物联网技术与应用导论第7章物联网平台课件.ppt

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1、第7章 物联网平台,7.1 物联网多业务平台设计,7.1.1 现有业务体系存在的问题 随着物联网时代的来临，多种应用因素介入，多网络、多技术的应用将成为物联网的一大特色，应用将成为主流。谁把握了业务应用，谁将占领未来物联网竞争中的制高点。,当前典型的物联网架构体系如图7-1所示，分为感知层、网络层及应用层。感知层主要用于识别物体、采集信息；传输层以无线或有线的方式将感知层上传的数据信息进行传递和处理；应用层则结合具体行业需求，利用感知层采集的数据实现具体的业务和服务。,图7-1 物联网体系结构图,7.1.2 业务平台的需求分析,为了解决图7-1所示的现有物联网体系在单个业务的交互性及设备资源重

2、复投资和互相隔离等问题，需要一种新的网络体系架构。,由于未来通信网络演进的方向将极大地影响物联网业务体系的发展，而下一代网络正朝着一个扁平的综合网络体系演进，因此，物联网也将适应这一发展方向。,为了充分发挥物联网的整体潜能，实现多异构基础网络能力的融合，提升网络的智能服务能力，可以在物联网设计的新体系中增加了一个统一的业务平台，如图7-2所示。,图7-2 增加了业务平台的物联网体系架构图,该体系架构在现有的3层架构的基础上，在应用层与网络层之间增加了一个统一的业务平台层，由该层向上层的所有应用提供服务，以便单个业务能方便调用接入层各种异构网络的基础能力。本小节将从物联网的特征入手探索物联网业务

3、平台的特征需求。,1物联网的特征,（1）基础网络异构（2）自组织感知网（3）物联网产业链多元化（4）安全隐私,2业务平台的特征需求,（1）自主自治（2）自适应（3）智能感知（4）安全可靠,7.1.3 业务平台体系结构,为了满足上节所描述的特征需求，物联网智能业务平台必须具备提取并抽象下层网络的能力，封装成标准的业务引擎；向上层应用业务开发商提供便利的业务开发环境，简化业务的开发难度，缩短业务的开发周期，降低业务的开发风险；对最终用户进行统一的用户管理和鉴权计费，以增强各种智能化应用的用户体验；向平台运营人员提供对用户和业务的统一管理，方便其进行安全维护。,基于以上分析，我们引述了新的物联网业务

4、平台体系架构如图7-3所示。该平台包括3大模块：业务接入与部署、平台控制管理及平台用户接口。,其中，业务接入与部署模块包括3个基本层次：业务引擎层、业务支持层、业务编排层；平台控制管理模块包括5个功能子模块：鉴权计费、用户管理、SP/CP管理、运营统计、网管维护；平台用户接口模块为系统维护人员和业务开发者提供标准的平台接口和操作界面。,1业务接入与部署模块2平台控制管理模块3平台用户接口模块,图7-3 业务平台架构图,7.2 服务交付平台,7.2.1 服务交付平台的发展 服务交付平台（Service Delivery Platform，SDP），关注服务/业务的创建、分发和管理，其一般部署在控

5、制平面，为第三方业务开发者提供接口，以便简便地开发新业务。,服务交付平台能使那些不具备电信技术专业知识的业务开发者方便快捷地开发业务。Moriana Group给出了一个SDP的基本框架，结构如图7-4所示。,图7-4 SDP的基本框架,（1）电信网络抽象层（2）服务运行层（3）服务/业务编排和管理层（4）服务/业务暴露层,7.2.2 SPA业务开发平台架构及关键技术,本节引述一个业务平台构架（Service Platform Architecture，SPA）。SPA是一种基于SOA的架构，它提供了大量的业务构件和接口。,为了方便业务开发者开发新业务，业务开发平台应能灵活地连接业务构件和相关

6、逻辑实体，并给出功能定义和交互原则。,1业务平台架构,SPA平台的逻辑实体如下：平台应用 业务构件 终端设备,2业务构件（1）业务总控构件（2）基本业务构件（3）业务组合构件3通信模块4一致性处理5资源控制,图7-5 SPA平台架构,图7-6 资源控制系统图,7.3 基于事件驱动的物联网事务平台,本节引述了一种基于事件驱动的物联网事务平台，该平台能适应任意的异构网络，灵活自主地管理本地物联网资源，能提供丰富的服务供其他系统使用，并能快速地添加模块以实现用户的特殊要求。下面详细分析平台的实现细节。,7.3.1 平台网络结构,物联网事务平台的网络结构如图7-7所示。该平台的服务器需要与被管理的物联

7、网网关在应用层进行连接，以便可以访问该物联网的中间件服务。,平台运行需要有对象名解析服务（Object Name Service，ONS）服务支持，用于解析物联网节点EPC的网络位置和数据存储位置。平台还需要数据库的支持，用于管理物联网相关的数据，维护平台的正常运行。平台还可以接入Internet，为Internet用户提供服务。,图7-7 物联网事务平台的网络结构,7.3.2 平台结构设计,实现物联网事务平台最基本的两个问题：一是物联网如何接入该平台：二是对于物联网所提供的各种功能及服务，该平台如何做到全部支持。图7-8所示为该平台结构层次图。,图7-8 物联网事务平台结构,1数据感知层2网

8、络接口层 网络接口层用来实现物联网的接入和访问，主要提供代理/网关服务。代理/网关服务主要提供以下3个功能：,（1）传感节点注册（2）子网信息的访问管理（3）传感节点注销,3服务支持层,服务支持层维护和管理平台运行的基本环境，类似于平台的“硬件”。服务支持层向系统提供完整的数据交互方式、系统故障处理和监视以及全部的数据管理功能，维护系统的正常运行。该层提供两类服务：基本服务和数据服务。,基本服务用来维护平台的基本运行，功能包括以下4个方面。（1）初始化功能（2）ONS维护（3）网络拓扑维护（4）节点状态监视,数据服务则用于维护物联网所有能够访问的数据。物联网的数据维护可以分为两类：数据缓冲区数

9、据维护和数据库数据维护。,4服务构建层,服务构建层相当于“软件层”，它利用已经搭建好的运行环境，提供一些最基本的系统服务集。系统可以提供的服务集包括以下4种：,（1）数据服务集（2）数据处理服务集（3）内容显示服务集（4）系统操作服务集,5用户操作层,用户操作层是面向用户应用的一层，向用户直接提供操作的接口。它的功能是通过用户的需要，利用提供的用户配置向导，将服务构建层的各种服务有机地组合和配置，使平台实现用户需要的管理功能。,7.3.3 平台实现技术,SOA可以实现物联网事务平台的预期功能，即用户通过网络对松耦合的粗颗粒度应用组件进行分布式部署、组合和使用，从而实现对物联网的管理。,服务可以

10、由运行在同一主机或不同主机不同网络位置的应用程序来提供。但由于物联网环境的不可预知和异步性，单一的SOA技术并不能很好地做到物联网的实时响应。,因此，该平台的设计需要事件驱动技术的支持。定义于该系统的事件可以传输在所有服务组件之间。服务组件通过响应特定的事件来完成系统指定的各种功能。,图7-9 平台结构实现,7.4 感知和响应业务体系架构,在物联网应用中，许多业务要求对传感器进行大量的实时监测，以保证采集数据的实时性，从而满足业务实时性的要求。,为响应物联网感知层的情况变化并实时地处理物联网业务，本节提出了一种基于事件驱动技术的架构，该架构能实时感知和响应物联网感知层环境的变化，从而实现物联网

11、实时业务的运行。,然而，传统的传感器技术和数据仓库技术并不满足数据与业务的实时性需求。本节介绍了一种数据实时响应架构，它涵盖了感知、解释、分析、决策和响应等5个阶段，能根据具体业务及其运行状况自动提出操作建议或自动触发业务操作，从而有效地减少物联网业务决策的反应时间。,7.4.1 物联网实时业务相关背景,物联网的感知层所采集的数据是支持实时性业务运行的重点，可以说，数据是物联网的灵魂。针对物联网实时性业务，感知层所采集的数据能否及时地参与到业务流程中来是一个非常关键的问题。,从信息的量度来看，物联网传感节点的种类繁多、数量庞大；从信息的流程来看，传感节点所采集的数据一般要经由网关（sink节点

12、）、数据库等多道流程才能交付于应用平台进行开发利用。,主动数据仓库（Active Data WareHouse，ADWH）与基于ECA（Event-Condition-Action）规则的主动机制相结合。ECA规则的基本运行方式是，一旦系统检测到规则事件的发生，就在特定的时刻检查规则的条件，如果条件满足，则执行相应的操作。,因此，运用ECA规则能使系统具备主动反映的能力。主动数据仓库不仅仅只具备被动产生定期报告的功能。ADWH是基于事件驱动的，在适合业务需求的时间框架中响应事件，并作出战略性决策或触发相应地操作行为。,因此，在设计主动数据仓库时必须考虑以下技术因素：可扩展性，高可用性，频繁（即

13、时或持续）地数据加载，混合负载等；同时还需考虑集成主动机制（Active Mechanisms），该主动机制的功能是在数据仓库环境中处理以下两类延时：通过操作系统捕获实时事件的延迟；加载并整合数据到数据仓库所产生的延迟。,采用实时数据仓库（Real-Time Data Warehousing，RTDW）技术能及时完成数据仓库的自动更新。实时性的严格定义意味着在数据源中所发生的任何数据的变化都能自动在数据仓库中及时地反映出来。,从理论上讲，数据仓库环境中所有变化都应该与数据源系统中的变化同时发生。实时数据仓库概念包括数据库模式和环境的物理性修改，企业级的数据移动，数据提取、转换和加载（Extra

14、ction-Transformation-Loading，ETL）处理流程，下游流程修改，警报，建立多维数据集和数据集市，以及设计和实施整个数据仓库的新方法。,实时分析过程能使用当前机构中的所有可用的资源，以便需要时改善业务运作环境和服务质量。如果在操作系统中创建或修改某条信息，分析进程将感知到该行为并会采取相应措施。,实时分析与实时业务流程之间是相辅相成的。灵捷组织（Agile Organizations）将需要实时地对具有遥测信息、规则、决策和触发器的闭环进行测量、评估和反应。,在本节中，我们借助于实时数据仓库的技术和思想，提出了一个基于SOA的物联网感知和响应服务框架SARA（Sense

15、 and Response Architecture），并集成了实时闭环决策（感知及响应循环）。,该循环是一个持续地动态发现过程：物联网感知层的传感节点实时地采集数据（即事件）；将数据转换成有意义的物联网业务信息；结合数据信息分析当前的业务情况和异常；,自动选择一个当前业务环境下最为适当的相应措施，或向管理员提出建议；基于前一步骤的决定执行业务决策。最后借助于移动呼叫欺诈方案，给出了SARA框架部署于物联网业务应用的一些建议。,7.4.2 物联网实时业务处理,1物联网实时业务需求 大多数实时性业务的运行需要实时数据的支持。对于一个实时性业务而言，快速、高效地处理实时数据，并及时作出响应是最为基

16、本的需求。,许多常见的物联网业务（如车辆调度、突发病情监控、家庭入侵监测等）在运行时需要采用实时性或近实时性的数据。然而，传统的传感数据采集技术与数据仓库技术并不能对物联网实时业务提供有效地支持。,通常，物联网实时性业务的分析过程往往与传感器节点采集信息的过程相分离。当业务运行时，系统需要下达命令来调用传感器或数据库中的数据，这个过程始终会造成延迟。一般而言，物联网实时性业务运行需求主要如下：,（1）实时数据（2）持续的数据整合（3）数据分析（4）建议与决策（5）连贯性（6）可靠性和可扩展性,2数据仓库结构,在经典的三层数据仓库体系结构（如图7-10所示）中，物联网感知层的数据被提取、转换并加

17、载到数据仓库（第1层）。数据仓库（第2层）储存并管理大量复杂和预聚合的数据，这些数据可应用于OLAP服务器（Online Analytical Processing，联机分析处理）和其他系统工具（第3层）中进行复杂多维查询分析。,图7-10 物联网数据处理架构,在该架构中，由于ETL技术是专为离线仓库系统批量数据更新所设计的，并不适合于物联网业务实时数据的处理。因此，除了传统的批处理ETL组件之外，第1层中还加入了专门的实时ETL组件。,数据仓库的不断更新会带来新的问题，如对数据的分析查询与实体化聚合产生干扰、提高索引与视图结构的复杂度、增加多维数据集的维护代价等。,在第2层，传统的数据仓库存

18、储系统需要进行功能扩展，即增加了实时数据高速缓存，该缓存担任的任务是：（1）作为数据暂存区，存储并管理来自下层的实时数据；（2）定期向数据仓库批量更新数据。,在第3层，一旦物联网业务流程发出分析请求，分析服务将分别检索来自实时数据缓存以及OLAP多维数据集（基于数据仓库所构建）中的数据。分析服务不断地分析当前数据模式并得出当前数据的状态（如发现异常）。,规则引擎的作用在于协助分析服务的运行，主要用于甄别某些特别的情况（如到达用户指定的阈值）并产生适当的响应行为。因此，通过不断观察和分析数据，分析服务可以积极快速地作出响应行为，优化业务流程和感知网络环境。,而通知服务则不具备实时性，其主要功能是

19、分析OLAP多维数据集中的数据并周期性向用户发送有关通知。,7.4.3 物联网感知和响应服务架构,本节提出的感知和响应框架（Sense and Response Architecture，SARA），主要目标是不断接收、分析和处理各种传感节点所采集的数据，并将这些数据转换成近实时的性能指标，用于物联网实时业务行为的参考。,SARA架构可以自动发现并分析业务状况或异常，能针对具体业务作出被动或主动反应，例如生成早期预警，控制传感设备状态等。,1感知和响应循环,表7-1感知及响应阶段的循环,2SARA架构,近年来，面向服务架构（SOA）作为一种新的软件工程典范，获得了软件界的认可并迅速普及开来。S

20、OA的详细定义在本书前面章节已有说明，这里不再详述。我们基于SOA的思想，建立了一个感知和响应架构SARA（如图7-11所示）。,架构底层提供了许多系统服务，可供感知及响应服务（特定服务）调用。系统服务主要完成系统的一些基本任务功能，如事件关联，进程同步，日志管理，线程池管理，异常处理和集中配置管理等。,事件服务总线提供了核心的服务调度措施，使感知及响应服务与系统服务之间能进行灵活安全的通信。,图7-11 SARA架构,3业务处理模型,业务流程的每一个步骤及其之间的相互关系，连同相应的分析参数及数据转换进程，都能被定义为一个可以独立运行的实体。SARA采用事件进程模型为感知及响应循环建模。,类

21、似于构造开发工具套件，业务处理模型（Service Processing Model，简称SPM）为感知及响应服务提供各种构建模块，这些构建模块可以用于构建一个“感知及响应循环”。,根据当前业务的需求情况，这些构建模块可以灵活地进行耦合或断开，也就是说，构建模块之间具有松耦合性。构建模块之间的链接表示这些模块在业务流程中执行次序。业务处理模型具有如下特性：,（1）定义待处理业务及数据的结构格式。（2）提供接收感知数据的接口；提供向外部系统回馈业务流程运行结果的接口。（3）数据转换、数据分析和数据持久性。,（4）对数据状态及异常进行预定义，以便及时产生触发响应。（5）为感知及响应循环模拟数据和控

22、制流（例如计算度量总是发生在数据分析之前）。,（6）对感知及响应服务处理步骤中的输入输出参数进行声明。（7）定义感知及响应服务与业务数据之间的关系和依赖性（如数据在处理开始前必须是相关的）。,图7-12所示为SARA的业务处理模型。数据是从物联网的感知层所收集和获取，并不断地被交付处理。业务处理模型展示了感知及响应进程的业务运作流程与较为复杂的处理步骤。,图7-12 业务处理模型,对于感知及响应循环而言，处理步骤的无缝性是非常重要的。无缝性能使所有处理阶段持续而有效的执行。业务处理模型可提供这种能力，它提供了以下功能：,（1）灵活控制感知及响应循环（2）感知及整合（3）适应性（4）实时处理,7

23、.4.4 实时智能业务实现,1移动电话欺诈检测方案实例,图7-13 欺诈性的电话呼叫示例,2SARA系统部署,图7-14 SARA系统部署,7.5 云计算平台,7.5.1 云计算概述 云计算，是一种基于Internet的计算方式，通过这种方式，共享的软硬件资源和信息可以按需提供给计算机和其他设备。云计算是继1980年代大型计算机到客户端/服务器的大转变之后的又一种巨变。,用户不再需要了解“云”中基础设施的细节，不必具有相应的专业知识，也无需直接进行控制。,云计算描述了一种基于Internet的新的IT服务增加、使用和交付模式，通常涉及通过Internet来提供动态易扩展而且经常是虚拟化的资源。

24、,云其实是网络、Internet的一种比喻说法，这是因为过去在图中往往用云来表示电信网，而且使用网络计算和资源能力也有些像云一样，时有时无，时大时小，按用户的需求来提供，实现节能绿色服务。,后来也用来表示Internet和底层基础设施的抽象。典型的云计算提供商往往提供通用的网络业务应用，可以通过浏览器等软件或者其他Web服务来访问，而软件和数据都存储在服务器上。云计算关键的要素，还包括个性化的用户体验。,1云计算的基本概念,狭义云计算指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资源；广义云计算指服务的交付和使用模式，指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需服务。这种服务

25、可以是IT和软件、Internet相关，也可是其他服务。,云计算也是物联网发展迫切需要提供的计算云术，是面向数据量和处理速度急剧膨胀、计算存储等资源过度浪费等问题需求出现的。,2云计算的基本特征,Internet上的云计算服务特征和自然界的云、水循环具有一定的相似性，因此，云是一个相当贴切的比喻。通常云计算服务应该具备以下几条特征。,（1）基于虚拟化技术快速部署资源或获得服务。（2）实现动态的、可伸缩的扩展。（3）按需求提供资源、按使用量付费。（4）通过Internet提供、面向海量信息处理。,（5）用户可以方便地参与进来。（6）形态灵活，聚散自如。（7）减少用户终端的处理负担。（8）降低了用

26、户对于IT专业知识的依赖。,3云计算的运营模式及服务模式,云计算按照运营模式可以分为3种。（1）公共云（2）私有云（3）混合云,而云计算所提供的服务模式也分为三种。（1）IaaS（Infrastructure-as-a-Service）（2）PaaS（Platform-as-a-Service）（3）SaaS（Software-as-a-Service）,7.5.2 物联网与云计算,（1）单中心，多终端（2）多中心，大量终端（3）信息、应用分层处理，海量终端,7.5.3 云计算平台简介,云计算平台可以分为3类：以数据存储为主的存储型云平台，以数据处理为主的计算型云平台以及计算和数据存储处理兼顾的综合云计算平台。,作为一个云计算平台，它所提供的服务具备以下几个明显的特征：（1）服务无处不在（2）具备进入成本（3）用户决定应用,当前主流的开源云计算平台有如下几种：（1）AbiCloud（Abiquo公司）（2）Hadoop（Apache基金会）（3）Eucalyptus项目（加利福尼亚大学）（4）MongoDB（5）Enomalism弹性计算平台（6）Nimbus（网格中间件Globus）,