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3.2 绘一张“物联网技术矩阵”图

《技术的本质》一书中讲到,任何技术都是自然现象和效应(基本技术元素)的有目标的组合,这种组合并不是将所有技术元素随意地混杂、揉捏在一起,而是层次化且有序地组合它们。可以简单地分解成三层结构:底层,基本技术元素利用自然现象和效应实现基本、简单的功能;中间层,复合型技术将基本技术元素再行组合,形成更为复杂的功能;上层,复合型技术作为技术元素,进一步进行系统化组合,最终形成产品或应用。

当然,每一种技术都具有自身的技术元素组合的模式,特别是一些高级复合型的技术。在现实世界中,技术组合的结构往往非常复杂。在实现产品功能的技术路径中,各层级的“元素”可以相互随意地援引(包括元素引用自身),例如复杂高级的技术可以被简单低级的技术引用。每项技术的实际层级关系是由其功能结构来决定的,与技术自分类形成的层次没有关系。这种特性其实一直存在于我们的语言当中,称为“递归性”(Recursiveness)。

语言具有的递归性,主要表现在具有“层次性”和“有机性”。一方面,语言有自然的层次构架:字、词、句、段、章、篇。这种层次划分具有很高的自相似特性(或称“自分类”特性),只要是能够“听说读写”的人都可以很容易地区分这些层次。另一方面,人在语言的组织过程中,会层层引用、复用,而形成丰富多彩的语句组合,来描述现实世界及各种想法。“句子”可以将“段落”作为它的宾语,“字”也可以独立成“句”,而一“篇”文章在别人的论述中,可能就是用一个“词组”来指代的。

组成语言的元素(字词)虽然是有限的,但字词组织成语句的自由度很高,人们可以通过使用有限的词汇形成无限的表达,从而映射(信息化)现实世界中的任何事物。

3.2.1 现实世界正在走向“语义化”

我们通常将“事物映射为信息”的过程称为“信息化”或“数字化”。我个人认为还不够准确,为了更准确也更容易理解,我喜欢称之为“语义化”。

就像人类发展出语言和文字一样,以物联网为代表的信息化工具,可 将现实世界的事物进行信息化映射,即对物件、现象、过程、技术等,在信息系统中进行定义 。(“信息化”或“数字化”便主要是这一层含义。)

同样,如语言作为人的思考、交流的载体一般, 物联网中也需要 语言 用于各信息系统间的 交流 思考 ”。所以,来自物理世界的映射信息会通过规整、统一化处理,使得各类信息系统都能够识别和理解它们,并具备自由关联和组合的特性,用于系统地“思考”:计算分析、逻辑推理、系统间交互、模拟测试、结构设计等。

除了用于机器“思考”以外, 语义化的信息还具备 下行 的能力,即对物理世界的控制执行 。工程师或信息系统可以不断变换下行信息的元素组合,来改变设备、终端执行的策略、方式。易于编排的指令,能够提高工程师对系统优化、调测、操作执行的效率。

进一步来看,如果边缘设备具备“智能”的话,则以往“指令直达控制器和执行器”的控制方式就会彻底改变。首先,物联网的信息系统通过对“物件”“过程”及相关特性的有意编排,形成语言形式的“指示”,这些指示可能并不具体,但目标明确。此后,智能终端接收指示后可以根据自身情况进行执行,执行的具体步骤、周期、方式全部由预先设定的程序决定(当云端请求大流量视频数据上传时,智能终端如果发现网络严重拥塞,就会延后上传的时间,同时通知云端需要“耐心等待”)。最终,智能终端会对云端指示进行具体决策,生成执行器能够执行的具体指令,并向执行器发送执行命令。物联网的云端应用,本身就不了解边缘网络中的环境情况,所以语义化的指令下达一方面可以简化指令并减小数据流大小,另一方面可以避免边缘终端在执行中由于现场的突发情况而出现差错,存在因系统设备之间紧耦合而造成的BUG。

系统间“语义化”的信息交流和泛在 1 计算、边缘计算,是相辅相成的技术组合。物联网信息的语义化会促进计算的泛在部署(智能终端、智能网关、边缘计算服务器),因为物联网需要足够的智能来解读机器语言,智能补填交互信息中的上下文内容;而泛在计算又会促进“机器语言”的发展(更丰富的物联网字典、更简明清晰的专业词汇、更多的解释和执行的实例样本),原有各领域的技术术语都会在物联网的字典中找到对应物。

在本书3.1节中曾经提到过: 技术——所有行业的技术,都具有 模块化 发展的特性,其结构都具有 递归性 ,这些特性与语言的结构特性是完全契合的 。所以,各行业的技术模块(包括设备、流程和系统结构)都能够通过物联网进行“信息化”映射,并在信息化的虚拟世界中被赋予与语言相似的特性。这一方面使得它们在软件系统中可以被自由地复用、组合、援引,从而便于开发者、运营者以及智能化系统对生产和使用的流程进行编排,即对现实世界的编程。另一方面,信息化也便于应用开发人员在虚拟场景中调整技术结构和组成(模拟测试和机构设计),并最终部署到现实的生产场景中,形成技术创新。

各行业数字信息的“语义化”将逐步打通机器之间“感知—思维—交流—执行”的信息通路,形成一个开放、自主、跨领域的物(机器)的互联网络,这便是一个“机器社交”的物联网。智能设备无须人为干预,便能自主地在物理网中使用其他机器提供的服务。比如,自动驾驶的汽车可以感知存有的电能,缺电时可以自主搜寻最近的充电站,给自己充电,或者遵照预约时间自动驾驶到汽车服务站给自己“洗车”。

3.2.2 物联网的技术矩阵

物联网(信息)技术作为技术的一个子集,具备技术组成的所有特性,并不断地向“语义化”的方向发展。它包含了信息领域的所有技术,是对自然界各类信息探知、提炼、传送、计算、转换、反馈的全部集合。由于物联网技术集合具备明晰的层次性,所以笔者更倾向于称其为“物联网技术矩阵”。

(1)物联网技术矩阵的自然结构和层级

在物联网的技术矩阵中,根据技术自下而上的组合特性,自然形成了不同的层级,同一层级之中的技术一般都具有相似的复杂程度和功能特性。在底部是各类基础技术元素,是“提取自然现象中各种信息”和“向自然界反馈信息”的技术。基础技术元素不断组合汇聚并向上构建,实现更复杂的信息技术,直至各类智能化、自动化应用。整体上,高层级技术是低层级技术的有机组合,且又是更高级技术的一个部件。顶端的技术可以涵盖成千上万种基本技术元素,并有可能成为未来更高层技术的一个元素。

物联网底层的技术具有基础、稳定、标准的特性,而高层的技术则向灵活、多态、广泛的方向发展,或者说是从“硬”到“软”。不仅“硬件”如此,“软件”也是如此,许多功能复杂的“软件”(例如大数据计算)也被模块化封装,以一种固定、标准的服务向外开放。

物联网技术除了自然向上组合形成的“层次性”之外,还具有“有机性”,体现在几种应用方式上:“ 复用 ”,某些低层级的技术可能被多个高层级技术利用;“ 自嵌套的递归应用 ”,技术自身可以调用自己,实现操作的嵌套循环执行,就像编程中的“递归语句”一样;“ 非自然层级的递归应用 ”,低层级技术可以调用高层级技术为其所用,同层技术可以相互调用,高层级技术可以跨越多层(不经过中间层级)直接调用底层的基础技术,甚至直接利用自然现象。

物联网技术显现出语言的特性(“层次性”“有机性”),是信息技术不断发展、组合、创新而形成的。语义化的特征使得矩阵中的每项高层级的复合技术都具有扩展性、高效性,人可以在物联网“词汇”集的基础之上,通过“语句组织”构建出各种应用。物联网技术矩阵就是物联网技术的集合,包含了各层次的所有技术元素。

如人类的语言一样,物联网技术是一个“ 有限的基础元素构成,并实现无限表达的巨系统 ”。也正是如此,在技术矩阵中,越靠近上层,物联网技术的数量可能就越多。因为“字词”的数量往往是有限的,但“文章”的数量是无限的。

物联网技术矩阵主要是对物联网技术自然组成的表述,它不以解决具体问题为导向,只是展示自然的技术组成(物联网技术的“词汇”集),以便于对各产品、应用技术结构的理解。在物联网技术矩阵中,能够体现出物联网技术的层次性和复用性,至于技术之间递归引用的关系,则只有在具体应用和产品中才能显现。

在技术矩阵中产品树状结构示意图中,可以看清单个应用或高层级功能(技术)在技术矩阵中的位置,也能够加深对技术相互之间各种引用方式的理解。该图不仅适用于物联网技术,也适用于其他行业技术。技术矩阵中产品树状结构示意图如图3-2所示。

图3-2 物联网的技术矩阵解释:技术的树状结构图

(2)产品和应用的技术结构

和自然的物联网技术层级不同,我们平常看到的某个信息系统解决方案的层次结构,通常都是企业根据商业需要,以自有服务为核心对系统涉及的模块进行分类、分层的。在这些具体的技术方案中,一些最底层的技术模块可能是其他企业系统最高层级的信息服务,而技术方案本身可能亦是其他系统的组成元素(递归引用)。各个应用本质上是对具有递归性的物联网技术的有序组合(对语义化的技术模块进行组织和展现),其技术结构是以解决具体行业问题为目标而设计的。

一个具体的物联网应用或产品,可以看成是一个由各类信息技术叠加形成的金字塔。金字塔的结构类似一个倒置的树,具有其独有的“层次性”。其技术结构是根据需要组合的。其底层技术可能十分复杂,在技术矩阵中本身是高层级复合性技术;而从更高层技术角度看则可能非常简单,在技术矩阵中不过是个最基本的技术元素。

(3)物联网技术矩阵的“六层、两域”结构

参照物联网技术的自然组成结构,以及信息产业格局和物联网的分层架构,物联网的技术矩阵可分成六个层次,从下至上为:元素层、器件层、终端和节点层、(信息)资源汇聚层、平台服务层、应用层。

技术矩阵分成两个“域”:“边缘域”“云端域”。两个“域”的边界主要体现在终端和节点层、资源汇聚层、应用层,如图3-3所示。

图3-3 物联网技术矩阵图

3.2.3 物联网的六层技术

(1)元素层

信息科学中的自然现象和效应是各种基础信息科学的集合,是构建器件层的基础(物联网最基本的技术元素),包括电子学、电磁感应、微波原理、电路理论等。

(2)器件层

信息产业中的基本元器件,主要是各类电子元器件、电路模块和功能板件,包括芯片、电路板卡、电源、存储器、输出输入设备,传感器和执行器。在这一层,“软件”除了包括电路设计外,还包括嵌入式系统及应用,在电子器件出厂前,其内部的“软件”就基本固定了。

(3)终端和节点层

主要包括两类物理实体。

物联网的终端 :包括非智能终端(也称“哑终端”,一般没有数据处理的能力,只能通过网络上报传感数据,或接受操控数据)、智能终端设备(例如工业机器人)、用户智能终端(例如手机、笔记本电脑)。

专用的信息处理节点 :网络设备、计算设备、存储设备。虽然这些节点通常具备网络接口、计算处理器和存储器件,但是它们通常都提供某一种专用的信息能力。例如:IP网中的路由器(网络)、云服务器(计算)等。

除了哑终端以外,其他设备都具有通用或专用的计算能力,例如具有“冯·诺依曼结构”或“哈佛结构”的计算解构能力。

该层的“软件”主要为各种终端程序,包括嵌入式程序、操作系统、中间件、通用或定制的应用软件等。

(4)资源汇聚层

各类信息资源在此层中汇聚。主要包括三种核心的信息处理的资源和能力:网络(例如无线网络覆盖、IP骨干网络、互联网及运营商网络的互联)、计算(云计算、大数据、机器学习)和存储(云存储、大型数据库)。

该层的“软件”除了终端中运行的各种程序以外,还包括各类信息互通的协议标准、流程规范、服务接口等。在这一层,信息化能力已经具有了语义化的特征,具备了一定的开放性,并持续朝着更加开放、灵活、模块化的方向发展。

例如,在电信运营商系统内部,IP 承载网会使用 MPLS 技术(“多协议标签交换”——一种用于IP网络,实现快速数据包交换和路由的技术),为各类业务和系统构建出一个逻辑的IP承载网络。又例如,在电信运营商系统外部,虚拟运营商可以和多个国家地区的运营商签署商业合同,在各国运营商网络之上搭建自有网络,汇聚各国的运营商资源后形成一张覆盖全球的网络,成为“国际电信运营商”。当然,那些没有资金构建全球覆盖网络的网络服务公司,可以租用虚拟运营商的资源,为一些专用应用构建全球互通的SDN网络。

这种可以在“网络”上不断叠加“网络”的方式,正体现了信息技术的语义化特性。

(5)平台服务层

在该层,不仅信息技术被语义化地定义,其他行业技术和实体也实现了语义化(例如工业领域中的“数字化映射”——“数字化双胞胎”)。

为了承载各行业领域的数字化转型,物联网所包含的各类信息技术自身就必须做到语义化。在物联网技术领域之外,各行业的资源和能力也在此处被模块化封装,通过标准化的信息接口向外界提供服务,应用的开发和运营者可以随取随用。同时,该层也提供软件开发或运营工具,便于各类行业系统对技术和设施的使用、组合、评测、维护。在平台服务层,形成了物联网应用的词典(词汇集),各类物联网的资源(设施)是“名词”、各种信息处理功能是“动词”,开发人员将可以将主要精力放置在构建“语句”和“段落”(应用的逻辑功能)上,并最终书写出完整篇章(应用系统、商业体系)。

在这一层中,“软件”包括了物联网服务平台的架构、中间件、接口标准、信息服务规范等,也融合了各行业中的一些基础性的技术服务(比如平台可以提供气象预测的服务)。

虽然,物联网的平台服务层使得“对物联网技术和各专业技术的设计和组合”更为便捷,但底层技术对应用的开发者并不是完全“透明”的,开发者在构建应用逻辑、运用数据资源和工具的时候,需要清楚底层关键物联网技术的适用范围、成本、特性,等等。

在这一层,各行业的一些已经模块化的技术能够通过信息化封装,向外界提供开放式的服务,以形成各行业在物联网中的公共性语言(词汇)。不过,这种语言并不是服务于“人”的语言,而是“物”与“物”之间,即设备、系统之间用以信息交流的语言。只要掌握了某种物联网应用的“语言”,那么任何设备都可以理解该应用数据的含义,使用此应用的物联网服务,操作远端设备并获得反馈。

例如,你拿着连锁快餐店的优惠券,就可以到其所有的连锁门店以优惠价格购买套餐。在这些连锁的门店中,产品名称、价格、食材、分量,以及食物烹饪的方法都是标准、统一的无关细节。确定了需求之后,不用等多久,你便可得到所购食品。这种“所想即所得”的体验,即将是所有智能设备或物联网应用系统都能“享受”到的平台服务。

(6)应用层

对物联网行业应用的设计、搭建、运营。开发者和运营者在应用层,选取所需的资源和功能(包括信息技术和行业技术),通过对下层服务的调用,构建自己的行业应用。在物联网技术层级的体系中,应用层之下的五层都可以理解为应用层的“硬件”;“软件”则是应用开发者自己编写的应用逻辑。如果应用软件承载于SaaS(软件即服务)之上,系统底层设备由云计算服务商提供,那么在应用中可能就看不到任何物理实体的“硬件”,取而代之的是下层模块化、标准化的信息服务和行业功能。

应用层和平台服务层也可以理解为物联网的“创新层”,即一个由应用开发者自由发挥、随意组合的层次,在这里,各行业的技术融合复用,实现“组合进化”并引发产业的升级。

3.2.4 详述技术矩阵的软件和硬件

在《技术的本质》一书中有述:技术包含一系列的结构化组合、流程化操作,这可以被称为技术的软件;而这些组合和操作需要物理设备来构建并执行,我们便称之为技术的硬件。

(1)元器件和电路设计(器件层)

在最初的电子系统(集成电路)中,硬件是电路板和各类电子元器件,软件是连接各元器件的电路设计和布线,以实现较简单的信号处理(计算)流程。

同样,在物联网技术的底层,硬件和软件是紧密结合的,是各类基础性的技术元素,实现最基本的信号处理功能。这些技术元素和自然的关系紧密:传感器利用化学、物理等现象将自然信息转换成数字信号,而执行器则反过来将数字信号转化成电信号或数字信号;各种电子元器件组成集成电路,可以对数据信息(通过电压信号来表示的“0”和“1”的序列组合)进行计算和应用。

(2)CPU、计算机和程序(终端和节点层)

为了提高信息处理的效率并降低运算成本,人们利用半导体领域微细加工的技术,在半导体晶圆表面上制造微电路,并将大量微电路集成封装在一个芯片(Chip)中。微处理器(CPU)是电子信息运算的核心部件,具备实现各种高层级、复杂的信息处理功能。

处理器作为具备通用计算能力的电子器件,体积小、集成度高,内部采取了模块化设计,将计算功能进行了逻辑划分:控制单元、运算单元和存储单元,以支持指令(集)的操作。从系统的角度来看,仅有CPU还不能执行信息处理的任务,必须添加其他相应的功能模块(电源、输出设备、输入设备、外部存储器),才能构建完备的信息化应用。这种以CPU为核心模块的计算系统(存储并执行指令集),基本都遵循了“冯·诺依曼体系结构”或“哈佛结构”的设计思路。这种设计思路使得计算机系统能够独立完成各种类型的计算任务,并实现了软件和硬件的分离。

“软件”在这里的含义已经不再是电路设计和布线,而是指将许多指令进行排序组合,即通过编程语言对指令进行编程、编译,并存储在存储单元中以被调用。程序的调用可以实现更复杂的信息处理过程(信息应用),而随着人类对信息系统(更复杂、更智能)要求的不断提高,硬件和软件逐渐地解耦,“软件工业”开始蓬勃发展。一方面编程语言从低级语言(机器语言、汇编语言)向高级语言(脚本语言、动态语言)进化,应用软件的编写逐渐摆脱了底层编程和软件技术的束缚,使编程方式更加灵活而高效;另一方面为了实现更复杂的行业应用,电子设备、计算机的系统程序也向着分层模块化的方向发展。在应用软件之下,还有各种类的系统软件:中间件、操作系统、硬件驱动程序、网络服务等。硬件以及一些基础的信息处理功能对软件工程师来说,已经被完全地语义化了(实体被数字化抽象:在应用开发的层面,硬件设备由一些代码和属性参数来表示,而一些信息处理的功能则被封装在了编程语言的“函数”中)。

(3)信息系统和协议规范(资源汇聚层、平台服务层)

虽然单台的微型计算机无法处理海量的数据信息,但微型计算机或电子设备能够由多台组成一个信息功能池(信息功能池主要是指“汇聚存储、连接、计算等信息资源,并整合专用的信息处理能力”的信息系统)。信息功能池和其他功能池互联互通,为大型的信息应用系统提供核心能力。信息功能池具备可无限扩展的能力,这种能力基于信息化的树状网络结构,可以通过增加设备数量和提升层级来扩大范围。信息系统包括互联网、运营商网络、云计算、云存储等。

以运营商的IP承载网为例,为了实现全国覆盖,IP承载网呈现了典型的树状结构,从“枝—接入层”(实现区县级别的覆盖),到“干—汇接层”(汇接省内所有地市级网络),再到“根—核心层”(汇接国内所有省级网络),如图3-4所示。IP承载网中的每一层都包含了许多IP路由器,同层的路由器先组成一个覆盖地市的小网,再由上一层路由器进行汇聚并实现全省的覆盖和互联互通,最终由省际路由器实现全国汇聚和联接。如IP承载网一样,各类功能池通过多层集结来实现信息资源和处理能力的四通八达。

图3-4 IP承载网分层示意图(简化)

(1.树状结构被证明是最有效率的养分输送策略,在通信领域,网络的组网方式通常都采用树状结构以实现效能最大化;2.信息技术的树状结构,具备良好的扩展性,其可扩展性符合摩尔定律中的线性增长公式;3.树状结构的特性就是会自然分层:“枝—干—根”↔“接入—汇接—核心”。)

路由器可以理解为一种实现信息连接的专用计算机,它具有计算机的很多核心功能特征。在硬件方面,配置有单个或多个CPU芯片、存储设备(内存)、输入输出接口(以太网接口、ATM接口等);在操作系统方面,路由器通常都安装了专用操作系统(例如H3C公司的Comware和思科公司的IOS)。

显然,不同生产厂家的路由器有不同的硬件结构和操作系统,而不同运营商,以及其他网络运营企业在使用这些路由器的时候,也会采用不同的组网结构和系统配置。为了实现(不同厂家和运营商)路由器以及路由器网络之间的互联,形成大范围的网络资源池组,就需要通过开放型网络协议进行互联,并实现信息的传递。网络协议在一定范围内兼容各种型号的路由器和其他网络设备,能够实现各自网络资源的联接。例如,在IP承载网中,路由器每个接口都会采用以太网配置进行互联,并开启基于TCP/IP的BGP路由协议,以此使得每一台路由器及其接口在整个网内都是“可见”(可路由)的。

在IP承载网中,路由器及其他网络设备、线缆是该系统的硬件,而以太网协议、路由协议则是其软件部分。

信息汇聚的系统都具备标准的规范和协议,以保证设备之间的兼容性,可满足系统随时扩容和升级的需要。而随着系统不断扩大,在内部融入了越来越多的生产环节和上下游企业时,规范和协议就会越来越具有开放性,这就是我们常说的“公有协议”(例如互联网业务中的基于HTTP的Web服务、基于SMTP和POP3的电子邮箱服务)。

(4)应用的软件(应用层)

通过系统内对信息资源和能力的编程,可以实现自动化的信息处理,获得具有价值的信息或操作反馈。当然,“编程代码”只是物理网应用“软件”的一部分,还有一部分是由人的参与来实现的:业务流程、生产操作、企业管理、客户行为,以及对物联网信息系统的迭代和运营,等等。

从技术的本质来看,物联网的“软件”包括了电子(信息)学效应、芯片和电路设计、计算机程序、通信网络协议、互联网协议、网络系统构架等。通过这些“软件”,可以将各类“电子零件”拼装成各种信息系统,满足各类不同的信息处理需要。不过“搭起来容易,动起来难”,各类大型系统往往搭建好以后就不易改动了,各层“软件”和硬件设备往往处于紧耦合的状态,各个系统就像一根根巨大烟囱一样无法修整、无法关联,也无法兼容其他业务应用。在物联网时代,需要将软件和硬件、软件和软件之间进一步地解耦,使“信息资源”“信息处理功能”彻底模块化,这正是信息产业发展的目标。比如运营商提出的“软件定义网络”,存储公司提出的“软件定义存储”,以及经常听到的“不要重复造轮子”“应用使能”等称谓,都是指将原本行业中已经基本固化不变的软件、硬件,进行语义化封装,再通过软件分配和调用。

在物联网技术的上层,信息化的工具、方法、协议、算法会被封装为“函数”,物理实体会被映射成一串结构化的字符集。因此,物联网会进一步丰富现有的“编程语言”,形成一部汇集万物和技术的数字字典。这部字典包含了大量映射实体世界的“数字化词汇”,并具有自然语言的一种关键特性:递归性。这种语言特性使得物联网应用之下的所有技术,对应用的开发者和运营者来说变得简单易懂(对于应用开发团队,底层技术通常是个“黑箱”,需要花费精力、深入学习后才能理解和应用)。行业内由称此为“透明化”。不过笔者认为这样讲并不是很准确,可能称之为“技术在‘折叠’后易于‘交付’”更贴切一些。

(5)安全技术

安全性可以理解为信息化系统的一系列应用需求,以强化信息系统自身的某些特性。就技术的范围来看,安全技术贯穿了物联网矩阵的各个层次,既涉及软件的部分,也涉及硬件的部分。

根据目标的差异,安全技术主要分为两种。

保证稳定性(也称为鲁棒性——Robust

系统冗余技术用于避免和应对系统的突发故障、业务意外中断。通过规范标准的设计、软件/硬件系统的构建、故障处理流程的制定等措施,使得系统内的计算资源、网络资源和存储资源相互冗余,不会因为设备内的模块(器件层)、信息节点(终端和节点层)、局部网络和服务系统(资源汇聚层)的故障或运行异常(BUG),而引起数据丢失或业务中断。

冗余技术通常嵌入系统整体的技术架构之中,冗余功能在设计和建造的过程中就已经实现,可以在运营过程中予以实现(节点倒换、业务迁移、数据备份等)。它的目标是追求“生产力”的内在稳定性。

防御入侵和破坏

为避免人为的系统破坏、数据窃取或篡改,采取安全验证、流量过滤、加密传输、安全域隔离、包检测等一系列的信息安全技术。我们通常提到的安全技术,主要就是针对人为威胁的技术。

随着安全技术的发展,一部分技术实现了模块化的生产或部署。

● 节点:防火墙、安全路由器、身份验证服务器、漏洞扫描服务器等;

● 软件:防火墙软件、杀毒软件、VPN拨号软件、安全狗软件等;

● 协议:网络层的“握手”协议(TCP、SCTP)、无线通信协议流程(附着、鉴权、加密)、应用层协议(HTTPS)等;

● 通用算法(公式):对称加密算法(DES、AES)、非对称加密算法(RSA)、摘要算法(MD5、SHA1)、数字签名等。

我们常提到的“信息安全技术”,主要是指信息系统对外来恶意行为的防范。实质上,它超出了纯粹的信息技术范畴,它已经成为一门综合性学科,是将管理、信息技术、法律、社会工程学等问题相结合的“技术”。

安全技术是信息技术一个重要子集。虽然模块化生产和部署使安全技术具备一定的独立性,但系统的安全特性高度地依赖于软件、设备、系统、协议规范原本的设计体系。深入来看,安全技术是很难从系统技术构架中剥离出来的。

3.2.5 物联网的两个域

信息流“接入”和“汇聚”的两种需求,将物联网的技术自然地分成了两个“域”:有无数设备需要联网,接近物理实体现场的“边缘域”;远离现实物件,但信息集中汇聚的“云端域”。在应用层面,不同的功能需求进一步促进了两个域的分隔。“边缘域”的应用和功能倾向于需要实时性的反馈操作,而“云端域”的应用则倾向于抽象化的预测分析、海量数据检索等。

在终端和节点层、资源汇聚层中,两个域所包含的硬件和软件是有差别的。例如,边缘网络中有各类终端配备传感器——用以感知物理世界;但云端网络中的设备则只有标准的信号输出/输入接口。边缘网络会部署各种类型的网络协议,包括了有线网络和无线网络、“对等网络协议”和“非对等网络”(TCP/IP是一种对等网络协议,而RFID技术则是非对等网络协议);而“云端域”只有对等网络协议,例如IPv4、IPv6。

3.2.6 从技术矩阵进一步理解物联网

在了解物联网的技术矩阵后,就可以更深入地理解物联网产业中的一些概念和关键词。

(1)物联网的信息“入口”和“门户”

在物联网中大多数的原始数据都从边缘网络中获取,并经过一定的筛选处理后输送至“云端”(物联网平台和应用)。在边缘网络中的各类终端会嵌入现实世界的各个角落,成为外界信息的主要入口。当然,还有一部分原始性数据并不从边缘网络导入,而是由应用企业、开发人员、专业人员、其他信息系统在云端通过云端服务器的输入设备直接导入。严格来说,云端本身无法产生物联网数据(没有对物的感知能力),但是它具备计算能力而且拥有智能,可以提取数据中的信息价值,从而向其他系统或用户提供信息服务。

物联网信息入口主要分布在三个层次。

终端

在终端和节点层,边缘网络中的终端为物联网入口。在这里主要接入三类信息:物理世界的环境,通过 具备 传感器 ”“ 执行器 的终端 与物联网互通;人(用户)使用各种 用户智能终端 交互终端 来实现对“物”的操控; 智能终端、智能设备 具备自助连接物联网、获取服务的能力,可以在没有人为干预的情况下与云端的应用服务进行信息交互。在这里,会形成“消费者生态”。(消费者不仅指人,也包括能够利用物联网自助服务的智能设备。)

平台

在平台服务层,通过各种互联网接口和输入输出设备交换各类物联信息。在该层中,各种物联网专业领域和其他行业领域的信息大量汇聚并在不同系统间交互,平台被当作物联网信息的“集散地”。物联网系统或应用的开发者、运营者(包括各行业技术人员),都会利用平台服务来运营物联网或进行功能开发。在这里会形成物联网的开发者、运营者生态。

应用

在应用层,物联网应用和互联网应用的特性基本一致。用户可以远程登入应用系统,操作、查看远端的设备,收集环境信息,获取信息服务。在这里,具有互联网的生态形式,并且由于物联网的融入,它会被扩展到一个新的高度:和终端、平台层的情况一样,大量智能系统会成为应用层的用户,这些用户能够自主地使用各类物联网应用,自助完成商业交付,完成互联网、物联网的商业交易。和终端侧一样,形成消费者生态。

和互联网领域一样,在物联网的(信息)入口处,将形成各层对应的产业生态,同时也会酝酿激烈的商业竞争,即“入口之争”或“门户之争”(在平台层和应用层,“入口”也被称为“门户”)。而由于物联网的入口非常多元化,任何一家企业都很难做到在某领域内完全垄断,并且入口处的生态需要开放语言、共享服务的支持,所以企业之间除了竞争关系外,还需要通过不断协同合作,促进物联网公众化语言体系的建立、服务标准的确立,从而形成健康的行业生态,共享入口价值。在物联网领域中,企业和企业之间的竞合关系会非常微妙。

(2)物联网中的信息流向

从整体来看,真实世界的各种“物”的信息,先通过物联网入口,再直接或经过边缘网络进入核心的互联网络,最终到达云端服务平台,这就是横向的“端—网—云”的“ 汇聚流 ”。如前文所述,信息汇聚具有典型树状结构。物联网中零散的原始数据,会通过各种入口终端,经过各层网络不断地汇总,最终到达云端。

树木赖以生存的养料在枝干中流淌,这每一滴养料都弥足珍贵,但在物联网中获得的原始数据就并非如此了。在物联网中会产生很多垃圾数据、重复数据、时效性数据、地域性数据,这些数据本身并不一定需要送到云端;同时还有很多极低信息量的数据,如果不做处理,会过多地占用云端资源。数据并不是越多越好,也并不需要完全集中在一起。所以,物联网不仅是一张汇聚信息的“网”,还是提取信息价值的工具。在物联网技术矩阵中,可以通过计算能力的泛在部署,形成自下而上的“终端—网络—服务—应用”的“ 价值流 ”。通过物联网技术,海量数据中具有价值的信息被逐层提取,并生成浓缩的“简报”再向上传递,直到应用。

信息价值提取的效率和高度,在物联网发展前期取决于连接网络的带宽,而后期则主要取决于物联网各层级服务的计算能力。智能化计算能力的部署会成为一种广泛的需要。在智能(计算)帮助信息流转的同时,“信息汇聚”和“技术向上组合”也会促进智能的进化和迭代。智能和信息彼此需要、相互促进,这将成为物联网发展的关键模式。

智能发展的方向是信息“汇聚流”和“价值流”的“向量和”。

(3)从技术矩阵理解物联网

专业机构和企业对物联网都有自己的理解(分层)方式,这些方式多数是从“信息流”或“技术组合”两个角度来分层的。它们对物联网的理解,基本都可以映射到物联网技术矩阵中加以理解。

IBM公司对物联网的三层划分为:感知、连接、智能。IBM的三层划分,整体上是从信息“汇聚流”的角度来考量的,信息从入口到网络,再到云端。不过IBM强调了物联网技术在云端的“价值流”的特性,即信息技术向上组合进化的最终目标:智能,如图3-5所示。

电信运营商、电信设备生产商的分层:端(感知层)、管(连接层)、云(处理层)、应用(应用层)。和IBM分层角度基本一致,主要以信息的“汇聚流”为参考,强调了平台层(云—处理层)汇聚数据的特点,如图3-6所示。

图3-5 IBM公司定义的物联网三层架构示意

图3-6 电信运营商和电信设备生产商的分层架构示意

咨询机构对物联网产业环节的划分(8个环节):传感器(感知)、芯片、无线模组、通信网络、平台(连接管理、设备管理、应用开发)、操作系统、智能终端、集成应用。环节的划分主要是以“商业—产业链”的角度来归类的,不过也能从中看出和物联网技术矩阵的密切关联。在物联网产业中,各个环节其实是在相关技术实现模块化、标准化生产后,形成的较稳定的商业模式,包含了物联网技术各层级中的关键部件。这些关键部件,从技术组合特性的角度来看,其所涵盖的技术往往是具有较高的递归性(通用性强、产量大,容易被其他技术利用,并且被大量的高层级技术复用)和复杂性(科技含量高,生产工艺复杂)。最典型的例子就是“芯片”,即器件层中的关键部件,如图3-7所示。

图3-7 第三方咨询机构的“商业—产业链”架构示意

在物联网行业中,不同的组织或企业往往会提出不同的物联网架构。这些组织和企业对物联网的解读,一方面是从自身的技术认知出发,另一方面会以自身资源和能力为导向对物联网进行解构,并结合自身技术架构向外展示,以表达组织的行业、商业诉求。不同的组织有自己的物联网技术结构解释,这个结构建立在自然的技术矩阵之上,通过组织内技术人员的技术创新(组合)来实现,再以信息流(汇聚流、价值流)、技术结构、软硬件等几个角度,对技术结构进行分层分段,以方便客户的理解。当然,如果能够了解物联网技术矩阵(自然层级),并理解物联网技术的递归性、语义化等特性,就能够读懂各种复杂的技术结构。也正是信息技术的语义化特性,造就了“各家各户”丰富多彩的技术形态(架构)。

3.2.7 总结

物联网具有自然的技术矩阵。在技术矩阵中,底层的技术基础、稳定、标准、规范,上层的技术灵活、多态、广泛、复杂,底层可以看作上层的“硬件”。物联网技术具备语义化发展的趋势,并助力其他行业技术也形成各自的开放语言:任何一件事物、一个过程、一种特征都可以通过物联网系统中的语言来表述,并被任何一个对此感兴趣的智能设备来解读。

技术被模块化表示,物件被数字化映射,开放的物联网语言体系使得万物皆可描述,物联网平台使得“信息服务”足够简单且灵活,信息化应用的构建就像积木拼装:随心所欲不逾矩。

“语言”需要“智能”来编辑。现实世界总是善变的,不可预测的异常状况难免发生,况且“人”(开发人员、运营人员)也没有精力照顾日益增多的联网设备。所以,需要物联网自备“智能”,来接收并管理海量的数据信息(汇聚流),并自主解决现实世界中难以计数的问题、满足社会的各种需要(价值流)。智能将具备“语言组织”的能力,可以在物联网的世界中“畅所欲言”:通过编辑物联网语言,获取资源、自给自足、完成工作。智能的系统或设备可以脱离人的直接操控,根据给定目标思考、探索解决方案,通过物联网服务扩展其能力,像一个人一样既具备独立生存的能力,又能够交流协作(群智),实现更宏大的目标。

某一天,物联网将成为一个各类生物(包括人、动物)和机器同时在线上和线下进行信息交互的“跨物种”的“社交网络”。 yQdWdO1mXQHR9j+uC7c7VOon9Yfl3YwQXwJ2iNOn2KsnsqzkHkWkk2G1rcBPawX0

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