物联网:庞大的连接数导致网络也需转型

  如今,在用户和新业务增量趋缓的情况下,一直紧绷着的网络似乎终于可以松一口气了。然而并不能高兴的太早,新的矛盾已在酝酿之中,正由“物联网”带来的。在物联网逐渐融入各行各业的过程中,各种类型的终端会连接上网,而它们对连接的需求有了许多新变化。

  终端的“个体需求”

  因行业的差异性和专业复杂度,使得承载应用的终端对连接需求也更具“个性”。

  一是小数据、高频率传递需求的增加。在物联网中,一部分终端装配简单的传感器,它们本身生产的信息量很少,所以每次向网络传送的数据分组亦非常小。但对于实时监测的应用,物联网终端产生数据的周期很短,从而向网络传送数据的频率就会很高。高频次的小数据连接需求,在原本以人为主导的网络应用中并不常见。

  二是部分物联网数据的共享共用。在传统的信息系统中,数据通常都由单个应用系统“独享”,而在未来的物联网场景中,数据可以在多系统中分享。特别是公共场所的环境数据可以对各种类的应用和终端开放,以利于各行业对环境信息价值的利用。

  三是业务特性对网络质量的需求差异巨大。工业自动化类别的应用,需要对生产线进行实时操控,所以必须严格把控数据传送的时延;而后期分析预测的应用则可以把数据先暂存在边缘网络中,当网络不繁忙时,再集中将数据传送到云端;低功耗的设备,要尽可能地减少通信数据量,缩短传递的数据分组长度;对于企业的重要资产、金融计费终端、安保类设备等,则需要健壮的网络安全保护和端到端的网络隧道服务;对于低信息量且终端冗余的环境检测数据,网络则可以适当地放低质量保证,例如在一块田间部署了几十个湿度计,如果其中几个湿度计部分时段的测量数据没有送达到网络,这并不会影响农民对农作物浇灌的判断。

  设备间的“社交需求”

  用一个词汇来概括就是设备间的“社交需求”。终端会以“多点对多点”和“多线程并发”模式运行应用程序,以实现个体(终端)间的物联网社交。

  多点对多点

  在共享数据、合用产品的过程中,“多点对多点”连接模式应运而生。

  为了信息价值的最大化,数据共享会在物联网应用中广泛实践。例如很多环境信息(温度、湿度、风力等),可以运用在多种行业领域。某些公共区域将这部分数据共享给各行业应用(例如农业、旅游、交通、商展活动等),利于企业的成本管理,减少固定投资。

  “共享”使得物品可以通过多户租赁的方式“服务众人”,共享的商业形式可以释放“物”的工具价值。新兴的物联网应用,就在于信息“跨领域、跨系统、跨用户”地释放价值,数据不再由单一系统、单一企业或单一用户独自享用。分享,需要网络更适应于“全连接(Full Mesh)”的组网需求,数据更易于到达对其“感兴趣”的终端和系统,并能够控制对网络资源的消耗。

  多线程并发

  智能终端通常都具备多进程并发处理信息的能力。随着物联网应用越来越复杂,对智能终端“多点对多点”的交互要求也会“水涨船高”。就像经常使用的电脑一样(配置多块网卡和通信接口),智能终端也可以配置多个、多类的通信接口,并具备多进程处理信息的能力。对于环境信息的采集、运行状态的检测、控制决策等信息处理工作,可以在一台智能终端上同步运行,并形成良好的协同效应,实现理想的应用功能。这种融合通信、多向连接、并发处理的特性,会越来越多地在智能终端上出现,给边缘应用带来更多的可能性和创造性。

  从宏观角度来看,终端“社交需求”中多元化和复杂化的发展趋势,会促进物联网应用整体对网络需求的快速增长,并且这种增长速度,将完全超越以往的市场需求增速。“以往的市场”是以人为主导的通信和互联网市场。

  在以个人终端为主的网络中,“人”是最主要的网络使用者,所以“人数”就是网络容量最关键的参考因素。此外,还有两个重要的容量参考因素:一是业务需求(不同业务对网络资源的消耗基准不同),由于目前的电信、互联网业务已经趋于稳定,所以可以将业务需求看成是一个常量;另一个就是“连接数”需求,由于个人对信息连接的需求有上限(“邓巴数”等),所以“连接数”也可以用一个常量来表示。此前的网络发展、业务需求和连接数都在一个常量附近波动,而人数则一直在增长,所以在设计网络容量的时候,主要以人数为参考,可以通过一个一阶方程来表示人数和容量的线性关系。

  而当无数个由芯片、电路板组合而成的终端成为网络用户时,网络需求的模型就发生了改变。显而易见,有一个常量将成为变量——连接数。

  “连接数”的概念,此前就已经存在。例如,在运营商数据域的互联网业务中,网络容量的预测和设计会考虑手机的“连接数”(例如在LTE网络中的PDN连接)。当用户使用手机拨打VoLTE电话、并还玩《王者荣耀》的时候,运营商网络其实就给该手机的这两个应用各建立一个专用数据连接。虽然像手机这样的智能终端可以建立多连接,但毕竟它是服务于人的设备,它所建立的连接主要还是以人的需求为导向。在人的需求基本恒定的情况下,终端的连接需求也并不会太多。

  当物联网终端具备“智能”时,连接数的需求就会有所变化。企业要搭建更健壮、复杂的物联网应用,就需要他们的终端能够收集和传递更多的相关信息。所以,物联网终端对环境信息、其它设备信息、用户信息的“兴趣”会越来越浓。

  开发者会给终端装备更多的通信接口去采集数据,并通过多进程同步处理这些数据,再将处理后的信息转发给同样也“感兴趣”的终端。连接数在一部分具有亲缘关系(同类型或相关行业)的智能设备之间,会呈现“全连接”的状态(例如一组正在飞行表演的无人机队,每一架无人机都和其他无人机建立通信连接)。也就是说,在物联网中“连接数”和“终端数”呈二阶线性关系。(备注:这种线性关系,适用于物联网的局部范围内,在某个边缘网络中或者在同一类终端范围内)。

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图 物联网的连接

  从图中可以看出,每个新增终端的连接数需求不再是恒定值,而是取决于原来网络中的终端数量。所以,当物联网中的终端数达到一定量级时,每增加一台设备,都可能会增加难以计数的连接。

  能够支撑终端不断扩大连接数的关键要素主要有两点:一是摩尔定律在芯片制造领域的持续发酵(虽然已经减缓了),使得终端的信息处理能力能够不断提升,并带动连接能力的提升;二是信息获取的方式不受限制。终端具备的通信方式取决于装配的通信模块或传感设备,终端可以添加各种通信模块来增强其交互能力。

  人受到生理条件的限制,既不能不分昼夜一直工作,也无法同时处理多个任务,更不可能无限制地提高信息处理的速度。但物联网的终端不同,他们可以不断迭代提升基础性能,增加配件扩展通信能力,软件优化提高处理效率。它们可以不断突破能力瓶颈,获取更多的信息并处理它们。当面对终端的“野蛮生长”特性时,原本为人设计的网络模式,将难以跟得上(局部)连接需求呈“二阶方程”的递增趋势,网络边缘中繁盛的终端会快速耗尽网络资源,并最终限制住物联网中所有设备的性能发挥。

  现有的网络(IP网络),强调“端到端”的“透传”连接,这种可靠但粗简的连接方式在未来物联网的发展中,会使得网络出现严重瓶颈,即网络能力的增长速度慢于连接需求的增长。此外,许多物联网领域的专家和组织提出的IPv6技术,恐怕会加重网络负担而使得网络瓶颈更为突出。

  因此要解决物联网连接数暴增的问题,还需要引入另一些新颖的网络模式和特性。换句话说,就是“网络也需转型”。

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