第7章物联网的计算技术

7.1云计算7.2嵌入式系统7.3移动计算与物联网7.4Web技术7.5物联网中间件7.1云计算云计算本质上是一种新的提供资源按需租用的服务模式，是一种新型的互联网数据中心（InternetDataCenter，IDC）业务。它与传统IDC业务有相似之处，（1）业务运营模式相似（2）目标客户相似（3）业务运营需要的基础条件相似二者的差别在于：（1）租用资源范围不同。（2）服务能力不同。（3）资源透明性不同。云计算业务具有5项特征：（1）基础资源租用。（2）按需弹性使用。（3）透明资源访问。（4）自助业务部署。（5）开放公众服务。7.1.2云计算的服务模型ServerDatabaseStorageSystemInfrastruction(IaaS)BussinessSupportDevelopmentPlatform(PaaS)SoftwareInformationDataApplication(SaaS)云计算的“端”—“管”—“云”模型及服务类型构成云计算的服务模型包括“端”、“管”、“云”三个层面。“端”指的是用户接入“云”的终端设备；“管”指的是信息传输的网络通道；“云”指的是提供ICT资源或信息服务的基础设施中心、平台和应用服务器等，提供的服务类型包括基础设施、平台和应用等。按照服务的不同层次，可以将“云”分为三种形式：基础设施云平台云应用云这三种“云”分别对应于：①基础设施即服务（IaaS）。用户将部署处理器、存储系统、网络及其他基本的计算资源，并按自己的意志运行操作系统和应用程序等软件。②平台即服务（PaaS）。用户采用提供商支持的编程语言和工具编写好应用程序，然后放到云计算平台上运行。③软件即服务（SaaS）。提供商在云计算设施上运行程序，用户通过各种客户端设备的瘦客户界面（如网页浏览器、基于网页的电子邮件）使用这些应用程序。基础设施云：云计算的基础架构一般设在拥有大规模计算和存储的数据中心。平台云：平台屏蔽了部署、发布等应用开发细节，可以让开发者不再关心后台大规模服务器的工作，并且提供了一些支持应用开发的高层接口以及开发工具，给开发者提供一个透明安全、功能强大的运行环境和开发环境。应用云直接面向最终软件用户，常以SaaS形式出现。软件系统各个模块可以由用户自己定制、配置、组装和测试，最终得到满足客户需要的软件系统，从而降低软件系统使用、维护、运行和支持成本。云计算平台云计算应用一切皆服务(Xaas)软件即服务(Saas)平台即服务(Paas)云计算化基础设施服务(laas)云计算软件供应商(Enablers)硬件基础设施(HW)云计算对应关系开放的云计算基础设施云计算基础设施服务使用户可以指定需要的虚拟服务器配置信息，用户只需根据实际使用的计算、存储及网络流量来付费。下面介绍几个有代表性的云计算基础设施服务开源项目。（1）EUCALYPTUS（2）Nimbus（3）Tashi（4）Enomalism融合云计算的物联网云计算为众多用户提供了一种新的高效率计算模式，兼有互联网服务的便利、廉价和大型机的能力。它的目的是将资源集中于互联网上的数据中心，由这种云中心提供应用层、平台层和基础设施层的集中服务，以解决传统IT系统的零散性带来的低效率问题。物联网的目的是实现物物互联，从而融合物理信息的感知、传输、处理、控制，提供高效智能的应用服务。物联网强调对物理世界（包括自然界和人造物）的精准感知，感知信息的实时或及时传输、针对物理世界限制的处理与决策以及对物理世界的控制。云计算的物联网运营平台是物联网和云计算深度结合的典型例子。物联网对云计算体现了如下要求：对计算资源有大规模、海量需求资源负载变化大以服务方式提供计算能力针对物联网运营平台的云计算特征，考虑引入云计算技术构建物联网运营平台。基于云计算的物联网运营平台主要包括如下几个部分：云基础设施云平台云应用云管理嵌入式系统嵌入式系统（EmbeddedSystem）是嵌入式计算机机系统的简称，简单地说，嵌入式系统就是嵌入到目标体系中的专用计算机系统。嵌入性、专用性与计算机系统是嵌入式系统的3个基本要素。具体地讲，嵌入式系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统的特点1）嵌入式系统通常是面向特定应用的2）嵌入式系统须满足环境的要求3）嵌入式系统必须满足对象系统的控制要求4）嵌入式系统是集计算机技术与各行业应用与一体的集成系统5）嵌入式系统具有较长的生命周期6）嵌入式系统的软件固化在非易失性存储器中7）嵌入式系统的实时性要求8）嵌入式系统需专用开发环境和开发工具进行设计嵌入式系统的发展1）以单片机为核心的低级嵌入式系统2）以嵌入式微处理器为基础的初级嵌入式系统3）以嵌入式操作系统为标志的中级嵌入式系统4）以Internet为标志的高级嵌入式系统嵌入式系统的体系结构嵌入式系统作为一类特殊的计算机系统，一般包括以下3个方面：硬件设备、嵌入式操作系统和应用软件。（1）硬件设备硬件设备包括嵌入式处理器和外围设备。其中嵌入式处理器（CPU）是嵌入式系统的核心部分，它与通用处理器最大的不同点在于，嵌入式CPU大多工作在为特定用户群所专门设计的系统中，它将通用处理器中许多由板卡完成的任务集成到芯片内部，从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化，同时还具有很高的效率和可靠性。外围设备是嵌入式系统中用于完成存储、通信、调试、显示等辅助功能的其他部件。目前常用的嵌入式外围设备按功能可以分为存储设备、通信设备和显示设备三类。（2）嵌入式操作系统嵌入式操作系统具有通用操作系统的一般功能，如向上提供对用户的接口（如图形界面、库函数API等），向下提供与硬件设备交互的接口（如硬件驱动程序等），管理复杂的系统资源，同时，它还在系统实时性、硬件依赖性、软件固化性以及应用专用性等方面，具有更加鲜明的特点。（3）应用软件应用软件是针对特定应用领域，基于某一固定的硬件平台，用来达到完成预期目标的计算机软件。嵌入式操作系统1）VxWorksVxWorks操作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统（RTOS），是Tornado嵌入式开发环境的关键组成部分。VxWorks的特点为具有可裁剪微内核结构，高效的任务管理，灵活的任务间通讯，微秒级的中断处理，支持POSIX1003．1b实时扩展标准，以及支持多种物理介质及标准的、完整的TCP/IP网络协议等。目前主要应用于航空航天、国防科技以及电信等领域的高端应用领域。它的主要缺点是价格昂贵，操作系统本身以及开发环境都是专有的，一般不通供源代码，只提供二进制代码。一般的嵌入式应用通常不会采用这个操作系统。2）WindowsCEWindowsCE与Windows系列有较好的兼容性，无疑是WindowsCE推广的一大优势。Windows程序员就可以利用他们在Win32API和MFC方面的经验和知识快速地转移到WindowsCE上来。3）嵌入式LinuxLinux是一种免费、开源的操作系统，因此其支持软件多，可用资源丰富，广泛应用于服务器和PC机器上。针对嵌入式系统的特点，出现了多种Linux的变形，这些可以应用于嵌入式系统应用的Linux操作系统被统称为“嵌入式Linux操作系统”。4）μC/OS一ⅡμC/OS一Ⅱ是著名的源代码公开的实时内核，是专为嵌入式应用设计的，可用于8位，16位和32位单片机或数字信号处理器（DSP）。5）T-KernelT-Engine论坛推出的嵌入式操作系统标准，2003年微软公司也加入该阵营，现在有超过500家公司加入该论坛。嵌入式处理器嵌入式处理器主要有4类：嵌入式微处理器（EmbeddedMicrocomputerUnit,EMPU）嵌入式微处理器是由PC中的CPU演变而来的，与通用PC的处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留了和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。嵌入式微控制器（EmbeddedMicrocontrollerUnit,EMCU）嵌入式微控制器的典型代表是单片机，其内部集成了ROM/EPROM/Flash、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O接口、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A等各种必要功能和外设。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。嵌入式数字信号处理器（EmbeddedDigitalSignalProcessor,EDSP）DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器，在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令的执行速度。在数字滤波、FFT、谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。片上系统（SystemonChip,SoC）嵌入式片上系统SoC是追求产品系统最大包容的集成器件，是目前嵌入式应用领域的热门话题之一。SOC最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。SOC具有极高的综合性，在一个硅片内部运用VHDL等硬件描述语言即可实现一个复杂的系统。嵌入式系统与物联网物联网的感知层是嵌入式系统的用武之地。现代物流系统中嵌入式系统也起到重要的作用。无数的货物都会被贴上RFID标签，贴有这些标签的货物每到一个仓储点中转的时候，就会被自动识别，并被登记入库，这样就极大地提高了货物入库和清点的效率。移动计算与物联网移动计算是指通过移动网络以按需、易扩展的方式获得所需的基础设施、平台、软件(或应用)等的一种IT资源或(信息)服务的交付与使用模式。1、环境监测。2、智能安防。3、智能交通。4、物流管理。5、楼宇节能管理。6、智能电网。7、智能医疗。移动计算在物联网中的应用Web技术Web是分布在全世界、基于HTTP通信协议、存储在Web服务器中的所有互相链接的超文本集。Web服务器端存放用HTML组织的各种信息，客户机端通过浏览器软件查找这些信息资源。Web服务器又称WWW服务器、网站服务器、站点服务器，从本质上来说Web服务器实际上就是一个软件系统。一台计算机可以充当多个Web服务器，多台计算机也可以形成集群，只提供一个Web服务。Web服务器与Web页面的关系浏览器的工作机理浏览器工作机理信息资源放在Web服务器之后，需要将它的地址告诉给用户，以便让用户来访问，这就是统一资源定位符URL（UniformResourceLocators）的功能，俗称为网址。URL字串分成三个部分：协议名称、主机名和文件名（包含路径）。协议名称通常为http、Ftp、File等，例如：，其中http指的是采用的传输协议是http；www.yahoo.com.cn为主机名；index.htm为文件名。(1)用户在Web浏览器中输入(2)Web浏览器向DNS服务器询问(4)回答（HTTP）HTML的回答（HTTP）(5)Web浏览器对(7)Web浏览器将HTML进行解析、显示(6)Web服务器对应于请求，发送HTML信息(3)DNS服务器调查被询问的（Web浏览器）Web服务器（www.csu.edu.cn）DNS服务器（www.csu.edu.cn）想看看www.csu.edu.cn的web页面Web访问的机理当用户要通过浏览器访问某一个网站，用户必须首先在浏览器的地址栏中输入相应的网址——即URL地址，接着浏览器将向域名服务器询问该网址对应的IP地址，并根据返回的结果直接定位到目标服务器；服务器与浏览器双方完成通