软件定义物联网

1.引言

物联网被称为继互联网、移动互联网之后信息产业的第三次浪潮。10年前物联网还仅限于科研的范畴，只是狭义地用传感器把某个目标定期监控，比如城市二氧化碳浓度的变化，火灾场景的监控。但物联网的物，可指天地万物。物之所达，皆可联网。越来越多的身外之物被联接起来。网络流行的新四大发明“高铁、支付宝、共享单车、微信”都体现了物联网的功不可没。更重要的是，我国“十四五”指出物联网将对传统制造产业链、价值链带来革命性影响。物联网时代如同微软定义的PC时代和苹果的移动时代,正对这个时代产生革命性的影响。

软件定义物联网平台是在传统的物联网平台上集成了软件定义的功能。软件定义的意思是将控制和数据分离。目前主流的物联网平台有百度IoT平台、阿里物联平台、QQ物联平台、微信硬件平台、京东智能云、机智云、庆科云、和AbleCloud智能云。百度IoT将打造智能操作系统；微信平台与QQ平台自带社交属性；京东智能云、阿里智能云提供可以自定义界面的统一APP；百度IoT以及QQ物联提供基于地图服务的增值服务；AbleCloud可以作为第三方云平台接入到其他支持第三方云平台的平台；庆科云，机智云，阿里智能云均提供自己开发的智能模组，且支持别的硬件厂家的模组接入。但目前的物联网平台都没有集成软件定义的功能，并且对物联网的针对性不够透彻。

业界和政府的重视和软件定义物联网基础软件的缺乏使得一个新的产业链已经形成，行业预测这是一个万亿级别的新风口。谁抢得先机，谁就是风口上飞起来的‘猪’。30年前，微软认知到PC的重要性，开发了Windows操作系统，并由于平台应用软件Office而把比尔盖茨推上福布斯的榜首。15年前帮主乔布斯意识到移动时代的来临，推出iPhone一系列产品而把苹果公司推上互联网公司市值的榜首。如今到了物联网时代，这是中国公司首次与传统海外同行站在了同一条起跑线上，争夺制定游戏规则和主导话语权。软件定义物联网，从概念到落地，鹿死谁手？在回答这个问题之前，我们从软件定义物联网的价值，特征，和如何实现三个方面展开。

2.软件定义物联网的价值

软件定义物联网平台的第一个价值是虚拟化。虚拟化的概念就像操作系统中的进程，每个进程和其它的进程共用操作系统的硬件资源，但每个进程的用户没有意识到其他进程的存在。软件定义物联网的虚拟化概念有所扩展。这里的虚拟化是指控制和数据分离，软件和硬件分离，一切皆可编程。

虚拟化管理提高了软件复用率，代码自动生成率。在虚拟化的模式下，不同的软件模块可以重用，不同供应商的软件模块互换性增强。这也是分摊成本的一种方法，比如一个应用提供的安全程序部分相同，就可以重复利用那个模块。由于软件定义物联网平台涉足不同应用领域，虚拟化使得平台能在不同的应用场景轻易切换。当今物联网行业流行一个关键词叫软件定义系统+（Software Defined）SD-X，这里的X可以指代任何行业。比如SD-Vehicle，就是软件定义汽车，SD-Wellness就是软件定义健康，SD-Education就是软件定义教育。在虚拟化的场景下，开发新应用的边际开销大幅度降低。综上所述，虚拟化的软件定义物联网具有通用性强、硬件适配率高，并支持应用级开发的价值。虚拟化必然带来了模块化，软硬件厂商将普遍受益于全行业统一的标准化程序，以及互换性更强的软件平台。

软件定义物联网平台的第二个价值是高质量的数据管理。虽然物联网平台能完成特定的指定任务，但还需要重视数据价值，进一步挖掘数据价值。软件定义物联网重视数据的流处理，从数据中提取信息，然后转换成适合处理的格式，并使流水线能输出更高质量的结果。基于数据驱动转型，促使传统行业转型升级。智能化能提高物联网用户产生的海量数据利用率，提高物联网的性能和用户体验。智能设备所产生的运行数据和用户所产生的行为数据都可以实时汇总到云端进行存储，供数据分析及自学习使用。数据分析结果的输出速度取决于对历史海量数据的处理速度，软件定义物联网支持T级别数据的并行处理，实现计算结果秒级输出。普通的数据分析引擎仅能支持对近一天以前的数据进行分析，软件定义物联网的流式实时计算引擎可以做到对近10分钟前的数据进行分析。软件定义物联网封装了群组分析、漏斗分析、留存率分析、session分析等通用分析模型。软件定义物联网引擎支持第三方算法运行，开发者除了可以选用引擎中已有的通用分析模型，也可以自行定制数据挖掘算法。

软件定义物联网平台的第三个价值是广泛全面的设备联通和管理。软件定义物联网比Windows操作系统的设备管理器更复杂，原因是物联网设备有多、杂、变、微的特点。接下来从这四大特点分别说明。首先是‘多’，物联网设备是海量的。随着社会的进步，越来越多的设备被联入物联网。如果没有物联网，每人充其量也几台设备上网，乘以地球总共人口，百亿是设备数量级的上限了。如今每一个物件都可以上网。照明的灯，摄像头，七合一传感器，空调自带的温湿度检测节点都是物联网的设备。有的系统设备数量级甚至被称为海量都不过分。其次是‘杂’，杂的意思就是说物联网设备是异构的，异构体现在设备的大小，能力，耗费等。比如这个设备是个无人机，而另一个设备只是一个小传感器。再次是‘变’，物联网继承自无线传感器网络，而传感器具备位置变动的特点。除了少数大型设备之外，大部分物联网设备是移动的。设备位置变动必然导致设备的接入和删除。这就需要物联网平台是可扩展的。最后是‘微’，物联网中物体所携带的设备都很简单，计算和传输能力偏微弱。大多数设备都没有驱动程序，比如传感器节点。有的设备缺乏完整的计算能力。有的设备甚至没有主动传输能力，只能被动地被识别的标签，比如射频标签或者一台共享单车上的二维码。相比之下，传统的网络设备通常都是具有完整计算能力的复杂设备比如苹果手机和掌上电脑。综上所述，正是由于物联网的设备具有海量，异构，移动，零碎的特点，传统的手工作坊式的设备管理方式比如嵌入式系统效率低下，已经不适用于当今的大规模物联网，只有软件定义物联网平台能系统性地联接和管理所有设备，把所有的硬件资源集成到一个系统。

软件定义物联网平台的第四个价值是安全。为什么需要网络安全，这是因为在物联网应用中，处理用户访问权限，攻击安全性是重要的问题。软件定义物联网平台继承自云计算平台，能提供一定的安全和高性能设施。比如，软件定义物联网能建设了多重安全防护体系，对云、管、端都进行了严格的审计和防护，另外，软件定义物联网提供了云端防护与加固，高效阻挡恶意攻击；以及数据自动备份，避免误操作删除。软件定义物联网在业务层面也能提供安全保护。比如在智慧楼宇中，根据用户组的不同来分配楼宇内摄像头和楼宇的光照系统设备等的访问权限。在智慧教育中，在人体检测、人脸识别、行为识别的方式保护用户的安全隐私。

3.什么样的系统才能称为软件定义物联网？

什么样的系统才能称为软件定义物联网？该系统在硬件和上层应用之间定义了一个中间层。这个中间层类似网络操作系统。该中间层具有虚拟化、云引擎支撑、大数据分析、设备联通管理的特征。这四大特征与前述的软件定义物联网的价值有着紧密的对应关系，比如，特征一和二对应着价值一，特征三对应着价值二，特征二和四对应着价值三，特征二对应着价值四，接下来从三大特征展开。

第一，软件定义物联网具有虚拟化的特征。该特征是指用户根本不知道数据是在位于哪里的哪几台机器处理的，也不知道是怎样处理的，当用户需要某种应用时，用户向平台发出指示，很短时间内，结果就呈现在他的屏幕上。平台向用户隐藏了实现细节，并最终以整体的形式呈现给用户。虚拟化的特征是和云平台分不开的。这是因为云平台具有计算强大的虚拟化资源池的架构，物联网平台的资源池本身不仅可以动态的扩展，而且用户使用完毕后的资源还可以及时方便的回收，大大优化硬件资源的使用。采用这样的服务提供模式极大地增加了物联网平台的资源利用率，同时也能更好地提升的服务质量。

第二，软件定义物联网具有云引擎支撑的特征。该系统利用云平台来实现存储和计算的功能。这里的“云”为存在于集群上的各种类型的资源集合。这些资源分为硬件资源和软件资源，其中的硬件资源有服务器、存储器和CPU等，软件资源包括应用软件和集成开发环境等。用户只需要通过网络发送请求就可以从云端获取满足需求的资源到本地的计算机，所有的计算任务都是在云平台完成。用户可以按需来获得各种计算服务、存储服务和各类软件资源.

第三，软件定义物联网具有大数据分析的特征。物联网的特点是海量设备，海量设备必然产生了海量数据。软件定义物联网具备流式数据实时计算系统、数据分析算法运行平台，支持自定义分析，秒级即可产生图形化分析结果，且有效跟踪后期效果。

第四，软件定义物联网具有设备联通和管理的特征。软件定义物联网具备安全可靠的设备连接通信能力，支持设备数据上云，规则引擎流转数据和云端数据下发设备端。另外，该系统提供方便快捷的设备管理能力，数据结构化存储，和远程调试、监控、运维。

4.怎么去实现这样的软件定义物联网系统？

软件定义物联网系统可以采用四层架构实现：部署、引擎、控制、业务。

部署层负责Kubernetes（k8s）部署。所有的容器均在微服务Pod中运行, Pod支持多个容器在一个Pod中共享网络地址和文件系统，可以通过进程间通信和文件共享组合完成服务。在此基础上，该系统也可集成了边缘计算功能，用华为的kuberedge代替谷歌公司的Kubernetes（k8s）实现边缘计算的功能。

引擎层负责数据的处理，通过Spring Cloud Data Flow（SCDF）实现。系统在上述架构基础上，形成“管道-过滤器”形态的数据流流图。

控制层负责管理该系统的用户管理，设备管理，流模型管理，和单元管理等。控制层调用引擎层的API，将任务布置给SCDF等引擎。

业务层负责具体业务的实现，比如智慧楼宇，智慧教育，智慧康养。

有了部署、引擎、控制、业务四层架构的实现，接下来我们验证这种实现模式体现了软件定义物联网的所有特征。

首先，该系统在虚拟化方面的特征体现在控制层。该系统提供有可视化的开发配置面板、自定义云端服务运行环境和方便立即调试的虚拟设备系统。

其次，该系统在云计算引擎的特征体现在引擎层和部署层。该系统提供定制化云端功能开发、海量硬件数据存储与分析等基础设施。

然后，该系统在大数据分析的特征体现在引擎层和控制层。该系统采用SCDF对数据进行处理和计算。

最后，该系统在设备联通和管理的特征体现在部署层。该系统面向IoT硬件厂商，提供设备联网与管理、远程查看控制。

5.小结

综上所述，目前阿里物联平台，QQ物联平台等平台对物联网的特性针对性还不够，并且没有完整集成软件定义的功能。在软件定义物联网系统这一场新的风口，鹿死谁手，拭目以待。