面向智能家電的云計算技術研究

摘 要： 對面向智能家用電器的云計算技術進行了研究。先引入了云計算的基本概念， 然后分析了云計算的關鍵特征。其次，將云計算和智能家電技術（物聯網技術、信息通信技術及IT技術與傳統音視頻技術融合）進行了融合，提出了智能云的概念即智慧家電或有的叫云電視/云冰箱等具體產品新名詞。隨后，研究了基于家電系統智能云的構建，資源管理和安全策略問題。最后，項目組給出了結論和未來的研究工作。

關鍵詞： 智能家電； 云計算； 智能云； 資源管理； 安全策略

中圖分類號： TP309 文獻標識碼： A 文章編號：2095-2163（2013）03-0082-04

0 引 言

當前，世界家電企業與IT企業格局正經歷一場深刻的變革。隨著互聯網、物聯網、云計算等技術在家電領域的不斷創新應用，人們對用手機遙控的空調、自動提示食品保質期的冰箱、采用云計算技術的互聯網電視等智能家電表現了持續的興趣和關注，并對其廣泛推崇，進行研發使用。作為IT業界標志性的突破成果，云計算技術在家電領域里最成熟的應用莫過于電視，一塊塊的“云”，使消費者不但可以隨時收看海量的影視節目資源，也使得電視和電腦這兩塊屏幕之間的區別越來越模糊，而且通過云計算技術，消費者可以遠程監控查詢冰箱內的實物情況，云冰箱還可以自動將冰箱信息告知用戶，若消費者將自家冰箱與超市管理系統或蔬菜供應機構的營銷系統進行對接設置，食品供應機構就會收到冰箱發出的蔬菜、水果或家禽、肉類等食品不足信息，自動為消費者配送食物。同時，隨著三網融合不斷深入，即電信網、廣播電視網、互聯網在向寬帶通信網、數字電視網、下一代互聯網演進過程中，通過相應技術改造，三大網絡的技術功能趨于一致，業務范圍日益趨同，實現了網絡的互聯互通與資源共享，并能為用戶提供語音、數據和廣播電視等多種服務。這就決定了家電企業和相關服務業（即廣電、電信及互聯網企業等）不得不聯合起來思考同一問題。面對如此龐大的信息、數據，如何及時分析、存儲、篩選、統計相關信息和數據，顯然目前的平臺和手段已經無法滿足人們日益增長的各類物質和文化需求。

然而，隨著信息家電技術的不斷發展，尤其是物聯網技術產品的家庭性應用正普泛性地日漸推進；未來家電領域中，特別是影視節目資源中數據和信息將呈現爆炸性地增長， 這無疑為系統的常態運行和高級分析帶來巨大的挑戰。國家廣電/電信網絡系統現有的硬件設施已難以適應未來海量的影視節目和網絡視頻信息等資源需求。因此， 迫切需要引入新的計算技術，在保持現有硬件設施不變的情況下，充分整合系統內部的計算能力和存儲資源（因為在全球范圍內，同一時刻對同一音視頻信息需求的人數情況只能借由超級計算機進行快速篩選分析，并實時進行資源的分配、下發及存儲），提高廣電系統/電信網絡的在線分析和實時控制能力，為智能家電提供平穩有效的技術支撐。

作為一種嶄新的計算模式， 云計算將一組分布式計算機系統的相關能力以透明服務的方式提供給用戶或其應用，允許用戶（或消費者）在不了解提供服務的技術、不具備相關知識以及設備操作能力的情況下付諸應用，即通過網絡獲取所需的服務[1]。

由于云計算具有分布式的計算和存儲特性，且易于擴展、便于管理，特別適合解決信息技術，物聯網技術在家電領域中應用時帶來的一系列新問題。因此， 在智能家電技術領域引入云計算， 在保證現有廣電系統硬件基礎設施基本不變或改動不大的情況下，對當前系統的數據資源和處理器資源充分整合，從而大幅提高廣播電視及網絡系統實時控制和高級分析的能力，同時推動電視購物等行業的進一步發展，為智能家電技術的發展提供了具體支持， 無疑具有極其重要的研究價值和實踐意義。特別需要指出的是，徹底改變現有網絡模式，實現了多網（廣電網、電信網、互聯網）的真正融合，以及電力網絡與物聯網的融合[2]，這也是本文研究工作取得重點成果之一。

1 云計算技術

由于云計算技術仍處于發展和完善階段，全球的研究機構， IT公司、網絡/通訊公司、家電設備企業及業界專家對于云計算應包含的主要技術、關鍵特性和具體功能尚未達成共識，因此云計算技術目前還未形成統一而明確的定義。

云計算（cloud computing）是分布式處理、并行處理和網格計算的應用發展，或者說是這些計算機科學概念的商業實現，也是基于網絡的超級計算模式[3]。同時，云計算也可認為是一種能夠為各種互聯網應用提供硬件服務、基礎架構服務、平臺服務、軟件服務和存儲服務的綜合性系統[4]；云計算還是一種計算模式，可將IT資源、數據、應用作為服務通過網絡提供給用戶。第3期 符紅霞：面向智能家電的云計算技術研究 智能計算機與應用 第3卷

另外，云計算也是一種基礎架構管理方法論。該理論將大量的高度虛擬化的資源管理起來，組成一個大的資源池，用于統一提供服務；虛擬化允許云計算系統根據服務提供商和客戶之間協商擬定的服務等級協議動態提供計算資源。同時，從本質上看，云計算就是將數據、應用和服務存儲在云端，充分利用一組內部互連的虛擬機組成的并行和分布式計算系統的強大計算能力，實現用戶業務系統的自適應性[1，3]。

作為一種新型的共享基礎架構和基于網絡的計算模式， 云計算將資源聚集與共享、資源開放與統一訪問、資源仿真與隔離進行了整合，允許用戶或應用以一種透明的方式使用各類資源，而不需要關注各類資源的細節，并且能夠為用戶提供動態自適應服務，使每個用戶都感覺是以獨占的形式在使用資源[5]。

盡管云計算技術發展迅速，已成為下一代IT的主流趨勢，但在解決數據的安全和隱私、系統本身的可擴展性、可用性、可靠性、可管理性和云間交互等方面的問題[4]時，卻仍顯不足，未來仍需進一步地深入探討和研究。

2 面向智能家電的云計算

2.1 智能家電云計算的概念

隨著智能家電技術、物聯網的發展以及信息技術、互聯網技術在家電設備中的應用， 未來智能家電系統中數據和信息將變得更加復雜， 數據和信息量將呈幾何級數增長，各類信息間的關聯度也將更加緊密[6]。同時， 廣電系統要在線動態分析和控制來自自身網絡及互聯網等不同方面產生的所有要求，因此其對應的計算能力也將大幅地提高，當前廣電系統的計算能力已難以適應新技術（信息家電技術）應用的需求。而且，日益增長的數據量對國家廣電網絡公司和傳統通訊、互聯網等不同來源方向的信息數據的暴增，對其自身的處理能力及現有通訊網絡也提出了更新的要求。在這種情況下，廣電公司、通信企業、IT互聯網公司已經不可能采用傳統的投資方式，通過大量更換計算設備和存儲設備來解決問題，而是必須采用新技術，藉此充分挖掘現有廣電網絡系統資源、電信系統及互聯網企業硬件設施的潛力，提高其適用性和利用率[2]。

基于上述構想，可以將云計算引入廣電系統、傳統的互聯網企業、電信通訊企業及家電企業，構建面向智能廣播、電視、家用電器設備用戶及家電企業（家電企業根據其自有家電設備提供不同的娛樂服務）網絡的云計算體系，形成廣電系統私有云-智能云系統以及互聯網企業、傳統電信企業和生產企業之間的私有云-智能云系統以及家電消費者與企業（家電企業或電信服務業）之間構成的公有云-智能云系統。智能云充分利用廣電系統、家電企業、IT互聯網企業、通訊服務業等自身的物理網絡，整合現有的計算能力和存儲資源，以滿足日益增長的數據處理能力及廣電網絡實時控制和高級分析應用的計算需求[7]。智能云以透明的方式向家庭用戶和廣電系統應用提供各種服務。這是對虛擬化的計算和存儲資源池進行動態部署、動態分配/重分配、實時監控的云計算系統，從而向家庭用戶或廣電系統應用提供滿足QoS要求的計算服務、數據存儲服務以及平臺服務。

2.2 智能家電云的構建

智能家電云計算環境可以分為三個基本層次：物理資源層、平臺層和應用層。對其中各層的具體分析如下：

物理資源層包括各種計算資源和存儲資源，整個物理資源層也可以作為一種服務向家庭用戶提供，即IaaS（infrastructure as a service）。IaaS向家庭用戶提供的不僅包括虛擬化的計算資源及存儲，同時還要保證用戶訪問時的網絡帶寬等[8]。

平臺層是智能家電云計算環境中的關鍵層。作為連接上層應用和下層資源的紐帶，其功能是屏蔽物理資源層中各種分布資源的異質特性并對其進行有效管理，并為應用層提供一致、透明的接口。

作為整個智能家電云計算系統的核心層，平臺層主要包括智能家電網絡高級應用和實時控制程序設計與開發環境、海量數據的存儲管理系統、海量數據的文件系統以及實現智能云計算的其他系統管理工具，如智能云計算系統中的資源部署、分配、監控管理、安全管理、分布式并發控制等[4]。平臺層主要面向應用程序開發者而設計，開發者不再考慮應用運行時所需要的資源，平臺層自會提供應用程序運行及維護所需的一切平臺資源。平臺層體現了平臺即服務，也稱之為PaaS（platform as a service）[4]。

應用層則是用戶需求的具體實現，即通過各種工具和環境開發的特定智能家電應用系統。這是面向用戶提供的軟件應用服務以及用戶交互接口等，可稱其為軟件即服務，即SaaS（software as a service）[3]。

2.3 智能家電云管理

在智能家電云計算環境中，智能家電應用服務數量的巨大導致廣電各級系統或電信系統、也可能是網絡企業的服務器以及中轉器等設備出現故障的概率也隨之增長，資源狀態總是處于不斷變化中。此外，由于電話或需求信息/影視資源等的所有權也是分布的，中央及各省級廣播、電視臺網絡都擁有一定的統計、計算能力，不同的信息/影視資源提供者還可以按其各自的需要對資源施加不同的約束（特別是針對很多付費收看的節目和信息），從而導致整個環境很難采用統一的管理策略。因此，若采用集中式的體系結構，即在整個智能云環境中只設置一個資源管理系統，則容易造成瓶頸并導致單故障點，從而使得整個環境在可伸縮性、可靠性和靈活性方面都存在一定的問題，對于大規模的智能云計算環境并不適合。

此問題的解決思路是引入分布式的資源管理體系結構，即采用域模型[8]。運用該模型后，整個智能云計算環境可分為兩級：第一級是若干邏輯上的單元，稱為管理域，是由某級廣電網絡（廣播電視臺或影視公司或網絡公司或家電企業）擁有的若干資源，例如高性能計算機，海量數據庫（影視節目或視頻信息）等構成的一個自治系統。每個管理域擁有專屬的本地資源管理系統，負責管理本域內的各種資源；第二級則是這些管理域相互連接而構成的整體智能云計算環境。

智能家電云計算模型如圖1所示

2.4 智能家電云計算的安全策略

智能家電云計算環境中的資源是可共享的，同時可能有多個用戶或應用需要對這些資源提供的服務發出請求。通常，又由于這些應用創建的目標也各不相同，因此會具有不同的安全需求，從而要求提供不同的安全策略以實現各類應用需求。

通常，傳統的安全策略全部需由資源提供方來實施， 每當發生變更時都要與各個資源的相關提供者進行交互以告知其發生的變化， 這勢必導致管理開銷過大，由此將極度加重資源提供方的負擔。此外，該策略需要進行安全評估的場所也將過多，很難防止出現安全漏洞，最終導致智能云中共享資源自身的安全性很難得到保證。這就需要具備在智能云范圍內制訂和執行細粒度安全策略（尤其是訪問控制策略）的能力，以便靈活地管理各個成員，決定誰是開發者，誰是使用者，各自可使用哪些資源提供的何種服務，且允許隨時調整成員及其擁有的權限。

由于引入了資源管理域，因而智能家電云計算環境由多個資源管理域組成。與此相對應，智能家電云計算的安全策略則劃分為內部域安全策略和全局安全策略。內部域安全策略只作用于管理域內部域范圍，而全局安全策略是指影響智能云和管理域之間的各種交互的安全策略。

內部域安全策略定義為和管理域內部域安全性相關的所有參數的一組規則[9]。域內進行的種種與安全相關的活動，如輸入用戶名/口令向操作系統登錄，或使用SSH執行遠程作業等，就是其安全策略的具體體現。全局安全策略則作用于智能云與管理域外部域之間的各種交互行為，決定如何實現域外成員對域內資源提供服務的訪問管理，例如具有哪些特性（包括身份，屬性等）的成員可訪問域內哪些資源的何種服務等。該策略負責在智能云計算環境中對內部域策略進行評估和調和，共同作用于智能云計算環境中的各種交互行為，由此構成一個完整的安全策略實例。

3 結論和未來工作

云計算是分布式計算、并行處理和網格計算的進一步發展，是基于互聯網的計算，是能夠向各種網絡應用提供硬件服務、基礎架構服務、平臺服務、軟件服務、存儲服務的綜合集成系統[10]。智能家電設備將先進的網絡通信技術、物聯網技術和信息處理技術進行了融合，代表了未來家電產業的發展趨勢。因此，將云計算技術引入智能家電領域，充分挖掘現有廣電系統、電信系統的計算能力和數據處理能力，以提高其適用性和利用率，無疑具有極其重要的研究價值和實踐意義。

本文對面向智能家電的云計算技術進行了研究。首先，研究了云計算的概念及關鍵技術特點；接著，本文分析了面向智能家電的云計算體系-智能云，并重點研究了智能云的內涵和構建方式；同時，也對影響智能云的關鍵問題-資源管理和安全策略進行了深入探討。

盡管智能云概念的提出較好地利用了廣電系統、電信系統及網絡通信系統現有的硬件資源，但在解決資源調度、可靠性及域間交互等方面的問題時，傳統的廣電設備、電信及通訊設備仍面臨許多挑戰，需要進一步升級換代相關設備，以徹底變革傳統家電只能單向播放使用形式，以達到雙向交互式體驗，互動相關影視節目、遠程教育/學習、遠程醫療會診、遠程監控、小孩托管、家庭托管等功能，開啟人類美好未來。對這些問題進行廣泛而深入地研究，必將對智能云計算技術的發展將產生深遠的影響。

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