2018年3月26日 星期一

.從 M2M 到物聯網的網路本質





原文標題:《網路的本質:從 M2M 到物聯網》

來源:公众号/物联江湖 作者:王一鸣 


任何一種資訊系統的價值,都在於「資訊價值環路」。在技術層面,「資訊環」的建構一直處在變動和發展的狀態中。當我們對實現「資訊環」的技術進行抽象化地理解,便能從資訊環的發展趨勢中,看到網路的未來。

IoT Networks Report - Business Insider

一、自動化設備的資訊環路
即使在沒有網路的情況下,自動化設備也能夠實現,自身與實體世界「感知採集-計算控制-執行操作」的資訊環路。設備能夠自主地調整其周邊的實體環境(也稱為「實體交互」),能夠影響事物發展的過程,「激勵」現實世界,根據其目標產生變化。自主的決策控制能力,使得設備可以脫離人的操控和干預,而自動化運行,這讓各行業的生產效率大為提高。

對於自動化設備,資訊處理的本質,就是形成一個「現實世界-虛擬世界」的控制資訊環路。

Internet of Things – an IoT network for Reading – Out of office

工程師們透過將各種機械組件、電子元器件系統化地組裝起來,製造出自動化設備。設備中主要的資訊處理模組包括:傳感器、控制器、計算器(儲存器)、執行器。

如果生產應用的環境比較穩定,設備操作對象的狀態簡單,決策的邏輯也不複雜,那麼計算器和控制器,可以共存於同一塊晶片或計算模組內但如果環境的變化較多,設備的工作情況複雜,那麼就需要單獨的計算器(儲存器),來實現複雜的邏輯計算。


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圖參考:《中興通訊技術》20112 1 -《從雲計算到海計算:論物聯網的體系結構》
  
二、M2M設備的資訊環路
自動化的設備,可以在相對穩固的環境中獨立運作,但它通常都不能離開專屬的生產環境,設備對動態環境的適應性較低,並且無法與外界互動,以實現更為複雜的邏輯功能。

此外,如果設備出現故障、生產流程出現問題,還是需要監管人員留在現場進行監控和維護,這樣並不利於企業的成本控制和效率提升。

如果能將設備運行的狀態資訊、以及環境和其它生產資料的現狀,透過網路傳送到一個集中化的平台進行監管,並且能透過這個中心平台,反向控制設備的運行,那不僅能夠提高生產設備的適應性,還能降低人員成本,提高資產管理的效率。

所以,「M2M(Machine-to-Machine)」的概念就誕生了。從字面來看,「M2M」是指「機器和機器之間建立連接」,不過從常見的應用形式來看,「M2M」主要是基於「兩端」連接的應用:「終端」設備和「雲端」應用

通用「端到端」的M2M系統解決方案,即是指:企業資產由M2M設備或模組,透過無線/有線的通信方式,連接到集中化的管理應用平台。

一方面,企業資產(機器、工具、耗材等)的各類狀態資訊,經過M2M設備採集後,傳遞到管理應用平台另一方面,管理應用平台也可以下發操作指令給M2M設備,控制相應的機械設備。



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圖參考:《從M2M到物聯網(架構、技術及應用)---機械工業出版社
  

對於企業的資產:純粹的機械設備或生產原材料,可以透過M2M設備上的傳感設備,即時地偵測其物理、化學等狀態而一部分具有計算能力的生產設備,則可以過增加通信模組,實現與集中管理平台的連接此外,對於影響生產的各類環境資訊,也可以過M2M設備上的環境檢測傳感器,進行探測並上報。

M2M的應用,使得企業員工省去了很多奔波之苦,降低了企業資產管理的成本,提升了系統的自適應能力,乃至形成了許多新的商業模式和市場領域

在M2M應用中,數據的傳遞形成了一個大而長的資訊環,這個環使得系統的應用者,可以獲取設備資訊,並控制設備的運作。

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三、M2M應用的服務開放:資訊環的解耦
不過從一個更高的層面來看,M2M應用仍有不足,其中最大的問題,在於應用的複用性不強。在M2M的應用系統中,自上而下的各個功能單元之間處於「緊耦合」的狀態。

整個系統通常屬於專項開發的應用,涉及的數據和終端設備,一般不具有共享的條件設備和設備、系統和系統之間,也不能相互服務。這種由單一應用「獨享」設備能力、資訊數據的模式,常稱為「煙囪式」或「藩籬式」應用。

1.M2M系統中「服務端」和「使用端」的一體化設計
早期,M2M應用的使用者通常比較集中,或是企業內部員工,或是產業鏈上下游的合作夥伴。由於系統的用戶數量不會太多,並且僅限於專業團隊使用,操控的輸入輸出設備,也部署得相對集中。

所以,M2M應用中的兩個關鍵部分:服務端(雲端)和操控端(用戶端),通常會整合在一起,或是透過內部網路和伺服器連接。他們在軟體部分形成緊耦合的狀態,無法分清系統中的連接層次(操作端和服務端)。

並且,M2M應用系統不會向公眾用戶開放,也無需在互聯網上,部署公開的應用入口。如果專業人員有遠端進入系統、進行操作的需求,則可以在遠端操作終端(電腦)上,安裝專用的企業VPN連接軟體,透過互聯網建立專用數據隧道,來保證安全使用。

(1)服務端:功能錨點
「物」的特性和功能的數位化定義:在集中化的平台上,設備、環境、物料,在生產使用過程中的實體特性、運行狀態、操作過程,根據應用的需要,被完全地數位化定義。設備的功能在虛擬的數位化空間中,映射成一個完整的字符序列,和軟體程序。

資訊應用的數位化定義:在集中化平台上,「雲端」所具備的資訊處理能力(大數據分析、可視化呈現、數據搜索、數據庫儲等)也被數位化定義。

這樣「終端」和「雲端」的能力,都集中在統一的平台上,實現數位化呈現,形成了一個完整的功能集。

在M2M的應用系統中,必然有一部分核心的計算節點,集中化地實現了兩種能力的數位映射,即具備了完整的應用功能集。其中的兩種能力,一個是「改變現實的能力(終端)」,另一個是「資訊處理能力(雲端)」。這些核心節點稱為應用的「功能錨點」,能夠提供完整的「應用服務」。

(2)用戶端:M2M系統功能的使用者
在M2M應用中,使用者透過系統所具備的「資訊化交互」方式,即透過輸入輸出終端(例如鍵盤滑鼠和顯示器,作為「操控端」),就可以和M2M應用系統,進行指令交互,在核心計算節點(功能錨點)中,調用終端設備的功能,實現對現實世界的改造。在應用過程中,使用者透過操控端(輸入輸出設備),向應用系統發出的操作指令,稱為應用的「激勵源」。

2.「服務端」和「用戶端」分離,致使「資訊環」解耦
在互聯網思維的感染、軟體工業進步的浪潮之下,M2M應用逐漸向「外部開放,內部解耦」的方向發展。

原本的應用可以在平台側,透過開發標準的軟體接口,向整個互聯網開放功能。使用者可以透過互聯網接口(入口),獲得系統內的數據,以及終端設備提供的服務。

這便是目前最常見的一種物聯網應用模式-「共享」的商業模式。在這個模式中,有三個「端」:使用端、服務端(雲端)、設備端(終端)。

設備終端屬於企業資產,由雲端服務負責監控和管理,雲端服務將終端設備的功能,大打包成商業服務,在互聯網中向使用者開放,使用者只要透過互聯網登錄雲端服務,所構建的應用平台,就能以「租賃」的形式,使用企業的終端設備。

從資訊連接的角度來看,物聯網「三端」型的應用,和以往M2M型應用,有了巨大的區別,這個區別就是資訊環的「解耦」。

如今雨後春筍般的互聯網共享應用,將「服務」和「使用者」掰開了。一般大眾使用者,使用手機(使用者端)透過互聯網登錄應用服務端,應用服務端則提供統一、標準化的租賃服務。

服務端先對使用者進行認證、收費,並記錄使用情況。當驗證了使用者的資格後,服務端便將終端設備的使用權,交付給使用者。

使用者在結束設備(終端)的使用後,將使用權釋放,並完成與服務設備租用結算。一次租賃服務結束後,終端又處於空閒狀態,等待著下一位使用者。

在終端共享的過程中,使用端和服務端之間,形成了無數個臨時的「激勵環」。使用者的消費意圖,在手機上形成「激勵資訊」,啟動了服務端的服務程序。服務端透過攜帶控制資訊的「執行環」,將指令傳遞給終端,並給予使用者終端的使用權(例如對岸共享單車的簡訊解鎖流程)。


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從連接的角度來看,共享服務透過兩個資訊環,實現了針對大眾的物聯網商業應用:臨時的激勵環長效的執行環。

「激勵環」是使用端為獲取服務,而建立的臨時性連接,該環路中主要有使用端的服務請求消息,以及服務端的回饋資訊。「激勵環」可以在互聯網中建立,由公眾化的使用者,從使用端進行建立。

「執行環」是企業管理、控制終端設備的數據聯接,該環路中的資訊包括:設備、環境狀態資訊、設備的控制指令、軟體升級補丁、應用日誌等等。

「執行環」和M2M的連接類似,是企業雲端的服務系統,和企業資產之間的專用連接。該連接中含有一系列的資訊交互標準,規範了和「物」相關的生產、操作、管理、營運等等的流程,使得供應端企業可以管理經營資產,使用端可以使用設備服務。

3.「服務端」的特性分類
資訊環的逐漸解耦,使得「服務端(平台)」脫穎而出。它需要針對廣大用戶建立「激勵環」,提供企業內部應用的能力;針對企業自身資產建立「執行環」,將生產流程和資產設備,映射在系統伺服器中,將企業的技術和經驗進行數位化的定義。

作為中間人,「服務端」起到了承上啓下的作用,是物聯網形成互服務生態的關鍵。共享的應用平台,可以看作是一種針對應用的「物聯網中間件平台」。

從服務平台開放的程度來看,主要分成三種類型:
完全不開放,系統的所有使用者,都是企業的內部部門和員工,對外部不提供服務和能力

有限開放(也稱為「封閉市場」),除了內部使用外,還向有業務來往、有商業合作的企業,或使用者提供應用服務

完全開放(也稱為「開放市場」),服務平台在互聯網中開放功能接口,對使用者不做預設的身份限定,服務面向大眾。這類似於互聯網的門戶網站,大眾使用者可以隨取隨用。(備注:「完全開放」指的是使用者的範圍,並不是指所有的應用功能。企業內部的資產管理、業務分析、專家平台等營運、開發的應用,並不會向外部開放)

服務端(物聯網平台),可以部署在開放的互聯網,或私有網路中。不過,基於「物聯網」的本質定義,只有當服務端部署(暴露)在互聯網中,即應用的「功能錨點」部署在互聯網中,並具有一定的開放性(有限開放、完全開放)時,才算是真正意義上的物聯網應用。

在標準的物聯網應用中,「物」的功能會透過服務端,暴露在互聯網中,服務端透過「執行環」對「物」進行控制和管理,並透過它的互聯網接口,交付給外部使用者進行使用。

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