1、M2M业务通过感知、智能设备获得客观世界事物的信息，并对感知到的信息进行分析和智能化的处理，与通信对象进行交互，完成应用相关的业务逻辑。M2M应用非常丰富，各种应用的特征也不相同。例如在健康医疗生命体征监测应用中，普通的生命体征数据只需要周期性地传送或在事件驱动的情况下传送，只需要传输少量的数据信息，不需要很大的网络带宽，只有在紧急情况下数据信息才需要实时传送，需要较高的QoS级别保证。而在视频监控类业务中则需要传输大量的监控信息，需要较高的网络带宽。与话音等传统通信业务相比，M2M应用在通信特征方面呈现出差异化和多样化。从M2M到物联网并非一个全新概念，比尔盖茨在华盛顿湖畔的智能化豪宅，联想
2、、长虹等国内厂商推出的闪联标准，国内外运营商推出的手机支付、路灯监控等M2M应用都是物联网的雏形。就如互联网之初也是由一个个局域网构成，现有的M2M应用也是物联网的构成基础。从M2M到物联网，已经为世界勾画出了一幅智能化的未来画卷。物联网由分布式中央处理单元、传输网络和感应识别末梢组成，也可以说是由无数个M2M系统构成，就如人身体不同机能一样，不同的M2M系统负责不同的功能处理，通过中央处理单元协同运作，最终组成智能化的社会系统，如图8.4。图8.4 M2M与物联网关系8.1.1 M2M概述物联网中最核心部分就是机器设备间的互联互通，也就是M2M。2009年初，IBM提出了智慧地球，将地球上各
3、种设备联网，将数据汇集到后台系统实现智能管理。同年8月份，温家宝总理在江苏无锡指出大力发展智能信息化建设（即“感知中国”），物联网推进工作逐步展开。8.1.2 M2M系统架构和通信协议8.1.2.1 M2M系统架构1 M2M系统架构图图8.5 M2M系统结构与技术体系类似于物联网的三层体系架构，M2M系统架构也分为应用层、网络传输层和设备终端层，如图8.5所示。应用层提供各种平台和用户界面以及数据的存储，并通过中间件与网络传输层相连，通过无线网络传输数据到终端。当机器设备有通信需求时，会通过通信模块和外部硬件发送数据信号，通过通信网络传输到相应的M2M网关，然后进行业务分析和处理，最终到达用户
4、界面，人们可以对数据进行读取，也可以远程操控机器设备。应用层的业务服务器也可以实现机器之间的互相通信来完成总体的任务。（1） 应用层应用层包括中间件、业务分析、数据存储和用户界面等几部分。其中数据存储用来临时或者永久存储应用系统内部的数据，业务分析面向数据和应用，提供信息处理和决策，用户界面提供用户远程监测和管理的界面。中间件包括M2M网关和数据收集/集成部件两部分。网关是M2M系统中的“翻译员”，它获取来自通信网络的数据，将数据传送给信息系统。主要的功能是完成不同通信协议之间的转换。数据收集/集成部件是为了将数据变成有价值的信息，对原始数据进行不同加工处理，并将结果呈献给需要这些信息的观察者
5、和决策者。（2） 网络传输层网络传输层即用来传输数据的通信网络。从技术上来分，通信网络包括：广域网（无线移动通信网络、卫星通信网络、Internet、公众电话网）、局域网（以太网、WLAN、Blue-tooth）、个域网（ZigBee、传感器网络）等。（3） 设备终端层设备终端层包括通信模块以及硬件系统等。通信模块产品按照通信标准可划分为移动通信模块、ZigBee模块、WLAN模块、RFID模块、蓝牙模块、GPS模块和网络模块等，硬件系统包括从传感器收集数据的I/O端口、协议转换接口、控制终端、传感器，以及调制解调器、天线、线缆等部件。设备终端层的作用是通过无线通信技术发送机器设备的数据到通信
6、网络，最终传送给服务器和用户。而用户也可以通过通信网络传送控制指令到目标通信终端，然后通过控制系统对设备进行远程控制和操作，从而形成一个闭环。2 典型M2M业务体系图8.6 移动物联网业务体系结构典型的M2M业务体系主要由M2M终端、M2M平台、M2M应用业务平台、短信网关、USSDC、GGSN、BOSS、行业终端监控平台和网管系统组成，如图8.6所示。（1） M2M终端：M2M终端基于WMMP协议并具有接收远程M2M平台激活指令、本地故障告警、数据通信、远程升级、数据统计以及端到端的通信交互等功能。（2） M2M平台：为M2M应用服务客户提供统一的M2M终端管理和终端设备鉴权，并对目前短信网
7、关尚未实现的接入方式进行鉴权。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，提供数据路由、监控、用户鉴权和计费等管理功能。（3） M2M应用业务平台：为提供各类M2M应用服务业务，由多个M2M应用业务平台构成，主要包括个人、家庭、行业三大类M2M应用业务平台。（4） 短信网关：包括行业应用网关和移动网络网关组成，与短信中心连接，提供通信能力，负责短信通信过程中的业务鉴权。短信网关产生短信等通信原始使用话单，送给BOSS计费。（5） USSDC（非结构化补充数据业务）：负责建立M2M终端与M2M平台的USSD通信。（6） GGSN（网关GPRS支持节点）：负责建立M2M终端与M2M
8、平台的GPRS通信，提供数据路由、地址分配及必要的网间安全机制。（7） BOSS（业务运营支撑系统）：与短信网关和M2M平台相连，完成客户管理、业务受理、计费结算和收费功能。对EC/SI提供的业务进行数据配置和管理，支持签约关系受理功能，支持通过HTTP/FTP接口与行业网关、M2M平台、EC/SI进行签约关系以及黑白名单等同步功能。（8） 行业终端监控平台：M2M平台提供FTP目录，将每月统计文件存放在FTP目录，供行业终端监控平台下载，以同步M2M平台的终端管理数据。（9） 网管系统：网管系统与平台网络管理模块通信，完成配置管理、性能管理、故障管理、安全管理及系统自身管理等功能。8.1.2
9、.2 WMMP通信协议1 WMMP协议背景在WMMP协议提出之前，M2M技术通常采用两种方式实现：两台具有GPRS功能的M2M终端直接通讯，双方通过无线方式接入核心网后进行连续通讯；将一台GPRS终端作为M2M终端，将一台电脑作为服务器放在Internet上作为M2M应用，终端通过无线方式进行通讯。对于第一种方式，整个系统过于简单，只要终端数量增加，相互间的逻辑关系就会复杂到无法有条理的区分；对于第二种方式，则受到无线网内互联相关法规的约束而发展缓慢。此外终端合法性、终端通讯异常处理、终端上报数据统计、终端与服务器之间通讯协议也是当时M2M技术中难以解决的问题。2 WMMP协议概述WMMP（W
10、ireless M2M Protocol）协议是为实现M2M业务中M2M终端与平台以及应用平台三者相互之间数据通信过程而设计的应用层协议，其体系如图8.7所示。WMMP协议为M2M架构中的协议泛称， M2M终端和平台接口协议完成M2M平台与M2M终端之间的数据通信，以及终端之间借助M2M平台转发、路由所实现的端到端数据通信，是WMMP协议体系中最重要的部分。图8.7 WMMP体系（WMMP-A：M2M应用接口协议 WMMP-T：M2M终端接口协议）WMMP协议的核心是其可扩展的协议栈及报文结构，其外层是由WMMP协议核心衍生的接入方式，与通信机制和安全机制没有任何关系。在此基础之上，由内向外依
11、次为WMMP的M2M终端管理功能和WMMP的M2M应用扩展功能。3 WMMP协议栈结构图8.8 M2M终端与M2M平台之间的通信协议栈结构WMMP协议建立在TCP/IP或UDP/IP协议、SMS和USSD之上，其协议栈结构如图8.8所示。在网络质量欠佳的情况下，建议优先采用UDP协议。例如在采用GPRS作为接入方式时，建议采用UDP协议作为传输层协议，这是由于GPRS网络带宽较窄，延迟较大，不适于采用TCP协议进行通信。采用UDP方式通信，可以提高传输效率，减少数据流量，节省网络带宽资源。UDP是无连接的、面向消息的数据传输协议，与TCP协议相比，它有两个致命的缺点：一是没有确认机制，数据包容
12、易丢失；二是数据包无序。因而，M2M数据通信过程通过在UDP的上层应用层的WMMP协议实现类似TCP的包确认和重传机制，从而提高通信效率及可靠性。根据实际经验发现，采用UDP方式传输，丢包率能控制在1%以下，能够满足M2M应用的需要。4 WMMP协议通信方式WMMP协议中采用了逻辑连接的概念。所谓逻辑连接是指M2M终端与M2M平台一次完整的报文交互过程。M2M终端以登录请求报文向M2M平台登录，其后M2M平台鉴权成功并发送登录应答报文为开始，以通信双方一端发起退出请求，另一端发出退出应答作为结束，在逻辑连接中通信超时也视为连接结束。在此交互过程中，通信形式可以是SMS、USSD、或基于GPRS
13、的TCP或UDP方式，也可以是混合模式，即通信方式可在逻辑连接中切换。但需要注意的是，对于一对请求和应答，必须在同一通信方式下完成。（1） 长连接和短连接采用基于IP的通信方式做承载时，根据M2M终端与M2M平台之间的IP链路连接是否一直存在，可分两种连接方式：长连接和短连接。所谓长连接，指在一个连接过程中可以连续发送多个数据报文，如果没有数据报文发送，需要M2M终端发送心跳报文以维持此连接。短连接是指通信双方有数据交互时，就建立一个WMMP连接过程，数据发送完成后，则断开此WMMP连接过程。无论长连接，还是短连接，在采用IP方式时，都可以根据实际网络通信质量采用TCP或UDP方式。若网络通信
14、质量较好时（3G网络以上），可以优先选择TCP协议作为传输方式。（2） 协议端口本协议在UDP协议下使用的端口暂定为9991，在TCP协议下使用的端口暂定为9992。（3） 交互过程中的应答方式WMMP协议数据报文以同步方式交互，如不作特殊说明，每一个数据报文请求必须有一个应答。当M2M终端通过SMS方式传送数据时，由于每条短消息只能传送140字节，可能需要发送多条短消息。每次M2M终端使用SMS方式（采用8比特编码，数据编码方式为0x04）传送数据到M2M平台，M2M平台在接收到数据后，都向M2M终端回送应答，M2M终端在接收到应答后再发送下一次信息。当M2M终端通过USSD方式传送数据时，
15、首先向M2M平台发起处理USSD会话请求，M2M平台应答后，M2M终端对数据进行BASE64编码，然后采取ASC编码方式（数据编码方式为0x0F）传输。USSD方式每次最多传送160字节，由于存在BASE64编码转换，实际的有效传输数据量为120字节。M2M平台收到后给予应答，然后M2M终端再传送剩下的数据，直到数据传送完成关闭USSD会话。当M2M终端采用IP方式传送数据时，底层采用TCP/IP或UDP/IP协议，一般采用UDP/IP。M2M终端使用设置的端口号向M2M平台发起连接，连接建立后向M2M平台传送采集数据，M2M平台收到后给予应答。8.1.3 M2M支撑技术随着科学技术的发展，越
16、来越多的设备具有了通信和连网能力，网络一切（Network Everything）逐步变为现实。人与人之间的通信需要更加直观、精美的界面和更丰富的多媒体内容，而M2M的通信更需要建立一个统一规范的通信接口和标准化的传输内容。M2M是一种理念，也是所有增强机器设备通信和网络能力的技术总称。人与人之间的沟通很多也是通过机器实现的，例如通过手机、电话、电脑、传真机等。另外一类技术是专为机器和机器建立通信而设计的。例如许多智能化仪器仪表都带有RS-232接口和GPIB通信接口，增强了仪器与仪器之间，仪器与电脑之间的通信能力。当然目前物联网领域绝大多数的机器和传感器尚不具备本地或者远程的通信和连网能力。
17、无论哪一种M2M技术与应用，它们都有五个重要的技术组成部分，即机器、M2M硬件、通信网络、中间件和应用，如图8.9所示。图8.9 M2M系统组成（1） 智能化机器：使机器能够“开口说话”，让机器具备信息感知、信息加工（计算能力）和无线通信能力。实现M2M的第一步就是从机器/设备中获得数据，然后把它们通过网络发送出去。使机器具备“说话”能力的基本方法有两种：生产设备的时候嵌入M2M 硬件；对已有机器进行改装，使其具备通信/联网能力。（2） M2M硬件：进行信息的提取，从各种机器/设备那里获取数据，并传送到通信网络。现有M2M 硬件产品主要可分为五种。 嵌入式硬件嵌入到机器里面，使其具网络通信能力
18、。常见的产品是支持GSM/GPRS或CDMA无线移动通信网络的无线嵌入数据模块，例如Nokia 12 GSM 嵌入式无线数据模块;Sony Ericsson 的 GR 48和GT 48；Motorola的G18/G20 for GSM，C18 for CDMA；Siemens 用于GSM网络的TC45、TC35i、MC35i等嵌入式模块。 可组装硬件在M2M工业应用中，厂商拥有大量不具备M2M 通信和连网能力的设备仪器，可组装硬件就是为满足这些机器的网络通信能力而设计的，实现形式也各不相同，包括从传感器收集数据的I/O设备，以及可以完成协议转换功能，并将数据发送到通信网络的连接终端。 调制解调
19、器嵌入式模块将数据传送到移动通信网络或通过公用电话/以太网送出时，都需要相应的调制解调器。 传感器传感器可分成普通传感器和智能传感器两种。智能传感器（Smart Sensor）是指具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器。由智能传感器组成的传感器网络是M2M技术的重要组成部分。一组具备通信能力的智能传感器以Ad Hoc方式构成无线网络，协作感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布给用户。也可以通过GSM网络或卫星通信网络将信息传输给远程服务器。典型产品如Intel基于微型传感器网络的发展规划智能微尘（Smart Dust）等。目前智能微尘面临的最具挑战性的技术难题之一是如
20、何在低功耗下实现远距离传输，另一个技术难题在于如何将大量智能微尘自动组织成网络。 识别标识识别标识如同每台机器或每个商品的“身份证”，使机器之间可以相互识别和区分。常用技术包括条形码技术和射频识别技术等。标识技术已经被广泛用于商业库存和供应链管理。（3） 通信网络：其作用是将信息传送到目的地。网络技术彻底改变了我们的生活方式和生存面貌，而随着M2M技术的出现，使得网络社会的内涵有了新的内容。网络社会的成员除了原有人、计算机和IT设备之外，数以亿计的非IT机器/设备正要加入进来。随着M2M技术的发展，这些新成员的数量和数据交换的网络流量将会迅速地增加。通信网络在整个M2M技术框架中处于核心地位，
21、包括：广域网（无线移动通信网络、卫星通信网络、光纤骨干网、Internet、公众电话网）、局域网（以太网、无线局域网WLAN、Bluetooth）和个域网（ZigBee、传感器网络）。在M2M技术框架中的通信网络中，有两个主要参与者，他们是网络运营商和网络集成商。尤其是移动通信网络运营商，在推动M2M技术应用方面起着至关重要的作用。第三代移动通信技术除了提供语音服务之外，数据服务业务的开拓是其发展的重点。随着移动通信技术向3G和4G的演进，必定将M2M应用带到一个新的境界。国外提供M2M服务的网络有AT&T Wireless的M2M数据网络计划，Aeris的MicroBurst无线数据网络等。
22、（4） 中间件（Middleware） ：中间件在通信网络和IT 系统间起桥接作用，包括M2M 网关和数据收集/集成部件两个部分。网关是M2M系统中的“翻译员”，获取来自通信网络的数据，并将数据传送给信息处理系统，主要的功能是完成不同通信协议之间的转换。典型产品如Nokia的M2M网关。数据收集/集成部件是为了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，并将结果呈现给需要这些信息的观察者和决策者，例如数据分析和商业智能部件，异常情况报告和工作流程部件，数据仓库和存储部件等。（5） 应用：对获得数据进行加工分析，为决策和控制提供依据。8.1.4 M2M业务应用在不久的将来，人与人通信的
23、手机可能仅占整个无线移动终端设备数量的1/3，而大量的通信是以机器到机器（M2M）终端的方式，通过移动通信网、无线局域网或无线个域网实现。M2M中所说的“机器”有两种含义。一种是指传统意义上的机器，而另一种则是指物联网中的智能终端设备、智能机器人等。只要这些硬件或软件配置有能够执行M2M通信协议的接口模块，就可以构成M2M终端。典型的基于移动通信的M2M应用系统结构如图8.10所示。M2M终端将待发送的用户数据通过M2M接口模块，按照无线M2M协议，封装成M2M数据包；M2M数据包通过3G/4G移动通信网上的M2M平台，实现物联网智能终端设备与服务器之间的双向数据传输。图8.10 典型M2M应
24、用系统结构示意图目前，M2M技术已经得到了广泛的应用，如环境监控、手机移动支付、物品位置跟踪、物业监控等。下面以电力抄表为例介绍M2M业务应用。在电力行业中，远程抄表和电力终端监控管理的应用较多。远程抄表应用如图8.11所示，该系统主要包括：数据采集器（智能电表内置）、M2M无线抄表终端（内置WMMP通信模组）、移动通信网络、M2M运营管理平台和远程抄表数据中心。图8.11 远程抄表应用系统（1） M2M无线抄表终端：集中采集本地电表的用电信息，并通过移动通信网络与M2M运营管理平台连接，最终实现与电力公司抄表数据中心交互。（2） M2M运营管理平台：通过WMMP协议和M2M终端进行交互，提供
25、终端查询、终端配置、远程控制、软件升级等功能；传输电力公司用户的应用数据（如月用电量）；同时可为电力公司提供业务监控、故障处理等支撑服务。（3） 远程抄表数据中心：电力公司后台应用系统，实现用电信息采集和分时计价处理。本节关键词或关键知识点：M2M系统三层结构；典型业务体系组成；WMMP可扩展协议栈；逻辑连接；M2M系统五大技术组成部分。8.2 云计算8.2.1 云计算概述云计算是一种新的计算模式。自计算机发展以来，计算模式已经历了主机、个人计算机（PC）、互联网、网格计算等阶段，现在云计算也被普遍认为是一个新阶段。最早的主机终端模式是集中计算，一切计算资源都集中在主机上。到了PC时代，变成了
26、分散计算，主要计算资源分散在各个PC上。互联网的出现将分散的PC联在了一起，部分计算资源虽然还分布在PC上，但已经越来越多地集中到互联网上。云计算的出现实现了更高程度的集中，它继承和发展了网格计算、公用计算（又称效能计算）和SaaS等优点，可将分布在世界范围内的计算资源整合为一个统一的资源为用户提供服务；另一方面，云计算又可按某个用户的需求分出所需的资源为其服务，从而使计算资源可以像电力和自来水一样，统一地实现按需服务。由于不少学校后续课程还有专门介绍云计算的，这里我们简单地描述一下云计算的相关基础知识。8.2.1.1 云计算概念云计算（Cloud Computing）是网格计算（Grid C
27、omputing）、分布式计算（Distributed Computing）、并行计算（Parallel Computing）、效用计算（Utility Computing）网络存储（Network Storage Technologies）、虚拟化（Virtualization）、负载均衡（Load Balance）等传统计算机技术和网络技术发展融合的产物。它旨在通过网络把多个成本相对较低的计算实体整合成一个具有强大计算能力的完美系统。云计算的一个核心理念就是通过不断提高“云”的处理能力，进而减少用户终端的处理负担，最终使用户终端简化成一个单纯的输入输出设备，并能按需享受“云”的强大计算处理
28、能力。然而，对于到底什么是云计算，至少可以找到100多种解释，目前还没有公认的定义。中国网格计算和云计算专家刘鹏曾给出如下定义：“云计算将计算任务分布在大量计算机构成的资源池上，使各种应用系统能够根据需要获取计算力、存储空间和各种软件服务”。 通俗的理解是，云计算的“云”就是存在于互联网上的服务器集群上的资源，它包括硬件资源（服务器、存储器、CPU等）和软件资源（如应用软件、集成开发环境等），本地计算机只需要通过互联网发送一个需求信息，远端就会有成千上万的计算机提供需要的资源并将结果返回到本地计算机，这样，本地计算机几乎不需要做什么，所有的处理都在云计算提供商所提供的计算机群来完成。之所以称为“云”，是因为它在某些方面具有现实中云的特征：云一般都较大；云的规模可以动态伸缩，它的边界是模糊的；云在空中飘忽不定，无法也无需确定它的具体位置，但它确实存在于某处。之所以称为“云”，还因为云计算的鼻祖之一亚马逊公司将大家曾经称为网格计算的东西，取了一个新名称
