云计算与物联网

第5章云计算与物联网5.1云计算及其开展5.2主流的云计算技术5.3物联网及其应用5.4云计算与物联网5.1云计算及其开展很少有一种技术能够像“云计算〞这样，在短短几年间就产生巨大的影响力。Google〔谷歌〕、Amazon〔亚马逊〕、IBM和微软等IT巨头们以前所未有的速度和规模推动云计算技术和产品的普及，如今业界已对云计算有高度认同。5.1云计算及其开展云计算〔CloudComputing〕是指基于因特网的超级计算模式。即把存储于个人电脑、移动和其他设备上的大量信息和处理器资源集中在一起，协同工作。云计算是在2007年第3季度才正式诞生的新名词，但很快，其受到关注的程度甚至超过了网格计算〔GridComputing)等概念。5.1.1云计算的定义云计算〔图5-1〕是并行计算、分布式计算和网格计算的开展，或者说是这些计算科学概念的商业化实现。刘鹏在其主编的《云计算》〔电子工业出版社，2023〕一书中，对云计算给出如下定义：云计算是一种商业计算模型，它将计算任务分布在大量计算机构成的资源池上，使用户能够按需获取计算力、存储空间和信息效劳。图5-1云计算5.1.1云计算的定义从研究现状看，云计算具有以下特点：1〕超大规模。“云〞具有相当的规模。Google云计算已经拥有100多万台效劳器，Amazon、IBM、微软和Yahoo等公司的“云〞均拥有几十万台效劳器。“云〞能赋予用户前所未有的计算能力。2〕虚拟化。云计算支持用户在任意位置、使用各种终端获取效劳。所请求的资源来自“云〞，而不是固定的有形实体。应用在“云〞中某处运行，但实际上用户无需了解应用运行的具体位置，只需要一台笔记本或一个PDA，就可以通过网络效劳来获取各种能力超强的效劳。3〕高可靠性。“云〞使用了数据多副本容错、计算节点同构可互换等措施来保障效劳的高可靠性，因此，可以认为：使用云计算比使用本地计算机更加可靠。5.1.1云计算的定义4〕通用性。云计算不针对特定的应用，在“云〞的支撑下可以构造出千变万化的应用，同一片“云〞可以同时支撑不同的应用运行。5〕高可伸缩性。“云〞的规模可以动态伸缩，满足应用和用户规模增长的需要。6〕按需效劳。“云〞是一个庞大的资源池，用户按需购置效劳，像自来水、电和煤气那样计费。7〕极其廉价。“云〞的特殊容错措施使得可以采用极其廉价的节点来构成云；“云〞的自动化管理使数据中心管理本钱大幅降低；“云〞的公用性和通用性使资源的利用率大幅提升；“云〞设施可以建在电力资源丰富的地区，从而大幅降低能源本钱。因此“云〞具有前所未有的性能价格比。5.1.1云计算的定义按照效劳类型，云计算大致可以分为三类：将根底设施作为效劳JaaS、将平台作为效劳PaaS和将软件作为效劳SaaS，如图5-2所示。图5-2云计算的效劳类型5.1.2云计算实现机制云计算分为IaaS、PaaS和SaaS三种类型，不同的厂家又提供了不同的解决方案，并没有一个统一的技术体系结构。综合不同厂家的方案，构造一个供参考的云计算体系结构如图5-3所示，它概括了不同解决方案的主要特征。图5-3云计算技术体系结构5.1.2云计算实现机制云计算技术体系结构分为四层：物理资源层、资源池层、管理中间件层和SOA〔Service-OrientedArchitecture，面向效劳的体系结构〕构建层。物理资源层包括计算机、存储器、网络设施、数据库和软件等。资源池层是将大量相同类型的资源构成同构或接近同构的资源池，如计算资源池、数据资源池等。构建资源池更多的是物理资源的集成和管理工作，例如研究在一个标准集装箱的空间如何装下2000个效劳器、解决散热和故障节点替换的问题并降低能耗。5.1.2云计算实现机制管理中间件层负责对云计算的资源进行管理，并对众多应用任务进行调度，使资源能够高效、平安地为应用提供效劳。SOA构建层将云计算能力封装成标准的WebServices效劳，并纳入到SOA体系进行管理和使用，包括效劳接口、效劳注册、效劳查找、效劳访问和效劳工作流等。管理中间件层和资源池层是云计算技术的最关键局部，SOA构建层的功能更多依靠外部设施提供。5.1.3网格计算与云计算网格〔Grid〕是20世纪90年代中期开展起来的下一代因特网核心技术。网格技术的开创者IanFoster将之定义为“在动态、多机构参与的虚拟组织中协同共享资源和求解问题〞。网格是在网络根底之上，基于SOA，使用互操作、按需集成等技术手段，将分散在不同地理位置的资源虚拟成为一个有机整体，实现计算、存储、数据、软件和设备等资源的共享，从而大幅提高资源的利用率，使用户获得前所未有的计算和信息能力。5.1.3网格计算与云计算就像云计算可以分为IaaS、PaaS和SaaS三种类型一样，网格计算也可以分为三种类型：计算网格、信息网格和知识网格网。网格计算与云计算的比较如表5-1所示。表5-1网格计算与云计算的比较5.1.3网格计算与云计算网格计算与云计算的关系，就像是OSI与TCP/IP之间的关系：国际标准化组织〔ISO〕制定的OSI〔开放系统互联〕网络标准，考虑得非常周到，也异常复杂，虽然很有远见，但过于理想，实现的难度和代价非常大。当OSI的一个简化版——TCP/IP将七层协议简化为四层，内容大大精简，因而迅速取得了成功。在TCP/IP一统天下之后多年，语义网等问题才被提上议事日程，开始为TCP/IP补课，增加其会话和表示的能力。因此，可以说OSI是TCP/IP的根底，TCP/IP又推动了OSI，两者滚动开展。5.1.3网格计算与云计算没有网格计算打下的根底，云计算不会这么快到来。通常意义上的网格以科学研究为主，非常重视标准标准，也非常复杂，但缺乏成功的商业模式。云计算是网格计算的一种简化形态，可以说云计算的成功也是网格的成功。网格不仅要集成异构资源，还要解决许多非技术的协调问题，也不像云计算有成功的商业模式推动，所以实现起来要比云计算难度大很多。但对于许多高端科学或军事应用而言，云计算是无法满足需求的，必须依靠网格来解决。5.1.4云计算的开展环境云计算技术的开展，与3G、因特网和移动因特网、三网融合等有着密切的关系。5.1.4云计算的开展环境1.云计算与3G3G与云计算互相依存、互相促进。一方面，3G为云计算带来数以亿计的宽带移动用户。例如，2023年是中国的3G元年，当年用户数就超过了l千万。这些用户的终端是、PDA、笔记本、上网本等，计算能力和存储空间有限，却有很强的联网能力，对云计算有着天然的需求，实实在在地支持着云计算取得商业成功；另一方面，云计算有强大的计算能力、接近无限的存储空间，并支撑各种各样的软件和信息效劳，能够为3G用户提供更好的用户体验。5.1.4云计算的开展环境2.云计算与移动因特网因特网和移动通信网是当今最具影响力的两个全球性网络，移动因特网融合了两者的开展优势，掌握云计算核心技术的企业无疑在移动因特网时代可以获得更强的主动性。移动因特网和云计算是相辅相成的。通过云计算技术，软硬件获得空前的集约化应用，人们通过手持终端就能实现传统PC的功能。二者在软硬件设施本钱上的极大节约为中小企业带来了福音，为人们带来舒适和便捷。5.1.4云计算的开展环境拥有便携性和通信能力等众多天然优势，但其计算能力、存储能力弱，虽然各厂商推出的正逐渐向智能化演进，但受限于体积和便携性的要求，短时间内的处理能力难以和计算机相比。5.1.4云计算的开展环境从这点出发，云计算的特点更能在移动因特网上充分表达，将应用的“计算〞与存储从终端转移到效劳器的云端，从而弱化了对移动终端设备的处理需求。例如，在各种数据业务快速推陈出新中，很难及时支持这些新业务的要求，成为新业务的开展瓶颈。在云计算下，只要配备功能强大的浏览器，就能应用各种新业务。在后台，云计算的存储量和计算能力也解决了存储量有限和丧失信息的问题。同时，实现了移动与固定计算、笔记本电脑计算的协同。对于追求个性化的移动因特网市场来说，云计算的力量十分关键。5.1.4云计算的开展环境3.云计算与三网融合所谓“三网融合〞，是指播送电视网、电信网与因特网的融合，其中因特网是核心。云计算使计算能力从分散终端向网络综合效劳转变，使商业模式从网络设备根底设施向效劳转变，从连接计算机资源向连接个人和设备转变。云计算的根底仍然是宽带，其效劳手段和效劳对象都需要宽带。5.2主流的云计算技术由于云计算是多种技术混合演进的结果，其成熟度较高，又有业内大公司推动，开展极为迅速。Google、Amazon、IBM、微软和Yahoo等大公司都是云计算的先行者。5.2主流的云计算技术例如，IBM在2007年11月推出了“改变游戏规那么〞的“蓝云〞计算平台，为客户带来即买即用的云计算平台。它包括一系列自我管理和自我修复的虚拟化云计算软件，使来自全球的应用可以访问分布式的大型效劳器池，使得数据中心在类似于因特网的环境下运行计算。IBM与17个欧洲组织合作开展名为RESERVOIR的云计算工程，以“无障碍的资源和效劳虚拟化〞为口号，欧盟提供了17亿欧元作为局部资金。IBM已在全球范围内建立了13个云计算中心，并且帮助数个客户成功部署了云计算中心。5.2.1Google云计算Google是最大的云计算技术的使用者。Google搜索引擎建立在分布的200多个站点、超过100万台效劳器的支撑之上，而且这些设施的数量还在迅猛增长。Google的一系列成功应用平台，包括Google地球、地图、Gmail、Docs〔谷歌文档，包括在线文档、电子表格和演示文稿〕等也同样使用了这些根底设施。采用GoogleDocs之类的应用，用户数据会保存在因特网上的某个位置，可以通过任何一个与因特网相连的终端十分便利地访问和共享这些数据。Google也允许第三方在Google的云计算中通过GoogleAppEngine运行大型并行应用程序。5.2.1Google云计算Google拥有目前全球最强大的搜索引擎。除了搜索业务，Google还有GoogleMaps、GoogleEarth、Gmail、YouTube等其他业务。这些应用的共性在于数据量巨大，且要面向全球用户提供实时效劳，因此，Google必须解决海量数据存储和快速处理的问题。Google研发出了简单而又高效的技术，让多达百万台的廉价计算机协同工作，共同完成这些任务。这些技术在诞生几年之后才被命名为Google云计算技术。5.2.2Amazon云计算Amazon〔亚马逊〕是依靠电子商务逐步开展起来的，凭借其在电子商务领域积累的大量根底性设施、先进的分布式计算技术和巨大的用户群体，Amazon很早就进入了云计算领域，并在云计算、云存储等方面一直处于领先地位。5.2.2Amazon云计算在传统的云计算效劳根底上，Amazon不断进行技术创新，开发出了一系列新颖、实用的云计算效劳。Amazon研发了弹性计算云EC2〔ElasticComputingCloud〕和为企业提供计算和存储效劳的简单存储效劳S3〔SimpleStorageService〕。收费的效劳工程包括存储空间、带宽、CPU资源以及月租费。月租费与月租费类似，存储空间、带宽按容量收费，CPU根据运算量时长收费。在诞生不到两年的时间内，Amazon的注册用户就达44万人，其中包括为数众多的企业级用户。5.2.3微软云计算微软的商业模式建立在个人计算机〔PC〕时代，在网络时代软件免费的商业模式推动下，微软也推出了自己的云计算平台。2023年10月，微软推出WindowsAzure〔“蓝天〞〕操作系统，这是继Windows取代DOS之后，微软的又一次颠覆性转型——通过在因特网架构上打造新的云计算平台，让Windows真正由PC延伸到“蓝天〞上。5.2.3微软云计算1.微软云计算平台传统的企业和用户在开发和部署自己的应用程序时，主要有两种方式：一种是购置和维护自己的根底设施，如效劳器、各种桌面软件等，这需要消耗大量的资金和维护精力；另一种是租用效劳器或租用虚拟主机，这种方式大大降低了在人力和资金上的投入，但是对后台效劳器的控制权也随之降低，有时会受到其他应用程序的影响。微软的云计算技术有效地结合了上述两种方式的优点。5.2.3微软云计算2.微软云操作系统WindowsAzure和WindowsXP一样，WindowsAzure是微软云计算战略的核心——云计算操作系统。不同于微软以前的战略，即向用户提供软件，用户在自己的机器上安装和运行这些软件，WindowsAzure是一个效劳平台，用户利用该平台，通过因特网访问微软数据中心，运行Windows应用程序和存储应用程序数据，这些应用程序可以向用户提供效劳。WindowsAzure提供了托管的、可扩展的、按需应用的计算和存储资源，同时还提供了云平台管理和动态分配资源的控制手段。5.3物联网及其应用物联网〔TheInternetofthings，图5-14〕的概念是在1999年提出的。所谓“物联网〞，就是“物物相连的因特网〞，这里有两层意思：第一，物联网的核心和根底仍然是因特网，是在因特网根底上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通讯。图5-14物联网示意5.3.1物联网的开展物联网过去被称之为传感网。1999年，在美国召开的移动计算和网络国际会议提出了，“传感网是下一个世纪人类面临的又一个开展机遇〞。2003年，美国《技术评论》提出传感网络技术将是未来改变人们生活的十大技术之首。5.3.1物联网的开展2005年11月17日，在突尼斯举行的信息社会世界峰会〔WSIS〕上，国际电信联盟〔ITU〕发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，正式提出了“物联网〞的概念。报告指出，无所不在的“物联网〞通信时代即将来临，世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行交换。射频识别技术〔RFID〕、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术将到更加广泛的应用。5.3.1物联网的开展根据ITU的描述，在物联网时代，通过在各种各样的日常用品上嵌入一种短距离的移动收发器，人类在信息与通信世界里将获得一个新的沟通维度，从任何时间任何地点的人与人之间的沟通连接扩展到人与物和物与物之间的沟通连接。2023年1月28日，奥巴马就任美国总统后，与美国工商业领袖举行了一次“圆桌会议〞，作为仅有的两名代表之一，IBM首席执行官彭明盛首次提出“智慧地球〞这一概念，建议新政府投资新一代的智慧型根底设施。5.3.1物联网的开展2023年2月24日，IBM大中华区首席执行官钱大群在2023IBM论坛上公布了名为“智慧的地球〞的最新策略。此概念一经提出，即得到美国各界的高度关注，甚至有分析认为IBM公司的这一设想极有可能上升至美国的国家战略，并在世界范围内引起轰动。IBM认为，IT产业下一阶段的任务是把新一代IT技术充分运用在各行各业之中，具体地说，就是把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，并且被普遍连接，形成物联网。5.3.1物联网的开展物联网产业链可以细分为标识、感知、处理和信息传送四个环节，每个环节的关键技术分别为RFID、传感器、智能芯片和电信运营商的无线传输网络。5.3.2物联网的定义物联网至今还没有约定俗成的公认的概念，其根本定义是：把所有物品通过射频识别等信息传感设备与因特网连接起来，实现智能化识别和管理。总体上说，它是指各类传感器和现有的因特网相互衔接的一项新技术。可以把物联网定义为：通过射频识别〔RFID〕、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与因特网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。5.3.2物联网的定义或者说：物联网指的是将无处不在的末端设备〔Devices〕和设施〔Facilities〕，包括具备“内在智能〞的传感器、移动终端、工业系统、楼控系统、家庭智能设施、视频监控系统等、和“外在使能〞〔Enabled〕的，如贴上RFID的各种资产〔Assets〕、携带无线终端的个人与车辆等等“智能化物件或动物〞或“智能尘埃〞〔Mote〕，通过各种无线和/或有线的长距离和/或短距离通讯网络实现互联互通〔M2M)、应用大集成〔GrandIntegration)、以及基于云计算的SaaS营运等模式，5.3.2物联网的定义在内网〔Intranet〕、专网〔Extranet〕和/或因特网环境下，采用适当的信息平安保障机制，提供平安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、平安防范、远程维保、在线升级、统计报表、决策支持、领导桌面等管理和效劳功能，实现对“万物〞的“高效、节能、平安、环保〞的“管、控、营〞一体化。5.3.2物联网的定义在这里，“物〞要满足以下条件才能够被纳入“物联网〞的范围：1〕要有相应信息的接收器；2〕要有数据传输通路；3〕要有一定的存储功能；4〕要有CPU；5〕要有操作系统；6〕要有专门的应用程序；7〕要有数据发送器；8〕遵循物联网的通信协议；9〕在世界网络中有可被识别的唯一编号。5.3.3物联网的技术架构从技术架构上来看，物联网可分为三层：感知层、网络层和应用层。见图5-15。图5-15物联网参考业务体系结构5.3.3物联网的技术架构物联网的行业特性主要表达在其应用领域内，目前绿色农业、工业监控、公共平安、城市管理、远程医疗、智能家居、智能交通和环境监测等各个行业均有物联网应用的尝试，某些行业已经积累一些成功的案例。5.3.4物联网的应用物联网的用途已经普及智能交通、环境保护、政府工作、公共平安、平安家居、智能消防、工业监测、老人护理、个人健康、花卉栽培、水系监测、食品溯源、敌情侦查和情报搜集等众多领域。物联网把新一代IT技术充分运用在各行各业之中，具体地说，就是把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，然后将“物联网〞与现有的因特网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合。5.3.4物联网的应用在这个整合的网络当中，存在能力超级强大的中心计算机群，能够对整合网络内的人员、机器、设备和根底设施实施实时的管理和控制，在此根底上，人类可以以更加精细和动态的方式管理生产和生活，到达“智慧〞状态，提高资源利用率和生产力水平，改善人与自然间的关系。人们正走向“物联网〞时代，但这个过程可能需要很长的时间。5.3.4物联网的应用要真正建立一个有效的物联网，有两个重要因素。一是规模性，只有具备了规模，才能使物品的智能发挥作用。例如，一个城市有100万辆汽车，如果我们只在1万辆汽车