物联网(IOT)E1]作为当今世界新一轮经济和科技发展的战略制高点，受到各国政府和企业集团的高度重视，致力于该领域的标准研究和技术应用的竞争也日趋激烈。当前，表现为长尾的物联网产业链要转型为低成本高效益的优势产业，面临着系统架构、标示识别、网络及能耗、安全和存储[21以及智能的软件处理支撑等多项技术难点的突破。本文着眼于物联网三层架构中业务支撑层的应用需求，寻求实现一个跨行业、跨网络、松耦合[3]的M2M(machine to machine，machine to man，man tomachine)软件中间件系统，实现对M2M泛在业务应用需求的智能处理和支撑。
1、发展现状
物联网应用是一个典型的蓝海市场，现阶段国内外物联网的普遍存在形式都集中在M2M的应用。在市场激烈竞争的背景下，由于缺乏科学统一的技术规范指导，小规模、碎片化的应用探索难以促成市场共振的蝴蝶效应。当前，国际标准仍在由IEEE，ETSI，3GPP，ITU-T，OMA等组织制定形成过程中。我国国家信标委领导的WGSN工作组及CCSA-TC10工作组主要承担国际、国内标准的研究、提案和制定。
作为国家“十二五”物联网重点攻关的应用技术之一，物联网中间件技术的研究将会实现产业链的快速形成和聚集效应，有效加快国家战略的实现步伐。物联网中间件技术的研究已被列入国家《信息产业科技发展十一五规划及2020年中长期规划纲要十一五规划》、工信部《物联网“十二五”发展规划》，对泛在的M2M业务中间件的研究受到行业领军企业、资源优势企业和相关科研院所的广泛关注。在国外，从政府到跨国企业也高度重视该项课题的研究和突破。目前，涉足该领域并拥有技术特色研究成果的企业众多，处于领先地位的有美国的AerFrame，Jasper Wireless，IBM，M2M Data Corp．，Questra Corp．，Tridium，法国的eDevice，意大利的BiTX Inc．，新加坡的mTelematics等。特别是AerFrame，集成了CDMA，AMPS/EV—DO/GPRS/SATEl。LITE/Voice/IP等多种主干网络接人方式，使用户脱离于特定的网络依赖，并提供了包括农业监测、智能抄表(AMR/AMI)、汽车远程管理、医疗监控、数字标牌等标准应用。Jasper更是实现了全球范围的无线蜂窝覆盖，开通了SaaS在线运营服务的M2M服务平台。BiTX制定了基于位交换的M2M数据交换标准，抽象出行业应用的共性，开发出软件核心M2M中间件。
根据对国内市场的调研，华为、中兴、大唐、瑞笛恩等厂家明确提出过M2M系统解决方案，其中，中兴和瑞笛恩有实际案例经验。但目前市场主导却是具备网络资源优势的三大电信运营商，利用网络服务的独特优势，整合产业链条上下环节的行业厂家，制定符合自身战略发展的行业或企业标准，如M2M行业终端接入管理规范，并在此基础上提供相对有限的M2M业务支撑应用环境。这种以电信企业领衔的依赖某个无线承载网、垂直于行业的发展模式在M2M发展初级阶段起到了一定的积极作用，但从长远来看，这与物联网的“泛在”发展方向有偏差。根据ITU物联网研究组的研究结论，物联网的三大核心技术是普适网络、下一代网络和普适计算。目前的现状明显背离了“泛在”不依赖特定网络资源和技术手段的特征。随着M2M的发展逐步进入成熟期，M2M终端数量和业务应用将会迅速增加，在形态和业务支持上的需求也将呈现高度的差异性和融合性，如带宽的灵活调度、业务能力的协同、应用能力的融合(如支持更灵活、移动性、机动性的视频监控、数据协同等业务)等，M2M系统在设计架构、能力扩展、服务支撑、存储处理等方面将面临严峻的考验。虽然各运营商承诺考虑逐步满足物联网应用的接人，但仍然缺乏对跨行业、跨网络的终端接入和对丰富业务应用能力支撑的整体解决方案。
2、需求分析
我国当前不存在纯粹的M2M移动运营商，M2M业务或研究推广由传统的通信运营商(中国移动、中国电信、中国联通)推动。由于三大电信运营商的网络服务各自独立运行，以及企业的商业策略使然，在M2M中间件的研究上还存在一些不足，其显著特点是：对网络支持的单一依赖和与上层业务的深度耦合，导致行业应用的规划实践表现出投资浪费或踌躇不前，极大地阻碍了应用的规模发展。
为了实现物联网的“4A”(Anytime，Anywhere，Anything，Anyone)终极目标，探索研究一种物联网M2M业务泛在支撑应用中间件，实现跨行业、跨网络、涉及多种新技术的物联网应用中间件系统，封装应用业务后端复杂的网络通信方式(如宽带/互联网，2G/3G，PSTN，IMS，WiFi，WiMax，IP专网等)，消除上层应用对下层网络的依赖，聚合和重组庞大的物联网数据信息，提供应用丰富的业务能力调用资源，降低应用的技术复杂度，使客户可以简单、快速、经济、高效地整合自己的应用与第三方远程信息处理设备，是推动当前M2M应用业务走上规模发展的强大推力之一。新的M2M中间件要实现对泛在业务的广泛支撑，作为End—End的软件核心，需重点解决以下几方面的问题(如图1所示)：
1)实现终端跨网络的接人，对网络层实现网络资源和传输协议的自动识别，支持宽带/互联网，2G/3G，PSTN，IMS，WiFi，WiMax，IP专网等通信接人方式，简化各行业终端的技术接人难度和兼容终端的差异性；
2)实现应用跨网络跨行业的支撑，对应用层提供统一的服务接口与虚拟化支撑(包括计算虚拟化和存储虚拟)；
3)对传统的宽带和电信增值能力的封装(SMS/MMS/WAP/PSTN)，并提供IVR/Voice/Video/LBS/GPS/GIS等周边扩展能力的支持，简化业务开发商和用户的应用开发和部署流程；
4)实现基于SOA和PaaS/LaaS的中间件设计架构，满足业务能力扩展和服务支撑上的灵活需求，解决海量终端对信息交换实时性和信息安全、检索、聚合的需求；
5)具备完善的业务运营和管理功能及开放的运营管理接口。
以上五个方面分别从体系的横向和纵向进行重点需求的抽取，作为本文研究和探讨的方向。
3、设计思路
M2M业务泛在支撑平台致力于物联网领域加强处理技术的研究，强调软件自身的处理能力和对外服务提供能力，在设计时抓住三个关键：1)封装和屏蔽底层通信网络的差异以及终端协议解析和适配的能力，简化应用业务对信息传输和网络层的耦合及依赖；2)为应用业务的快速部署和推广进行服务支撑，提供对应用业务能力多样性和扩展性的支持，实现第三方能力的发现和调度；3)研究中间件本身对资源管理、信息挖掘后的聚合能力以及对跨行业协同的支持能力，并在海量数据存储处理方面研究引入云计算的方案，以增强平台的存储计算能力和扩展能力，为适应业务量的弹性增长、降低应用部署成本提供技术手段。
作为物联网中间件，首先需要解决上下行数据的表达和处理，如进行数据的提取、加密解密、过滤、行业分类、数据格式转换、数据路由等，以实现语义互操作和信息共享，并对资源进行灵活调度和配置，以解决跨行业M2M应用服务融合的需求。在下层邻接接口界面，需要对网络资源进行认知，进而达到自适应传输的目的。对应用层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。显然，紧耦合的设计架构不能实现这种目标，平台必须基于SOA和SaaS/PaaS的理念进行设计，以实现跨网络跨行业服务融合需求的灵活调度和处理。因此，引入分布式应用开发技术，是解决平台架构设计的核心。在软件模型上采用层次结构，进行模块化设计，预留开放性接口。借助EJB/SOAP/WebService，实现通用的模块复用、数据交换和调用服务。在数据实时性和突发性较高的业务应用上，选择性地提供基于COM/DCOM/RPC的TCP/UDP通信接口。对准同步/异步的海量数据访问节点，借助成熟的CORBA/110P技术提供服务。
4、系统结构
M2M成熟期各行业各种类的终端数量庞大，而且应用需求各异，存在海量的数据存储和计算，因此泛在业务支撑平台必须支持简单复制、分布部署、协作处理的云计算结构。
系统将业务(业务数据流)与控制(管理数据流)相分离，将平台划分为M2M泛在业务网关和M2M泛在业务管理平台两大子系统，其系统结构如图2所示。
网关子系统完成路由寻址、业务鉴权、终端状态维护、能力调用(第三方服务接口)、协议解析、协议适配、Qos执行、计费话单等功能，如图3所示。终端接入和管理支撑实现对终端的统一鉴权认证(通信鉴权、业务鉴权、能力鉴权、黑白名单、接人安全和接人协议适配)，并支持终端远程诊断功能和终端软件的远程自动升级功能，根据客户的需要，选择承担客户业务数据的传输功能。在协议适配方面，兼容当前中国移动WMMP-T/A，中国电信MDMP及SNMP协议，并设计标准化的自定义终端协议规范，采用可扩展的定义语言，如XML，实现对所有主流或非主流终端协议的自动识别和解析。
管理子系统完成终端资源管理、运营管理、能力管理、服务人机接口调用等功能，如图4所示。运营管理涵盖对用户和业务的管理、用户业务订购、终端和应用的接入鉴权、计费，QoS，安全、统计和服务质量监测等功能，包含平台内子系统间或与第三方平台(如MISC，DSMP，PBOSS，网管等)用户信息、订购信息、业务信息的生成和同步。其中，安全管理主要实现安全策略的管理、密码生成、存储和分发以及在信息传输过程中的加解密方法。QoS主要实现应用QoS策略配置、资源预留的应用实现，以及网关的Oos参数配置等功能。服务质量的监测主要实现各种通信方式的信息采集、故障分析、定位与查询功能。
该中间件着重对M2M泛在业务的支撑，因此在设计能力上要重点考虑其强大的业务应用及服务的功能，体现内在的物联能力和行业能力的封装与协同特性。在物联能力方面，要抽象系列标准的物联命令模组，自动适配客户M2M业务信息需求的采集交互流程，并提供标准的开发接口，实现数据上传、下载、存储以及其他业务交互流程，按需求激活语音、视频、短信、计费、网管、故障、告警等其他工作流。在行业能力方面，集成标准的行业应用(如安防、家居、物流、交通等)和社会公共服务系统(如120，110，119等)的服务，并利用开放接口，通过UDDI集成，调用第三方的LBS/GIS/GPS/IVR/IMS能力，为应用业务提供商提供方便的调用需求；同时，通过海量数据的挖掘分析，自动聚合不同行业的终端业务数据，实现内部信息的整合和共享，达到跨行业的应用协同和基于运营需求的业务重组。
5、实现难点
基于以上设计思路，本软件有多项技术创新，也是实现过程中的难点，主要包括以下几个方面。
1)终端协议的智能识别：除了能适配较为成熟的中国移动WMMP-T/A，中国电信MDMP以及通用的SNMP协议外，对个性化终端，特别是历史在线终端数据的解析，是当前面临的难点。因此，设计一款能识别自定义基于BIT/BYTE/TEXT的终端数据解析协议是关键。该解析协议需要采用平构的易懂的XML标签和语法，综合考虑行业数据特性和解析效率，设计复杂度最优的解析算法，使解析标签最少，却能解析最广泛行业的终端通讯数据，而且在实时解析效率上最佳。
2)跨网络的泛在服务能力的支撑：对各大电信运营商的电信能力统一封装，传统的短信(CMPP/SGIP/SMGP)、彩信，WAP，视频，LBS/GIS/GPS/IVR/IMS等业务开发技术将作为M2M简易调用接口提供给业务开发商，极大地降低业务开发难度。
3)终端和应用的信息安全及质量控制：通过对终端和应用接人、访问的授权鉴权机制的探索，以及对信息载体基于业务和性能需求施加的加密策略的研究，实现信息流全过程的安全保障。
4)跨行业的协同和业务重组：通过对M2M业务逻辑的关联，结合用户可能的应用订购关系的研究，在业务支撑系统内部通过数据的二次挖掘，经过信息的整合和共享，实现跨行业的应用协同和启发式的业务重组。
5)海量数据的存贮和处理：系统在分布式架构的基础上，研究建立合理的存储和计算资源分配策略，探索云存储模式和架构，以增强系统的存储计算能力和扩展能力，从而适应业务量的弹性增长。
6、结束语
本设计已在实验室进行模拟验证，从架构设计、跨网络接人及支撑到电信增值能力的封装以及第三方能力的发现调用和终端协议的适配解析等方面，都得以印证。但是，由于对行业特征的梳理不能在短期内完成，在数量上缺乏行业模拟应用，因此，在行业协同和业务重组及海量数据的存储及处理方面暂时缺失，在后续的研究中会进一步完善。总体而言，本文描述的M2M业务泛在支撑平台的思路和实现方式对简化终端接入、支撑泛在业务及推广物联网在各行各业的应用将起到积极的作用。
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本文标题：M2M业务泛在支撑平台的设计与实现
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