物聯(lián)網(wǎng)是將具有計(jì)算、通信和信息感知能力的設(shè)備嵌入到物品中,然后按照約定的協(xié)議來把物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來,進(jìn)行信息交換和通信,以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。通常在物聯(lián)網(wǎng)中有數(shù)以億計(jì)的傳感設(shè)備,這些傳感設(shè)備時(shí)刻都在收集、傳輸和交換數(shù)據(jù),因此,物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)數(shù)據(jù)的海洋,需要一個(gè)強(qiáng)有力的存儲(chǔ)平臺(tái)來滿足其應(yīng)用需求。同時(shí),物聯(lián)網(wǎng)最主要的目的不在于物物相連,而在于通過物與物之間的互聯(lián)交換來為用戶提供智能化服務(wù)。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)提供商來說,傳統(tǒng)存儲(chǔ)模式要求企業(yè)一次性投入大量資金購(gòu)置軟硬件存儲(chǔ)設(shè)備,搭建平臺(tái)。而且隨著新業(yè)務(wù)新應(yīng)用的出現(xiàn),企業(yè)還要對(duì)這些設(shè)備不斷的維護(hù)和升級(jí)。在這種模式下,存儲(chǔ)設(shè)施將占用企業(yè)很大的資金投入。
近年來隨著云計(jì)算技術(shù)的興起,云存儲(chǔ)受到了人們的廣泛關(guān)注。云計(jì)算為用戶提供兩種服務(wù),一種是計(jì)算資源服務(wù),把計(jì)算能力作為一種服務(wù)提供給用戶;另一種是存儲(chǔ)服務(wù),將存儲(chǔ)作為服務(wù)提供給用戶,即本文所講的云存儲(chǔ)。云存儲(chǔ)通過一系列軟件集合將各種異構(gòu)存儲(chǔ)設(shè)備集合在一起構(gòu)成海量存儲(chǔ)空間供用戶使用,需要存儲(chǔ)服務(wù)的用戶不再需要建立自己的數(shù)據(jù)中心,只需向云存儲(chǔ)服務(wù)商申請(qǐng)存儲(chǔ)服務(wù),將自己的數(shù)據(jù)存放在云存儲(chǔ)服務(wù)商提供的存儲(chǔ)空間中。云存儲(chǔ)模式使企業(yè)避免了存儲(chǔ)平臺(tái)的重復(fù)建設(shè),節(jié)約了昂貴的軟硬件基礎(chǔ)設(shè)施投資。當(dāng)前,云存儲(chǔ)模式得到了眾多廠商的支持和關(guān)注,眾多知名廠商紛紛推出自己的云存儲(chǔ)服務(wù)如Amazon公司推出的簡(jiǎn)單存儲(chǔ)服務(wù)S3、谷歌推出的在線存儲(chǔ)服務(wù)GDrive、微軟公司推出的Windows Azure存儲(chǔ)服務(wù)等。
1 云存儲(chǔ)的基本概念和關(guān)鍵技術(shù)
1.1 云存儲(chǔ)的概念和通用結(jié)構(gòu)模型
云存儲(chǔ)是在云計(jì)算的概念上延伸和發(fā)展出的一個(gè)新的概念,它是指通過集群應(yīng)用、網(wǎng)格技術(shù)或分布式文件系統(tǒng)等功能,將網(wǎng)絡(luò)中大量各種不同類型的存儲(chǔ)設(shè)備通過應(yīng)用軟件集合起來協(xié)同工作,共同對(duì)外提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和業(yè)務(wù)訪問功能的一個(gè)系統(tǒng)。對(duì)比傳統(tǒng)的存儲(chǔ)設(shè)備,云存儲(chǔ)是一個(gè)由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備、服務(wù)器、應(yīng)用軟件、公用訪問接口、接入網(wǎng)和客戶端程序等多個(gè)部分組成的系統(tǒng)。在云存儲(chǔ)系統(tǒng)中,各個(gè)部分以存儲(chǔ)設(shè)備為核心,通過應(yīng)用軟件集合來對(duì)外提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和業(yè)務(wù)訪問服務(wù)。云存儲(chǔ)的通用結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。
API:應(yīng)用編程接口
CDN:內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)
ISCSI:Internet小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口
NAS:網(wǎng)絡(luò)連接式存儲(chǔ)
P2P:對(duì)等網(wǎng)絡(luò)
SAS:服務(wù)器連接存儲(chǔ)
SCSI:小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口
圖1 通用云存儲(chǔ)的結(jié)構(gòu)模型
(1)存儲(chǔ)層
存儲(chǔ)層是云存儲(chǔ)最基礎(chǔ)的部分,包括存儲(chǔ)設(shè)備層和存儲(chǔ)設(shè)備管理層。存儲(chǔ)層由各種各樣的存儲(chǔ)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成,為了實(shí)現(xiàn)低成本,這些存儲(chǔ)設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通常都是普通的商業(yè)產(chǎn)品,而不是可靠性更高的高端設(shè)備,系統(tǒng)的可靠性由一系列軟件集合來保證。存儲(chǔ)設(shè)備可以是網(wǎng)絡(luò)連接式存儲(chǔ)(NAS)和由Internet小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口(ISCSI)所建立和管理的存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)等IP存儲(chǔ)設(shè)備,可以是服務(wù)器連接存儲(chǔ)(SAS)和小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口(SCSI)磁盤陣列等直連式存儲(chǔ)(DAS)存儲(chǔ)設(shè)備。
存儲(chǔ)設(shè)備層之上是存儲(chǔ)設(shè)備管理層,用來實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備的邏輯虛擬化管理、多鏈路冗余管理、硬件設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控及故障維護(hù)等功能。
(2)基礎(chǔ)管理層
基礎(chǔ)管理層是云存儲(chǔ)系統(tǒng)中最為核心的部分。云存儲(chǔ)并不是一個(gè)單點(diǎn)存儲(chǔ)系統(tǒng),而是一個(gè)有成千上萬個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備和服務(wù)器構(gòu)成的一個(gè)集合體。基礎(chǔ)管理層通過集群、分布式文件系統(tǒng)和網(wǎng)格計(jì)算等技術(shù),實(shí)現(xiàn)了云存儲(chǔ)中多個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備之間的協(xié)同工作,使多個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備可以對(duì)外提供同一種服務(wù),并在實(shí)現(xiàn)了良好的擴(kuò)展性的同時(shí),也滿足了高可用性以及性能的需求;A(chǔ)管理層還需要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的加密、備份以及容災(zāi)。
(3)應(yīng)用接口層
應(yīng)用接口層是云存儲(chǔ)中最靈活多變的部分,是用戶利用云存儲(chǔ)資源進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)的關(guān)鍵部分。云存儲(chǔ)供應(yīng)商通過應(yīng)用接口層,對(duì)客戶提供統(tǒng)一的協(xié)議和編程接口,通常這些協(xié)議都是與平臺(tái)無關(guān)的。
(4)訪問層
訪問層是基于云存儲(chǔ)開發(fā)的應(yīng)用程序的入口,云存儲(chǔ)系統(tǒng)通過提供標(biāo)準(zhǔn)的公用應(yīng)用接口來使授權(quán)用戶享受云存儲(chǔ)服務(wù)。云存儲(chǔ)服務(wù)商可以根據(jù)服務(wù)類型和用戶的不同來提供不同訪問手段,從而保證數(shù)據(jù)的安全性和服務(wù)質(zhì)量。
1.2 云存儲(chǔ)的關(guān)鍵技術(shù)
與傳統(tǒng)的存儲(chǔ)技術(shù)相比,云存儲(chǔ)最大的特點(diǎn)是可擴(kuò)展性好。當(dāng)對(duì)存儲(chǔ)空間的需求增加時(shí),只需要簡(jiǎn)單增加存儲(chǔ)設(shè)備就可以達(dá)到目的,并不需要對(duì)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。而且隨著存儲(chǔ)空間的增加,系統(tǒng)的整體性能并不會(huì)下降?梢哉f云存儲(chǔ)是對(duì)虛擬化的存儲(chǔ)資源管理和使用。云存儲(chǔ)的關(guān)鍵技術(shù)包括存儲(chǔ)虛擬化、彈性存儲(chǔ)空間擴(kuò)展、分布式存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)隔離與保護(hù)等。
(1)存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)
存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)是將物理資源存儲(chǔ)進(jìn)行了替換,通過將多個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備整合成一個(gè)與物理存儲(chǔ)資源有相同功能和接口的虛擬存儲(chǔ)資源,這樣系統(tǒng)可以提供海量存儲(chǔ)空間給用戶,這些存儲(chǔ)空間可能是建立在一個(gè)實(shí)際的物理資源上,也可能是跨多個(gè)物理資源,用戶不需要了解底層的物理細(xì)節(jié)。
(2)彈性存儲(chǔ)空間擴(kuò)展技術(shù)
云存儲(chǔ)提供了一個(gè)巨大的存儲(chǔ)資源池,但是應(yīng)用對(duì)存儲(chǔ)資源的使用具有時(shí)空性,即不同的時(shí)間段和不同地點(diǎn)對(duì)存儲(chǔ)資源的需求是不同的,這就要求系統(tǒng)具有良好的彈性存儲(chǔ)空間擴(kuò)展功能。該技術(shù)根據(jù)負(fù)載對(duì)應(yīng)用的存儲(chǔ)空間進(jìn)行動(dòng)態(tài)伸縮(即高負(fù)載時(shí)動(dòng)態(tài)擴(kuò)展存儲(chǔ)空間,低負(fù)載時(shí)釋放多余的存儲(chǔ)空間),這樣可以顯著提高資源的利用率。同時(shí),也可以根據(jù)用戶的需求來動(dòng)態(tài)擴(kuò)展或縮減存儲(chǔ)空間。
(3)分布式存儲(chǔ)技術(shù)
分布式存儲(chǔ),就是將數(shù)據(jù)分散存儲(chǔ)在多臺(tái)獨(dú)立的設(shè)備上,利用多個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備的存儲(chǔ)資源來滿足單個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備所不能滿足的存儲(chǔ)需求,并且實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的并行訪問。分布式存儲(chǔ)的特征是存儲(chǔ)資源能夠被抽象表示和統(tǒng)一管理,并且能夠保證數(shù)據(jù)讀寫與操作的安全性、可靠性等各方面要求。最典型分布式存儲(chǔ)技術(shù)有Google的分布式文件系統(tǒng)GFS和Hadoop的開源HDFS。
(4)數(shù)據(jù)隔離與保護(hù)
數(shù)據(jù)隔離與保護(hù)技術(shù)保證大量用戶共享云存儲(chǔ)中的統(tǒng)一存儲(chǔ)資源時(shí),每個(gè)用戶只能訪問自身存儲(chǔ)空間中的數(shù)據(jù),對(duì)存儲(chǔ)空間的分配管理不影響其他用戶的使用。
2 云存儲(chǔ)作為物聯(lián)網(wǎng)存儲(chǔ)平臺(tái)的可行性分析
物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)物理世界與信息世界相連接的網(wǎng)絡(luò),通過將信息的載體擴(kuò)展到“物”,在對(duì)這些信息分析處理的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界的智能化控制。因此物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)規(guī)模龐大的信息計(jì)算系統(tǒng),這個(gè)系統(tǒng)需要一個(gè)強(qiáng)有力的平臺(tái)提供計(jì)算和存儲(chǔ)服務(wù)來支撐其應(yīng)用需求。當(dāng)前云計(jì)算模式興起,并迅速?gòu)母拍钭呦驊?yīng)用。云計(jì)算通過互聯(lián)網(wǎng)將計(jì)算能力和存儲(chǔ)空間有限的一系列IT設(shè)備整合成一個(gè)具有強(qiáng)大計(jì)算能力和海量存儲(chǔ)空間的系統(tǒng),其超大規(guī)模、高擴(kuò)展性、高可靠性正好滿足物聯(lián)網(wǎng)對(duì)計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源的需求,成為支撐物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的一個(gè)強(qiáng)有力的平臺(tái)[5]。云計(jì)算面向物聯(lián)網(wǎng)提供計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源兩種服務(wù),其中,存儲(chǔ)資源服務(wù)就是云存儲(chǔ)。云存儲(chǔ)服務(wù)是整個(gè)云計(jì)算平臺(tái)最底層的服務(wù),是與云計(jì)算模式相匹配的存儲(chǔ)模式,滿足整個(gè)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的存取訪問。下面從可用性、可靠性、數(shù)據(jù)資源高度共享3個(gè)方面分析云存儲(chǔ)在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的應(yīng)用。
(1)可用性
從處理的數(shù)據(jù)對(duì)象上來講,物聯(lián)網(wǎng)傳感層所采集的數(shù)據(jù)大都是非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù),例如圖像、視頻、文本、病例數(shù)據(jù)等,而云存儲(chǔ)最擅長(zhǎng)的數(shù)據(jù)處理對(duì)象便是這些數(shù)據(jù)。
物聯(lián)網(wǎng)中的傳感信息具有大數(shù)據(jù)量、實(shí)效性、高度并發(fā)等特征[6]。面對(duì)海量對(duì)象和海量匯聚的信息,快速存取成為物聯(lián)網(wǎng)評(píng)價(jià)一個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)高可用性的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。同時(shí),高度并發(fā)的應(yīng)用需求也要求系統(tǒng)必須以很小的響應(yīng)時(shí)間來完成信息的快速處理和訪問。云存儲(chǔ)中的存儲(chǔ)資源采用集中式的存放管理,而對(duì)這些資源的分配調(diào)度采用分布式。當(dāng)用戶提交數(shù)據(jù)訪問請(qǐng)求時(shí),云存儲(chǔ)系統(tǒng)中便會(huì)有多個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備和服務(wù)器提供服務(wù),大大提高了數(shù)據(jù)存取速度,同時(shí),采用分布式存儲(chǔ)架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的并行讀寫,滿足物聯(lián)網(wǎng)中并發(fā)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)存取需求。
物聯(lián)網(wǎng)對(duì)存儲(chǔ)資源的需求具有時(shí)空性,也就是不同的時(shí)間段和不同的地區(qū)對(duì)存儲(chǔ)資源的需求是不同的。這就要求系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)擴(kuò)展存儲(chǔ)空間和負(fù)載均衡功能。云存儲(chǔ)系統(tǒng)采用彈性存儲(chǔ)空間擴(kuò)展技術(shù)和虛擬化技術(shù),可以根據(jù)用戶的需求或負(fù)載對(duì)存儲(chǔ)空間大小動(dòng)態(tài)伸縮,而這些過程對(duì)用戶來說是透明的。
(2)可靠性
可靠性主要是從對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性方面來說的。物聯(lián)網(wǎng)通過對(duì)感知數(shù)據(jù)的采集和分析處理來提供智能化服務(wù),因此信息的可靠存儲(chǔ)就更加關(guān)鍵。云存儲(chǔ)通過以下兩種方法來保證系統(tǒng)的可靠性:一是加強(qiáng)系統(tǒng)的容錯(cuò)性,增加備份數(shù)據(jù);二是通過全網(wǎng)全資源監(jiān)控管理來保障系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的健壯性。
云存儲(chǔ)提供多種級(jí)別的容錯(cuò)技術(shù),如硬盤級(jí)、節(jié)點(diǎn)級(jí)和Domain/Site級(jí)的數(shù)據(jù)可靠性技術(shù),可以被運(yùn)用到物聯(lián)網(wǎng)中以滿足不同數(shù)據(jù)的不同存儲(chǔ)需求。同時(shí)云存儲(chǔ)中的每一份數(shù)據(jù)都是冗余存儲(chǔ)的,數(shù)據(jù)可以根據(jù)用戶的需求而創(chuàng)建不同數(shù)目的副本,并且這些副本是存儲(chǔ)在不同地方的,這樣可以提高系統(tǒng)的健壯性,當(dāng)某些存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)失效時(shí)不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
云存儲(chǔ)的全網(wǎng)全資源管理的特性可以對(duì)全網(wǎng)資源的性能進(jìn)行監(jiān)控,使得系統(tǒng)可以據(jù)此快速定位故障并修復(fù)并根據(jù)資源使用狀況來優(yōu)化存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的性能從而保障整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的健壯性。
(3)數(shù)據(jù)資源共享
單一的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必要過程,一個(gè)個(gè)單一的應(yīng)用構(gòu)成了未來物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的基本單元[7]。通過對(duì)眾多單一物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的互聯(lián)和集成能夠提高對(duì)物理世界的管理水平,可以形成覆蓋范圍更廣的未來物聯(lián)網(wǎng)。這就要求海量數(shù)據(jù)的共享,通過數(shù)據(jù)共享,眾多單一的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用才能互聯(lián)相互協(xié)作,從而為用戶提供更好的智能化服務(wù)。云存儲(chǔ)通過將收集到的海量感知信息按照應(yīng)用需求統(tǒng)一存放在不同的數(shù)據(jù)中心中,這種集中存放的模式通過高速傳輸?shù)幕ヂ?lián)網(wǎng)使得不同應(yīng)用服務(wù)提供商之間的數(shù)據(jù)共享更為方便,可提高共享數(shù)據(jù)的訪問速度。
從以上3個(gè)方面的分析可以看出,云存儲(chǔ)解決了物聯(lián)網(wǎng)所面臨的海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)這個(gè)難題,是物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下一種比較好的存儲(chǔ)方案。但是,物聯(lián)網(wǎng)與云存儲(chǔ)結(jié)合有一個(gè)前提條件是規(guī)模化,也就是說,只有當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用達(dá)到相當(dāng)大的規(guī)模后才有必要采用云存儲(chǔ),對(duì)于一些小型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用例如家庭物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用則沒有必要結(jié)合云存儲(chǔ)。
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