第7章 物联网支撑技术

第7章物联网应用支撑技术7.1云计算7.1.1云计算的概念与特点1．云计算的概念•云计算(CloudComputing)，是一种新兴的共享基础架构的方法，可以将巨大的系统池连接在一起以提供各种IT服务。企业与个人用户无需再投入昂贵的硬件购置成本，只需要通过互联网来购买租赁计算力，把你的计算机当做接入口，一切都交给互联网。•狭义云计算是指IT基础设施的交付和使用模式，指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的资源（硬件、平台、软件）。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。•从服务方式角度来划分的话，云计算可分为三种：为公众提供开放的计算、存储等服务的“公共云”，如百度的搜索和各种邮箱服务等；部署在防火墙内，为某个特定组织提供相应服务的“私有云”；以及将以上两种服务方式进行结合的“混合云”。2020/3/4太原理工大学信息学院1第7章物联网应用支撑技术2．云计算的特点⑴超大规模。⑵虚拟化。⑶高可靠性。⑷通用性。⑸高可扩展性。⑹按需服务。⑺极其廉价。2020/3/42太原理工大学信息学院云计算第7章物联网应用支撑技术3．云计算的基本原理•云计算的基本原理是，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。这是一种革命性的举措，它意味着计算能力也可以作为一种商品进行流通，就像煤气、水、电一样，取用方便，费用低廉。最大的不同在于，它是通过互联网进行传输的。2020/3/4太原理工大学信息学院3第7章物联网应用支撑技术7.1.2云计算服务模式与关键技术1．云计算服务模式云计算主要分为三种服务模式。这三种服务模式是SaaS、PaaS和IaaS。对普通用户而言，他们主要面对的是SaaS这种服务模式，而且几乎所有的云计算服务最终的呈现形式都是SaaS。⑴SaaSSaaS是SoftwareasaService(软件即服务)的简称，它是一种通过Internet提供软件的模式，用户无需购买软件，而是向提供商租用基于Web的软件，来管理企业经营活动。⑵PaaSPaaS(PlatformasaService．平台即服务)。所谓PaaS实际上是指将软件研发的平台作为一种服务，以SaaS的模式提交给用户。⑶IaaSIaaS(InfrastructureasaService，基础设施即服务)。消费者通过Internet可以从完善的计算机基础设施获得服务。基于Internet的服务（如存储和数据库）是IaaS的一部分。2020/3/4太原理工大学信息学院4第7章物联网应用支撑技术2．云计算的关键技术云计算是一种新型的超级计算方式，以数据为中心，是一种数据密集型的超级计算，在数据存储、数据管理、编程模式等多方面具有自身独特的技术。⑴数据存储技术为保证高可用、高可靠和经济性，云计算采用分布式存储的方式来存储数据，采用冗余存储的方式来保证存储数据的可靠性，即为同一份数据存储多个副本。2020/3/4太原理工大学信息学院5第7章物联网应用支撑技术⑵数据管理技术云计算系统对大量数据集中进行处理和分析并向用户提供高效的服务。因此，数据管理技术必须能够高效地管理大数据集。对海量的数据存储，读取后进行大量的分析，数据的读操作频率远大于数据的更新频率，云中的数据管理是一种读优化的数据管理。⑶编程模型为了使用户能更轻松地享受云计算带来的服务，让用户能利用该编程模型编写简单的程序来实现特定的目的，云计算上的编程模型必须十分简单，必须保证后台复杂的并行执行和任务调度向用户和编程人员透明。2020/3/4太原理工大学信息学院6第7章物联网应用支撑技术7.1.3云计算与物联网1．云计算与物联网的关系•云计算是物联网发展的基石，并且从以下两个方面促进物联网的实现。•首先，云计算是实现物联网的核心，运用云计算模式使物联网中以兆计算的各类物品的实时动态管理和智能分析变得可能。•其次，云计算促进物联网和互联网的智能融合，从而构建智慧地球。物联网和互联网的融合，需要更高层次的整合，需要“更透彻的感知，更安全的互联互通，更深入的智能化”。这同样也需要依靠高效的、动态的、可以大规模扩展的技术资源处理能力，而这正是云计算模式所擅长的。2020/3/4太原理工大学信息学院7第7章物联网应用支撑技术2020/3/4太原理工大学信息学院8图1-2RFID系统的组成图1-2RFID系统的组成图1-2RFID系统的组成图1-2RFID系统的组成图1-2RFID系统的组成2．云计算与物联网的结合方式•云计算与物联网各自具备很多优势，如果把云计算与物联网结合起来，我们可以看出，云计算其实就相当于一个人的大脑，而物联网就是其眼睛、鼻子、耳朵和四肢等。云计算与物联网的结合方式可以分为以下几种。•一是单中心，多终端。•二是多中心，大量终端。•三是信息、应用分层处理，海量终端。•云计算和物联网都是新兴事物，不过现在已经有了很多的应用。但是两者结合的案例目前还是比较少的。第7章物联网应用支撑技术7.2中间件7.2.1中间件概述•随着计算机技术的发展，IT厂商出于商业和技术利益的考虑，各自产品之间形成了差异，技术在不断进步，但差异却并没有因此减少。计算机用户出于历史原因和降低风险的考虑，必然也无法避免多厂商产品并存的局面。于是，如何屏蔽不同厂商产品之间的差异，如何减少应用软件开发与工作的复杂性，就成为技术不断进步之后，人们不得不面对的现实问题。⑴一个应用系统可能跨越多种平台，如UNIX、Windows，如何屏蔽这些平台之间的差异？⑵如何处理复杂多变的网络环境，如何在脆弱的网络环境上实现可靠的数据传送？⑶一笔交易可能会涉及多个数据库，如何保证数据的一致性和完整性？⑷如何同时支持成千上万乃至更多用户的并发服务请求？⑸如何提高系统的可靠性，实现故障自动恢复和故障迁移？⑹如何解决与已有应用系统的接口？2020/3/4太原理工大学信息学院9第7章物联网应用支撑技术•于是，有人提出能不能将应用软件所要面临的共性问题进行提炼、抽象，在操作系统之上再形成一个可复用的部分，供成千上万的应用软件重复使用。这一技术思想最终构成了中间件这类软件。•中间件(Middleware)现在是与操作系统、数据库并列的三大基础软件之一。顾名思义，中间件处于操作系统软件与用户的应用软件的中间。中间件在操作系统、网络和数据库之上，应用软件的下层，总的作用是为处于自己上层的应用软件提供运行与开发的环境，帮助用户灵活、高效地开发和集成复杂的应用软件。如图所示。2020/3/4太原理工大学信息学院10应用应用硬件操作系统硬件操作系统中间件（分布式系统服务）…………中间件示意图第7章物联网应用支撑技术2020/3/4太原理工大学信息学院11EAN/UCC-13码的结构说明7.2.2中间件分类中间件所包括的范围十分广泛，针对不同的应用需求涌现出多种各具特色的中间件产品。基于目的和实现机制的不同，可以将平台主要分为远程过程调用(RemoteProcedureCall)、面向消息的中间件(Message-OrientedMiddleware)和对象请求代理(ObjectRequestBrokers)三类。⑴远程过程调用(RPC)远程过程调用是一种广泛使用的分布式应用程序处理方法。一个应用程序使用RPC来“远程”执行一个位于不同地址空间里的过程，并且从效果上看和执行本地调用相同。⑵面向消息的中间件(MOM)MOM指的是利用高效可靠的消息传递机制进行与平台无关的数据交流，并基于数据通信来进行分布式系统的集成。⑶对象请求代理(ORB)对象请求代理的作用在于提供一个通信框架，透明地在异构的分布计算环境中传递对象请求。第7章物联网应用支撑技术2020/3/4太原理工大学信息学院127.2.3物联网中间件根据物联网分层体系结构其所涉及的中间件如图所示。应用网络感知CEP中间件、SOA中间件WSN中间件、OSGi中间件EPC中间件、RFID中间件物联网中间件示意图第7章物联网应用支撑技术2020/3/4太原理工大学信息学院131．EPC中间件EPC(ElectronicProductCode)中间件扮演电子产品标签和应用程序之间的中介角色。应用程序使用EPC中间件所提供的一组通用应用程序接口，即可连到RFID读写器，读取RFID标签数据。2．RFID中间件RFID中间件是物联网软件系统中的关键和灵魂，一个庞大的物联网系统，需要各种智能终端的支持，而智能终端的种类又形形色色，RFID中间件能有效支持此功能，RFID中间件是一种面向消息的中间件，承担着RFID硬件和物联网应用程序之间的数据转换和传递的任务，隔离数据层与应用层，使应用程序之间数据通透，提高物联网系统的灵活性和可维护性。第7章物联网应用支撑技术3．WSN中间件WSN中间件主要用于支持基于无线传感器应用的开发、维护、部署和执行，其中包括复杂高级感知任务的描述机制，传感器网络通信机制，传感器节点之间协调以在各传感器节点上分配和调度该任务，对合并的传感器感知数据进行数据融合以得到高级结果，并将所得结果向任务指派者进行汇报等机制。4．OSGi中间件OSGi(OpenServicesGatewayinitiative)是一个1999年成立的开放标准联盟，基于OSGi的物联网中间件技术早已被广泛地用到了手机和智能机器与机器终端上，在汽车业（汽车中的嵌入式系统）、工业自动化、智能楼宇、网格计算、云计算、各种机顶盒等领域都有广泛应用。有业界人士认为，OSGi是“万能中间件”(UniversalMiddleware)，可以毫不夸张地说，OSGi中间件平台一定会在物联网产业发展过程中大有作为。2020/3/4太原理工大学信息学院14第7章物联网应用支撑技术2020/3/4太原理工大学信息学院155．CEP中间件复杂事件处理(ComplexEventProgressing)技术是一种新兴的基于事件流的技术。物联网应用的一大特点，就是对海量传感器数据或事件的实时处理。由于面向服务的中间件架构无法满足物联网的海量数据及实时事件处理需求，物联网应用服务流程开始向以事件为基础的EDA架构(Event-DrivenArchitecture)演进。6．SOA中间件SOA(Service-OrientedArchitecture)，面向服务架构。SOA将能够帮助软件工程师们站在一个新的高度理解企业级架构中的各种组件的开发、部署形式，它将帮助企业系统架构者更迅速、更可靠、更具重用性架构整个业务系统。较之以往，以SOA架构的系统能够更加从容地面对业务的急剧变化。6．SOA中间件SOA(Service-OrientedArchitecture)，面向服务架构，它将应用程序的不同功能单元（称为服务）通过这些服务之间定义良好的接口和契约联系起来。接口是采用中立的方式进行定义的，它应该独立于实现服务的硬件平台、操作系统和编程语言。这使构建在各种这样的系统中的服务可以一种统一和通用的方式进行交互。SOA将能够帮助软件工程师们站在一个新的高度理解企业级架构中的各种组件的开发、部署形式，它将帮助企业系统架构者更迅速、更可靠、更具重用性架构整个业务系统。较之以往，以SOA架构的系统能够更加从容地面对业务的急剧变化。第7章物联网应用支撑技术7.3大数据及其融合7.3.1大数据及数据融合概念•物联网是物物相连的互联网，涉及万事万物，所以其数据量呈现一些新的特点：海量数据、多态性、关联性、数据与时间、空间相关等。如何对收集的数据进行稳定地存储、高效地组织，并最终实现有效的整合和利用，是物联网发展必须面对的关键问题。•物联网的采集点非常多，采集信号复杂。数据库在整个物联网中发挥着记忆（数据存储）、分析（数据挖掘）的作用。2020/3/4太原理工大学信息学院16第7章物联网应用支撑技术7.3.2物联网数据库•数据库是统一管理的相关数据的集合，能为各种用户共享，具有最小冗余度，数据间