物聯(lián)網(wǎng)使能平臺的體系結(jié)構(gòu)與服務(wù)模式

彭昭

（中國電信股份有限公司上海研究院，上海 200122）

物聯(lián)網(wǎng)使能平臺的體系結(jié)構(gòu)與服務(wù)模式

彭昭

（中國電信股份有限公司上海研究院，上海 200122）

現(xiàn)有成功的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用案例多集中于局部規(guī)模的垂直領(lǐng)域，且以閉環(huán)應(yīng)用為主，導(dǎo)致眾多的物聯(lián)網(wǎng)“應(yīng)用孤島”?；ヂ?lián)網(wǎng)公司、傳統(tǒng)設(shè)備商、云服務(wù)提供商等產(chǎn)業(yè)巨頭紛紛構(gòu)建以自身能力為核心的物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)圈。從物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)打造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)平臺入手，研究物聯(lián)網(wǎng)使能平臺的技術(shù)架構(gòu)和服務(wù)模式，探討平臺的核心功能和關(guān)鍵技術(shù)，并給出平臺發(fā)展趨勢。

使能平臺；物聯(lián)網(wǎng)平臺；微服務(wù)

1 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)、云計算技術(shù)、人工智能技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)時代開啟，也逐步成為傳統(tǒng)行業(yè)創(chuàng)新的新趨勢。技術(shù)的成熟和商業(yè)模式的迭代創(chuàng)新推動物聯(lián)網(wǎng)在不同行業(yè)的落地與普及，可穿戴設(shè)備、白色家電及智能交通等應(yīng)用隨處可見。根據(jù)應(yīng)用場景和環(huán)境的不同，物聯(lián)網(wǎng)終端形式各異，導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用呈現(xiàn)碎片化趨勢。現(xiàn)有成功的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用案例多集中于局部規(guī)模的垂直領(lǐng)域，且以閉環(huán)的應(yīng)用為主，導(dǎo)致眾多的物聯(lián)網(wǎng)“應(yīng)用孤島”。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的價值不僅是將物接入云端提高自動化水平，更是對“物”所涉及數(shù)據(jù)的深度挖掘，實現(xiàn)新的業(yè)態(tài)和服務(wù)的增值。

互聯(lián)網(wǎng)公司、傳統(tǒng)設(shè)備商、云服務(wù)提供商等產(chǎn)業(yè)巨頭紛紛構(gòu)建以自身能力為核心的物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)圈，打造自身產(chǎn)業(yè)鏈的樞紐地位，實現(xiàn)自身核心價值的增值與變現(xiàn)。芯片、模組、網(wǎng)絡(luò)及標(biāo)準(zhǔn)的相應(yīng)成熟推動產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模發(fā)展，預(yù)計未來2～3年將成為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)生態(tài)發(fā)展的關(guān)鍵時期。電信運營商也開始布局物聯(lián)網(wǎng)，利用其在物聯(lián)網(wǎng)價值鏈中的管道優(yōu)勢，快速發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)通道類產(chǎn)品，但如何在復(fù)雜的競爭態(tài)勢中保證運營商在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中獲取最大化價值成為全球運營商共同面對的挑戰(zhàn)。

2 物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)與物聯(lián)網(wǎng)使能

2.1 物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)的關(guān)鍵要素

物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)的目的是打破垂直行業(yè)的“應(yīng)用孤島”，營造物聯(lián)網(wǎng)終端、數(shù)據(jù)和應(yīng)用開放共享的環(huán)境，通過平臺挖掘物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)深度價值，促進(jìn)應(yīng)用類型和應(yīng)用模式的創(chuàng)新。構(gòu)造物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)的關(guān)鍵要素包括云、管、端3個部分。

（1）云：物聯(lián)網(wǎng)的“大腦”

是物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)邏輯處理的核心單元，以云端平臺的形式為物聯(lián)網(wǎng)終端提供數(shù)據(jù)存儲、遠(yuǎn)程控制甚至決策分析。

（2）管：物聯(lián)網(wǎng)的“神經(jīng)”

是聯(lián)系物聯(lián)網(wǎng)終端與云端的重要渠道，當(dāng)前主流的物聯(lián)網(wǎng)終端接入方式包括 Wi-Fi、藍(lán)牙、Node B、eMTC、Cat1等，運營商因運營移動網(wǎng)絡(luò)具備天然的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢。

（3）端：物聯(lián)網(wǎng)的“感知觸手”

是物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的重要來源，根據(jù)應(yīng)用場景的不同，物聯(lián)網(wǎng)終端形態(tài)各異，目前并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

解決終端“入云”成為構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)的先決條件，多變的應(yīng)用場景特性將該問題復(fù)雜化。使能平臺的提出屏蔽了底層物聯(lián)網(wǎng)終端的多樣性，降低了終端入云門檻，成為物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)的重要研究課題。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)使能平臺概述

業(yè)界對物聯(lián)網(wǎng)使能平臺并沒有明確的定義，一般可認(rèn)為是面向物聯(lián)網(wǎng)的PaaS服務(wù)平臺，以降低物聯(lián)網(wǎng)硬件與軟件開發(fā)門檻為主要目的，通過開放API和開發(fā)工具包，提供在線的開發(fā)環(huán)境、測試環(huán)境幫助開發(fā)者簡化物聯(lián)網(wǎng)硬件與軟件的開發(fā)環(huán)節(jié)與周期，同時利用開發(fā)模板、組件，實現(xiàn)更多創(chuàng)新業(yè)務(wù)邏輯的開發(fā)。物聯(lián)網(wǎng)使能平臺是水平平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)對多種不同物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景的支撐，實現(xiàn)對多種跨行業(yè)終端的接入。通過規(guī)?；膽?yīng)用和部署，使行業(yè)、企業(yè)以及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)者以較低的成本和更高效的方式實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)場景。

物聯(lián)網(wǎng)使能平臺是整個物聯(lián)網(wǎng)價值鏈中數(shù)據(jù)聚合、能力聚合、資源聚合的核心，包括終端接入、終端管理、數(shù)據(jù)處理、能力開放和應(yīng)用輔助開發(fā)等功能。掌握物聯(lián)網(wǎng)使能平臺成為掌握物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)話語權(quán)的關(guān)鍵，對于物聯(lián)網(wǎng)使能平臺的運營商而言，可以將業(yè)務(wù)范圍從單純的垂直應(yīng)用提供擴(kuò)展到全物聯(lián)網(wǎng)平臺服務(wù)和應(yīng)用運營，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)運營的利益最大化。

3 物聯(lián)網(wǎng)使能平臺體系框架

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

依據(jù)IoT參考模型（ITU-T Y.2060），物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)分為應(yīng)用層、業(yè)務(wù)層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層 4層，其中，業(yè)務(wù)層對應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)使能平臺，是終端到應(yīng)用的接入網(wǎng)關(guān)，應(yīng)用通過該網(wǎng)關(guān)調(diào)用接口查看和控制遠(yuǎn)端的物聯(lián)網(wǎng)終端，終端也通過該網(wǎng)關(guān)接入云端共享數(shù)據(jù)。因此，物聯(lián)網(wǎng)使能平臺面向應(yīng)用開放能力，面向終端開放接入接口。詳細(xì)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

3.2 關(guān)鍵功能

（1）終端接入

終端入云是物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享和應(yīng)用使用的前提和基礎(chǔ)，通常的解決方案是提供標(biāo)準(zhǔn)的 IoT終端中間件，快速適配OS和各類廠商的智能終端。IoT終端中間件集成各層通信協(xié)議，為終端設(shè)備提供網(wǎng)絡(luò)接入能力，屏蔽上層應(yīng)用與底層終端硬件的異構(gòu)性。終端接入需要考慮兩層的協(xié)議適配：一層是應(yīng)用層承載協(xié)議，如MQTT、COAP、HTTPS等；另一層是應(yīng)用層協(xié)議，如遠(yuǎn)程抄表、資產(chǎn)監(jiān)控等涉及具體業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的公共或私有協(xié)議。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

終端接入需要“端云”的配合，存在開放終端接入SDK和主動為終端適配兩種典型的實現(xiàn)方式。前者需要平臺提供通用的協(xié)議和終端模型，以便于應(yīng)用在開發(fā)終端時能夠快速適配接入，這種場景適用于通用終端接入場景；后者是面向特定的私有協(xié)議或者已經(jīng)具備接入云端功能的終端，為了讓其能夠順利接入物聯(lián)網(wǎng)使能平臺，一般可通過插件的形式實現(xiàn)對更多終端或協(xié)議的適配支持。

（2）消息路由

面對數(shù)量龐大的各種終端和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，如何保證終端的數(shù)據(jù)正確存儲到對應(yīng)的存儲空間，發(fā)送給正確的訂閱應(yīng)用，如何保證應(yīng)用側(cè)和平臺側(cè)的控制指令正確地轉(zhuǎn)發(fā)到對應(yīng)的終端側(cè)，是消息路由解決的主要問題。消息路由一般分為數(shù)據(jù)共享的消息路由和指令控制的消息路由兩種類型。消息路由不僅需要滿足海量設(shè)備的接入和處理能力，還需要考慮差異化的服務(wù)優(yōu)先級和服務(wù)質(zhì)量，滿足不同權(quán)限等級消息的及時響應(yīng)。

（3）數(shù)據(jù)處理

物聯(lián)網(wǎng)的最大價值在于其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)形成的分析和統(tǒng)計結(jié)果，可作為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用規(guī)劃和創(chuàng)新的依據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)使能平臺的數(shù)據(jù)處理一般與云服務(wù)的數(shù)據(jù)處理相結(jié)合，通過數(shù)據(jù)的實時處理和監(jiān)控為應(yīng)用提供監(jiān)控與告警服務(wù)，通過數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析可總結(jié)歷史規(guī)律，形成數(shù)據(jù)報告，甚至通過對脫敏數(shù)據(jù)的開放共享實現(xiàn)跨應(yīng)用跨平臺的應(yīng)用模式和商業(yè)模式創(chuàng)新。數(shù)據(jù)處理模塊包括數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)緩存、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)開放等。

（4）規(guī)則引擎

規(guī)則引擎則是條件觸發(fā)時對終端和數(shù)據(jù)執(zhí)行相應(yīng)的動作。數(shù)據(jù)實時處理場景中，規(guī)則引擎將某類終端數(shù)據(jù)在特定的條件下導(dǎo)入相關(guān)的數(shù)據(jù)處理單元，如實時分析處理模塊、統(tǒng)計分析模塊、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)模塊等。在告警通知場景中，終端數(shù)據(jù)達(dá)到或超過預(yù)警閾值時觸發(fā)通知功能或執(zhí)行模塊。規(guī)則引擎包括規(guī)則的創(chuàng)建、修改、驗證、執(zhí)行等，這些能力能開放給應(yīng)用直接調(diào)用。平臺一般會預(yù)置通用的規(guī)則引擎，并提供自定義規(guī)則或組合規(guī)則服務(wù)供應(yīng)用靈活使用。

3.3 平臺核心技術(shù)

（1）微服務(wù)框架

不同的應(yīng)用對應(yīng)不同的終端，每個終端都有自己的應(yīng)用場景和芯片模組，通過統(tǒng)一的框架、協(xié)議和App解決所有的連接和控制問題是不合適的，也是現(xiàn)階段無法實現(xiàn)的。在某種程度上，服務(wù)的解耦才是物聯(lián)網(wǎng)使能平臺框架需要考慮的問題。平臺應(yīng)隨著物聯(lián)網(wǎng)終端的多樣性發(fā)展而迭代更新，因此微服務(wù)框架成為物聯(lián)網(wǎng)平臺構(gòu)建的核心架構(gòu)。微服物架構(gòu)將平臺徹底組件化和服務(wù)化，每個組件均可獨立開發(fā)、設(shè)計和運行。對于不同物聯(lián)網(wǎng)終端接入，提供不同的終端接入微服務(wù)，對于不同的應(yīng)用調(diào)用和數(shù)據(jù)共享提供相應(yīng)的能力開放微服務(wù)。此外，行業(yè)知識庫、行業(yè)數(shù)據(jù)分析、行業(yè)數(shù)據(jù)模板等第三方能力和服務(wù)也能夠以微服務(wù)的方式引入。微服務(wù)框架為不同行業(yè)的技術(shù)與服務(wù)整合提供技術(shù)實現(xiàn)手段，為使能平臺的構(gòu)建提供靈活性和可擴(kuò)展性。目前主流的微服務(wù)開發(fā)框架有 Spring Boot、Lagom、Akka、Vert.x和ReactiveX。

（2）數(shù)據(jù)建模技術(shù)

面向物聯(lián)網(wǎng)終端，解決海量終端和數(shù)據(jù)的異構(gòu)性問題是數(shù)據(jù)建模技術(shù)的核心。不同的終端在數(shù)據(jù)定義和數(shù)據(jù)格式上可能存在差異，這種差異為數(shù)據(jù)共享帶來挑戰(zhàn)。終端數(shù)據(jù)建模就是對物聯(lián)網(wǎng)終端的對象、屬性和操作等進(jìn)行信息建模，利用標(biāo)準(zhǔn)化的方式描述實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)終端與數(shù)據(jù)的共享和互操作。使能平臺需使用數(shù)據(jù)建模工具實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的終端建模，保證終端接入時可選擇平臺預(yù)置模型，也可依照規(guī)則自定義實現(xiàn)終端建模。數(shù)據(jù)建模一般采用設(shè)備與數(shù)據(jù)流的綁定關(guān)系定義數(shù)據(jù)格式，支持終端數(shù)據(jù)點上報，在數(shù)據(jù)采集時按照數(shù)據(jù)點讀取數(shù)據(jù)內(nèi)容。目前，國際標(biāo)準(zhǔn)OneM2M已經(jīng)開展了相關(guān)數(shù)據(jù)建模的研究工作。華為的OceanConnect平臺采用Profile定義物聯(lián)網(wǎng)終端的能力和服務(wù)，能力包括終端廠商、協(xié)議類型等，服務(wù)包括終端具備的某項服務(wù)或者命令、屬性等。中國移動的OneNet通過對數(shù)據(jù)流的配置管理實現(xiàn)對終端元數(shù)據(jù)的管理。為了能夠讓平臺更好地理解終端的含義，平臺服務(wù)提供商均構(gòu)建自己的終端建模服務(wù)。

（3）終端安全接入技術(shù)

海量的終端接入云端，終端與外部通信愈加頻繁，這將對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)造成安全威脅。物聯(lián)網(wǎng)終端安全接入技術(shù)不僅需要考慮保證訪問網(wǎng)絡(luò)資源的所有設(shè)備有效的安全控制，同時也需考慮快速簡便的配置接入方案。物聯(lián)網(wǎng)是一個多網(wǎng)并存的異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)，包括互聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)和移動網(wǎng)等，這些網(wǎng)絡(luò)環(huán)境各異給物聯(lián)網(wǎng)終端接入帶來安全挑戰(zhàn)。因終端能力有限，傳統(tǒng)基于密碼的驗證體系并不一定能夠很好地滿足安全接入的要求。終端安全接入技術(shù)需要根據(jù)不同的終端性能和應(yīng)用場景安全等級進(jìn)行劃分。對于極小資源的設(shè)備，如傳感器，通常采用預(yù)分配密鑰的加密方式；對于受限資源的設(shè)備，可采用單向認(rèn)證方式；對于能力強(qiáng)大的設(shè)備，可采用雙向認(rèn)證方式。基于終端標(biāo)識的應(yīng)用層身份認(rèn)證機(jī)制可采用SM9、RSA等算法來實現(xiàn)。

（4）數(shù)據(jù)實時處理

海量的物聯(lián)網(wǎng)終端必定產(chǎn)生更加海量的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)實時處理一般分為數(shù)據(jù)的實時入庫和數(shù)據(jù)的實時計算。應(yīng)用場景包括數(shù)據(jù)的實時變化、每天各小時的數(shù)據(jù)統(tǒng)計變化情況等，這些數(shù)據(jù)量大且可能并沒有統(tǒng)計的實際價值。這類場景多用于公共服務(wù)類、資產(chǎn)監(jiān)控類等，具備較大的規(guī)模。數(shù)據(jù)實施處理技術(shù)需要考慮流式大數(shù)據(jù)實時處理框架、分布式數(shù)據(jù)存儲以及對數(shù)據(jù)密集的人工智能工作負(fù)載自適應(yīng)等關(guān)鍵技術(shù)。在低時延和吞吐量方面，大數(shù)據(jù)、秒級時延可考慮storm和flink。在數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性方面，可考慮采用計算框架支持exactly-once。

4 物聯(lián)網(wǎng)使能平臺的發(fā)展趨勢

4.1 與云計算的結(jié)合

物聯(lián)網(wǎng)的核心是實現(xiàn)物與物、物與人的連接，而云計算的核心是海量數(shù)據(jù)的計算。隨著物聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模發(fā)展，未來物聯(lián)網(wǎng)勢必產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的硬件架構(gòu)服務(wù)器難以滿足數(shù)據(jù)管理和處理要求。運用云計算模式，可對物聯(lián)網(wǎng)中海量終端進(jìn)行動態(tài)管理，數(shù)據(jù)智能分析變得可能。隨著閉環(huán)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的打破，越來越多的物聯(lián)網(wǎng)終端與數(shù)據(jù)跨行業(yè)共享，云計算將成為物聯(lián)網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)。通過能力的資源共享、業(yè)務(wù)的快速部署、終端的交互擴(kuò)展、數(shù)據(jù)的深度挖掘等多方面帶動物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)鏈的升級。

4.2 垂直細(xì)分領(lǐng)域

物聯(lián)網(wǎng)使能平臺是構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但多從面向公共領(lǐng)域的通用使能入手，以解決通用物聯(lián)網(wǎng)終端的接入和數(shù)據(jù)共享問題為主。通用使能主要面向長尾應(yīng)用，能夠快速聚集創(chuàng)新的終端和應(yīng)用，但短期并不能形成規(guī)模化效應(yīng)，并不能形成一個自我運轉(zhuǎn)的完善生態(tài)鏈。物聯(lián)網(wǎng)具備成熟運轉(zhuǎn)能力的領(lǐng)域多為垂直細(xì)分領(lǐng)域，以政府和企業(yè)應(yīng)用為主，如公共設(shè)施監(jiān)控、智能物流交通等。這類領(lǐng)域具備一定的信息化基礎(chǔ)且規(guī)模較大，通過需求驅(qū)動能夠快速落地，并形成一定的規(guī)模示范效應(yīng)。因此物聯(lián)網(wǎng)使能平臺未來建議從垂直細(xì)分領(lǐng)域入手構(gòu)建，并逐步滲透和演變成通用的使能平臺。

4.3 與邊緣計算的協(xié)同發(fā)展

IDC預(yù)測到2025年，物聯(lián)網(wǎng)因受限于網(wǎng)絡(luò)帶寬，50%的數(shù)據(jù)需要在網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)分析、處理與存儲。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)由邊緣終端設(shè)備采集生成，通過“云端”平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，這個過程可能會因為網(wǎng)絡(luò)而不能實時響應(yīng)。特別是媒體流數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量大，如果數(shù)據(jù)分析和控制邏輯均在云端實現(xiàn)，可能并不能滿足業(yè)務(wù)及時性需求。因此邊緣計算將會成為云計算的補(bǔ)充，在工業(yè)自動化、安防監(jiān)控領(lǐng)域尤其重要。目前，思科、亞馬遜、微軟都推出了相應(yīng)的邊緣計算及與云端協(xié)同的解決方案。隨著業(yè)務(wù)的發(fā)展，減少終端與云端的交互也將成為物聯(lián)網(wǎng)使能平臺發(fā)展的一個重要趨勢。

5 結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)使能平臺是物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)構(gòu)建的關(guān)鍵要素，是聚合物聯(lián)網(wǎng)終端和應(yīng)用的手段，也是互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)、云服務(wù)提供商和電信運營商切入物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵點，掌握終端接入就掌握了物聯(lián)網(wǎng)入口。本文介紹了使能平臺的體系框架，闡述了終端接入、消息路由、數(shù)據(jù)處理和規(guī)則引擎4個關(guān)鍵功能和微服務(wù)等關(guān)鍵技術(shù)，給出了使能平臺的發(fā)展趨勢，以期為研究和搭建使能平臺提供參考和建議。

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Architecture and service model of IoT enabled platform

PENG Zhao
Shanghai Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Shanghai 200122, China

Existing successful IoT (internet of things) application cases concentrate on the vertical field of local scale and usually focused on closed loop applications, which leading to numerous application islet. Internet companies, traditional equipment manufacturers, cloud service providers, as well as other industrial giants have built an IoT ecosystem with the core of its own capabilities. Starting with key point of building IoT ecosystem, technology architecture and service model of IoT enabled platform was studied, the core function and key technology of platform was discussed, and the platform development trend was presented.

enabled platform, IoT platform, microservice

TP319

A

10.11959/j.issn.1000-0801.2017302

2017?09?30；

2017?11?10

彭昭（1983?），男，博士，中國電信股份有限公司上海研究院高級工程師，主要研究方向為物聯(lián)網(wǎng)平臺。