一種基于云平臺的物聯網專網開發設計

張朵朵++王海春

摘要：常規的物聯網應用一般是小流量的M2M應用，傳輸的數據量很小，原有的2G網絡足以實現對這些數據量的支撐。但是，物聯網也有大量占用高帶寬的應用，如平安城市建設、公共交通監控、應急指揮系統等以視頻圖像為主的監控業務。本文主要描述了一個基于云平臺的物聯網專網的開發與設計，給出了系統設計的框架和具體的方案，具有重要的技術參考價值。

關鍵詞：物聯網 云平臺 專網設計

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0140-02

1 引言

當前，全球信息化方興未艾，各國紛紛啟動國家級智慧城市發展戰略。人們熱切地關注物聯網，各地興建了若干物聯網示范工程，有的如視頻監控、安全應急響應、城市交通管理等。但當這些系統真正投入運行的話，支撐物聯網發展的主要資源—無線電頻譜是不能夠承載其發展需求的。網絡層是物聯網的中間環節，也是最重要的環節。而物聯網無處不在的特點，使得有線傳輸受到很大限制，移動網絡和寬帶無線接入將成為物聯網的主要傳輸方式。而物聯網信息交互與傳輸以無線為主的特點，注定了它將成為頻譜資源需求的大戶。雖然我國寬帶、移動通信用戶數已經是全球第一，但仍處于“低速寬帶”階段，無論是有線、無線寬帶速率還是普及率，與發達國家相比都存在較大差距。目前物聯網應用一般是小流量的M2M應用，比如路燈管理、水質監測等，所需要傳輸的數據量很小，原有的2G網絡足以實現對這些數據量的支撐。同時，物聯網涉及的控制、計費、支付，實際上都不會占用大量帶寬，目前有充足的頻譜資源支撐建設物聯網。但是，物聯網也有大量占用高帶寬的應用，比如平安城市、公共交通等以視頻圖像為主的監控業務。以成都公交系統視頻監控業務為例，目前成都市有6000多輛公交車，如果每輛公交車上布設4個攝像頭，則6000輛公交車的數據總量預計將達到約50Gbit/s，且對圖像的連續性和實時性有較高要求，所以傳輸頻譜需求絕不是目前2G、3G甚至未來4G可以輕松承載的。

目前多數城市和大型企業在建設云計算中心，但據我們調查，大部分在建的云中心都重點考慮基礎數據的存儲和查詢使用。基于成本考慮，建設大規模并行存儲的云中心現在還沒有。而一些重點監控領域的物聯網，對基于云存儲的數據中心的響應速度要求是很高的。

綜上所述，基于一個專有的企業云中心，開發物聯網應用，專門用于涉及視頻監控和安全應急響應等應用，具有現實的需求。同時，基于這樣的云中心，建設一個涉及視頻監控和安全應急響應、交通監視及生產管理的物聯網專網，對提高區域物聯網應用水平，具有重要意義。

2 國內外現狀分析

目前國內外云中心建設發展很快。多數城市和大型企業都在規劃各自的云計算中心和云平臺。但據我們調查，大部分在建的云中心都重點考慮基礎數據的存儲和查詢使用。基于成本考慮，建設大規模并行存儲的云中心現在還沒有。

2.1 物聯專網建設中的通信現狀

未來10年，當很多在建的物聯網正式實現，有超過500億以上的終端需要通過無線方式連接在一起時，形成遠遠大于人與人通信互聯的移動通信與無線接入的數據量，其對頻譜的需求絕不是如今己分配的移動通信和無線接入頻率所能承載的。到那時，頻譜資源的短缺將成為物聯網難以克服的瓶頸。

目前物聯網應用一般是小流量的M2M應用，比如路燈管理、水質監測等，所需要傳輸的數據量很小，原有的2G網絡足以實現對這些數據量的支撐。同時，物聯網涉及的控制、計費、支付，實際上都不會占用大量帶寬，目前有充足的頻譜資源支撐建設物聯網。但是，物聯網也有大量占用高帶寬的應用，比如平安城市、公共交通等以視頻圖像為主的監控業務。以城市公交系統視頻監控業務為例，目前某城市有3萬多輛公交車，如果每輛公交車上布設4個攝像頭，則3萬輛公交車的數據總量預計將達到約180Gbit/s，且對圖像的連續性和實時性有較高要求，所以傳輸頻譜需求絕不是目前2G、3G甚至未來4G可以輕松承載的。

物聯網的規模巨大，盡管有些業務每次傳輸的數據量不一定非常大，甚至只有幾十個字節，但是必須一次傳輸成功，有著非常實時的傳輸要求。另外，移動蜂窩網絡著重考慮用戶數量，而物聯網數據流量具有突發特性，可能會造成大量用戶堆積在熱點區域，引發網絡擁塞或者資源分配不平衡。這些都會造成物聯網對頻譜的需求方式和規劃方式有別于己有的無線通信，所以不能輕言物聯網不存在頻譜資源的制約。

2.2 物聯專網建設中的國外通信現狀

為了適應不斷的變化、整合和急需頻譜的美國物聯市場，最近發生的多起收購，都與頻譜有關。

Dish與Softbank（軟銀）在競購Sprint，而Sprint想收購Clearwire剩下50%股份，同時Dish和Verizon也打算收購Clearwire。還有T-Mobile去年下半年宣布收購MetroPCS，但遭到一部分MetroPCS股東的抵制。美國無線市場正在快速整合，大者恒大，小的聯手。

那么，這段時間美國無線市場并購活動如此頻繁的原因何在？Analysys Mason高級經理Philip Bates表示一切都是為了頻譜。

“美國的頻譜政策導致了移動運營商之間的頻譜資產不平衡，從而創造出一個運營商到運營商的交易市場”。

由于運營商們要努力趕上Verizon在LTE方面的步伐，所以他們不得不不斷戰斗以獲得更多的頻譜和用戶數，從而導致市場大型玩家和低成本Alternative運營商之間的分化更嚴重，同時這兩者中間的運營商也受到擠壓。

2.3 國內在建云中心現狀分析

硬件平臺：從應用角度分析，未來不會只有一個云平臺。目前云中心的三種工作模式如圖1所示。

目前已公布的在建云數據中心，基于建設成本考慮，操作系統和數據都保存在存儲器中，不管理其采取的集群文件系統（如google）還是SAN塊存儲結構，其數據讀寫速度（I/O）都不是很高。能滿足一般基礎數據庫數據存取業務的要求。但對于支撐大規模、高速、寬帶的物聯專網業務，顯得力不從心。endprint

3 物聯網專網開發設計思路

3.1 建設一個支撐物聯網專網應用的企業云平臺

研究開發建設一個支撐物聯網專網應用的企業云平臺，平臺支持大規模高分辯率視頻信號的安全存取。

3.2 開發兩項關鍵技術

（1）并行存儲技術。將控制器與多塊磁盤并行連接，將信息并行存放與提取，提高信息的吞吐率。具體考慮購買部分低價硬盤，通過自己研發的控件器，實現并行存取。

（2）信號壓縮技術。目前分別有分形壓縮、矢量壓縮、動態壓縮、基于感興趣區的壓縮。不同的壓縮技術，對應不同的應用提供給云的使用者。平臺基于SOA 服務調度，滿足各種不同的應用的需要。

3.3 提供三種存儲方式

所謂分級存儲，就是根據數據不同的重要性、訪問頻次等指標分別存儲在不同性能的存儲設備上，采取不同的存儲方式。這樣一方面可大大減少非重要性數據在一級本地磁盤所占用的空間，還可加快整個系統的存儲性能。在這里就涉及到幾種不同性能的存儲設備和不同的存儲形式了。這不同的存儲形式包括在線存儲（OnStore）、近線存儲（NearStore）和離線存儲（OffStore）。

（1）線存儲。在線存儲又稱工作級的存儲，存儲設備和所存儲的數據時刻保持“在線”狀態，是可隨意讀取的，可滿足計算平臺對數據訪問的速度要求。如我們PC機中常用的磁盤基本上都是采用這種存儲形式的。一般在線存儲設備為磁盤和磁盤陣列等磁盤設備，價格相對昂貴，但性能最好。

（2）離線存儲。離線存儲主要是用于對在線存儲的數據進行備份，以防范可能發生的數據災難，因此又稱備份級的存儲。離線海量存儲的典型產品就是磁帶或磁帶庫，價格相對低廉。離線存儲介質上的數據在讀寫時是順序進行的。當需要讀取數據時，需要把帶子卷到頭，再進行定位。當需要對已寫入的數據進行修改時，所有的數據都需要全部進行改寫。因此，離線海量存儲的訪問是慢速度、低效率的。

（3）近線存儲。所謂近線存儲，就是指將那些并不是經常用到，或者說數據的訪問量并不大的數據存放在性能較低的存儲設備上。對這些的設備要求是尋址迅速、傳輸率高。因此，近線存儲對性能要求相對來說并不高，但由于不常用的數據要占總數據量的大多數，這也就意味著近線存儲設備首先要保證的是容量。

在分級數據存儲結構中，磁帶庫等成本較低的存儲資源用來存放訪問頻率較低的信息，而磁盤或磁盤陣列等成本高、速度快的設備，用來存儲經常訪問的重要信息。數據分級存儲的工作原理是基于數據訪問的局部性。通過將不經常訪問的數據自動移到存儲層次中較低的層次，釋放出較高成本的存儲空間給更頻繁訪問的數據，可以獲得更好的總體性價比。

4 物聯網專網設計

通過通信設備和線路租賃，建設一個物聯網專網，專門用于涉及視頻監控和安全應急響應的物聯網專業應用。

4.1 通信線路的設計

計算機網絡部分可考慮租用電信VPN專線。有線網絡部分可考慮租用電視光纖。無線部分重點考慮租用TD-LTE試驗網。

具體當前可考慮與中國移動共同投入建設基于成都的TD-LTE試驗網。TD-LTE有望在全國實現更大規模的商業應用，成為我國信息化自主創新的重大突破。推動TD-LTE產業發展。

4.2 無線網絡設計

物聯網對低功率、短距離無線接入的頻譜需求與己有頻率資源之間同樣存在很大差距。以Wi-Fi為例，我國至今在非授權的2.4GHz和5.8GHz頻段為 Wi-Fi規劃了208.5MHz頻率，與到2020年Wi-Fi人與人通信所需的2500MHz頻率尚存巨大缺口，如果加上物聯網的頻譜需求，其頻率缺口更大。

物聯網的規模巨大，盡管有些業務每次傳輸的數據量不一定非常大，甚至只有幾十個字節，但是必須一次傳輸成功，有著非常實時的傳輸要求。另外，移動蜂窩網絡著重考慮用戶數量，而物聯網數據流量具有突發特性，可能會造成大量用戶堆積在熱點區域，引發網絡擁塞或者資源分配不平衡。這些都會造成物聯網對頻譜的需求方式和規劃方式有別于己有的無線通信，所以不能輕言物聯網不存在頻譜資源的制約。

4.3 感知層設計

物聯網的感知層將信息傳感設備，如射頻識別（RFID）裝置、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等與網絡連接在一起，方便識別和管理，而這種連接將采用低功率技術。

以Wi-Fi為例，如果將Wi-Fi用于物聯網，Wi-Fi的頻譜需求將大大超過目前己分配的頻譜總量。

物聯網專網的系統組成結構如圖2所示。

5 結語

但由于整個項目投入較大，擬采取邊研究、邊實踐、邊投入的積木式發展結構。前期1年，示范性專網投入300萬，建設具有100臺專用服務器的云平臺，建設基于成都的用于安全應急處理和安全監控的示范性物聯網專網一個。主要應用各級政府的安全應急處理和安全實時監控。中期3年內，示范性專網投入600萬，建設具有200臺專用服務器的云平臺，加強基于成都的用于交通監控、過程監控、環境監測、生產控制的專網建設。專網主要應用各級政府的安全應急處理、安全交通實時監控和大中型企業的各種物聯網專業應用。

參考文獻：

[1]秦志光，潘郁，凌晨.云計算環境下的資源節能調度[J].計算機應用，2012，32（7）；1913-1915.

[2]馮登國，張後，張妍.云計算安全研究[J]. 軟件學報，2011，22（1）：71-83.

[3]陳松，邵廉明.ZigBee網絡中的圖像傳輸[J].計算機工程，2008，34（11）；129-130.endprint

3 物聯網專網開發設計思路

3.1 建設一個支撐物聯網專網應用的企業云平臺

研究開發建設一個支撐物聯網專網應用的企業云平臺，平臺支持大規模高分辯率視頻信號的安全存取。

3.2 開發兩項關鍵技術

（1）并行存儲技術。將控制器與多塊磁盤并行連接，將信息并行存放與提取，提高信息的吞吐率。具體考慮購買部分低價硬盤，通過自己研發的控件器，實現并行存取。

（2）信號壓縮技術。目前分別有分形壓縮、矢量壓縮、動態壓縮、基于感興趣區的壓縮。不同的壓縮技術，對應不同的應用提供給云的使用者。平臺基于SOA 服務調度，滿足各種不同的應用的需要。

3.3 提供三種存儲方式

所謂分級存儲，就是根據數據不同的重要性、訪問頻次等指標分別存儲在不同性能的存儲設備上，采取不同的存儲方式。這樣一方面可大大減少非重要性數據在一級本地磁盤所占用的空間，還可加快整個系統的存儲性能。在這里就涉及到幾種不同性能的存儲設備和不同的存儲形式了。這不同的存儲形式包括在線存儲（OnStore）、近線存儲（NearStore）和離線存儲（OffStore）。

（1）線存儲。在線存儲又稱工作級的存儲，存儲設備和所存儲的數據時刻保持“在線”狀態，是可隨意讀取的，可滿足計算平臺對數據訪問的速度要求。如我們PC機中常用的磁盤基本上都是采用這種存儲形式的。一般在線存儲設備為磁盤和磁盤陣列等磁盤設備，價格相對昂貴，但性能最好。

（2）離線存儲。離線存儲主要是用于對在線存儲的數據進行備份，以防范可能發生的數據災難，因此又稱備份級的存儲。離線海量存儲的典型產品就是磁帶或磁帶庫，價格相對低廉。離線存儲介質上的數據在讀寫時是順序進行的。當需要讀取數據時，需要把帶子卷到頭，再進行定位。當需要對已寫入的數據進行修改時，所有的數據都需要全部進行改寫。因此，離線海量存儲的訪問是慢速度、低效率的。

（3）近線存儲。所謂近線存儲，就是指將那些并不是經常用到，或者說數據的訪問量并不大的數據存放在性能較低的存儲設備上。對這些的設備要求是尋址迅速、傳輸率高。因此，近線存儲對性能要求相對來說并不高，但由于不常用的數據要占總數據量的大多數，這也就意味著近線存儲設備首先要保證的是容量。

在分級數據存儲結構中，磁帶庫等成本較低的存儲資源用來存放訪問頻率較低的信息，而磁盤或磁盤陣列等成本高、速度快的設備，用來存儲經常訪問的重要信息。數據分級存儲的工作原理是基于數據訪問的局部性。通過將不經常訪問的數據自動移到存儲層次中較低的層次，釋放出較高成本的存儲空間給更頻繁訪問的數據，可以獲得更好的總體性價比。

4 物聯網專網設計

通過通信設備和線路租賃，建設一個物聯網專網，專門用于涉及視頻監控和安全應急響應的物聯網專業應用。

4.1 通信線路的設計

計算機網絡部分可考慮租用電信VPN專線。有線網絡部分可考慮租用電視光纖。無線部分重點考慮租用TD-LTE試驗網。

具體當前可考慮與中國移動共同投入建設基于成都的TD-LTE試驗網。TD-LTE有望在全國實現更大規模的商業應用，成為我國信息化自主創新的重大突破。推動TD-LTE產業發展。

4.2 無線網絡設計

物聯網對低功率、短距離無線接入的頻譜需求與己有頻率資源之間同樣存在很大差距。以Wi-Fi為例，我國至今在非授權的2.4GHz和5.8GHz頻段為 Wi-Fi規劃了208.5MHz頻率，與到2020年Wi-Fi人與人通信所需的2500MHz頻率尚存巨大缺口，如果加上物聯網的頻譜需求，其頻率缺口更大。

物聯網的規模巨大，盡管有些業務每次傳輸的數據量不一定非常大，甚至只有幾十個字節，但是必須一次傳輸成功，有著非常實時的傳輸要求。另外，移動蜂窩網絡著重考慮用戶數量，而物聯網數據流量具有突發特性，可能會造成大量用戶堆積在熱點區域，引發網絡擁塞或者資源分配不平衡。這些都會造成物聯網對頻譜的需求方式和規劃方式有別于己有的無線通信，所以不能輕言物聯網不存在頻譜資源的制約。

4.3 感知層設計

物聯網的感知層將信息傳感設備，如射頻識別（RFID）裝置、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等與網絡連接在一起，方便識別和管理，而這種連接將采用低功率技術。

以Wi-Fi為例，如果將Wi-Fi用于物聯網，Wi-Fi的頻譜需求將大大超過目前己分配的頻譜總量。

物聯網專網的系統組成結構如圖2所示。

5 結語

但由于整個項目投入較大，擬采取邊研究、邊實踐、邊投入的積木式發展結構。前期1年，示范性專網投入300萬，建設具有100臺專用服務器的云平臺，建設基于成都的用于安全應急處理和安全監控的示范性物聯網專網一個。主要應用各級政府的安全應急處理和安全實時監控。中期3年內，示范性專網投入600萬，建設具有200臺專用服務器的云平臺，加強基于成都的用于交通監控、過程監控、環境監測、生產控制的專網建設。專網主要應用各級政府的安全應急處理、安全交通實時監控和大中型企業的各種物聯網專業應用。

參考文獻：

[1]秦志光，潘郁，凌晨.云計算環境下的資源節能調度[J].計算機應用，2012，32（7）；1913-1915.

[2]馮登國，張後，張妍.云計算安全研究[J]. 軟件學報，2011，22（1）：71-83.

[3]陳松，邵廉明.ZigBee網絡中的圖像傳輸[J].計算機工程，2008，34（11）；129-130.endprint

3 物聯網專網開發設計思路

3.1 建設一個支撐物聯網專網應用的企業云平臺

研究開發建設一個支撐物聯網專網應用的企業云平臺，平臺支持大規模高分辯率視頻信號的安全存取。

3.2 開發兩項關鍵技術

（1）并行存儲技術。將控制器與多塊磁盤并行連接，將信息并行存放與提取，提高信息的吞吐率。具體考慮購買部分低價硬盤，通過自己研發的控件器，實現并行存取。

（2）信號壓縮技術。目前分別有分形壓縮、矢量壓縮、動態壓縮、基于感興趣區的壓縮。不同的壓縮技術，對應不同的應用提供給云的使用者。平臺基于SOA 服務調度，滿足各種不同的應用的需要。

3.3 提供三種存儲方式

所謂分級存儲，就是根據數據不同的重要性、訪問頻次等指標分別存儲在不同性能的存儲設備上，采取不同的存儲方式。這樣一方面可大大減少非重要性數據在一級本地磁盤所占用的空間，還可加快整個系統的存儲性能。在這里就涉及到幾種不同性能的存儲設備和不同的存儲形式了。這不同的存儲形式包括在線存儲（OnStore）、近線存儲（NearStore）和離線存儲（OffStore）。

（1）線存儲。在線存儲又稱工作級的存儲，存儲設備和所存儲的數據時刻保持“在線”狀態，是可隨意讀取的，可滿足計算平臺對數據訪問的速度要求。如我們PC機中常用的磁盤基本上都是采用這種存儲形式的。一般在線存儲設備為磁盤和磁盤陣列等磁盤設備，價格相對昂貴，但性能最好。

（2）離線存儲。離線存儲主要是用于對在線存儲的數據進行備份，以防范可能發生的數據災難，因此又稱備份級的存儲。離線海量存儲的典型產品就是磁帶或磁帶庫，價格相對低廉。離線存儲介質上的數據在讀寫時是順序進行的。當需要讀取數據時，需要把帶子卷到頭，再進行定位。當需要對已寫入的數據進行修改時，所有的數據都需要全部進行改寫。因此，離線海量存儲的訪問是慢速度、低效率的。

（3）近線存儲。所謂近線存儲，就是指將那些并不是經常用到，或者說數據的訪問量并不大的數據存放在性能較低的存儲設備上。對這些的設備要求是尋址迅速、傳輸率高。因此，近線存儲對性能要求相對來說并不高，但由于不常用的數據要占總數據量的大多數，這也就意味著近線存儲設備首先要保證的是容量。

在分級數據存儲結構中，磁帶庫等成本較低的存儲資源用來存放訪問頻率較低的信息，而磁盤或磁盤陣列等成本高、速度快的設備，用來存儲經常訪問的重要信息。數據分級存儲的工作原理是基于數據訪問的局部性。通過將不經常訪問的數據自動移到存儲層次中較低的層次，釋放出較高成本的存儲空間給更頻繁訪問的數據，可以獲得更好的總體性價比。

4 物聯網專網設計

通過通信設備和線路租賃，建設一個物聯網專網，專門用于涉及視頻監控和安全應急響應的物聯網專業應用。

4.1 通信線路的設計

計算機網絡部分可考慮租用電信VPN專線。有線網絡部分可考慮租用電視光纖。無線部分重點考慮租用TD-LTE試驗網。

具體當前可考慮與中國移動共同投入建設基于成都的TD-LTE試驗網。TD-LTE有望在全國實現更大規模的商業應用，成為我國信息化自主創新的重大突破。推動TD-LTE產業發展。

4.2 無線網絡設計

物聯網對低功率、短距離無線接入的頻譜需求與己有頻率資源之間同樣存在很大差距。以Wi-Fi為例，我國至今在非授權的2.4GHz和5.8GHz頻段為 Wi-Fi規劃了208.5MHz頻率，與到2020年Wi-Fi人與人通信所需的2500MHz頻率尚存巨大缺口，如果加上物聯網的頻譜需求，其頻率缺口更大。

物聯網的規模巨大，盡管有些業務每次傳輸的數據量不一定非常大，甚至只有幾十個字節，但是必須一次傳輸成功，有著非常實時的傳輸要求。另外，移動蜂窩網絡著重考慮用戶數量，而物聯網數據流量具有突發特性，可能會造成大量用戶堆積在熱點區域，引發網絡擁塞或者資源分配不平衡。這些都會造成物聯網對頻譜的需求方式和規劃方式有別于己有的無線通信，所以不能輕言物聯網不存在頻譜資源的制約。

4.3 感知層設計

物聯網的感知層將信息傳感設備，如射頻識別（RFID）裝置、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等與網絡連接在一起，方便識別和管理，而這種連接將采用低功率技術。

以Wi-Fi為例，如果將Wi-Fi用于物聯網，Wi-Fi的頻譜需求將大大超過目前己分配的頻譜總量。

物聯網專網的系統組成結構如圖2所示。

5 結語

但由于整個項目投入較大，擬采取邊研究、邊實踐、邊投入的積木式發展結構。前期1年，示范性專網投入300萬，建設具有100臺專用服務器的云平臺，建設基于成都的用于安全應急處理和安全監控的示范性物聯網專網一個。主要應用各級政府的安全應急處理和安全實時監控。中期3年內，示范性專網投入600萬，建設具有200臺專用服務器的云平臺，加強基于成都的用于交通監控、過程監控、環境監測、生產控制的專網建設。專網主要應用各級政府的安全應急處理、安全交通實時監控和大中型企業的各種物聯網專業應用。

參考文獻：

[1]秦志光，潘郁，凌晨.云計算環境下的資源節能調度[J].計算機應用，2012，32（7）；1913-1915.

[2]馮登國，張後，張妍.云計算安全研究[J]. 軟件學報，2011，22（1）：71-83.

[3]陳松，邵廉明.ZigBee網絡中的圖像傳輸[J].計算機工程，2008，34（11）；129-130.endprint