第5节 “互联网＋”的关键技术

1 移动互联网（mobile internet，MI）技术

移动互联网指用户使用智能手机、平板电脑等移动互联网设备（mobile internet device，MID），通过移动无线通信方式开展业务和获取服务的新兴技术。移动互联网的核心是互联网，但移动互联网并不是桌面互联网的补充和延伸，移动互联网具有实时性、便携性、准确性、可定位等特点，巨大的应用需求、日益丰富的移动设备和应用使移动互联网得到了快速发展。

移动互联网是“互联网＋”的基础设施，为“互联网＋”应用提供了移动的互联互通平台。国内移动互联网主要由移动通信技术（移动G网）和无线网络技术（无线宽带）构成，辅以蓝牙、NFC、RFID、ZigBee等近距离通信技术。2013年12月4日，中国移动获得4G（G是generation的缩写）牌照。中国移动通信集团公司已建成世界优质4G网络。截至2015年底，用户总数达8.2亿，4G用户超3亿。中国移动4G采用了4G LTE标准中的TD-LTE。TD-LTE演示网理论峰值传输速率可以达到下行100Mbps、上行50Mbps。TD-LTE是由中国主导的4G网络标准，技术成熟，具备了大规模推广的条件，目前已正式商用。国内移动4G移动通信正逐步取代3G网络，4G网络的最高速度可达到100Mbps，但实际体验速度往往只能达到数十Mbps。WiFi 802.11n的最高速度为300Mbps，在实际应用中受到使用环境、上网人数的影响，体验速度也并不理想。

在构成整体的移动互联网中，移动G网、无线宽带和近距离通信有着不同的应用场合和环境。理论上移动G网可以实现无线接入的全覆盖，但在实际应用中，移动G网主要用于室外、移动等场合。无线宽带以其速度快、费用低（许多WiFi可免费提供）的特点广泛用于建筑物内，如办公楼、候机厅、酒店和家庭等场所。近距离通信技术实现终端之间的数据传输，如可穿戴设备与智能手机之间的数据传输。即使在未来的5G时代，移动G网还要与无线宽带融合使用，以达到最佳的用户体验。从1987年的第1代移动网络到2013年的第4代移动网络，中国移动通信走了26年。这短短的26年见证了移动通信技术的突飞猛进，从大哥大手机到诺基亚手机，从iPhone的诞生到Google Glass的推出，这些设备想要给我们带来更好的体验，都必须依赖移动网络的支撑。而1G（移动通信的鼻祖，也就是所谓的1G，该系统无法传输资料，主要提供一般的语音通话服务，代表就是“大哥大”）、2G、3G以及现在的4G，逐渐从简单的通话已经转换为清晰语音，还有高质量图片视频传送技术发展等，使运营商的业务也开始发生了转变。由1G发展到4G技术可以看作是增加网络传输速率和扩充通信功能的一个演变。

“互联网＋”时代，作为基础设施的移动互联网需要具有更快的传输速度、更大的热点容量、更短的端到端延时和更高的移动性能。其中，热点容量（连接数密度）指在人员密集区域能够同时连接的用户数量；端到端延时指数据离开起源点到达终止点所经历的时间，例如两个手机之间传输信息所间隔的时间；移动性能指在移动过程中连接网络的性能，例如在高速行驶的高铁上使用移动G网时的性能。

2014年工信部、发展改革委、科技部共同支持成立IMT-2020（5G）推进组，成员包括中国主要的运营商、制造商、高校和研究机构，推进组聚合中国产学研用力量，推动中国第五代移动通信技术研究和开展国际交流与合作。2014年5月和2015年2月IMT-2020（5G）推进组分别发布了《5G愿景与需求》和《5G概念白皮书》。

《5G愿景与需求》描述了5G总体愿景：5G将渗透到未来社会的各个领域，以用户为中心构建全方位的信息生态系统；5G将使信息突破时空限制，提供极佳的交互体验，为用户带来身临其境的信息服务；5G将通过无缝融合的方式，便捷地实现人与万物的智能互联；5G将为用户提供光纤般的接八速率、“零”时延的使用体验、千亿设备的连接能力、超高流量密度、超高连接数密度和超高移动性等多场景的一致服务，业务及用户感知的智能优化；5G将为网络带来超百倍的能效提升和超百倍的比特成本降低，最终实现“信息随心至，万物触手及”的总体愿景。

《5G概念白皮书》指出：制订全球统一的5G标准已成为业界共同的呼声，国际电信联盟（ITU）已经启动面向5G标准的研究工作，并明确IMT-2020（5G）工作计划：2015年中将完成IMT-2020国际标准前期研究，2016年将开展5G技术性能需求和评估方法研究，2017年底启动5G候选方案征集，2020年底完成标准制订。

面向移动互联网和物联网业务需求，5G将重点支持连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠四个主要技术场景，将采用大规模天线阵列、超密集组网、新型多址、全频谱接入和新型网络架构等核心技术，通过新空口和4G演进两条技术路线，实现Gbps用户体验速率，并保证在多种场景下的一致性服务。

2 云计算技术

云计算是一种基于互联网的计算方式，通过这种方式，共享的软硬件资源和信息可以按需求提供给计算机和其他设备。云是网络、互联网的一种比喻说法。过去在图中往往用云来表示电信网，后来也用于表示互联网和底层基础设施。云计算是继20世纪80年代大型计算机到客户端-服务器的大转变之后的又一种巨变。用户不再需要了解“云”中基础设施的细节，不必具有相应的专业知识，也无须直接进行控制。云计算描述了一种基于互联网的新的IT服务增加、使用和交付模式，通常涉及通过互联网来提供动态易扩展而且经常是虚拟化的资源，它意味着计算能力也可作为一种商品通过互联网进行流通。

2.1 云计算分类

云计算是分布式处理、并行处理和网格计算的发展。虚拟化实现了计算资源的高度整合和利用，是云计算的基础。虚拟化是将计算机资源进行抽象的一种方法。通过对计算机物理资源的虚拟化，用户可以像使用计算机物理资源那样使用虚拟化资源。虚拟化是物理资源的逻辑表示，不受物理限制的约束。虚拟化应用包括计算机中央处理单元、存储、网络等各种资源的虚拟化，用户可以在虚拟系统中使用物理系统的部分或者全部功能。虚拟化技术能够通过区分资源的优先次序，并随时随地将系统（服务器、存储、网络等）资源分配给最需要它们的工作负载，从而简化管理和提高效率，提高资源的利用率。云计算以一种新型的共享基础架构方法，将所有的计算资源集中管理，并以网络的方式向用户提供信息技术资源服务。“云”中的资源在用户看来是可以随时获取和按需扩展的。这种特性经常被比喻为像水电一样，按需购买和使用信息技术资源。

2.1.1　云计算按照服务类型可以分为三类。

（1）基础设施即服务：为用户提供服务器、存储器、网络等基础设施服务，用户在建立信息中心时无须自行购买服务器、存储器等基础设备，只需租用“云中心”提供的基础设备。采用该服务，用户按需租用基础设备，可节省机房建设投资以及设备管理维护成本，同时获得高的可用性和安全性。“云中心”一般由政府或大型ICT企业建立，如云计算中心、云数据中心、超算中心等。用户与“云中心”需要有足够的和冗余的宽带连接，保证用户与“云中心”之间的数据通信。

（2）平台即服务（Platform-as-a-Service，Paas）：该服务是在其服务基础上提供的，用户除了向“云中心”租用基础设备之外，还可以购买服务器、存储器等基础设备的操作系统、中间件和软件运行服务。PaaS包括正版软件、版本升级、软件维护等功能。

（3）软件即服务：面向用户数据中心的服务，为用户提供从基础设施、平台到应用的一揽子服务。用户只需付费购买，就能够运行所需要的应用软件服务或数据管理服务。终端客户登录“云平台”即可获得服务。许多软件公司开始改变过去销售软件的方式，即“软件＋介质（光碟、U盘、下载）＋证书”的方式，而直接通过“云平台”提供软件服务。用户在网上付费购买软件后，即可联网使用。例如，我们常用的办公软件，需要在个人计算机上安装，还要定期升级，采用面向大众的软件即服务后，只需联网使用，其他操作由“云平台”完成。

2.1.2　云计算又分为公有云和私有云　公有云通常指由云服务商建立、管理，向公众用户提供的云服务，公有云一般通过互联网使用。私有云指企业自己建立和使用的云，它的服务对象是企业内部人员或分支机构。私有云的部署适合于有众多分支机构的大型企业或政府部门。

2.2 云计算的特征

（1）资源动态配置“云平台”可以根据用户的需求动态增配或释放物理和虚拟资源，实现资源的弹性供给。

（2）需求服务自助化“云平台”为用户提供自助化的资源服务，客户可以采用自助的方式选择服务项目和资源。

（3）通过网络提供服务“云平台”以网络为中心，通过网络向用户提供服务，从而使得云计算服务无处不在。

（4）服务可计量化即资源的使用可被检测和控制，是一种付费使用的服务模式。

（5）资源的池化和透明化在云计算中所有资源被统一管理和调度，形成“资源池”，同时资源是透明的，用户无须了解其内部结构，按需使用即可。

2.3 云计算的应用

2.3.1　金融与能源领域　金融、能源企业一直是国内信息化建设的领军行业用户，中石化、中保、农行等行业内企业信息化建设已经进入“信息技术资源整合集成”阶段，需要利用“云计算”模式，搭建物理集成平台，对各类服务器基础设施应用进行集成，形成能够高度复用与统一管理的信息技术资源池，对外提供统一硬件资源服务，同时在信息系统整合方面，需要建立基于PaaS的系统整合平台，实现各异构系统间的互联互通。云计算模式将成为金融、能源等大型企业信息化整合的“关键武器”。

2.3.2　电信领域　在国外，Orange、O2等大型电信企业除了向社会公众提供ISP网络服务外，同时也作为“云计算”服务商，向不同行业用户提供IDC设备租赁、软件产品应用服务，通过这些电信企业创新性的产品增值服务，也强力地推动了国外公有云的快速发展、增长。国内电信企业将成为云计算产业的主要受益者之一，通过对不同国内行业用户需求分析与云产品服务研发、实施，打造自主品牌的云服务体系。

2.3.3　医药医疗领域　医药企业与医疗机构一直是国内信息化水平较高的行业用户，在新医改政策推动下，医药企业与医疗机构将对自身信息化体系进行优化升级，以适应医改业务调整要求。在此影响下，以“云信息平台”为核心的信息化集中应用模式将孕育而生，逐步取代各系统分散为主体的应用模式，进而提高医药企业的内部信息共享能力与医疗信息公共平台的整体服务能力。

2.3.4　教育科研领域　云计算将为高校与科研单位提供实效化的研发平台。云计算应用已经在清华大学、中科院等单位得到了初步应用，并取得了很好的应用效果。在未来，云计算将在我国高校与科研领域得到广泛的应用普及，各大高校将根据自身研究领域与技术需求建立云计算平台，并对原来各下属研究所的服务器与存储资源加以有机整合，提供高效可复用的云计算平台，为科研与教学工作提供强大的计算机资源，进而大大提高研发工作效率。

2.3.5　制造领域　随着“后金融危机时代”的到来，制造企业的竞争将日趋激烈，企业在不断进行产品创新、管理改进的同时，也在大力开展内部供应链优化与外部供应链整合工作，进而降低运营成本、缩短产品研发生产周期，未来云计算将在制造企业供应链信息化建设方面得到广泛应用，特别是通过对各类业务系统的有机整合，形成企业云供应链信息平台，加速企业内部“研发→采购→生产→库存→销售”信息一体化进程，进而提升制造企业竞争实力。

2.3.6　电子政务领域　云计算将助力中国各级政府机构“公共服务平台”建设，各级政府机构正在积极开展“公共服务平台”的建设，努力打造“公共服务型政府”的形象，在此期间，需要通过云计算技术来构建高效运营的技术平台，其中包括：利用虚拟化技术建立公共平台服务器集群，利用软件技术构建公共服务系统等方面，进而实现公共服务平台内部可靠、稳定的运行，提高平台的不间断服务能力。

3 大数据技术

大数据又称为巨量资料，是洞察力和流程优化能力的海量、高增长率和多样化的信息资产。“大数据”概念最早由维克托·迈尔·舍恩伯格和肯尼斯·库克耶在编写《大数据时代》中提出，指不用随机分析法（抽样调查）的捷径，而是对所有数据进行分析处理。大数据具有大量、多样、高速、可信的特点，其计量单位从目前常用的TB扩展到PB甚至ZB，增加千倍和十亿倍，大数据量以每年50%的速度增加，2015年全球的数字数据量已达7.9ZB。

3.1 大数据的特点

大数据分析相比于传统的数据仓库应用，具有数据量大、查询分析复杂等特点。第一，数据体量巨大。从TB级别，跃升到PB级别；第二，数据类型繁多。前文提到的网络日志、视频、图片、地理位置信息等；第三，处理速度快，1秒定律，可从各种类型的数据中快速获得高价值的信息，这一点也是和传统的数据挖掘技术有着本质的不同；第四，只要合理利用数据并对其进行正确、准确的分析，将会带来很高的价值回报。业界将其归纳为4个“V”：Volume（数据体量大）、Variety（数据类型繁多）、Velocity（处理速度快）、Value（价值密度低）。大数据是数据分析的前沿技术。从各种各样类型的数据中，快速获得有价值信息的能力，就是大数据技术。大数据最核心的价值就在于对海量数据进行存储和分析。相比起现有的其他技术而言，大数据的“廉价、迅速、优化”这三方面的综合成本是最优的。

3.2 大数据的结构

大数据呈现为结构化、半结构化和非结构化的多样性以及数据流传输的高速性。大数据时代，可以收集全面而且完整的海量数据，同时具备了强大的数据处理和存储能力，这时的数据分析是全数据模式，即“样本等于总体”。所以，大数据是指不用随机抽样分析的捷径，而采用所有数据分析的方法。大数据的分析结果具有很高的可信度和商业价值，因此大数据主要用于预测、决策和分析等用途。传统的数据库技术无法满足大数据的处理，新的数据库技术包括：①并行数据库：通过多个节点并行执行数据库任务，提高整个数据库系统的性能和可用性；②非关系性数据库：采用更加简单的数据模型，减少关系性数据库的高度数据关联性，以适应大数据的处理；③新型数据库：对传统数据库技术进行改良和优化，去除传统数据库中制约性能的机制，提高数据库处理大数据的能力。在大数据中，结构化数据只占15%左右，非结构化或半结构化数据占85%，大数据需要解决半结构化和非结构化数据的高效处理。大数据需要使用非传统的工具来对大量的结构化、半结构化和非结构化数据进行处理，采用适合不同行业的大数据挖掘分析工具和开发环境，从而获得分析和预测结果的一系列数据处理技术。

3.3 大数据的优势

大数据的根本就是海量数据。加上互联网的平台优势，大数据时代已经让互联网金融的发展势不可当。阿里巴巴涉足金融行业的优势就在于数据。阿里巴巴年交易额超过1万亿元，用户从搜索到浏览、支付，每一个节点都将产生大量数据，阿里集团目前拥有的大数据达到30PB，并且拥有800名员工从事大数据相关工作，这是阿里金融快速发展的根本所在。随着智能终端上的大量平台和应用，如微信、微博、手机支付、移动视频、各种App等，让越来越多的用户贡献了越来越多的数据，移动互联网的普及和广泛使用，使得数据量呈几何级数增长。跨入4G的移动互联网时代，信息的海洋更为广阔。

4 物联网技术

4.1 物联网概述

物联网的概念是在1999年提出的。物联网就是“物物相连的互联网”，其英文名为Internet of Things。物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。因此，物联网的定义是通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮，它是互联网的应用拓展。与其说物联网是网络，不如说物联网是互联网基础上的业务和应用。物联网是各种信息感知技术、网络技术、人工智能与自动化技术的聚合与集成应用，使人与物、物与物之间在信息层面建立联系和对话，并作用于行为控制和管理决策。

4.2 物联网的原理

物联网是在计算机互联网的基础上，利用射频识别、无线数据通信等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的网络。在这个网络中，物品（商品）能够彼此进行“交流”，而无须人的干预。其实质是利用射频自动识别技术，通过计算机互联网实现物品（商品）的自动识别和信息的互联与共享。RFID标签中存储着规范而具有互用性的信息，通过无线数据通信网络把它们自动采集到中央信息系统，实现物品（商品）的识别，进而通过开放性的计算机网络实现信息交换和共享，实现对物品的“透明”管理。“物联网”概念的诞生，打破了之前的传统思维。过去的思路一直是将物理基础设施和IT基础设施分开，一方面是机场、公路、建筑物，而另一方面是数据中心，个人电脑、宽带等。而在“物联网”时代，钢筋混凝土、电缆将与芯片、宽带整合为统一的基础设施，在此意义上，基础设施更像是一块新的地球工地，世界的运转就在它上面进行，其中包括经济管理、生产运行、社会管理乃至个人生活。

4.3 物联网技术架构

从技术架构上来看，物联网可分为三层：感知层、网络层和应用层。

4.3.1　感知层完成信息的采集和转换　感知层主要包括各类传感器和射频识别器件。传感器是一种检测装置，包括二氧化碳浓度传感器、温度传感器、湿度传感器、二维码标签、读写器、摄像头、GPS等感知终端。能感测被测量的信息，并将其转换为电信号或其他所需形式的信息输出，以供后续电路的存储和处理。感知层的作用相当于人的眼耳鼻喉和皮肤等神经末梢，它是物联网获识别物体，采集信息的来源，其主要功能是识别物体，采集信息。RFID也是感知层常用的器件，射频识别是一种非接触式的自动识别技术，又称电子标签，它通过无线信号自动识别目标对象并获取相关数据，面向医院的感知层主要用于对物体和人员的定位和示踪等用途。

4.3.2　网络层承担信息的传输　网络层包括互联网、移动互联网、GPS定位系统等，这些网络相互交织构成一个无所不在，无处不达的巨大网络。互联网时代，实现了计算机与计算机相连。互联网使用TCP/IP协议进行网络互联，每一台计算机设备具有一个独立的IP地址。TCP/IP有IPV4和IPV6两个版本，IPV4版中IP地址由4段8值二进制数组成，最多可有232（约43亿）个独立地址，IPV6版中IP地址由8段组16位二进制数组成，最多可有2128个独立地址。物联网时代TCP/IP协议使用IPV6版，每个物体都能分配到一个IP地址。

4.3.3　应用层是物联网和用户（包括人、组织和其他系统）的接口，实现信息的存储、分析和处理　它与行业需求结合，实现物联网的智能应用。物联网的行业特性主要体现在其应用领域内，目前绿色农业、工业监控、公共安全、城市管理、远程医疗、智能家居、智能交通和环境监测等各个行业均有物联网应用的尝试。面向医院的应用层由传感器采集的医疗数据信息通过网络层传输应用层的相关信息系统中，实现对该信息的处理和应用。常用的包括各类可穿戴设备App，以及医院内的医疗和管理应用等。

4.4 物联网的用途

物联网用途广泛，遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、老人护理、个人健康、花卉栽培、水系监测、食品溯源、敌情侦查和情报搜集等多个领域。物联网把新一代信息技术充分运用在各行各业之中，具体地说，就是把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，然后将“物联网”与现有的互联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合。在这个整合的网络当中，存在能力超级强大的中心计算机群，能够对整合网络内的人员、机器、设备和基础设施实施实时的管理和控制。在此基础上，人类可以以更加精细和动态的方式管理生产和生活，达到“智慧”状态，提高资源利用率和生产力水平，改善人与自然间的关系。