2）信号压缩技术。目前分别有分形压缩、矢量压缩、动态压缩、基于感兴趣区的压缩。不同的压缩技术，对应不同的应用提供给云的使用者。平台基于SOA 服务调度，满足各种不同的应用的需要。
3.3 提供三种存储方式
所谓分级存储，就是根据数据不同的重要性、访问频次等指标分别存储在不同性能的存储设备上，采取不同的存储方式。这样一方面可大大减少非重要性数据在一级本地磁盘所占用的空间，还可加快整个系统的存储性能。在这里就涉及到几种不同性能的存储设备和不同的存储形式了。这不同的存储形式包括在线存储（OnStore）、近线存储（NearStore）和离线存储（OffStore）。
（1）线存储。在线存储又称工作级的存储，存储设备和所存储的数据时刻保持“在线”状态，是可随意读取的，可满足计算平台对数据访问的速度要求。如我们PC机中常用的磁盘基本上都是采用这种存储形式的。一般在线存储设备为磁盘和磁盘阵列等磁盘设备，价格相对昂贵，但性能最好。
（2）离线存储。离线存储主要是用于对在线存储的数据进行备份，以防范可能发生的数据灾难，因此又称备份级的存储。离线海量存储的典型产品就是磁带或磁带库，价格相对低廉。离线存储介质上的数据在读写时是顺序进行的。当需要读取数据时，需要把带子卷到头，再进行定位。当需要对已写入的数据进行修改时，所有的数据都需要全部进行改写。因此，离线海量存储的访问是慢速度、低效率的。
（3）近线存储。所谓近线存储，就是指将那些并不是经常用到，或者说数据的访问量并不大的数据存放在性能较低的存储设备上。对这些的设备要求是寻址迅速、传输率高。因此，近线存储对性能要求相对来说并不高，但由于不常用的数据要占总数据量的大多数，这也就意味着近线存储设备首先要保证的是容量。
在分级数据存储结构中，磁带库等成本较低的存储资源用来存放访问频率较低的信息，而磁盘或磁盘阵列等成本高、速度快的设备，用来存储经常访问的重要信息。数据分级存储的工作原理是基于数据访问的局部性。通过将不经常访问的数据自动移到存储层次中较低的层次，释放出较高成本的存储空间给更频繁访问的数据，可以获得更好的总体性价比。
4 物联网专网设计
通过通信设备和线路租赁，建设一个物联网专网，专门用于涉及视频监控和安全应急响应的物联网专业应用。
4.1 通信线路的设计
计算机网络部分可考虑租用电信VPN专线。有线网络部分可考虑租用电视光纤。无线部分重点考虑租用TD-LTE试验网。
具体当前可考虑与中国移动共同投入建设基于成都的TD-LTE试验网。TD-LTE有望在全国实现更大规模的商业应用，成为我国信息化自主创新的重大突破。推动TD-LTE产业发展。
4.2 无线网络设计
物联网对低功率、短距离无线接入的频谱需求与己有频率资源之间同样存在很大差距。以Wi-Fi为例，我国至今在非授权的2.4GHz和5.8GHz频段为 Wi-Fi规划了208.5MHz频率，与到2020年Wi-Fi人与人通信所需的2500MHz频率尚存巨大缺口，如果加上物联网的频谱需求，其频率缺口更大。
物联网的规模巨大，尽管有些业务每次传输的数据量不一定非常大，甚至只有几十个字节，但是必须一次传输成功，有着非常实时的传输要求。另外，移动蜂窝网络着重考虑用户数量，而物联网数据流量具有突发特性，可能会造成大量用户堆积在热点区域，引发网络拥塞或者资源分配不平衡。这些都会造成物联网对频谱的需求方式和规划方式有别于己有的无线通信，所以不能轻言物联网不存在频谱资源的制约。
4.3 感知层设计
物联网的感知层将信息传感设备，如射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等与网络连接在一起，方便识别和管理，而这种连接将采用低功率技术。
以Wi-Fi为例，如果将Wi-Fi用于物联网，Wi-Fi的频谱需求将大大超过目前己分配的频谱总量。
物联网专网的系统组成结构如图2所示。
5 结语
但由于整个项目投入较大，拟采取边研究、边实践、边投入的积木式发展结构。前期1年，示范性专网投入300万，建设具有100台专用服务器的云平台，建设基于成都的用于安全应急处理和安全监控的示范性物联网专网一个。主要应用各级政府的安全应急处理和安全实时监控。中期3年内，示范性专网投入600万，建设具有200台专用服务器的云平台，加强基于成都的用于交通监控、过程监控、环境监测、生产控制的专网建设。专网主要应用各级政府的安全应急处理、安全交通实时监控和大中型企业的各种物联网专业应用。
参考文献：
[1]秦志光，潘郁，凌晨.云计算环境下的资源节能调度[J].计算机应用，2012，32（7）；1913-1915.
[2]冯登国，张後，张妍.云计算安全研究[J]. 软件学报，2011，22（1）：71-83.
[3]陈松，邵廉明.ZigBee网络中的图像传输[J].计算机工程，2008，34（11）；129-130.endprint
3 物联网专网开发设计思路
3.1 建设一个支撑物联网专网应用的企业云平台
研究开发建设一个支撑物联网专网应用的企业云平台，平台支持大规模高分辩率视频信号的安全存取。
3.2 开发两项关键技术
（1）并行存储技术。将控制器与多块磁盘并行连接，将信息并行存放与提取，提高信息的吞吐率。具体考虑购买部分低价硬盘，通过自己研发的控件器，实现并行存取。
（2）信号压缩技术。目前分别有分形压缩、矢量压缩、动态压缩、基于感兴趣区的压缩。不同的压缩技术，对应不同的应用提供给云的使用者。平台基于SOA 服务调度，满足各种不同的应用的需要。
3.3 提供三种存储方式
所谓分级存储，就是根据数据不同的重要性、访问频次等指标分别存储在不同性能的存储设备上，采取不同的存储方式。这样一方面可大大减少非重要性数据在一级本地磁盘所占用的空间，还可加快整个系统的存储性能。在这里就涉及到几种不同性能的存储设备和不同的存储形式了。这不同的存储形式包括在线存储（OnStore）、近线存储（NearStore）和离线存储（OffStore）。
（1）线存储。在线存储又称工作级的存储，存储设备和所存储的数据时刻保持“在线”状态，是可随意读取的，可满足计算平台对数据访问的速度要求。如我们PC机中常用的磁盘基本上都是采用这种存储形式的。一般在线存储设备为磁盘和磁盘阵列等磁盘设备，价格相对昂贵，但性能最好。
（2）离线存储。离线存储主要是用于对在线存储的数据进行备份，以防范可能发生的数据灾难，因此又称备份级的存储。离线海量存储的典型产品就是磁带或磁带库，价格相对低廉。离线存储介质上的数据在读写时是顺序进行的。当需要读取数据时，需要把带子卷到头，再进行定位。当需要对已写入的数据进行修改时，所有的数据都需要全部进行改写。因此，离线海量存储的访问是慢速度、低效率的。
（3）近线存储。所谓近线存储，就是指将那些并不是经常用到，或者说数据的访问量并不大的数据存放在性能较低的存储设备上。对这些的设备要求是寻址迅速、传输率高。因此，近线存储对性能要求相对来说并不高，但由于不常用的数据要占总数据量的大多数，这也就意味着近线存储设备首先要保证的是容量。
在分级数据存储结构中，磁带库等成本较低的存储资源用来存放访问频率较低的信息，而磁盘或磁盘阵列等成本高、速度快的设备，用来存储经常访问的重要信息。数据分级存储的工作原理是基于数据访问的局部性。通过将不经常访问的数据自动移到存储层次中较低的层次，释放出较高成本的存储空间给更频繁访问的数据，可以获得更好的总体性价比。
4 物联网专网设计
通过通信设备和线路租赁，建设一个物联网专网，专门用于涉及视频监控和安全应急响应的物联网专业应用。
4.1 通信线路的设计
计算机网络部分可考虑租用电信VPN专线。有线网络部分可考虑租用电视光纤。无线部分重点考虑租用TD-LTE试验网。
具体当前可考虑与中国移动共同投入建设基于成都的TD-LTE试验网。TD-LTE有望在全国实现更大规模的商业应用，成为我国信息化自主创新的重大突破。推动TD-LTE产业发展。
4.2 无线网络设计
物联网对低功率、短距离无线接入的频谱需求与己有频率资源之间同样存在很大差距。以Wi-Fi为例，我国至今在非授权的2.4GHz和5.8GHz频段为 Wi-Fi规划了208.5MHz频率，与到2020年Wi-Fi人与人通信所需的2500MHz频率尚存巨大缺口，如果加上物联网的频谱需求，其频率缺口更大。
物联网的规模巨大，尽管有些业务每次传输的数据量不一定非常大，甚至只有几十个字节，但是必须一次传输成功，有着非常实时的传输要求。另外，移动蜂窝网络着重考虑用户数量，而物联网数据流量具有突发特性，可能会造成大量用户堆积在热点区域，引发网络拥塞或者资源分配不平衡。这些都会造成物联网对频谱的需求方式和规划方式有别于己有的无线通信，所以不能轻言物联网不存在频谱资源的制约。
4.3 感知层设计
物联网的感知层将信息传感设备，如射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等与网络连接在一起，方便识别和管理，而这种连接将采用低功率技术。
以Wi-Fi为例，如果将Wi-Fi用于物联网，Wi-Fi的频谱需求将大大超过目前己分配的频谱总量。
物联网专网的系统组成结构如图2所示。
5 结语
但由于整个项目投入较大，拟采取边研究、边实践、边投入的积木式发展结构。前期1年，示范性专网投入300万，建设具有100台专用服务器的云平台，建设基于成都的用于安全应急处理和安全监控的示范性物联网专网一个。主要应用各级政府的安全应急处理和安全实时监控。中期3年内，示范性专网投入600万，建设具有200台专用服务器的云平台，加强基于成都的用于交通监控、过程监控、环境监测、生产控制的专网建设。专网主要应用各级政府的安全应急处理、安全交通实时监控和大中型企业的各种物联网专业应用。
参考文献：
[1]秦志光，潘郁，凌晨.云计算环境下的资源节能调度[J].计算机应用，2012，32（7）；1913-1915.
[2]冯登国，张後，张妍.云计算安全研究[J]. 软件学报，2011，22（1）：71-83.
[3]陈松，邵廉明.ZigBee网络中的图像传输[J].计算机工程，2008，34（11）；129-130.endprint
3 物联网专网开发设计思路
3.1 建设一个支撑物联网专网应用的企业云平台
研究开发建设一个支撑物联网专网应用的企业云平台，平台支持大规模高分辩率视频信号的安全存取。
3.2 开发两项关键技术
（1）并行存储技术。将控制器与多块磁盘并行连接，将信息并行存放与提取，提高信息的吞吐率。具体考虑购买部分低价硬盘，通过自己研发的控件器，实现并行存取。
（2）信号压缩技术。目前分别有分形压缩、矢量压缩、动态压缩、基于感兴趣区的压缩。不同的压缩技术，对应不同的应用提供给云的使用者。平台基于SOA 服务调度，满足各种不同的应用的需要。
3.3 提供三种存储方式
所谓分级存储，就是根据数据不同的重要性、访问频次等指标分别存储在不同性能的存储设备上，采取不同的存储方式。这样一方面可大大减少非重要性数据在一级本地磁盘所占用的空间，还可加快整个系统的存储性能。在这里就涉及到几种不同性能的存储设备和不同的存储形式了。这不同的存储形式包括在线存储（OnStore）、近线存储（NearStore）和离线存储（OffStore）。
（1）线存储。在线存储又称工作级的存储，存储设备和所存储的数据时刻保持“在线”状态，是可随意读取的，可满足计算平台对数据访问的速度要求。如我们PC机中常用的磁盘基本上都是采用这种存储形式的。一般在线存储设备为磁盘和磁盘阵列等磁盘设备，价格相对昂贵，但性能最好。
（2）离线存储。离线存储主要是用于对在线存储的数据进行备份，以防范可能发生的数据灾难，因此又称备份级的存储。离线海量存储的典型产品就是磁带或磁带库，价格相对低廉。离线存储介质上的数据在读写时是顺序进行的。当需要读取数据时，需要把带子卷到头，再进行定位。当需要对已写入的数据进行修改时，所有的数据都需要全部进行改写。因此，离线海量存储的访问是慢速度、低效率的。
（3）近线存储。所谓近线存储，就是指将那些并不是经常用到，或者说数据的访问量并不大的数据存放在性能较低的存储设备上。对这些的设备要求是寻址迅速、传输率高。因此，近线存储对性能要求相对来说并不高，但由于不常用的数据要占总数据量的大多数，这也就意味着近线存储设备首先要保证的是容量。
在分级数据存储结构中，磁带库等成本较低的存储资源用来存放访问频率较低的信息，而磁盘或磁盘阵列等成本高、速度快的设备，用来存储经常访问的重要信息。数据分级存储的工作原理是基于数据访问的局部性。通过将不经常访问的数据自动移到存储层次中较低的层次，释放出较高成本的存储空间给更频繁访问的数据，可以获得更好的总体性价比。
4 物联网专网设计
通过通信设备和线路租赁，建设一个物联网专网，专门用于涉及视频监控和安全应急响应的物联网专业应用。
4.1 通信线路的设计
计算机网络部分可考虑租用电信VPN专线。有线网络部分可考虑租用电视光纤。无线部分重点考虑租用TD-LTE试验网。
具体当前可考虑与中国移动共同投入建设基于成都的TD-LTE试验网。TD-LTE有望在全国实现更大规模的商业应用，成为我国信息化自主创新的重大突破。推动TD-LTE产业发展。
4.2 无线网络设计
物联网对低功率、短距离无线接入的频谱需求与己有频率资源之间同样存在很大差距。以Wi-Fi为例，我国至今在非授权的2.4GHz和5.8GHz频段为 Wi-Fi规划了208.5MHz频率，与到2020年Wi-Fi人与人通信所需的2500MHz频率尚存巨大缺口，如果加上物联网的频谱需求，其频率缺口更大。
物联网的规模巨大，尽管有些业务每次传输的数据量不一定非常大，甚至只有几十个字节，但是必须一次传输成功，有着非常实时的传输要求。另外，移动蜂窝网络着重考虑用户数量，而物联网数据流量具有突发特性，可能会造成大量用户堆积在热点区域，引发网络拥塞或者资源分配不平衡。这些都会造成物联网对频谱的需求方式和规划方式有别于己有的无线通信，所以不能轻言物联网不存在频谱资源的制约。
4.3 感知层设计
物联网的感知层将信息传感设备，如射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等与网络连接在一起，方便识别和管理，而这种连接将采用低功率技术。
以Wi-Fi为例，如果将Wi-Fi用于物联网，Wi-Fi的频谱需求将大大超过目前己分配的频谱总量。
物联网专网的系统组成结构如图2所示。
5 结语
但由于整个项目投入较大，拟采取边研究、边实践、边投入的积木式发展结构。前期1年，示范性专网投入300万，建设具有100台专用服务器的云平台，建设基于成都的用于安全应急处理和安全监控的示范性物联网专网一个。主要应用各级政府的安全应急处理和安全实时监控。中期3年内，示范性专网投入600万，建设具有200台专用服务器的云平台，加强基于成都的用于交通监控、过程监控、环境监测、生产控制的专网建设。专网主要应用各级政府的安全应急处理、安全交通实时监控和大中型企业的各种物联网专业应用。
参考文献：
[1]秦志光，潘郁，凌晨.云计算环境下的资源节能调度[J].计算机应用，2012，32（7）；1913-1915.
[2]冯登国，张後，张妍.云计算安全研究[J]. 软件学报，2011，22（1）：71-83.
[3]陈松，邵廉明.ZigBee网络中的图像传输[J].计算机工程，2008，34（11）；129-130.endprint
