從云計(jì)算到海計(jì)算：論物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)

　　物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)全球億萬(wàn)種物品之間的互連，將不同行業(yè)、不同地域、不同應(yīng)用、不同領(lǐng)域的物理實(shí)體按其內(nèi)在關(guān)系緊密地關(guān)聯(lián)在一起，對(duì)小到螺絲、鉛筆，大到飛機(jī)、輪船等巨量物體進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)與互動(dòng)。物聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)社會(huì)活動(dòng)和人們生活方式的變革，被預(yù)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(guó)政府、企業(yè)和學(xué)術(shù)界的廣泛重視。

　　從信息技術(shù)角度看，物聯(lián)網(wǎng)是指具有感知和智能處理能力的可標(biāo)識(shí)的物體，基于標(biāo)準(zhǔn)的可互操作的通信協(xié)議，在寬帶移動(dòng)通信、下一代網(wǎng)絡(luò)和云計(jì)算平臺(tái)等技術(shù)的支撐下，獲取和處理物體自身或周?chē)�環(huán)境的狀態(tài)信息，對(duì)事件及其發(fā)展及時(shí)做出判斷，提供對(duì)物體進(jìn)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(lèi)直接干預(yù)或無(wú)需人工干預(yù)條件下感知事件、觸發(fā)動(dòng)作和生成服務(wù)，通過(guò)協(xié)同的感知和互動(dòng)來(lái)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(lèi)可以融入到一體化的智能生態(tài)環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、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(luò)概念，它包括信息的感知、傳輸、處理決策、服務(wù)等多個(gè)方面，呈現(xiàn)出自身顯著的特點(diǎn)。首先是對(duì)客觀物理世界的全面感知，它不僅表現(xiàn)在對(duì)單一的現(xiàn)象或目標(biāo)進(jìn)行多方面的觀察獲得綜合的感知數(shù)據(jù)，也表現(xiàn)在對(duì)現(xiàn)實(shí)世界各種物體現(xiàn)象的普遍感知；其次是物聯(lián)網(wǎng)實(shí)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(shí)現(xiàn)異構(gòu)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(luò)，還包括電網(wǎng)和交通網(wǎng)等專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)，錯(cuò)綜復(fù)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(yīng)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(guān)聯(lián)和互動(dòng)。物體互動(dòng)經(jīng)過(guò)從物理空間到信息空間，再到物理空間的過(guò)程，形成感知、傳輸、決策、控制的開(kāi)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(luò)，也不同于信息傳輸?shù)幕ヂ?lián)網(wǎng)。它包含億萬(wàn)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(shí)現(xiàn)從感知、處理到控制的循環(huán)過(guò)程。其系統(tǒng)架構(gòu)如何構(gòu)成，采用什么樣的體系結(jié)構(gòu)，現(xiàn)已成為物聯(lián)網(wǎng)研究的核心問(wèn)題之一。

　　1 從云計(jì)算到海計(jì)算

　　1.1 云計(jì)算

　　云計(jì)算是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展帶來(lái)的一種新型計(jì)算和服務(wù)模式，它是通過(guò)分布式計(jì)算和虛擬化技術(shù)建設(shè)數(shù)據(jù)中心或超級(jí)計(jì)算機(jī)，以租賃或免費(fèi)方式向技術(shù)開(kāi)發(fā)者或企業(yè)客戶提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析以及科學(xué)計(jì)算等服務(wù)。廣義上講，云計(jì)算是指廠商通過(guò)建立網(wǎng)絡(luò)服務(wù)集群，向多種客戶提供硬件租賃、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、計(jì)算分析和在線服務(wù)等不同類(lèi)型的服務(wù)。云計(jì)算的主要服務(wù)形式有以亞馬遜公司為代表的基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)，以Saleforce為代表的平臺(tái)即服務(wù)，以及以微軟代表的軟件即服務(wù)等。

　　云計(jì)算的“云”就是存在于互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)器集群上的服務(wù)器資源，包括硬件資源（如服務(wù)器、存儲(chǔ)器和處理器等）和軟件資源（如應(yīng)用軟件、集成開(kāi)發(fā)環(huán)境等）。本地終端只需要通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送一條請(qǐng)求信息，“云端”就會(huì)有成千上萬(wàn)的計(jì)算機(jī)為你提供需要的資源，并把結(jié)果反饋給發(fā)送請(qǐng)求的終端。每個(gè)提供云計(jì)算服務(wù)的公司，其服務(wù)器資源分布在相對(duì)集中的世界上少量幾個(gè)地方，對(duì)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(shù)。云計(jì)算強(qiáng)調(diào)終端功能的弱化，通過(guò)功能強(qiáng)大的“云端”給需要各種服務(wù)的終端提供支持。如同用電用水一樣，我們可以隨時(shí)隨地獲取計(jì)算、存儲(chǔ)等信息服務(wù)。

　　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(gòu)，包括感知層、傳輸層、處理層和應(yīng)用層4個(gè)層次。在感知層中，嵌入有感知器件和射頻標(biāo)簽（RFID）的物體形成局部網(wǎng)絡(luò)，協(xié)同感知周?chē)�環(huán)境或自身狀態(tài)，并對(duì)獲取的感知信息進(jìn)行初步處理和判決，以及根據(jù)相應(yīng)規(guī)則積極進(jìn)行響應(yīng)，同時(shí)，通過(guò)各種接入網(wǎng)絡(luò)把中間或最終處理結(jié)果接入到傳輸層；傳輸層包括寬帶無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、光纖網(wǎng)絡(luò)、蜂窩網(wǎng)絡(luò)和各種專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)，在傳輸大量感知信息的同時(shí)，對(duì)傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行融合等處理；在處理層提供存儲(chǔ)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(shí)別和人工智能等技術(shù)，提供數(shù)據(jù)分析、局勢(shì)判斷和控制決策等處理功能。云計(jì)算的“云端”就在處理層，主要通過(guò)數(shù)據(jù)中心來(lái)提供服務(wù)；最上層的應(yīng)用層建立不同領(lǐng)域中的各種應(yīng)用。

　　互聯(lián)網(wǎng)也可以看成存在類(lèi)似的架構(gòu)，底層是數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)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(yīng)用。從層次架構(gòu)來(lái)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(yīng)要發(fā)生一些變化。

　　1.3 海計(jì)算

　　物聯(lián)網(wǎng)具有顯著的異構(gòu)性、混雜性和超大規(guī)模等特點(diǎn)。異構(gòu)性表現(xiàn)在不同制造商、不同擁有者、不同類(lèi)型、不同級(jí)別、不同范疇的對(duì)象網(wǎng)絡(luò)共存于物聯(lián)網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)之間在通信協(xié)議、信息屬性、應(yīng)用特征等多個(gè)方面存在差異性，并形成混雜的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)或“網(wǎng)中網(wǎng)”形態(tài)；混雜性表現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)形態(tài)和組成的異構(gòu)混雜性，多信息源的并發(fā)混雜性，場(chǎng)景、服務(wù)和應(yīng)用的混雜性等多個(gè)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(jī)、物的綜合信息系統(tǒng)，其規(guī)模之大無(wú)所不包。

　　物聯(lián)網(wǎng)的上述特點(diǎn)決定了感知層數(shù)據(jù)的特性，即異構(gòu)的、混雜的、大規(guī)模的實(shí)時(shí)流感知數(shù)據(jù)。同時(shí)，感知數(shù)據(jù)還具有一個(gè)顯著特點(diǎn)就是時(shí)空特性，就是感知數(shù)據(jù)在特定時(shí)間和特定空間內(nèi)才有意義，如果不在這個(gè)地點(diǎn)或過(guò)了這個(gè)時(shí)間，數(shù)據(jù)的意義可能就不大了。如中關(guān)村大街的交通相關(guān)信息，這些交通信息通過(guò)很多節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集，是大數(shù)據(jù)量的隨時(shí)間不斷采樣的實(shí)時(shí)流信息。這些信息誰(shuí)需要？是在這個(gè)區(qū)域的人車(chē)才真正需要了解當(dāng)時(shí)的詳細(xì)擁塞或停車(chē)信息等，以便及時(shí)掌握交通動(dòng)態(tài)，調(diào)整行車(chē)路線或停止地方。其他地方的人們可能不關(guān)心這個(gè)區(qū)域的交通信息，或僅僅只需要了解大概情況，實(shí)時(shí)性要求也不是很高，如了解中關(guān)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(duì)事件及時(shí)做出反應(yīng)，這就需要實(shí)時(shí)性采集、處理和控制，如在中關(guān)村大街上前后行駛的兩輛車(chē)需要實(shí)時(shí)交互，既要保持暢通行駛，又要通過(guò)保持一定的車(chē)距來(lái)保證安全性，這就需要在當(dāng)前場(chǎng)景下局部空間內(nèi)車(chē)輛之間實(shí)時(shí)通信和決策處理。

　　為此，我們針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)這些數(shù)據(jù)的特性提出了啞鈴式的存儲(chǔ)和計(jì)算模式。大量的感知信息在采集和使用的本地進(jìn)行存儲(chǔ)，經(jīng)過(guò)處理后的中間或最后結(jié)果存儲(chǔ)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(yù)處理、判斷和決策等信息處理主要在當(dāng)前場(chǎng)景下的前端完成，必要的需要大運(yùn)算量的計(jì)算才通過(guò)“云端”的數(shù)據(jù)中心來(lái)處理。只有這樣，才能節(jié)省通信帶寬，否則網(wǎng)絡(luò)很難傳輸這么多的感知數(shù)據(jù)；才能節(jié)省存儲(chǔ)空間，數(shù)據(jù)中心再大也難存下實(shí)時(shí)流的原始感知數(shù)據(jù)，也沒(méi)有必要存儲(chǔ)原始感知數(shù)據(jù)；才能滿足實(shí)時(shí)性的交互處理，如果通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或云計(jì)算來(lái)做出處理和決定，就不能滿足很多實(shí)時(shí)性的應(yīng)用；更重要的是能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模的擴(kuò)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(dòng)態(tài)自治管理才有利于擴(kuò)展性。

　　中科院現(xiàn)在提出“海計(jì)算”［2］這個(gè)新的計(jì)算模式，實(shí)質(zhì)是把智能推向前端。智能化的前端具有存儲(chǔ)、計(jì)算和通信能力，能在局部場(chǎng)景空間內(nèi)前端之間協(xié)同感知和判斷決策，對(duì)感知事件及時(shí)做出響應(yīng)，具有高度的動(dòng)態(tài)自治性。海計(jì)算的每個(gè)“海水滴”就是全球的每個(gè)物體，它們具有智能，能夠協(xié)助感知互動(dòng)。億萬(wàn)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(jié)合

　　物聯(lián)網(wǎng)涉及到全球的物體（包括人）規(guī)模，以及其應(yīng)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(gòu)需要“云”和“海”相結(jié)合。一方面，在局部應(yīng)用場(chǎng)景中，感知數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在局部現(xiàn)場(chǎng)，智能前端在協(xié)同感知的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)時(shí)交互共同完成事件判斷、決策等處理，及時(shí)對(duì)事件做出反應(yīng)。另一方面，云計(jì)算的“云”的后端提供面向全球的存儲(chǔ)和處理服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)的各種前端把處理的中間或最后結(jié)果存儲(chǔ)到云的后端。前端在本地處理過(guò)程中，在必要時(shí)需要后端的存儲(chǔ)信息和處理能力的支持，及時(shí)發(fā)送服務(wù)請(qǐng)求獲得云的后端支持。這具有良好的擴(kuò)展性，既滿足前端實(shí)時(shí)交互，又滿足全球物體的互聯(lián)互動(dòng)。