第6章物联网业务及应用

第第6 6章物联网业务及应用章物联网业务及应用6.1M2M业务6.1.1M2M概述概述6.1.2M2M系系统架构和通信架构和通信协议6.1.3M2M支撑技支撑技术6.1.4M2M业务应用用6.1.5M2M发展展现状状6.1.1M2M概述概述 M2M是现阶段物联网最普遍的应用形是现阶段物联网最普遍的应用形式，是实现物联网的第一步。式，是实现物联网的第一步。未来的物联网将是由无数个未来的物联网将是由无数个M2M系统系统构成，不同的构成，不同的M2M系统会负责不同的功能系统会负责不同的功能处理，通过中央处理单元协同运作，最终处理，通过中央处理单元协同运作，最终组成智能化的社会系统组成智能化的社会系统。概述概述M2M的全称是的全称是机器对机器机器对机器（Machine-to-Machine），提供了设备实），提供了设备实时数据在系统之间、远程设备之间、机器时数据在系统之间、远程设备之间、机器与人之间建立无线连接的简单手段，实现与人之间建立无线连接的简单手段，实现人与机器、机器与机器之间畅通无阻、随人与机器、机器与机器之间畅通无阻、随时随地的通信时随地的通信。本本节内容体系内容体系l先介绍先介绍M2M的系统结构，包括的系统结构，包括M2M终端、终端、M2M管理管理平台和应用系统平台和应用系统l然后介绍然后介绍M2M的典型通信协议的典型通信协议无线机器管理协议无线机器管理协议（WMMP）l进而对进而对M2M的关键支撑技术和业务应用领域进行介绍的关键支撑技术和业务应用领域进行介绍l并给出了一个并给出了一个M2M的应用实例的应用实例基于基于GPRS无线网络无线网络的远程自动雨量监测网络的远程自动雨量监测网络l最后分析最后分析M2M的产业和标准发展现状以及面临的问题的产业和标准发展现状以及面临的问题6.1.2M2M系系统架构和通信架构和通信协议M2M业务流程涉及众多环节，其数据业务流程涉及众多环节，其数据通信过程内部也涉及多个业务系统包括通信过程内部也涉及多个业务系统包括M2M终端终端M2M管理平台管理平台应用系统应用系统具体系具体系统结构构M2M终端具有的功能端具有的功能接收远程接收远程M2M平台激活指令平台激活指令本地故障报警本地故障报警数据通信数据通信远程升级远程升级使用短消息使用短消息/彩信彩信/GPRS等几种接口通信等几种接口通信协议与协议与M2M平台进行通信平台进行通信终终端端设设备备（TE）:主主要要完完成成行行业业数数字字模模拟拟量量的的采采集集和转化和转化无无线线模模块块（MT，移移动动终终端端）:主主要要完完成成数数据据传传输输、终端状态检测、链路检测及系统通信功能终端状态检测、链路检测及系统通信功能行业专用终端行业专用终端无无线线调调制制解解调调器器:又又称称为为无无线线模模块块，具具有有终终端端管管理理模模块块功功能能和和无无线线接接入入能力。用于在行业监控终端与系统间无线收发数据能力。用于在行业监控终端与系统间无线收发数据手手持持设设备备:通通常常具具有有查查询询M2M终终端端设设备备状状态态、远远程程监监控控行行业业作作业业现现场场和处理办公文件等功能和处理办公文件等功能。M2M终端端类型型终端管理模端管理模块终终端端管管理理模模块块为为软软件件模模块块，可可以以位位于于TE或或MT设设备备中中，主主要要负负责责维维护护和和管管理理通通信信及及应应用用功功能能，为为应应用用层层提提供供安安全全可靠和可管理的通信服务可靠和可管理的通信服务。M2M管理平台为客户提供统一的移动行管理平台为客户提供统一的移动行业终端管理、终端设备鉴权业终端管理、终端设备鉴权支持多种网络接入方式，提供标准化的支持多种网络接入方式，提供标准化的接口使得数据传输简单直接接口使得数据传输简单直接提供数据路由、监控、用户鉴权、内容提供数据路由、监控、用户鉴权、内容计费等管理功能计费等管理功能M2M管理平台管理平台的功能的功能GPRS接入模块接入模块:使用使用GPRS方式与方式与M2M终端传送数据终端传送数据行行业业网网关关接接入入模模块块:负负责责完完成成行行业业网网关关的的接接入入，通通过过行行业业网网关关完完成成与与短短信信网网关关、彩彩信信网网关关的的接接入入，最最终终完完成成与与M2M终端的通信终端的通信通信接入模块通信接入模块终终端端接接入入模模块块:负负责责M2M平平台台系系统统通通过过行行业业网网关关或或GGSN与与M2M终终端端收收发发协议消息的解析和处理协议消息的解析和处理数数据据库库模模块块:保保存存各各类类配配置置数数据据、终终端端信信息息、集集团团客客户户（EC）信信息息、签签约信息和黑约信息和黑/白名单、业务数据、信息安全信息、业务故障信息等白名单、业务数据、信息安全信息、业务故障信息等应用接入模块应用接入模块:实现实现M2M应用系统到应用系统到M2M平台的接入平台的接入业业务务处处理理模模块块:是是M2M平平台台的的核核心心业业务务处处理理引引擎擎，实实现现M2M平平台台系系统统的的业务消息的集中处理和控制业务消息的集中处理和控制Web模块模块:提供提供Web方式操作维护与配置功能方式操作维护与配置功能 M2M平台平台 (按照功能划分按照功能划分)M2M M2M终端获得了信息以后，本身并不终端获得了信息以后，本身并不处理这些信息，而是将这些信息集中到处理这些信息，而是将这些信息集中到应用平台上来，由应用系统来实现应用平台上来，由应用系统来实现业务业务逻辑逻辑。应用系用系统应用系用系统的主要功能的主要功能 把感知和传输来的信息进行分析和把感知和传输来的信息进行分析和处理，做出正确的控制和决策，实现智处理，做出正确的控制和决策，实现智 能化的管理、应用和服务能化的管理、应用和服务M2MM2M终端可通过终端可通过GSMGSM、WCDMAWCDMA、TD-TD-SCDMASCDMA等不同的移动通信网络接入，通信等不同的移动通信网络接入，通信方式包括短信、彩信等。方式包括短信、彩信等。为了屏蔽不同的通信网络、不同的为了屏蔽不同的通信网络、不同的通信方式的差异性，便于通信方式的差异性，便于M2MM2M终端设备快终端设备快速接入速接入M2MM2M系统，需要对系统，需要对M2MM2M终端设备与终端设备与M2MM2M管理平台之间的通信协议进行规范。管理平台之间的通信协议进行规范。通信通信协议M2M的典型通信的典型通信协议 中国移动提出的无线机器管理协议中国移动提出的无线机器管理协议 （WirelessMachineManagementProtocol，WMMP）WMMP协议 为实现行业终端与为实现行业终端与M2M平台数据通平台数据通信过程而设计，属于信过程而设计，属于与具体通信网络及与具体通信网络及通信接入方式无关的应用层协议通信接入方式无关的应用层协议，建立，建立在在UDP协议协议之上之上WMMP协议栈结构构 图6-2 WMMP协议栈结构采用采用UDP协议传输？由于由于GPRS网络带宽较窄，延迟较大，网络带宽较窄，延迟较大，不适于采用不适于采用TCP协议进行通信。协议进行通信。采用采用UDP协议无连接方式传输，其协议无连接方式传输，其优点是效率高、流量小、节省网络带宽优点是效率高、流量小、节省网络带宽资源，缺点是没有确认机制，有可能引资源，缺点是没有确认机制，有可能引起丢包。起丢包。采用采用UDP协议传输？根据实际经验发现，通过在根据实际经验发现，通过在UDP的的上层应用层协议实现类似上层应用层协议实现类似TCP的包确认的包确认和重传机制，采用和重传机制，采用UDP方式传输，丢包方式传输，丢包率能控制在率能控制在1%以下，从而提高通信效率以下，从而提高通信效率及可靠性。及可靠性。WMMP协议通信方式通信方式长连接长连接，指在一个过程中可以连续发送指在一个过程中可以连续发送多个数据包，如果没有数据包发送，需多个数据包，如果没有数据包发送，需要行业终端发送心跳包以维持此连接要行业终端发送心跳包以维持此连接短连接短连接，指通信双方有数据交互时，就指通信双方有数据交互时，就建立一个建立一个WMMP过程，数据发送完成后，过程，数据发送完成后，则断开此则断开此WMMP过程过程长连接和短接和短连接的比接的比较长连接长连接短连接短连接维持、监测链路的手段心跳包不需要心跳包来维持链路，但M2M终端仍然需要通过心跳包告知M2M平台它的运行状态，以便进行监控和故障报警操作流程通信双方以客户/服务器方式建立WMMP过程，用于双方信息的相互提交。当信道上没有数据传输时，M2M终端应每隔时间C发送心跳包以维持此连接，当心跳包发出超过时间T后未收到响应，应立即再发送心跳包，再连续发送N-1次后仍未得到响应则结束此过程唯一的区别在于平台并非通过心跳包来判断终端链路的存在，而是判断终端是否处于工作状态。M2M终端平时处于下线状态，当本地由于数据需要传输或达到定时上线时间等类似策略时，行业终端作为客户端以客户/服务器方式建立WMMP过程参数配置参数C、T、N原则上应可配置参数T、N原则上应可配置应用范围长时间一直在线的企业不需要一直在线的企业应用WMMP协议主要主要实现的功能和流程的功能和流程M2M终端序列号的注册和分配终端序列号的注册和分配M2M终端登录系统终端登录系统M2M终端退出系统终端退出系统M2M连接检查连接检查终端上线失败错误状态上报终端上线失败错误状态上报M2M终端按照终端按照M2M管理平台的要求上报采集数据、告警数据或管理平台的要求上报采集数据、告警数据或统计数据，以及向统计数据，以及向M2M管理平台请求配置数据管理平台请求配置数据M2M管理平台从管理平台从M2M终端提取所需的数据，或向终端下发控制终端提取所需的数据，或向终端下发控制命令和配置信息命令和配置信息M2M终端软件的远程升级终端软件的远程升级6.1.3M2M支撑技支撑技术M2M系统结系统结构中涉及构中涉及5个个重要的支撑重要的支撑技术，如图技术，如图6-3所示。所示。图6-3 M2M系统的关键支撑技术机器（机器（Machines）实实现现M2M的的第第一一步步就就是是从从机机器器/设设备备中中获获得得数数据据，然然后后把把它它们们通通过过网网络络发发送送出出去去。不不同同于于传传统统通通信信网网络络中中的的终终端端，M2M系系统统中中的的机机器器应应该该是是高高度度智智能能化化的机器的机器。机器机器高度智能化高度智能化即机器具有即机器具有“开口说话开口说话”的能力的能力信息感知信息感知信息加工（计算能力）信息加工（计算能力）无线通信能力无线通信能力机器机器高度智能化高度智能化实现方法实现方法生产设备的时候嵌入生产设备的时候嵌入M2M硬件硬件对已有机器进行改装，使其具备与其他对已有机器进行改装，使其具备与其他M2M终端通信终端通信/组网能力组网能力M2M硬件硬件是是使使机机器器获获得得远远程程通通信信和和联联网网能能力力的的部部件件。在在M2M系系统统中中，M2M硬硬件件的的功功能能主主要要是是进进行行信信息息的的提提取取，从从各各种种机机器器/设设备备那那里里获获取取数数据据，并并传传送送到到通通信信网网络络中中M2M硬件硬件产品品嵌入式硬件嵌入式硬件可改装硬件可改装硬件调制解调器（调制解调器（Modem）传感器传感器识别标识（识别标识（LocationTags）通信网通信网络 通信网络在整个通信网络在整个M2M技术框架中处技术框架中处于核心地位，包括广域网（无线移动通于核心地位，包括广域网（无线移动通信网络、卫星通信网络、信网络、卫星通信网络、Internet、公众、公众电话网）、局域网（以太网、电话网）、局域网（以太网、WLAN、Bluetooth）、个域网（）、个域网（ZigBee、传感器、传感器网络）网络）中中间件（件（Middleware）M2M网关网关数据收集数据收集/集成部件集成部件M2M网关网关是是M2M系统中的系统中的“翻译员翻译员”，它获取，它获取来自通信网络的数据，将数据传送给信来自通信网络的数据，将数据传送给信息处理系统，主要的功能是完成不同通息处理系统，主要的功能是完成不同通信协议之间的转换。信协议之间的转换。数据收集数据收集/集成部件集成部件目的是将数据变成有价值的信息。目的是将数据变成有价值的信息。对原始数据进行不同加工和处理，并将对原始数据进行不同加工和处理，并将结果呈现给需要这些信息的观察者和决结果呈现给需要这些信息的观察者和决策者。策者。这些中间件包括：数据分析和商业这些中间件包括：数据分析和商业智能部件、异常情况报告和工作流程部智能部件、异常情况报告和工作流程部件、数据仓库和存储部件等。件、数据仓库和存储部件等。应用用在在M2M系统中，应用的主要功能是系统中，应用的主要功能是通过数据融合、数据挖掘等技术把感知通过数据融合、数据挖掘等技术把感知和传输来的信息进行分析和处理，为决和传输来的信息进行分析和处理，为决策和控制提供依据，实现智能化的策和控制提供依据，实现智能化的M2M业务应用和服务。业务应用和服务。6.1.4M2M业务应用用 从狭义上说，从狭义上说，M2M只代表机器和机只代表机器和机器之间的通信。我们认为器之间的通信。我们认为M2M的范围不的范围不应拘泥于此，而是应该扩展到人对机器、应拘泥于此，而是应该扩展到人对机器、机器对人、移动网络对机器之间的连接机器对人、移动网络对机器之间的连接与通信。与通信。M2M应用用领域域现在，现在，M2M应用遍及电力、交通、应用遍及电力、交通、工业控制、零售、公共事业管理、医疗、工业控制、零售、公共事业管理、医疗、水利、石油等多个行业，以及车辆防盗、水利、石油等多个行业，以及车辆防盗、安全监测、自动售货、机械维修、公共安全监测、自动售货、机械维修、公共交通管理等日常生活当中。交通管理等日常生活当中。电力行力行业无无线应用用电力抄表力抄表GPRS数据数据传输-流量流量监测系系统应用用M2M应用用实例例M2M在气象监测领域的一个应用实例在气象监测领域的一个应用实例基于基于GPRS无线网络的远程自动雨量监无线网络的远程自动雨量监测网络测网络远程自程自动雨量雨量监测网网络l自动雨量站自动雨量站l数据通信网络数据通信网络（有线和无线两（有线和无线两种方式）种方式）l数据中心工作站数据中心工作站l局地计算机网络局地计算机网络自自动雨量站雨量站作为系统的端站安装于各个观测点。作为系统的端站安装于各个观测点。无线自动雨量站无线自动雨量站传感器单元传感器单元单片机系统单片机系统GPRS数据终端单元数据终端单元有线自动雨量站有线自动雨量站传感器单元传感器单元单片机系统单片机系统局地微机系统局地微机系统数据通信网数据通信网络(无无线)自动雨量采集设备有多个，它们用自动雨量采集设备有多个，它们用各自的各自的GPRS数据终端将数据打成数据终端将数据打成IP包，包，经经GPRS空中接口接入无线空中接口接入无线GPRS网络，网络，由移动服务商转接到由移动服务商转接到Internet，最终通过，最终通过各种网关和路由到达统一的数据处理中各种网关和路由到达统一的数据处理中心工作站。心工作站。数据通信网数据通信网络(无无线)GPRS终端向数据业务中心发送数据终端向数据业务中心发送数据是间断性发送，可以根据需要调整发送是间断性发送，可以根据需要调整发送数据的频率，这在一定程度上也降低了数据的频率，这在一定程度上也降低了无线信息传输费用。无线信息传输费用。无无线网网络设计过程程中中的关的关键问题l如何进行气象信息采集单元与如何进行气象信息采集单元与GPRS终端终端的连接的连接l如何根据具体无线网络情况合理设置如何根据具体无线网络情况合理设置l如何进行数据打包发送并在数据中心工如何进行数据打包发送并在数据中心工作站实现接收作站实现接收数据通信网数据通信网络(有有线)有线雨量站中通过单片机把传感器有线雨量站中通过单片机把传感器获得的雨量信息用串行通信的方式送到获得的雨量信息用串行通信的方式送到局地微型机算机，计算机首先把数据进局地微型机算机，计算机首先把数据进行处理和编码，然后通过互联网把数据行处理和编码，然后通过互联网把数据信息送到有固定信息送到有固定IP的数据业务中心站的数据业务中心站数据数据处理中心工作站理中心工作站整个网络系统的主控部分，由一台主整个网络系统的主控部分，由一台主服务器和三台数据处理服务器组成。主服务器和三台数据处理服务器组成。主服务器在公网上有固定的服务器在公网上有固定的IP地址，三台地址，三台数据服务器通过集线器与主服务器联网。数据服务器通过集线器与主服务器联网。6.1.5M2M发展展现状状M2M产业发展现状产业发展现状M2M标准化现状标准化现状M2M产业发展展现状状国内主要由中移动、电信和联通，国内主要由中移动、电信和联通，应用领域涉应用领域涉及电力、水利、交通、金融、气象等行业及电力、水利、交通、金融、气象等行业国外国外Vodafone目前在目前在M2M市场是全球第一，市场是全球第一，提供提供M2M全球服务平台以及应用业务，为企业全球服务平台以及应用业务，为企业客户的客户的M2M智能服务部署提供托管，能够集中智能服务部署提供托管，能够集中控制和管理许多国家推出的控制和管理许多国家推出的M2M设备，企业客设备，企业客户还可通过广泛的无线智能设备收集有用的客户还可通过广泛的无线智能设备收集有用的客户数据户数据M2M标准化准化现状状技术标准制定技术标准制定主要是在：主要是在：欧洲电信标准协会欧洲电信标准协会（EuropeanTelecommunicationStandardsInstitute，ETSI）3GPP国内主要是在国内主要是在：中国通信标准化协会（中国通信标准化协会（CCSA）的泛在网技术）的泛在网技术委员会（委员会（TC10）ETSI的的M2M标准化准化进展展ETSI专门成立了一个专项小组专门成立了一个专项小组（M2MTC）以研究如何对快速成长的）以研究如何对快速成长的M2M技术进行标准化技术进行标准化ETSIM2MTC的主要研究目的主要研究目标从端到端的全景角度研究机器对机从端到端的全景角度研究机器对机器通信，并与器通信，并与ETSIETSI内内NGNNGN的研究及的研究及3GPP3GPP已已有的研究进行协同工作有的研究进行协同工作ETSIM2MTC的的职责l从利益相关方收集和制定从利益相关方收集和制定M2M业务及运营需求；业务及运营需求；l建立一个端到端的建立一个端到端的M2M高层体系架构（如果需要会制高层体系架构（如果需要会制定详细的体系结构）；定详细的体系结构）；l找出现有标准不能满足需求的地方并制定相应的具体找出现有标准不能满足需求的地方并制定相应的具体标准；标准；l将现有的组件或子系统映射到将现有的组件或子系统映射到M2M体系结构中体系结构中；lM2M解决方案间的互操作性（制定测试标准）；解决方案间的互操作性（制定测试标准）；l硬件接口标准化方面的考虑；硬件接口标准化方面的考虑；l与其他标准化组织进行交流及合作与其他标准化组织进行交流及合作ETSIM2MTC目前的研究目前的研究工作工作M2M业务需求（业务需求（TS102689）：定义）：定义M2M业务应用对通信系统的业务应用对通信系统的需求，以及需求，以及M2M的典型应用场景。的典型应用场景。M2M功能架构（功能架构（TS102690）：定义）：定义M2M业务应用的功能架构以业务应用的功能架构以及相关的呼叫会话流程。及相关的呼叫会话流程。智能电表（智能电表（SmartMetering）的应用场景（）的应用场景（TS102691）：智能电）：智能电表的应用场景和相关技术问题。表的应用场景和相关技术问题。电子卫生保健（电子卫生保健（eHealth）的应用场景（）的应用场景（TS102732）：电子医疗）：电子医疗的应用场景和相关技术问题。的应用场景和相关技术问题。消费者连接（消费者连接（ConnectedConsumers）的应用场景（）的应用场景（TS102857）：）：消费者连接的应用场景和相关技术问题。消费者连接的应用场景和相关技术问题。M2M定义（定义（TS102725）：）：M2M相关的定义和名词术语。相关的定义和名词术语。3GPP的的M2M标准化准化进展展3GPP针对针对M2M的研究主要从移动网络出发，研究的研究主要从移动网络出发，研究M2M应用对网络的影响，包括网络优化技术等。应用对网络的影响，包括网络优化技术等。3GPP在标准制定过程中，也将在标准制定过程中，也将M2M称作机器类通信称作机器类通信（MachineTypeCommunications，MTC）。在）。在2008年年5月，月，3GPP制定了研究项目制定了研究项目针对机器类通信的网针对机器类通信的网络优化（络优化（NetworkImprovementforMachineTypeCommunications，NIMTC）。）。3GPP于于2009年年11月制月制定的技术报告定的技术报告TS22.368中定义中定义MTC的一般需求，以及的一般需求，以及有别于人与人间通信的一些独特的业务需求，并详述有别于人与人间通信的一些独特的业务需求，并详述了为满足了为满足MTC的业务需求，网络优化需要做的一些工的业务需求，网络优化需要做的一些工作。作。3GPP对于于M2M的研究范的研究范围只讨论移动网的只讨论移动网的M2M通信；通信；只定义只定义M2M业务，不具体定义特殊的业务，不具体定义特殊的M2M应用；应用；无线侧和网络侧的改进，不讨论跟无线侧和网络侧的改进，不讨论跟SIM卡和卡和/或或SIM卡管理的新模型相关的内容卡管理的新模型相关的内容MTC的一般的一般业务需求需求寻址寻址计费计费标识标识安全安全对对MTC设备的远程管理设备的远程管理MTC独特的独特的业务需求需求lMTC设备易被偷盗设备易被偷盗/毁坏毁坏l时间控制时间控制l无线网络拥塞无线网络拥塞l核心网络拥塞核心网络拥塞l信令网络拥塞信令网络拥塞l访问控制访问控制l低功耗低功耗l特定位置触发特定位置触发l漫游漫游MTC设备的端到端安全性设备的端到端安全性CCSA的的M2M标准化准化进展展中国通信标准化协会（中国通信标准化协会（CCSA）泛在网技）泛在网技术工作委员会（术工作委员会（TC10）包括总体组、感）包括总体组、感知延伸组、应用组和网络组知延伸组、应用组和网络组M2M应用通信协议技术要求由网络组进应用通信协议技术要求由网络组进行研究行研究CCSA对M2M标准化准化的两个方面的两个方面M2M业务的总体技术要求：包括业务的总体技术要求：包括M2M业务定义、业务特征、应用场景和业务定义、业务特征、应用场景和业务需求，业务需求，M2M系统结构和接口、计费、系统结构和接口、计费、认证鉴权和网络管理等方面的技术要求。认证鉴权和网络管理等方面的技术要求。CCSA对M2M标准化准化的两个方面的两个方面M2M应用通信协议技术要求：包应用通信协议技术要求：包括括M2M终端设备与终端设备与M2M平台间、平台间、M2M平台与平台与M2M应用平台间的通信协议的协应用平台间的通信协议的协议概述、协议结构、报文定义、报文交议概述、协议结构、报文定义、报文交互机制、安全机制等。互机制、安全机制等。M2M面面临的的问题l缺乏完整的标准体系缺乏完整的标准体系l商业模式不清晰，未形成共赢的、规模化的商业模式不清晰，未形成共赢的、规模化的产业链产业链l窄带网络限制了窄带网络限制了M2M业务的发展以及业务信业务的发展以及业务信息承载方式的多样性息承载方式的多样性lM2M业务运营支撑系统不完善，不能完全有业务运营支撑系统不完善，不能完全有效地支撑效地支撑M2M业务的运营业务的运营lM2M各行业间融合难度大各行业间融合难度大6.2云云计算算 6.2.1云云计算介算介绍6.2.2云云计算算应用用实例例6.2.3物物联网与云网与云计算算主要内容主要内容本节主要介绍一种适合大规模信息处本节主要介绍一种适合大规模信息处理、管理、存储的新型计算基础设施理、管理、存储的新型计算基础设施云云计算。计算。6.2.1云云计算介算介绍1云云计算定算定义及云参考模型：及云参考模型：云计算的含义：云计算中的云计算的含义：云计算中的“云云”主要是主要是指能够提供无穷资源（如计算、存储、带宽等）指能够提供无穷资源（如计算、存储、带宽等）的一种全新计算模式，通过云可以将计算能力、的一种全新计算模式，通过云可以将计算能力、网络基础设施、商业处理平台、存储空间、带宽网络基础设施、商业处理平台、存储空间、带宽资源等按照约定的服务水平协议（资源等按照约定的服务水平协议（ServiceLevelAgreement，SLA）有偿地提供给云客户，无论）有偿地提供给云客户，无论你身处何处、何时使用。这种模式将计算和处理你身处何处、何时使用。这种模式将计算和处理能力转移到网络中，从而减少以往个人或公司维能力转移到网络中，从而减少以往个人或公司维护计算机软件、硬件、带宽、能源等资源的开销。护计算机软件、硬件、带宽、能源等资源的开销。众多的专家和学者根据各自的理解提出的众多的专家和学者根据各自的理解提出的云计算定义：云计算定义：学者/机构年份云计算定义M.Klems2008云计算可以根据用户的需求在几分钟（甚至几秒钟）内，向用户提供相关的资源（服务器、存储、带宽等）来扩充用户目前所拥有的资源，而不是通常的几天或是几星期，因此云计算避免了用户自有服务器的各种问题，如服务器的资源闲置，或是过载R.Buyya 2008云是一种并行和分布式处理系统，其中包括众多的相互连接和虚拟化的计算机，云所包含的资源都可以单位化成一些计算资源，动态地提供给云计算用户使用，同时云计算的提供者需要保证与云计算用户所达成的服务水平协议（SLA）R.Cohen 2008云计算囊括了众多的热门技术，如部署、负载均衡、按需提供、商业模式、架构（如Web2.0）。它是软件开发模式的下一阶段（software 10.0）。R.Cohen认为云计算可以描述为以互联网为中心的软件（Internet centric software）J.Kaplan 2008云计算能够向用户提供一系列基于Web的业务，这些业务能够提供各种各样的功能，用户通过量入为出（pay as you go）的方式支付所使用的功能。这些功能如果不通过云来提供的话，用户需要花费大量的资金来部署软件和硬件设备，并且需要专业的技术人员来维护这些设备。云计算实现了早期关于效用计算（utility computing）的设想，并且不需要复杂的技术学者/机构年份云计算定义K.Sheynkman2008云计算使硬件资源能够按照用户的消费需求，将计算能力和存储能力提供给用户。对公司来说，云计算能够根据业务和应用的需求提供简单的配置、部署、动态扩展和管理虚拟的硬件环境J.Pritzker2008云是一个巨大的、资源池，这些资源可以按需分配、虚拟化、计费Luis M.Vaquero2009云是一个巨大的、易用的、易访问的虚拟资源池（如硬件、开发平台和/或业务）。这些资源可以动态地重新配置来调节负载，以达到最优的资源利用率。这些资源通常按照按需付费的方式使用，根据和用户达成的SLA来保证服务质量Ian Foster2008云计算是一种受规模经济驱动的大规模分布式计算模式。云计算中抽象的、虚拟的、可动态扩展的、可管理的计算能力、存储、平台和业务可以按需通过互联网提供给需要云计算的用户来使用美国国家标准技术研究院（NIST）2009云计算是一种能够通过网络以便利的、按需的方式来访问一个共享的资源池来获取计算资源（如网络、服务器、存储、应用和服务）的模式，这些资源可配置，并能够快速获取和释放。云模式能够提高可用性并且由5种基本属性、3种服务模式和4种部署模式组成NIST定义定义美国国家标准技术研究院美国国家标准技术研究院（NIST）的云计算定义被普遍接受，）的云计算定义被普遍接受，在这里主要介绍在这里主要介绍NIST关于云计算的定关于云计算的定义义（1）5种基本属性种基本属性云计算的业务可以描述为云计算的业务可以描述为5种基本属性，这种基本属性，这5种基本属性与传统计算方式的区别和联系如下。种基本属性与传统计算方式的区别和联系如下。美国国家标准技术研究院的云计算定义图l按按需需自自助助服服务务（On-demandself-service）：客客户户可可以以根根据据需需求求自自动动地地获获取取计计算算能能力力，例例如如服服务务器器计计算算时时间间和和网网络络存存储储空空间间，而而不不需需要要和和云云服服务提供商进行直接谈判。务提供商进行直接谈判。l广广泛泛的的网网络络接接入入（Broadnetworkaccess）：计计算算能能力力可可通通过过网网络络提提供供，并并通通过过标标准准机机制制进进行行访访问问，使使得得各各种种客客户户端端（例例如如移移动动电电话话、便便携携式式电电脑脑或或PDA）和和其其他他传传统统的的或或是是基基于于云云的的软软件件平平台台均可以使用云计算。均可以使用云计算。l资源池（资源池（Resourcepooling）：云计算服）：云计算服务提供商的各种资源被池化，并通过多租务提供商的各种资源被池化，并通过多租户模式为多客户提供多样服务，并根据客户模式为多客户提供多样服务，并根据客户的需求动态提供或重新分配物理或虚拟户的需求动态提供或重新分配物理或虚拟化的资源。化的资源。l快快速速弹弹性性：服服务务规规模模可可以以快快速速、弹弹性性地地扩大或缩小。扩大或缩小。l按按量量计计费费的的服服务务：云云系系统统对对服服务务对对象象在在一一定定程程度度上上进进行行适适当当的的抽抽象象，并并提提供供服服务务计量能力。计量能力。（2）3种服务模式种服务模式服务模式可以分为服务模式可以分为3种基本类型和其种基本类型和其他的派生模式。这他的派生模式。这3种基本模式可以简写种基本模式可以简写为为“SPI模式模式”，即分别为，即分别为Software，PlatformorInfrastructure（asaService）。）。lSoftwareasaService（SaaS）：云计算）：云计算提供商为用户提供的业务是运行在其云基提供商为用户提供的业务是运行在其云基础设施上的应用程序的使用能力。这种应础设施上的应用程序的使用能力。这种应用程序能被各种客户端设备通过用程序能被各种客户端设备通过Web形式形式访问，例如访问，例如Web浏览器。浏览器。lPlatformasaService（PaaS）：用户：用户可以将自己拥有的或是购买的应用程序通可以将自己拥有的或是购买的应用程序通过使用云计算提供商提供的编程语言和工过使用云计算提供商提供的编程语言和工具部署到云基础设施上。具部署到云基础设施上。l同样云用户也无法管理和控制底层云同样云用户也无法管理和控制底层云基础设施，包括网络、服务器、操作系统、基础设施，包括网络、服务器、操作系统、存储，但可以控制他们部署的应用程序和存储，但可以控制他们部署的应用程序和应用程序的配置环境。应用程序的配置环境。lInfrastructureasaService（IaaS）：云）：云计算提供商为客户提供处理能力、存储能计算提供商为客户提供处理能力、存储能力、网络和其他基本计算资源，用户可以力、网络和其他基本计算资源，用户可以使用这些资源部署或运行他们自己的软件。使用这些资源部署或运行他们自己的软件。（3）4种部署模式种部署模式公共云公共云公共云可以把来自许多不同客户的作公共云可以把来自许多不同客户的作业在云内的服务器、存储系统和其他基础业在云内的服务器、存储系统和其他基础设施上混合在一起。避免了用户临时需要设施上混合在一起。避免了用户临时需要大规模的计算和存储资源而部署硬件和软大规模的计算和存储资源而部署硬件和软件资源的风险和开销。件资源的风险和开销。社区云社区云云基础设施被几个组织所共享，以支云基础设施被几个组织所共享，以支持某个具有共同需求（例如任务、安全需持某个具有共同需求（例如任务、安全需求、策略域）的社区。社区云可以被该组求、策略域）的社区。社区云可以被该组织管理，也可以委托第三方管理。织管理，也可以委托第三方管理。专用云专用云专用云主要面向需要大规模数据处理、专用云主要面向需要大规模数据处理、存储的公司。专用云是由单个客户所拥有的存储的公司。专用云是由单个客户所拥有的基础设施，该客户完全控制哪些应用程序在基础设施，该客户完全控制哪些应用程序在哪里运行。一般来说专用云的扩展性没有公哪里运行。一般来说专用云的扩展性没有公共云高。共云高。混合云混合云云基础设施由两个或两个以上相对独云基础设施由两个或两个以上相对独立的的云组成，为了保证数据和应用程序立的的云组成，为了保证数据和应用程序的可移植性，通过标准化的接口或是专用的可移植性，通过标准化的接口或是专用技术为不同的云客户提供服务。技术为不同的云客户提供服务。混合云提供了一种灵活的措施为云用混合云提供了一种灵活的措施为云用户来决定如何在公共云和专用云上部署他户来决定如何在公共云和专用云上部署他们的应用，如果应用的数据量很小，但是们的应用，如果应用的数据量很小，但是需要很大的计算能力，那么混合云或许是需要很大的计算能力，那么混合云或许是一种比较好的选择。一种比较好的选择。上述上述4种云都有一种或两种的部署方式：种云都有一种或两种的部署方式：内部或外部。内部是指位于云拥有者的内内部或外部。内部是指位于云拥有者的内部网络，享有和内部网络其他用户同样的部网络，享有和内部网络其他用户同样的网络安全策略，通常专用云一般都部署在网络安全策略，通常专用云一般都部署在内部。而外部是指部署在公有的网络上，内部。而外部是指部署在公有的网络上，公共云一般部署在外部。公共云一般部署在外部。（4）云）云计算参考模型算参考模型这里主要介里主要介绍云安全云安全联盟（盟（CSA）给出的一出的一种参考模型，如种参考模型，如图所示所示云计算参考模型IaaSIaaS是所有云业务的基础，是所有云业务的基础，PaaSPaaS建立在建立在IaaSIaaS之上，之上，SaaSSaaS建立在建立在PaaSPaaS之上。之上。IaaS:IaaS包括所有的基础设施资源，如云包括所有的基础设施资源，如云计算中的所有硬件资源。计算中的所有硬件资源。IaaS可以提供可以提供（或是不提供）对基础设施资源的抽象能（或是不提供）对基础设施资源的抽象能力，并且为这些抽象资源提供物理或是逻力，并且为这些抽象资源提供物理或是逻辑连接的功能。辑连接的功能。PaaS:PaaS在在IaaS和和SaaS之间提供了额之间提供了额外的一层，外的一层，PaaS是对开发环境抽象的是对开发环境抽象的封装和对有效服务负载的封装，主要封装和对有效服务负载的封装，主要用于构建应用程序开发环境、中间件用于构建应用程序开发环境、中间件和其他功能（如数据库、消息功能、和其他功能（如数据库、消息功能、排队功能）。排队功能）。SaaS:SaaS位于位于IaaS和和PaaS之上，为用户之上，为用户提供包括内容服务、内容呈现、商业应提供包括内容服务、内容呈现、商业应用和管理能力。典型用和管理能力。典型SaaS是是S和和GoogleApps，提供基本，提供基本商业服务，如电子邮件。商业服务，如电子邮件。2云云计算的算的发展展历史史 一般来说有一般来说有6个阶段个阶段:第第1阶段，用户通过终端共享一个大型阶段，用户通过终端共享一个大型机，那时的终端仅仅是一台显示器和一个机，那时的终端仅仅是一台显示器和一个键盘。键盘。第第2阶段，出现了可以独立运行的计算阶段，出现了可以独立运行的计算机，用户不必再依靠大型机，但是这一阶机，用户不必再依靠大型机，但是这一阶段的计算机还不能联网。段的计算机还不能联网。第第3阶段，计算机网络的出现使得不同阶段，计算机网络的出现使得不同的计算机可以相互连接起来共享资源，但的计算机可以相互连接起来共享资源，但是这时的网络覆盖的范围还是比较有限。是这时的网络覆盖的范围还是比较有限。第第4阶段，阶段，Internet的出现使得不同的的出现使得不同的计算机网络可以相互地连接起来，用户可计算机网络可以相互地连接起来，用户可以通过以通过Internet来使用远程的应用和资源。来使用远程的应用和资源。第第5阶段，网格技术的出现，使得计阶段，网格技术的出现，使得计算和存储资源可以更加方便地共享。算和存储资源可以更加方便地共享。第第6阶段，云计算的出现使得用户可阶段，云计算的出现使得用户可以通过更加便利的方式利用以通过更加便利的方式利用Internet使用使用各种的资源。各种的资源。客户端客户端/服务器（服务器（C/S）模式）模式P2P模式模式两种两种计算模式：算模式：计算模式演进图云计算充分利用了云计算充分利用了C/S结构结构和和P2P结构的优点结构的优点3云计算的组成云计算由应用程序、云客户端、基云计算由应用程序、云客户端、基础结构、云平台、业务、存储、计算能础结构、云平台、业务、存储、计算能力等部分组成。力等部分组成。（1）应应用程序用程序云用户只需通过简单终端以云用户只需通过简单终端以Web的形的形式来实时地使用云计算上的应用程序。式来实时地使用云计算上的应用程序。（2）云客）云客户户端端云客户端也叫瘦终端，瘦主要是指云计云客户端也叫瘦终端，瘦主要是指云计算对客户端的要求很低，只要能够运行算对客户端的要求很低，只要能够运行Web浏览器（如浏览器（如Firefox、IE等）的终端就可以等）的终端就可以成为云客户端。成为云客户端。（3）基）基础结础结构构云计算的基础结构主要包括与计算云计算的基础结构主要包括与计算机和网络相关的硬件以及安装这些硬件机和网络相关的硬件以及安装这些硬件的房间等。一般来说，云计算中的计算的房间等。一般来说，云计算中的计算机主要是一些便宜的且能够批量生产的机主要是一些便宜的且能够批量生产的服务器。服务器。（4）云平台）云平台云计算平台主要是指能够将各种云云计算平台主要是指能够将各种云应用部署在云计算上的方式，也叫应用部署在云计算上的方式，也叫PaaS。如使用开源。如使用开源Web应用架构的应用架构的Rails，S公司的私有公司的私有PaaSF，GoogleAppEngine（使用（使用Python和和Mosso）。）。（5）业务业务业务主要是指云客户使用云计算提业务主要是指云客户使用云计算提供的各种服务。供的各种服务。这些业务的共性是需要非常大的存这些业务的共性是需要非常大的存储空间和处理能力，来为用户提供及时储空间和处理能力，来为用户提供及时准确的信息。另外一种业务是需要大量准确的信息。另外一种业务是需要大量的后台计算和处理能力。的后台计算和处理能力。（6）存）存储储扩充存储能力仍是一笔大的开销，尤扩充存储能力仍是一笔大的开销，尤其是管理众多物理存储设备。使用云存储其是管理众多物理存储设备。使用云存储就不会带来很大的开销，并且能够带来很就不会带来很大的开销，并且能够带来很高的容错能力。高的容错能力。（7）计计算能力算能力云计算能够提供的处理能力是极大的。云计算能够提供的处理能力是极大的。实际上对使用云计算的用户来说，云计算实际上对使用云计算的用户来说，云计算可以提供近乎无穷的资源，而不仅仅限于可以提供近乎无穷的资源，而不仅仅限于计算和存储能力。计算和存储能力。4云计算的优缺点优点：优点：缺点：缺点：（1）成本方面）成本方面（1）安全问题）安全问题（2）网络方面）网络方面（2）控制问题）控制问题（3）创新方面）创新方面（3）开放性问题）开放性问题（4）可扩展性方面）可扩展性方面（5）环保和节能方面）环保和节能方面（1）成本方面）成本方面云计算的成本通常比传统企业数据云计算的成本通常比传统企业数据中心的成本低得多。云计算的成本节省中心的成本低得多。云计算的成本节省是建立在规模效应的基础上，即大量的是建立在规模效应的基础上，即大量的用户使用云计算，从而极大地提升资源用户使用云计算，从而极大地提升资源的利用率。成本的节省是云计算的核心的利用率。成本的节省是云计算的核心优点。优点。（2）网）网络络方面方面云计算意味着用户可以通过无处不云计算意味着用户可以通过无处不在的互联网使用云资源，并且互联网中在的互联网使用云资源，并且互联网中还有非常多的其他资源可以和云计算一还有非常多的其他资源可以和云计算一起使用。云客户可以根据应用的特点，起使用。云客户可以根据应用的特点，灵活的调用互联网的众多资源，提升应灵活的调用互联网的众多资源，提升应用的用户体验，进而获取更多的利益。用的用户体验，进而获取更多的利益。（3）创创新方面新方面云计算和云解决方案提供了一种创云计算和云解决方案提供了一种创新的计算模式。随着技术的发展，云计新的计算模式。随着技术的发展，云计算还会提供更多的别具特色的技术革新算还会提供更多的别具特色的技术革新或商业革新。而使用云计算的公司，就或商业革新。而使用云计算的公司，就会比使用传统企业数据中心的用户，创会比使用传统企业数据中心的用户，创造出更多更新颖的应用或是商业模式。造出更多更新颖的应用或是商业模式。（4）可）可扩扩展性方面展性方面可扩展性主要是指云客户可以根据可扩展性主要是指云客户可以根据用户对资源需要灵活地增加或减少软硬用户对资源需要灵活地增加或减少软硬件资源，而并不需要预先购买额外的资件资源，而并不需要预先购买额外的资源，有非常灵活高效的扩展性。源，有非常灵活高效的扩展性。（5）环环保和保和节节能方面能方面云计算是一种绿色计算模式。绿色云计算是一种绿色计算模式。绿色计算主要是指云计算的资源利用率非常计算主要是指云计算的资源利用率非常高，相对那些传统的企业数据中心，更高，相对那些传统的企业数据中心，更加地环保和节省能源。加地环保和节省能源。云计算具有显著的优点，也有如下云计算具有显著的优点，也有如下不可回避的缺点。不可回避的缺点。（1）安全）安全问题问题安全主要是指由于云客户并不能控安全主要是指由于云客户并不能控制云计算的内部设施，因此具有潜在的制云计算的内部设施，因此具有潜在的数据被窃取的危险。虽然云计算提供了数据被窃取的危险。虽然云计算提供了加密、用户名、密码、身份管理等安全加密、用户名、密码、身份管理等安全措施，企业可能也并不愿意将机密的信措施，企业可能也并不愿意将机密的信息放到云上。息放到云上。（2）控制）控制问题问题云客户并不能控制所租用的云计算云客户并不能控制所租用的云计算资源的基础设施（物理计算机），另外资源的基础设施（物理计算机），另外用户或许会由于违反了一些规则，结果用户或许会由于违反了一些规则，结果发现账户被封了，或是云计算提供商破发现账户被封了，或是云计算提供商破产了等，导致用户不能继续使用云计算，产了等，导致用户不能继续使用云计算，或是丢失数据等。或是丢失数据等。（3）开放性）开放性问题问题由于每个云计算提供商的平台可能由于每个云计算提供商的平台可能并不是公开的，而云客户如果使用云计并不是公开的，而云客户如果使用云计算必须按照云计算提供商提供的编程语算必须按照云计算提供商提供的编程语言和言和API来编写应用程序，那么云客户的来编写应用程序，那么云客户的应用程序在不同的云计算平台间移植就应用程序在不同的云计算平台间移植就会非常的困难。会非常的困难。1 1微软公司的微软公司的Windows Azure Windows Azure 2 2IBMIBM公司的公司的“蓝云蓝云”3 3亚马逊公司的云亚马逊公司的云 4 4谷歌公司的云谷歌公司的云 6.2.2云云计算算应用用实例例1微微软公司的公司的WindowsAzureWindowsAzure是微软基于云计算是微软基于云计算的操作系统，提供了的操作系统，提供了“软件软件+服务服务”的计算的计算方法，用于帮助开发者开发可以跨越云方法，用于帮助开发者开发可以跨越云端和专业数据中心的下一代应用程序。端和专业数据中心的下一代应用程序。Azure服服务平台包括了以下主要平台包括了以下主要组件：件：（1）WindowsAzure用于服务托管，以及可扩展用于服务托管，以及可扩展的存储、计算和网络的管理。的存储、计算和网络的管理。（2）MicrosoftSQLServices可以扩展可以扩展MicrosoftSQLServer应用到云中的能力。应用到云中的能力。（3）Microsoft.NETServices可以便捷地创建基可以便捷地创建基于云的松耦合的应用程序。另外还包含访问控于云的松耦合的应用程序。另外还包含访问控制机制，可以保卫用户的程序安全。制机制，可以保卫用户的程序安全。（4）LiveServices提供了一种一致性的方法处理提供了一种一致性的方法处理用户数据和程序资源，使得用户可以在用户数据和程序资源，使得用户可以在PC、手、手机、机、PC应用程序和应用程序和Web网站上存储、共享和同网站上存储、共享和同步文档、照片、文件以及其他信息。步文档、照片、文件以及其他信息。（5）MicrosoftSharePointServices和和MicrosoftDynamicsCRMServices，用于在云端提供针，用于在云端提供针对业务内容、协作和快速开发的服务，建立更对业务内容、协作和快速开发的服务，建立更强的客户关系。强的客户关系。2IBM公司的“蓝云”IBM在高性能并行机集群技术上有在高性能并行机集群技术上有着领导性的优势，世界上最快的高性能着领导性的优势，世界上最快的高性能计算机大多出自计算机大多出自IBM。IBM的的“蓝云蓝云”计算平台是一套软、计算平台是一套软、硬件平台，将硬件平台，将Internet上使用的技术扩展上使用的技术扩展到企业平台上，使得数据中心使用类似到企业平台上，使得数据中心使用类似于互联网的计算环境。于互联网的计算环境。蓝云作为由蓝云作为由IBM云计算中心开发的云计算中心开发的企业级云计算解决方案，可以对企业现企业级云计算解决方案，可以对企业现有的基础架构进行整合，通过虚拟化技有的基础架构进行整合，通过虚拟化技术和自动化技术，构建企业自己的云计术和自动化技术，构建企业自己的云计算中心，实现企业硬件资源和软件资源算中心，实现企业硬件资源和软件资源的统一管理、统一分配、统一部署、统的统一管理、统一分配、统一部署、统一监控和统一备份。一监控和统一备份。3亚马逊公司的云公司的云Amazon的云计算主要包括的云计算主要包括AmazonS3、AmazonSimpleDB和和AmazonEC2。（1）AmazonS3AmazonS3主要提供可靠的网络存储主要提供可靠的网络存储服务。服务。S3由对象和存储桶两部分组成。由对象和存储桶两部分组成。对象是最基本的存储实体。对象是最基本的存储实体。存储桶是存放对象的容器，每个桶存储桶是存放对象的容器，每个桶可以存放无数的对象。云平台上的应用可以存放无数的对象。云平台上的应用程序可以通过程序可以通过REST或者或者SOAP接口访问接口访问S3中的数据。中的数据。（2）AmazonSimpleDBAmazonSimpleDB是一种支持结构是一种支持结构化数据存储和查询操作的轻量级数据库化数据存储和查询操作的轻量级数据库服务。服务。SimpleDB的存储模型分三层：域、的存储模型分三层：域、项、属性。用户的数据按照域进行逻辑项、属性。用户的数据按照域进行逻辑划分。划分。SimpleDB提供两种服务访问方式：提供两种服务访问方式：REST接口和接口和SOAP接口。接口。（3）AmazonEC2AmazonEC2是一种云基础设施服务。是一种云基础设施服务。该服务基于服务器虚拟化技术，致力于该服务基于服务器虚拟化技术，致力于为用户提供大规模可靠可伸缩的计算运为用户提供大规模可靠可伸缩的计算运营环境。营环境。AMI的运行环境是一个大规模的虚拟的运行环境是一个大规模的虚拟机运行环境，拥有庞大规模的物理机资机运行环境，拥有庞大规模的物理机资源池和虚拟机运行平台。源池和虚拟机运行平台。4谷歌公司的云谷歌公司的云谷歌（谷歌（Google）是最大的云计算使）是最大的云计算使用者，向企业开放了他们的用者，向企业开放了他们的“云云”。Google搜索引擎建立在分布于搜索引擎建立在分布于200多多个地点、超过个地点、超过100万台服务器的支撑之上。万台