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1、物联网导论,薛 燕 红 编著 ,21世纪高等学校规划教材,机械工业出版社,目 录,全球定位与地理信息系统,物联网导论 共十一章,第6章,第8章,第9章,第11章,第10章,第1章,第2章,第3章,第4章,第5章,物联网概述,射频识别与产品电子编码,无线传感网络,传感器与微机电系统,信息自动识别技术,目 录,物联网应用案例,物联网导论 共十一章,第8章,第9章,第11章,第10章,第7章,第8章,第9章,第10章,第11章,互联网与移动互联网,物联网应用接口技术,物联网安全,物联网支撑技术,第8章 物联网支撑技术,8.1 物联网的计算工具 8.1.1 计算技术发展趋势 8.1.2 我国高性能计算
2、研究与应用的发展 8.1.3 普适计算技术的研究与应用 8.2 海量信息存储 8.2.1 解决海量信息存储的紧迫性 8.2.2 网络存储技术 8.2.3 数据中心 8.2.4 hadoop 8.2.5 云计算与云存储,第8章 技术支撑层,8.3 数据挖掘与智能决策 8.3.1 数据库与数据仓库技术 8.3.2 数据挖掘技术 8.3.3 机器学习 8.3.4 人工智能技术 8.3.5 智能决策系统 8.4 搜索引擎 8.4.1 搜索引擎简介 8.4.2 搜索引擎的组成及工作原理 8.4.3 人肉搜索引擎,第8章 技术支撑层,技术支撑层是“智慧”的来源，在高性能计算、普适计算与云计算的支撑下，将网
3、络内海量的信息资源通过计算分析，整合成一个可以互联互通的大型智能网络，为上层服务管理和大规模行业应用建立起一个高效、可靠和可信的技术支撑平台。如通过能力超级强大的中心计算及存储机群和智能信息处理技术，对网络内的海量信息进行实时高速处理，对数据进行智能化挖掘、管理、控制与存储。 在技术支撑层，需要完成信息的表达与处理，最终达到语义互操作和信息共享的目的；在技术支撑层的下层，需要对网络资源进行认知，进而达到自适应传输的目的；在技术支撑层的上层，需要提供统一的接口与虚拟化支撑，虚拟化包括计算虚拟化和存储虚拟化等。 在技术支撑层，一般是以中间件的形式对数据提供存储和处理，为数据中心采用数据挖掘、模式识
4、别和人工智能等技术提供数据分析、局势判断和控制决策等处理功能。总之，要用数据库与海量存储等技术解决信息如何存储、用搜索引擎解决信息如何检索、用数据挖掘和机器学习等技术解决如何使用信息、用数据安全与隐私保护等技术解决信息如何不被滥用的诸多问题。,8.1 物联网的计算工具,8.1.1 计算技术发展趋势 进入21世纪，计算技术正在朝着高性能、广泛应用与智能化的方向发展。 1.高性能 提高计算机的性能主要有两个途径，一是提高器件的速度，二是采用多CPU的结构。20世纪80年代的个人计算机288、388的CPU芯片工作频率只有几十MHz，20世纪90年代初，集成电路集成度已达到100万门以上，从超大规模
5、集成电路开始进入特大规模集成电路时期。由于精简指令集计算（RISC）技术的成熟与普及，CPU性能年增长率由20世纪80年代的35%发展到90年代的80%，奔腾系列微处理器的主频已经达到GHz量级。 提高计算机性能有三种基本的方法。第一种方法是让一台计算机不是使用一个CPU，而是使用几百个或者几千个CPU。第二种方法是将成百上千台计算机通过网络互联起来，组成计算机集群。第三种方法是研究运算速度更快的量子计算机、生物计算机与光计算机。,8.1 物联网的计算工具,2.广泛应用 计算机技术发展的另一个方向是应用广度的扩展。近年来随着互联网的广泛应用，使得计算机渗透到各个行业和社会生活的方方面面。网格计
6、算、普适计算与云计算正是为了适应计算机应用的扩展而出现的新的技术模式。 3.智能化 计算机技术发展的第三个方向是向应用的深度与信息处理智能化方向发展。互联网的信息浩若瀚海，怎样在海量信息中自动搜索出我们所需要的信息，这是网络环境的智能搜索技术目前研究的热点课题。未来的计算机应该是朝着能够看懂人的手势、听懂人类语言的方向发展，使计算机具有智能是计算机科学研究的一个重要方向。 高性能计算、普适计算与云计算已经成为21世纪计算机技术研究的重要热点问题，成为支撑物联网的重要计算工具。同时，科学家认为现有的芯片制造方法大约在未来的10多年内达到极限，为此世界各国研究人员正在加紧研究量子计算机、生物计算机
7、与光计算机。,8.1 物联网的计算工具,8.1.2 我国高性能计算研究与应用的发展 计算科学在我国国防建设、国民经济建设、前沿高技术和基础科学研究中，尤其在能源、地球环境科学和气象科学、航空航天、药物研制与生命科学、重大工程与装备研究领域中需求迫切，是国家科技创新的主要研究手段之一，也是支撑物联网运行的重要计算工具与环境。 1.高性能计算研究的现状 高性能计算（High Performance Computing，HPC）又称为超级计算，是世界公认的高新技术制高点和21世纪最重要的科学领域之一。高性能计算机也称为超级计算机或巨型计算机。HPC是计算机科学的一个分支，研究并行算法和开发相关软件，
8、致力于开发高性能计算机。 世界各国纷纷投入巨资研制开发高性能计算机系统，以提升综合国力和科技竞争力。在国际高性能计算研究中，最有影响力的是“高性能计算机世界500强（HPC TOP500）排行榜”。2010年5月31日公布的最新HPC TOP500名单中，由我国曙光公司研制生产的“星云”高性能计算机实测Linpack性能达到每秒1.271千万亿次，居世界超级计算机第二位，它表明中国高性能计算机的发展已达到世界领先水平。 经过几十年的不懈努力，我国计算机技术已取得很大的发展，“银河”、“天河”和“曙光”等高性能计算机技术的发展，使得我国继美国、日本、欧盟之后，成为具备研制千万亿次以上能力计算机的
9、国家。,8.1 物联网的计算工具,2.“银河”与“天河”超级计算机 1983年12月22日，中国第一台每秒钟运算一亿次以上的“银河”巨型计算机由国防科技大学研制成功。它填补了国内巨型计算机的空白，标志着中国进入了世界研制巨型计算机的行列。 2009年国防科技大学研制成功了我国首台千万亿次超级计算系统“天河一号”，运算速度可以达到每秒1.208千万亿次。“天河一号”配置了8144个通用处理器，5120个加速处理器，内存总容量98TB，点对点通信带宽40Gbps，共享磁盘总容量为1PB。如果就计算量而言，“天河一号”计算机一天的计算量，相当于一台配置Intel双核CPU、主频为2.5GHz的微机1
10、80年的计算量；就共享存储的总容量而言，“天河一号”的存储量相当于4个藏书量为2700万册的国家图书馆。 “天河一号”具有极为广泛的应用前景，主要的应用领域包括：石油勘探数据处理、生物医药研究、航空航天装备研制、资源勘测和卫星遥感数据处理、金融工程数据分析、气象预报和气候预测、海洋环境数值模拟、短临地震预报、新材料开发和设计、建筑工程设计、基础理论研究等。,8.1 物联网的计算工具,3.“曙光”超级计算机 “曙光”计算机公司是我国目前唯一的国产全系列高性能计算机生产厂商，迄今已推出“天演”“天阔”“天潮”三大系列多种型号的服务器和工作站。曙光公司推出的曙光3000计算机运算速度达到每秒钟4.0
11、32千亿次，曙光4000计算机运算速度达到每秒钟11万亿次，曙光5000计算机运算速度达到每秒钟230万亿次。计算速度超千万亿次的“星云”高性能计算机将用于科学计算、互联网智能搜索、基因测序等领域。 8.1.3 普适计算技术的研究与应用 1.普适计算的基本概念 1991年，美国Xerox PAPC实验室的Mark Weiser正式提出了普适计算（pervasive computing，或ubiquitous computing）的概念。1999年，欧洲研究团体ISTAG提出了环境智能（ambient intelligence）的概念。环境智能与普适计算的概念类似，研究的方向也大致相同。 理解普
12、适计算概念需要注意以下几个问题：,8.1 物联网的计算工具,（1）普适计算的重要特征是：“无处不在”与“不可见” “无处不在”是指随时随地访问信息的能力，“不可见”是指在物理环境中提供多个传感器、嵌入式设备、移动设备以及其他任何一种有计算能力的设备，这些设备可以在用户不觉察的情况下进行计算、通信，提供各种服务，以最大限度地减少用户的介入。 （2）普适计算体现出信息空间与物理空间的融合 普适计算是一种建立在分布式计算、通信网络、移动计算、嵌入式系统、传感器等技术基础上的新型计算模式，它反映出人类对于信息服务需求的提高，具有随时、随地享受计算资源、信息资源与信息服务的能力，以实现人类生活的物理空间
13、与计算机提供的信息空间的融合。,8.1 物联网的计算工具,（3）普适计算的核心是“以人为本”，而不是以计算机为本。 普适计算强调把计算机嵌入到环境与日常工具中去，让计算机本身从人们的视线中“消失”，从而将人们的注意回到要完成的任务本身。人类活动是普适计算空间中实现信息空间与物理空间融合的纽带，而实现普适计算的关键是“智能”。 （4）普适计算的重点在于提供面向用户的、统一的、自适应的网络服务。 普适计算的网络环境包括互联网、移动网络、电话网、电视网和各种无线网络。普适计算的设备包括计算机、手机、传感器、汽车、家电等能够联网的设备。普适计算的服务内容包括计算、管理、控制、信息浏览等。,8.1 物联
14、网的计算工具,2.普适计算研究的主要问题 普适计算最终的目标是实现物理空间与信息空间的完全融合，这一点和物联网非常相似。因此，了解普适计算需要研究的问题，对于理解物联网的研究领域有很大的帮助。已经有很多学者开展了对普适计算的研究工作，研究的方向主要集中在以下几个方面。 （1）理论建模 普适计算是建立在多个研究领域基础上的全新计算模式，因此它具有前所未有的复杂性与多样性。要解决普适计算系统的规划、设计、部署、评估，保证系统的可用性、可扩展性、可维护性与安全性，就必须研究适应于普适计算“无处不在”的时空特性、“自然透明”的人机交互特性的工作模型。 普适计算理论模型的研究目前主要集中在层次结构模型和
15、智能影子模型两个方面。层次结构模型主要参考计算机网络的开放系统互连（OSI）参考模型，分为环境层、物理层、资源层、抽象层与意图层等5层。也有学者将模型的层次分为基件层、集成层与普适世界层3层。智能影子模型是借鉴物理场的概念，将普适计算环境中的每一个人都作为一个独立的场源，建立对应的体验场，对人与环境状态的变化进行描述。,8.1 物联网的计算工具,（2）自然透明的人机交互 普适计算设计的核心是“以人为本”，这就意味着普适计算系统对人具有自然和透明交互以及意识和感知能力。普适计算系统应该具有人机关系的和谐性、交互途径的隐含性、感知通道的多样性等特点。在普适计算环境中，交互方式从原来的用户必须面对计
16、算机，扩展到用户生活的三维空间。交互方式要符合人的习惯，并且要尽可能不分散人对工作本身的注意力。 自然人机交互的研究主要集中在笔式交互、基于语音的交互、基于视觉的交互。研究涉及用户存在位置的判断、用户身份的识别、用户视线的跟踪，以及用户姿态、行为、表情的识别等问题。关于人机交互自然性与和谐性的研究也正在逐步深入。,8.1 物联网的计算工具,（3）上下文感知 普适计算环境必须具有自适应、自配置、自进化能力，所提供的服务能够和谐地辅助人的工作，尽可能地减少对用户工作的干扰，减少用户对自己的行为方式和对周围环境的关注，将注意力集中于工作本身。上下文感知计算就是要根据上下文的变化，自动地做出相应的改变和配置，为用户提供适合的服务。因此，普适计算系统必须能够知道整个物理环境、计算环境、用户状态的静止信息与动态信息，能够根据具体情况采取上下文感知的方式，自主、自动地为用户提供透明的服务。由此可见，上下文感知是实现服务自主性、自发性与无缝的应用迁移的关键。 上下文感知的研究主要集中在上下文获取
