基于標準的大數據互連技術綜述

龐 斌，張 晟，肖 淼

(1.四川華豐企業集團有限公司，綿陽，621000；2.北京系統工程研究所，北京，100101)

1 引言

大數據時代正在大踏步的向我們走來，機器人、智能終端、智慧家庭、智慧城市、智慧地球、物聯網正在改變我們的生活，應用于海陸空天網等軍事領域的眾多顛覆性技術也正在改變未來的戰爭。另一方面，傳統的連接技術歷經數十年的發展也已觸及天花板，不融入這個大數據發展的洪流，就將被時代所拋棄。變革已是大勢所趨，優勝劣汰，因此，連接器行業別無選擇，必須勇敢面對，顛覆傳統的互連技術，在大數據浪潮中找到出路。大數據引起了各種技術的巨大變革，未來的大數據互連技術究竟是怎樣的技術，面對大數據時代我們應該做些什么，這是理論研究首先需要解決的問題。

2 大數據概念

2.1 大數據的定義

什么是大數據，迄今為止業界并沒有給出一個正式公認的定義，大數據本身是一個寬泛的概念，眾多不同的研究機構和企業紛紛從不同的角度對大數據進行了詮釋。

全球最具權威的IT研究與顧問咨詢公司Gartner給出大數據定義為：大數據是需要新處理模式才能具有更強的決策力、洞察發現力和流程優化能力來適應海量、高增長率和多樣化的信息資產[1]。

麥肯錫全球研究所給出的定義是：一種規模大到在獲取、存儲、管理、分析方面大大超出了傳統數據庫軟件工具能力范圍的數據集合，具有海量的數據規模、快速的數據流轉、多樣的數據類型和價值密度低四大特征[2]。

2015年，美國國家標準與技術研究院(National Institute of Standards and Technology，NIST)在其研究報告《NIST大數據互操作性框架草案 第一卷：定義》中提出：大數據是指那些傳統數據架構無法有效處理的新數據集合。因此，采用新的架構來高效率完成數據處理，這些數據集特征包括：數量(即數據集的規模)、數據類型的多樣性、多個領域數據的差異性、數據的動態特征(速度或流動率，可變性)[3]。

維基百科(Wikipedia)給出的定義是：大數據，或稱巨量數據、海量數據、大資料，指的是所涉及的數據量規模巨大到無法通過人工在合理時間內達到截取、管理、處理、并整理成為人類所能解讀的信息[4]。

百度百科給出的定義是：大數據(big data)是指無法在一定時間范圍內用常規軟件工具進行捕捉、管理和處理的數據集合，是需要新處理模式才能具有更強的決策力、洞察發現力和流程優化能力的海量、高增長率和多樣化的信息資產[5]。

目前，國內普遍的理解是：具有數量巨大、來源豐富、生成極快、且多變等特征并且難以用傳統數據體系結構有效處理的包含大量數據集的數據。

2.2 大數據的5V特征

相較于傳統數據概念，業界一致將大數據的特征總結為5個以英文字母V開頭的單詞，簡稱為大數據的5V特征[6]，如圖所示。

(1)體量大(Volume)

具有大規模的數據量，并且數據量呈持續增長趨勢。目前一般指超過10T規模的數據量，但未來隨著技術的進步，符合大數據標準的數據集大小也會隨之變化。

(2)速度快(Velocity)

數據生成、流動速率快，數據流動速率指指對數據采集、存儲以及分析具有價值信息的速度，因此也意味著數據的采集和分析等過程必須迅速及時。

(3)模態多(Variety)

大數據包括多種不同格式和不同類型的數據。數據來源包括人與系統交互時與機器自動生成，來源的多樣性導致數據類型的多樣性。

(4)難辨識(Veracity)

數據的準確性和可信賴度，即數據的質量難以確定。

(5)價值密度低(Value)

信息海量，但價值密度較低。隨著數據量的增長，數據中有意義的信息卻沒有成相應比例增長，需要從海量價值密度低的數據中挖掘出具有高價值的數據。

由此可以看出，大數據的內涵不僅僅是數據本身，還包括大數據技術和大數據應用，包括從大數據采集、大數據存儲管理處理、大數據分析和挖掘到大數據呈現和應用的全過程的技術與應用。

圖1 大數據的5V特征

2.3 智能化和萬物互連的基礎是大數據

智能制造是指將物聯網、大數據、云計算等新一代信息技術與設計、生產、管理、服務等制造活動的各個環節融合，具有信息深度自感知、智慧優化自決策、精準控制自執行等功能的先進制造過程、系統與模式的總稱，具備以智能工廠為載體，以關鍵制造環節智能化為核心，以端到端數據流為基礎，以網通互連為支撐的四大特征。

智慧城市有各種各樣的自主智慧的感知器，就相當于給整個城市裝上了眼睛、耳朵和鼻子，這里面有各種互連、分析、學習和決策的自主智慧計算系統，就相當于給城市裝上了超級大腦。智慧城市可以把交通、市政和醫療等等系統聯系起來，讓居住的城市更加方便。

智能家居可以讓我們生活的空間更舒適，回到家房子自動就為你調好了光線和溫度，讓你從一天的疲勞中舒緩下來。大到登上火星，小到微創手術，機器人幫助人類完成了許多工作，大大擴展了人類的探索能力。人工智能是人類想象力的延續，大數據是這一切的基礎。

2.4 大數據是跨領域、跨系統和跨地域的數據共享

云計算、中國智能制造(德國工業4.0、美國工業互聯網)、智能終端、智慧家庭、物聯網、以及可能改變未來戰爭的那些顛覆性技術等等都是建立在大數據的基礎上，都是大數據在不同領域的應用，大數據是跨領域、跨系統和跨地域的數據共享，因此只有在大數據時代這一切夢想才能變成現實。

智能化和萬物互連需要大數據。

3 大數據需要大連接

3.1 大數據需要大連接實現高效安全的傳輸與互連

如何讓跨領域跨系統跨地域的大數據實現共享呢？需要大連接。要把這樣龐大的數據進行搬運和傳輸，實現萬物的高效和安全互連，實現設備與設備、設備與人、人與數據的連接，就是大數據互連技術要解決的問題：

一是解決數據自身的傳輸信號完整性問題，沒有損失，沒有失真；二是解決數據之間及其與外界電磁兼容及信息安全性問題。

大數據的特征決定了它與傳統數據是截然不同的，難以用傳統數據體系結構與方法進行有效處理，因此傳統的互連技術難以實現大數據傳輸，在理念上和技術上要有所突破。怎么突破？突破口就是標準。

3.2 只有標準才能實現有序高效安全的通過

大數據傳輸就好比目前人類社會的大交通大流動時代，各種高速運輸交通工具蓬勃發展，海陸空相互交織。這種情況下，僅有高度發達的交通工具還遠遠不夠，我們還需要交通規則來協調規范各種行為。人要走人行道，飛機要飛自己的航線，動車高鐵運行需要在自己的軌道上，汽車要在高速公路上行駛，各行其道并按各自的規則才可能高速通過而不形成堵塞。各種交通安全事故與交通堵塞都是人流量與車流量太大又不按規則運行所致，因此交通越復雜、流量越大，標準化越重要，只有標準才能實現有序的高效的安全的通過。

3.3 只有標準才能實現大數據的大連接

與交通運輸同樣的道理，在大數據時代，大數據就是我們要跨領域跨系統跨地域去運輸的對象，怎么運輸？需要載體、方法、需要協議，也就是我們所說的標準，需要用標準來定義接口、通道數量、信號分配、傳輸的協議規則等等。用標準規定每個信號走哪個通道、誰先誰后，這樣不同的信號才能各行其道，只有這樣才能讓大數據信號高效安全的通過，不致形成堵塞，才能實現大數據的大連接。

3.4 大數據互連是一種開放共享跨界的互連

大數據時代互連技術對標準化的依賴比以前任何時候都更加強烈，數據傳輸海量、速度超快、信號類型極多，沒有開放的協議和可共享的接口，大數據互連幾乎不可能實現。

大數據互連是一種開放的共享的和跨界的互連，要通過統一的協議和接口去實現。云計算、智能制造、智能終端、智慧家庭、物聯網等國際標準化組織與協會都在制定相關的標準，相關標準組織機構如表1所示。

制定相應的數據訪問接口規范，解決互連互通問題是標準化的重要內容之一。但是多標準反過來也等于無標準，接口和協議不同則相互無法兼容，沒有通用性則無法實現數據的無縫集成和信息互訪。用戶被綁定在一個服務商會帶來較大的風險，同時也會使行業力量分散，阻礙發展。

表1 大數據相關國際標準化組織

3.5 大數據互連是網絡傳輸協議、總線標準與連接接口相互統一的互連

要實現未來大數據的共享和萬物互連，網絡傳輸協議、總線標準與連接接口也必須統一。眾所周知，現場總線是連接現場設備與控制系統的一種開放式、全數字、雙向傳輸、多分支的通信網絡，它的出現被譽為20世紀90年代工業控制領域的一場革命[7]。由于市場利益的驅動，各公司、各國之間圍繞現場總線展開的標準之爭、產品之爭和技術之爭一直持續了10多年，出現了幾十種總線標準，最終成為國際標準的是用于交通運輸領域的CAN總線和FlexRay總線，以及用于工業控制領域的IEC 61158、IEC 62026協議簇中的十幾個總線標準。

這些總線采用的通信協議完全不同，適用于不同的領域和系統，因此要實現這些總線的兼容和互操作是十分困難的。正如手機數據接口和汽車充電接口(IEC62196、GB/T20234-2011電動汽車傳導充電用插頭、插座、車輛耦合器和車輛插孔通用要求)經過多年的紛爭最終走向統一，要實現未來大數據的共享和萬物互聯，網絡傳輸協議、總線標準與連接接口也必須統一。

3.6 唯有標準才能實現開放與共享

隨著網絡技術的發展與普及，基于統一的TCP/IP通信協議的商用以太網RJ45連接器和滿足現場惡劣環境的工業以太網M12連接器正在成為一種市場主流，成為IEC/TC 48的主要工作方向，近年來該標準組織推出了1G、10G高速M12連接器、光電混合型M12、電源型M12以及各種RJ45連接器標準。可現場安裝、免工具、快速連接、快速接線等方面創新的M12和RJ45連接器越來越受到歡迎。

因此統一大數據的資源層、數據層、應用層等各層次數據接口，實現大數據環境下的數據流動、互操作和可移植成為廣泛關注的問題。唯有標準才能實現開放和共享。

4 標準與產品深度融合

4.1 大數據互連技術要以標準為先

大數據時代，標準是領頭羊，要走在前面，這與傳統的標準滯后，跟在后面不同。大數據互連技術要以標準為先，用標準牽引產品，用標準牽引技術。比如56G技術，采用PAM-4四進制傳輸編碼標準協議代替了傳統的NRZ二進制編碼標準協議，實現了信息量翻倍的傳輸，眼圖由一個變成了三個，使下一代寬帶通信核心網絡400Gb/s及以上對數據鏈路傳輸得以實現。新的傳輸標準需要新的技術，從而推動了新的互連產品設計與測試技術的快速發展。

4.2 只有標準才能讓產品走向大應用、產生大效益

傳統的標準與產品技術是分離的，沒有標準的產品有很多，標準只是產品一個可有可無的文件，沒有標準照樣生產、銷售和應用。

但未來大數據時代，沒有標準的產品將寸步難行。先有約定、協議、規范和標準，再有產品。只有標準才能讓產品走向大應用、產生大效益，唯有標準才能讓產品生存并延續。

4.3 標準就是產品的代名詞

大數據時代，產品與標準將深度融合、密不可分。比如基于以太網布線的RJ45連接器、基于USB傳輸協議的USB連接器、基于HDMI傳輸協議的HDMI連接器、基于工業以太網的M12連接器、基于VITA46總線的VPX連接器、基于CPCI總線的2mm連接器等產品已經成為標準與協議中的一部分，標準就是產品的代名詞。

5 標準是一門技術

5.1 標準不再僅僅是一種標準，更是一門技術

數據訪問接口及其連接協議，要用標準去定義、統一，要達成這一切，傳統意義上的標準已不適用，需要創新的標準。而要創新標準，首先要創新標準化觀念。

大數據時代的標準不再僅僅是一種標準，更是一門技術。大數據時代的互連標準是一種跨界的、多學科綜合的大技術。

5.2 不懂技術就做不了標準，不搞技術就做不好標準

談到大數據互連技術就繞不開標準，其實標準也是一門技術，涉及的技術很多很深。比如，標準中包含的結構設計和技術參數，涉及到連接技術、材料技術和工藝技術；標準中的試驗方法，涉及到測試技術；標準中規定的質量控制，涉及到質量和可靠性技術；標準中對應用的規定實際上是整機的應用技術，涉及到整機應用的數據傳輸協議、連接要求等等。因此，不懂技術就做不了標準，不搞技術就做不好標準。

5.3 把標準作為一種技術去研究去發展

標準不僅是一門技術，更是一門融合了多種技術的綜合性技術。因此大數據時代，我們在研究數據高速傳輸技術和信息安全傳輸技術的同時還要把標準做為技術去研究去發展，它是大數據互連技術中的一種重要技術。

6 面向應用技術跨界

6.1 用開放的心態去跨界

大數據時代就是融合和整合的時代，不去主動融合其他行業就會被其他行業融合掉，跨界融合才有出路。連接器只是整機中的一部分，眼光不能僅僅停留在本行業之內，要用開放的心態去跨界，整合其他行業的技術，要主動融入到整機行業中。

大數據與大數據互連不是最終目的而是一種手段，它是以實現智能制造和萬物互連為目標的， 因此未來大數據互連技術就是要以客戶的眼光站在應用的角度去解決一個“用”的問題。

目前的互連產品品種規格超過幾十萬個，但“好用”的產品并不多，各種產品最終會統一到一種可共享、可通用、大眾接受的、大眾認可的“好用”的產品。

6.2 只有解決好“用”的產品才能最終生存

USB經歷了從USB2.0(480M)到USB3.0(5G)再到USB3.1(10G)的發展，近年來出現的一種支持USB3.1標準協議10Gbps、1萬次壽命、5A供電、方便盲操作的正反插性、EMI/RFI特性、小型輕薄、高顏值的USB-C型連接器首先在移動通信和汽車領域加速普及應用，有望淘汰傳統的數據接口成為未來的一種主流數據接口，從而引發未來數據接口趨向大統一。

因此，只有解決好“用”的產品，才能最終脫穎而出，才能不被淘汰，才能最終生存下來。

6.3 以用戶眼光站在應用角度去解決“用”的問題

從“用”能達到的效果來說，其含義各有不同，可分為“想用”、“能用”、“易用”和“經用”。

“想用”就是外觀要做得好，產品長得好看有顏值、有賣相、藝術化。從當年大受歡迎的小米插線板就可以看到顏值的重要性，這需要融合工業造形設計技術、材料技術、表面處理技術等等。大數據時代，連接器的外觀變得越來越重要，未來的連接器設計一定要融入工業造型的技術，產品藝術化是大趨勢。

“能用”就是性能要好、滿足使用要求，能夠實現大數據的互連，這需要融合信號完整性技術、光電復合高速傳輸技術、射頻微波技術、電磁兼容技術、高速仿真與測試技術等等。“能用”需要技術跨界。

“易用”，就是操作性要好、要好用、要方便、要簡單、要傻瓜化、智能化，這需要融合巧妙化的結構設計技術、智能化技術等等。比如快速連接、自動鎖緊、免工具，以及自動或遠程控制信號通斷、篩選、識別、計數、診斷、提取、處理、保護、預警、遙測、遠程監測與控制等等，不再是芯片、開關、傳感器、繼電器、濾波器、防雷器、保險器等的簡單組合，而是一種互連一體化與智能化的融合。比如突破電氣2014年發布的智能WIFI插座，內置WIFI模塊，實現手機移動端的遠程開關控制，遙控通斷與定時開關，有WIFI的地方就可以使用。

“經用”：經得用、用得起“經用”，就是可靠性要高，供應充足，價格便宜，要用得起，這是實現大統一、大應用的基礎。這涉及到可靠性技術、成本控制技術、工藝制造技術等。

6.4 標準化才能實現大生產、低成本、高品質和大應用

要做到“好用”，除了需要跨界的技術融合，還需要有標準化的技術應用。大數據時代，不僅產品要標準化，零件和結構也要標準化；不僅設計要標準化，工藝制造過程也要標準化，生產現場作業方式等等都需要標準化。要把標準化的理念貫穿到每一項工作中去，讓標準化成為一種習慣，變成一種日常行為，而不是一種形式，不再是為標準而標準。標準不再是一種文件，而是一種實踐與應用。標準化才能實現大生產、低成本、高品質和大應用，標準化才能讓大數據互連變得簡單、容易和輕松。

唯有“好用”的產品才能生存下來并最終成為大數據互連的標準，一個“用”字，看起來很簡單，但要做好卻很難，做得好的企業很少很少。唯有做好的企業才能在未來大數據浪潮中生存下來，唯有“好用”的產品才能生存下來并最終成為大數據互連的標準。

7 放眼未來提前布局

7.1 高速連接器成為重要的發展方向和熱點產品

連接器是一種電子元器件，在整個產業鏈中處于一種為整機配套的位置。因此其發展必將是一種既要跟隨整機的發展，同時又以其自身的發展規律引導整機的發展趨勢。在整機牽引、連接器自身發展和制造技術推動等三方面因素作用下，互連技術和產品總體呈現以下幾種發展趨勢：

1)外形尺寸越來越小：新材料新工藝使整機的這種需求成為現實；

2)性價比越來越高：日益發展和共享的制造技術使以前做不了和做工昂貴的產品變得簡單和便宜；

3)功能集成度越來越高：電/光/液/氣/EMI/EMP等多種技術融合，這是整機發展的需求也是連接器自身發展和升級換代上臺階的需要，如果不去主動融合進其他行業的技術，就會被其他行業的技術融合掉；

4)傳輸的信號速率和頻率越來越高：從最早的傳輸速率不到1.65Gbps的2mm間距連接器發展到現在數據傳輸速率達到56Gbps的第七代，高速連接器的發展經歷著翻天覆地的變化。

大數據時代，需要交換傳輸的信息數據呈幾何級數的增加，系統整機開始對每個傳輸路徑的帶寬提出具體要求，作為傳輸路徑一個環節的連接器其每個或每2個(差分)接觸對傳輸的速度被協議標準具體化，高速連接器將面臨革命性發展。

7.2 智能互連成為未來主流

未來的互連將是一種基于某種傳輸協議與接入協議的智能互連，這將顛覆傳統的連接概念，從連接器專業的角度轉變到整機系統的角度來重新定義連接的概念，連接不再是單純的元器件和傳統的接通概念，引入系統的理念，按協議接通、智能互連、無纜化、有源化、軟件化、人性化、藝術化。由單一的連接器件轉變為網絡化的連接系統成為一種新方向，無線充電、無纜傳輸、光傳電連、智能連接成為一種新趨勢。

目前，Wi-Fi、藍牙、無線USB、無線傳感監控網絡ZigBee和無線射頻識別RFID(無線電感應應答和非接觸式連接)以及用于機器人的非接觸式連接技術發展勢頭迅猛。正如手機智能化一樣，連接器走向智能化只是時間問題。這就要求我們提前研究大數據互連技術，要提前布局，布局標準、布局技術、布局產品。

7.3 大數據時代統一是必然趨勢

大數據是一種重要的戰略資源，正在不同程度的參透到每個行業和部門。大數據應用在公共管理、制造領域、電力領域、電子商務領域、智能交通領域、金融領域、科學研究領域、教育領域、健康醫療領域、電信領域、文化領域以及國防與反恐安全領域等各個領域，實現智能工廠、智能電網、智能交通、智慧醫療等等，必將改變傳統的產業模式，帶來巨大商機。

大數據時代，大數據需要開放共享與互連互通，從地區、國家到世界范圍內的統一是大勢所趨。盡管過程漫長復雜艱難，但統一是必然趨勢，趨勢我們無法改變。

7.4 新一輪標準之爭和技術之爭正在展開

為了應對統一這個大趨勢，各國紛紛在智能制造、云計算和大數據等方面制定相應的標準，建立各種大數據產業聯盟和標準化組織、研究標準、加緊立法、發布大數據白皮書、建立大數據實驗室、制定行動方案等等，為搶占先機贏得未來展開了新一輪的標準之爭和技術之爭。

連接器的國際標準化組織IEC/TC48/SC 48B已經公布了其未來的戰略[8]，一是加緊了與其他TC/SC建立聯系的步伐，明確了將系統/客戶TC中傾向于SC 48B范圍的新提案盡可能納入SC 48B；另一方面，為數字化工廠、信息物理系統和產業集成發展需要的、合適的、一定程度上智能化的以及也許無觸點的“連接器”，并進行標準化以加速這一工業革命的成功，這已成為IEC/TC48/SC 48B未來發展新的驅動力和機會點。

相對國外，目前我們國內連接器行業參與度很低且參與面狹窄，因此，面對大數據時代的浪潮，我們首先要做好兩件事：

一是做好頂層的設計和統籌規劃，把各企業組織起來、整合資源，這樣才能形成合力，少走彎路、減少時間、減少重復投入、減少浪費，建立起適應大數據互連的跨界、開放和共享的國內標準體系。

二是加大力度轉換IEC先進國際標準，展開與大數據、智能制造、云計算、物聯網等有關的標準組織與協會之間的合作，主動與各種團體、聯盟和IEC組織聯合制定相關的大數據互連標準，支持大數據互連技術產品的轉換及應用。建議參與的標準化組織如表2所示：

表2 建議國內連接器企業參與的標準化組織

8 結語

標準化是21世紀中國強企、強軍、強國、富民的必由之路，大數據互連技術是一種面向應用的、以實現大數據高效和安全傳輸與互連為目標的、技術跨界、標準與產品深度融合的互連技術。大數據時代，要把標準作為一種技術去研究，從觀念上、理念上、技術上做好準備，放眼未來提前布局。布局標準、布局技術、布局產品，不但要做科技強國、做制造強國，還要做標準強國。