(郑州大学信息工程学院, 河南郑州 450001) 摘 要:“云计算”和“物联网”都是近几年的流行词汇,但它们给人的感觉似乎是:云计算还只停留在概念层次,似乎在现实世界中并没有太多具体的用武之地;另一方面,物联网前景诱人,但由于其网络规模的日趋庞大,越来越迫切的需要一个计算能力强大的支撑平台,面对这种背景,本文对“云计算”与“物联网”之间的关系进行分析,并对它们的融合前景进行展望。指出“云计算”对“物联网”来说,既是机遇,又是挑战。
关键词: 云计算; 物联网; 支撑平台; 机遇; 挑战
The Integration between Cloud Computing and the Internet Of Things
Xue Zhengyuan
(Information Engineering of Zhengzhou University, Zhengzhou, Henan, 450001) Abstract: “Cloud computing” and “Internet Of Things” both are popular words these years, but what people feel seemed to be this: “Cloud computing” is still rest on it's concept, and it seemed to has not many important applications in the real world; on the other hand, “Internet Of Things” has a attracted prospect, but because of it's network size, it needs a support platform with great computing abilities for development. In face of this background, this article analysed the relation of “cloud computing” and networking, and look into the distance of there prospect. And pointed out that “to networking, cloud computing is both opportunity and challenge.” Key words: Cloud computing, Internet of things, support platform, opportunity, challenge
引言 2005年，国际电信联盟(ITU)首次提出“物联网”的概念，到现在物联网已经取得了一定范围内的成功；2006年，“云计算”的概念由谷歌首次提出以来，在业界引起了很大反响。无论承认与否，它们的出现都将极大地改变我们的生活。 物联网这个概念产生的背景，至少有两个因素，一是世界的计算机及通讯科技已经发生了巨大颠覆性的改变，尤其是互联网这样的通信技术基本发展成熟；二是物质生产科技发生了巨大的变化，使物质之间的产生相互联系的条件成熟，没有瓶颈。
云计算这个概念产生的背景，也至少有两个因素，一是存在用户对大规模计算能力的需求，比如随着社交类、视频类访问量的激速增长，如何有效地为如此巨大的用户群体服务，让他们参与时能够享受方便、快捷的服务，成为这些网站不得不解决的一个问题；二是Google之类的大公司搭建有强大计算能力的服务器集群，正是因为一方对计算能力的需求，而另一方能够提供这样的计算能力，于是云计算就应运而生。
2010年3月5日在第十一届全国人民代表大会第三次会议上温家宝总理提出要“加快物联网的研发应用”。
在这样的背景下，结合物联网与云计算的现实状况，有学者提出“将云计算与物联网结合起来”的想法。本文拟对“云计算”与物联网之间的关系进行分析，并对它们的融合前景进行展望。指出“云计算”对物联网来说，既是机遇，又是挑战。
1物联网
1.1物联网的概念 “物联网”是指各类传感器和现有的“互联网”相互衔接的一种新技术。具体来说，它是一种通过信息传感设备，并按约定的协议，把任何物品通过互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化管理的一种网络。在这个网络中，物品能够彼此进行“交流”，而无需人的干预。 由此概念可以看出，物联网的核心和基础仍然是互联网，是对互联网的延伸和扩展；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。 物联网概念的问世，打破了之前的传统思维。过去的思路一直是将物理基础设施和IT基础设施分开，一方面是机场、公路、建筑物等，另一方面是数据中心、个人电脑、宽带等。而在物联网时代，钢筋混凝土、电缆将与芯片、宽带整合为统一的基础设施，在此意义上，基础设施更像是一块新的地球。
1.2物联网基本原理 物联网中利用的主要技术就是射频自动识别(RFID)技术，以该技术为支撑，并通过计算机互联网的传输作用，实现物品的自动化识别，达到信息的互联与共享的目的。
如果从层次上分析物联网，则物联网的结构可以划分为以下三个层次:
①信息感知层网络。信息感知层是一个包括RFID、条形码、传感器等设备在内的传感网，主要用于物品信息的识别和数据的采集；
②信息传输层网络。信息传输层网络主要用于远距离无缝传输由传感网所采集的海量数据信息，将信息安全传输至下一个层次——信息应用层；
③信息应用层网络。信息应用层网络主要通过数据处理平台及解决方案等来提供人们所需要的信息服务以及具体的应用。 如果从工作步骤上分析物联网，则物联网各个层次相应的工作步骤如下:
①信息感知层负责对物体属性进行标识，由于物体属性可划分为静态属性及动态属性两种，其中的静态属性直接存储在标签中，动态属性则需要由传感器实时探测；
②感知层完成对物体属性的读取之后，应将获取的信息转换为适合网络传输的数据格式(严格来说，这属于信息传输前的预处理，暂且将其归为感知层的工作)；
③将物体的信息通过传输层网络传输到信息处理中心(即应用层)，由信息处理中心完成物体通信的相关计算，必要时产生输出结果或反馈相关信息。
1.3物联网的应用 物联网具有广泛的应用，涉及到智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、环境监测、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多个领域。
应用其实不仅仅是一个概念而已，它已经在很多领域有运用，只是并没有形成大规模运用。下面是物联网应用的部分成功案例:
(1)物联网传感器产品已率先在上海浦东国际机场防入侵系统中得到应用。 系统铺设了3万多个传感节点，覆盖了地面、栅栏和低空探测，可以防止人员的翻越、偷渡、恐怖袭击等攻击性入侵。而就在不久之前，上海世博会也与无锡传感网中心签下订单，购买防入侵微纳传感网1500万元产品。
(2)ZigBee路灯控制系统点亮济南园博园。
ZigBee无线路灯照明节能环保技术的应用是此次园博园中的一大亮点。园区所有的功能性照明都采用了ZigBee无线技术达成的无线路灯控制。
(3)智能交通系统(ITS)
智能交通系统是利用现代信息技术为核心，利用先进的通讯、计算机、自动控制、传感器技术，实现对交通的实时控制与指挥管理。交通信息采集被认为是ITS的关键子系统，是发展ITS的基础，成为交通智能化的前提。无论是交通控制还是交通违章管理系统，都涉及交通动态信息的采集，交通动态信息采集也就成为交通智能化的首要任务。
2云计算
2.1云计算的概念
云计算并没有统一的规范定义。通常可以认为，云计算是分布式处理、并行处理和网格计算的发展，或者说是这些计算机科学概念的商业实现。它是一种服务的交付和使用模式，通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的服务。
通俗的理解是，云计算的“云”就是存在于互联网上的服务器集群上的资源，它包括硬件资源(服务器、存储器、CPU等)和软件资源(应用软件、集成开发环境等)，本地计算机只需要通过互联网发送一个需求信息，远端就会有成千上万的计算机为你提供需要的资源并将结果返回到本地计算机，这样，本地计算机几乎不需要做什么，所有的处理都在云计算提供商所提供的计算机群来完成。特别是用户有海量数据需要处理，而自身的硬件设备或软件资源又无法胜任时，云计算便展现出它独有的魅力。
2.2云计算基本原理 通过前面对云计算概念的介绍，不难发现云计算有如下的基本原理: 通过使计算分布在大量的分布式计算机上，而非本地计算机或远程服务器中，企业数据中心的运行将更与互联网相似。这使得企业能够将资源切换到需要的应用上，根据需求访问计算机和存储系统。
在云计算系统中运用了许多技术，包括: 编程模型MapReduce、数据存储HDFS、数据管理技术、虚拟化技术、云计算平台管理技术等。其中最主要的是编程模型MapReduce及数据存储模型HDFS。可以说MapReduce及HDFS是云计算的核心技术。下面简要介绍MapReduce及HDFS的基本技术。
(1)编程模型——MapReduce MapReduce是由Google公司研发的一种编程模型，主要用于海量数据集(例如，T级的数据)的分析处理。MapReduce的基本思想是: 将要执行的作业分解成若干Map和Reduce任务的方式执行。首先通过Map程序将需要处理的数据Map(映射)成键/值对的形式，调度给大量计算机处理，再通过Reduce(化简)程序将结果汇整输出。简单来说，MapReduce编程模型就是任务的分解与结果的汇总。由于引进了MapReduce编程模型，编程人员可以在没有多少编程经验的同时，方便地编写出复杂的并行程序，并在云计算平台上高效率执行。
(2)数据存储——HDFS HDFS，全称为Hadoop Distributed File System，是一个分布式文件系统。它存储云计算Hadoop集群中所有存储节点上的文件。HDFS有着高容错性的特点，并且可以设计用来部署在低廉的硬件设备上。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。并且HDFS放宽了POSIX的要求，这样可以实现流的形式访问文件系统中的数据。
基于该模型的云计算具有如下特点:
①可扩展性：这包括存储的可扩展、计算的可扩展两个方面。云计算的规模可以动态伸缩，满足应用和用户规模增长的需要；
②经济性：系统对硬件配置要求低，框架可以运行在任何普通的PC上，有效地节约了系统的经济成本；
③可靠性：HDFS的数据备份恢复机制以及MapReduce的任务监控机制保证了系统具有较高的可靠性；
④高效：HDFS的高效数据交互的实现以及MapReduce高效的数据处理模式，共同为高效处理海量的信息作了基础准备。
2.3云计算的应用 在我们日常生活中，我们与Internet接触的同时，就已经感受到云计算的魅力。其实，云计算就在我们身边:
在线影视、即时通讯、在线查询系统、SaaS软件即时服务、在线交易、邮件服务、搜索引擎等等，这些都是我们身边的云计算。
当然，云计算的应用范围远不止这些。云计算在多个领域都具有广泛的应用，特别是在需要海量数据处理的应用领域，更是发挥着不可替代的重要作用:
①科研领域: 地震监测、海洋信息监控、天文信息计算处理；
②医学领域: DNA信息分析、海量病历存储分析、医疗影像处理；
③网络安全领域: 病毒库存储、垃圾邮件屏蔽、动画素材存储分析；
④图形和图像处理: 高仿真动画制作、海量图片检索；
⑤互联网领域: Email服务、在线实时翻译、网络检索服务。
3云计算与物联网的融合
3.1二者的关系 物联网与云计算是近年来兴起的两个不同的概念。它们互不隶属，但它们之间却有着千丝万缕的联系。 物联网与云计算都是基于互联网的，可以说互联网就是它们相互连接的一个纽带。人类是从对信息积累搜索的互联网方式逐步的向对信息智能判断的物联网方式前进。而且这样的信息智能是结合不同的信息载体进行的。互联网教会人们怎么看信息，物联网则教会人们怎么用信息，更具智慧是物联网的特点。由于把信息的载体扩充到“物”，因此，物联网必然是一个大规模的信息计算系统。
通过前面的分析可知，物联网就是互联网通过传感网络向物理世界的延伸，它的最终目标就是对物理世界进行智能化管理。物联网的这一使命，也决定了它必然要由一个大规模的计算平台作为支撑。
由于云计算从本质上来说就是一个用于海量数据处理的计算平台，因此，云计算技术是物联网涵盖的技术范畴之一。随着物联网的发展，未来物联网将势必产生海量数据，而传统的硬件架构服务器将很难满足数据管理和处理要求。如果将云计算运用到物联网的传输层与应用层，采用云计算的物联网，将会在很大程度上提高运行效率。可以说，如果把物联网当作一台主机的话，云计算就是它的CPU。
3.2可行性分析
3.2.1物联网的日趋规模化是其结合基础 物联网与云计算的结合存在着很多可能性，随着当今世界物联网的规模化发展，使云计算服务物联网更加成为可能。
物联网运营平台需要支持通过无线或有线网络采集传感网络节点上的物品感知信息，进行格式转换、保存和分析计算。相比互联网相对静态的数据，在物联网环境下，将更多地涉及基于时间和空间特征、动态的超大规模数据计算。
如果物联网的规模达到足够大，就有必要和云计算结合起来，比如行业应用：智能电网、地震台网监测、物流管理、动植物研究、智能交通、电力管理等方面就非常适合通过云计算的服务平台，通过物联网的技术支撑，从而让其更好地为人类服务。而对一般性的、局域的、家庭网的物联网应用，则没有必要结合云计算。
云计算中心对接入网络的终端的普适性，最终解决了物联网的M2M应用的广泛性，而物联网所能体现的优势阶段，在其所具备有相当的规模之后。
3.2.2云计算的实用技术是其实现条件
要实现云计算对物联网的服务支撑，云计算的关键技术有着很大程度的影响。具体来说，云计算的超大规模、虚拟化、多用户、高可靠性、高可扩展性等特点正是物联网规模化、智能化发展所需的技术。下面简要介绍。
①虚拟化技术，也是云计算的基础。尽管云计算和虚拟化并非捆绑技术，二者同时使用仍可正常运行并实现优势互补。云计算和虚拟化二者交互工作，云计算解决方案依靠并利用虚拟化提供服务。为了提供“按需使用，按使用付费”的服务模式，云计算供应商必须利用虚拟化技术。因为只有利用虚拟化，他们才能获得灵活的基础设施以提供终端用户所需的灵活性。实现了IT虚拟化，能真正实现资源共享和IT服务能力的按需提供，这其中关键技术就涉及到服务器虚拟化、网络虚拟化和存储虚拟化，当然如果能够将服务器、网络和存储进行融合，让服务器与网络之间，网络与存储之间也能够达到资源共享的虚拟化，这将会在计算能力的有效利用，服务能力的错峰处理等方面更具有吸引力。
②高可靠性，高可扩展性。在未来物联网中，每个连网物体都会有一个标识，分配一个IP地址，进而接入网络。数十亿甚至数百亿的传感网络节点需要进行配置、管理和监控，这就需要物联网运营平台具备节点参数配置、节点状态监测、节点远程唤醒/激活/控制、节点故障告警、节点按需接入、节点软件升级、节点网络拓扑展现等功能。要实现这些功能，要求计算平台必须高度可靠，又要易于扩展。而云计算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服务的高可靠性，使用云计算比使用本地计算机更加可靠；另外，云计算的规模可以动态伸缩，满足应用和用户规模增长的需要。这使得云计算为物联网提供支撑服务进一步成为可能。
3.3存在的问题
通过以上的分析，我们可以认为云计算的确给物联网带来了不可多得的机遇。但这并不是 说我们所面临的情况都是有利的。事实是，实现云计算在物联网系统中的完美利用，目前还面 临着诸多挑战。这其中不仅有建设物联网需要解决的问题，同样也有建设云计算需要解决的问题。这些问题也是需要进一步研究的问题。
3.3.1建设物联网所面临的主要挑战
(1)标准问题。由于当今世界各国在物联网方面制定的技术标准互不相同，因此很难兼容。如果技术标准得不到统一，物联网将很难在世界范围内互联互通，或者实现世界范围内的跨越性发展。
(2)安全问题。由于物联网中万物互联，必然有大量的数据用于物物之间的通信，各类物体行为模式的数据存储、分析、处理等等，这可能会引起一系列的数据安全问题。尤其是随着物联网的快速发展与应用，保障数据的安全性就愈加重要。
(3)协议问题。从根本上讲，物联网是互联网在物质世界的延伸。因此，物联网的核心层面仍然是基于TCP/IP协议的。然而，在接入层面上，物联网协议种类繁多，出现了协议不同意的情况。因此，物联网需要有统一的协议支持。
(4)IP地址问题。与互联网类似，在物联网中，每一个接入网络的物体都要有一个惟一标识，分配一个IP地址。互联网中IP的需求问题似乎没那么突出，但物联网中涉及几十亿、甚至几百亿的的物体。而IPv4地址即将耗尽，因此加快IPv6技术的研发，并解决与IPv4的兼容问题，将直接影响着物联网的发展规模。
3.3.2云计算平台所面临的主要挑战
(1)数据安全性问题：用户数据的安全问题是云计算平台不得不考虑的问题。这里面包含两层意思:一要在技术上、管理上确保数据安全；二要让用户确信服务商能够保证数据安全。另外，也需要对数据的容错性、连续数据保护等方面加以关注。
(2)个人隐私的保护问题：在云计算平台中，每个用户都处在开放的环境中。在该平台中无论是提供或者接受服务，都有可能将个人隐私不经意间暴露出来。长此以往，将可能引起一系列意想不到的问题。因此，如何加强对个人隐私的保护对云计算来讲是一个重要的问题，也是云计算必然要面对的挑战。
(3)服务互操作性问题：云计算互操作性是指抽出各云端之间程序设计差异的能力，这是云计算使用普及化的关键。当前，云计算平台对服务的互操作性支持不够。因此，对于用户进行跨平台的服务，或者是同平台不同服务之间，均存在一定程度的服务障碍，这也是将来云计算面临的挑战之一。
以上所说的只是物联网与云计算发展过程中所遇到的一部分主要问题，不可能面面俱到。在实践过程中我们仍可能遇到这样或那样的问题。有些问题我们可能无法预料，但可以肯定是，只有把来自物联网及来自云计算两个方面的问题都解决之后，实现云计算在物联网系统中的完美利用才可能取得突破性进展。
4结论与展望
4.1结论
如果物联网运营平台能够架构在云计算之上，让云计算为其服务，既能够降低初期成本，又解决了未来物联网规模化发展过程中对海量数据的存储和计算问题。
现实中亦是如此: 一方面“云计算”需要从概念走向应用，另一方面，物联网也需要更大的支撑平台来满足其规模的需求。通过本文分析发现，云计算与物联网的结合，不仅存在着必要性，而且存在着可能性。另外，考虑到当前有一系列相关问题还没有完全解决，因此可以说，“云计算”对物联网来说，既是机遇，又是挑战。
4.2展望
云计算将超级计算能力推向了大众，实现云计算在物联网系统中的完美利用，将会是一个更加诱人的前景。虽然当前还存在着一系列的问题，但随着研究的深入，相信在不久的将来，云计算就如天空中的朵朵白云一样，它无所不在，同时又让人无法察觉，云计算与物联网将共同为人们的生活提供无限的便利。
参考文献
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