物联网研究报告.docx
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物联网研究报告.docx
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物联网研究报告
第一章物联网概述
第一节物联网的定义
物联网(InternetofThings,IOT)的定义是:
通过射频识别(RFID)、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连接起来,进行信息交换和通讯,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
从技术上理解,物联网理解是指物体通过智能感应装置,经过传输网络,到达指定的信息处理中心,最终实现物与物、人与物之间的自动化信息交互与处理的智能网络。
从应用上理解,物联网是指把世界上所有的物体都连接到一个网络中,形成“物联网”,然后“物联网”又与先有的互联网结合,实现人类社会与物理系统的整合,达到更加精细和生动的方式管理生产和生活。
第二节物联网的体系架构
物联网应该具备三个特征,一是全面感知,即利用RFID、传感器、二维码等随时随地获取物体的信息;二是可靠传递,通过各种电信网络与互联网的融合,将物体的信息实时准确地传递出去;三是智能处理,利用云计算、模糊识别等各种智能计算技术,对海量数据和信息进行分析和处理,对物体实施智能化的控制。
在业界,物联网大致被公认为有三个层次,底层是用来感知数据的感知层,第二层是数据传输的网络层,最上面则是内容应用层。
感知层是物联网的皮肤和五官——识别物体,采集信息。
感知层包括二维码标签和识读器、RFID标签和读写器、摄像头、GPS、传感器、终端、传感器网络等,主要是识别物体,采集信息,与人体结构中皮肤和五官的作用相似。
网络层是物联网的神经中枢和大脑——信息传递和处理。
网络层包括通信与互联网的融合网络、网络管理中心、信息中心和智能处理中心等。
网络层将感知层获取的信息进行传递和处理,类似于人体结构中的神经中枢和大脑。
应用层是物联网的“社会分工”——与行业需求结合,实现广泛智能化。
应用层是物联网与行业专业技术的深度融合,与行业需求结合,实现行业智能化,这类似于人的社会分工,最终构成人类社会。
第三节物联网核心技术
物联网核心技术包括射频识别(RFID)装置、WSN网络、红外感应器、全球定位系统、Internet与移动网络,网络服务,行业应用软件。
在这些技术中,又以底层嵌入式设备芯片开发最为关键,引领整个行业的上游发展。
一、RFID技术
RFID(RadioFrequencyIdentification的),即射频识别,俗称电子标签。
RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术,它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据,识别工作无须人工干预,可工作于各种恶劣环境。
RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签,操作快捷方便。
RFID是一种简单的无线系统,只有两个基本器件,该系统用于控制、检测和跟踪物体。
系统由一个询问器(或阅读器)和很多应答器(或标签)组成。
一套完整的RFID系统,是由阅读器(Reader)与电子标签(TAG)也就是所谓的应答器(Transponder)及应用软件系统三个部份所组成,其工作原理是Reader发射一特定频率的无线电波能量给Transponder,用以驱动Transponder电路将内部的数据送出,此时Reader便依序接收解读数据,送给应用程序做相应的处理。
二、WSN技术
WSN是wirelesssensornetwork的简称,即无线传感器网络。
无线传感器网络(WirelessSensorNetwork,WSN)就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息,并发送给观察者。
传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。
第四节M2M
物联网现阶段最主要的表现形式:
M2M。
M2M是机器到机器的无线数据传输,有时也包括人对机器和机器对人的数据传输。
有多种技术支持M2M网络中的终端之间的传输协议,目前主要有CDMA、GPRS、IEEE802.11a/b/gWLAN等等。
M2M是一种理念,也是所有增强机器设备通信和网络能力的技术的总称。
M2M(MachinetoMachine)作为实现机器与机器之间的无线通信手段,为制造业的信息化提供了一种新的解决思路。
例如:
在电力设备中安装可监测配电网运行参数的模块,实现配电系统的实时监测、控制和管理维护;在石油设备中安装可以采集油井工作情况信息的模块,远程对油井设备进行调节和控制,及时准确了解油井设备工作情况;在汽车上配装采集车载信息终端、远程监控系统等,实现车辆运行状态监控等。
M2M应用市场正在全球范围快速增长,随着包括通信设备、管理软件等相关技术的深化,M2M产品成本的下降,M2M业务将逐渐走向成熟。
目前,在美国和加拿大等国已经实现安全监测、机械服务、维修业务、自动售货机、公共交通系统、车队管理、工业流程自动化、电动机械、城市信息化等领域的应用。
欧洲著名的行业咨询机构IDATE的报告显示,2006年,全球范围内M2M市场容量已经达到200亿欧元,而到2010年,市场容量将达到2200亿欧元,年复合增长率达到49%。
第二章物联网应用领域
第一节应用概述
在国家大力推动工业化与信息化两化融合的大背景下,物联网将是工业乃至更多行业信息化过程中一个比较现实的突破口。
一旦物联网大规模普及,无数的物品需要加装更加小巧智能的传感器,用于动物、植物、机器等物品的传感器与电子标签及配套的接口装置数量将大大超过目前的手机数量。
按照目前对物联网的需求,在近年内就需要按亿计的传感器和电子标签。
专家预计,2011年,内嵌芯片、传感器、无线射频的“智能物件”将超过1万亿个,物联网将会发展成为一个上万亿元规模的高科技市场,这将大大推进信息技术元件的生产,给市场带来巨大商机。
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IT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。
第二节电力电网
一、概述
自200l年以来,中国每年的能源消耗量一直以12%的平均速度增长,也就是说能源消耗量增长速率高于GDP增长速度。
由于电网系统效率低下,发电和输电过程中浪费非常严重。
现在,我们可以利用高科技对事物有更透彻的感知和度量,不管是安装在室内的计量器还是发电厂里的涡轮。
所有这些感知和度量支持我们更好的收集信息和数据,透过先进的分析工具产生智能洞察,再以此实时地做出更好的决策。
仪表管理技术的进步使个人和企业可以选择使用能源的方式和时间,这就为使用风能和太阳能等利于环保的能源奠定了基础。
对于电力提供商而一言,智慧的电力意味着更高的电力的可靠性和电力质量,更短的停电恢复时问,进而实现更高生产率和对电力潜在障碍的防护,从而更精确地预测需替换的资产设备及支出。
二、减少停电现象
通过在智慧的电力中安装先进分析和优化引擎,电力提供商可以突破“传统”网络的瓶颈,而直接转向能够主动管理电力故障的“智能”电网。
对电力故障的营理计划不仅考虑到了电网中复杂的拓扑结构和资源限制,还能够识别同类型发电设备,这样,电力提供商就可以有效地安排停电检测维修任务的优先顺序。
如此一来,停电时间和频率可减少约30%,停电导致的收入损失也将减少,而电网的可靠性和客户的满意度也将得到提高。
三、智能电表
在智慧的电力设施的支持下,智能电表可以重新定义电力提供商和客户的关系。
通过安装内容丰富且读取方便的设备,用户可了解在任何时刻的电力费用,并目.用户还可以随时获取一天中任意时刻的用电价格(查看前后的记录),这样电力提供商就为用户提供了很大的灵活性,用户可以根据了解到的信息改变其用电模式。
智能电表不仅可以测量用电量,它还是电网上的传感器,可以协助检测波动和停电。
它还能储存和关联信息,支持电力提供商完成远程开启或关闭服务,也能远程支持使用后支付或提前支付等付费方式的转换。
总而言之,智能电表可大幅度减小系统的峰值负荷,转换电力操作模式,也能重新定义客户体验。
第三节医疗系统
一、概述
由于缺乏资金和管理不当,中国医疗保健体系覆盖率很低,39%的农村居民和36%的城市居民无法承受专业的医疗治疗。
而且,由于一直以来有限的政府投资主要针对的是规模更大、等级更高的城市医院、农村地区医院的床位严重短缺。
资金较少的医院于是将其核心竞争力从临床治疗转向创收活动,而这反过来极大地影响了对患者护理的质量。
然而,中国一直都在竭尽全力发展一个现代化的医疗体系。
发展和完善21世纪的医疗体系,必须采取智慧的方法进行信息共享管理。
实时信息共享可以降低药品库存和成本并提高效率。
有了综合准确的信息,医生就能参考患者之前的病历和治疗记录,增加对病人情况的了解,从而提高诊断质量和服务质量。
智慧的医疗能够促成一种可以共享资源、服务及经验的新服务模型,能够推动各医院之间的服务共享和灵活转账,能够形成一种新的管理系统,使开支和流程更加透明化。
二、整合的医疗平台
整合的医疗保健平台根据需要通过医院的各系统收集并存储患者信息,并将相关信息添加到患者的电子医疗档案,所有授权和整合的医院都可以访问。
这样资源和患者能够有效地在各个医院之间流动,通过各医院之间适当的管理系统,政策,转诊系统等。
这个平台满足一个有效的多层次医疗网络对信息分享的需要。
三、电子健康档案系统
电子健康档案系统通过可靠的门户网站集中进行病历整合和共享,这样各种治疗活动就可以不受医院行政界限而形成一种整合的视角。
有了电子健康档案系统,医院可以准确顺畅地将患者转到其他门诊或其他医院,患者可随时了解自己的病情,医生可以通过参考患者完整的病史为其做出准确的诊断和治疗。
第四节城市设施
一、概述
当前,中国大多数城市在IT基础架构方面远远落后于其他发达国家。
城市管理低效和公共服务的落后是阻碍中国城市发展的两人系统挑战。
由于缺乏内部整合和协作,不同的政府机构和职能部门在流程及数据管理上相对分散并且重复严重,由此带来的后果就是处理公共事务和公共服务时响应缓慢、效率低但成本很高。
全球自然环境和政局不断变化,人们对安全问题也更加关注。
为了更好的满足市民不断提升的需求,必须建立一个山新工具新技术支持的涵盖政府、市民和商业组织的新城市生态系统。
在智能且互联技术的支持下,政府可以实时收集并分析城市各领域的数据,以便快速制定决策并采取适当的行动。
市民可以远程工作、购物、学习和进行交易,从而令生活变得更加便利、灵活和自主。
企业可充分利川集成数据管理所支持的跨政府职能部门的“一站式服务”,快速通过企业建立,企业运营所需的政府流程。
他们还可以通过公司内部以及业务合作伙伴之间的互联互通更有效地管理产品开发、制造、物流和配送。
二、实时城市管理
实时城市管理设立一个城市监控报告中心,将城市划分为多个网格,这样系统能够快速收集每个网格中所有类型的信息,城市监控中心依据事件的紧急程度上报或指派相关职能部门(如火警,警察局,医院)采取适当的行动,这样政府就可实时监督并及时响应城市事件。
三、整合的公共服务
新的公共服务系统将不同职能部门(如民政、社保、警察局、税务等)中原本孤立的数据和流程整合到一个集成平台,并创建一个统一流程来集中管理系统和数据,为居民提供更加便利和高效的一站式服务。
第五节交通管理
一、概述
解决交通拥堵的传统方式是增加容量。
但在当今的环境中,我们需要其他解决办法。
将智能技术运用到道路和汽车中无疑是可以实现的——例如,增设路边传感器、射频标一记和全球定位系统。
这可改变人们固有的思维和习惯,还可以丰富驾驶者的经验,而不再仅仅关心出行时间及路线选择。
同时,它还可以改进汽车、道路以及公共交通,使之更具便利性。
新的交通系统可以是乘坐公共交通的人可以通过手机查看下一班的市郊火车或地铁上有多少空座位。
集成服务和信息对未来的公共交通至关重要。
例如,为均衡供求,未来的交通系统将可以定位乘客位置,并为他们提供所需的智慧的交通工具。
许多交通规划者己经开始努力促成多个系统的集成,并在各种交通类型、多个城市甚至国家或地区之间整合费用和服务。
智慧的交通系统可以缩短人们的空间距离,提高生产效率、降低旅程时间和加速突发事件交通工具的响应速度,也可保护环境(如改善空气质量、降低噪音污染、延长资产生命周期、保护古迹/景点/住宅)。
二、实时交通信息
智慧的道路是减少交通拥堵的关键,但我们仍不了解行人、车辆、货物和商品在市内的具体移动状况。
因此,获取数据是重要的第一步。
通过随处都安置的传感器,我们可以实时获取路况信息,帮助监控和控制交通流量。
人们可以获取实时的交通信息,并据此调整路线,从而避免拥堵。
未来,我们将能建成自动化的高速公路,实现车辆与网络相连,从而指引车辆更改路线或优化行程。
三、交通收费
通过RFID技术以及利用激光、照相机和系统技术等的先进自由车流路边系统来无缝地检测、标识车辆并收取费用。
第六节物流供应链
一、概述
中国物流成本所占GDP百分比一直都高于发达国家,这反映出供应链运营效率低下的体制性问题。
法规、基础设施和运营等三大瓶颈是中国供应链低效的深层原因,这不仅削弱了中国企业的竞争力,也会妨碍内部货物流以及国内需求的扩大。
智慧的供应链将促使物理网络和数字网络融合,将先进的传感器、软件及相关知识整合到系统中。
智慧的供应链的价值在于我们可以从各种数据中抽取有价值的信息,包括基于地理空间或位置的信息、关于产品属性的信息、产品流程/条件、供应链关键业绩指标等;同时也可以提升数据传输的速度。
智慧的供应链可以满足21世纪的需求,它可以提高效率(如动态供求均衡、预测事件检测和解决、旨在降低库存的库存水平和产品位置高度可视性)、降低风险(例如,降低污染和召回事件的发生频率及其影响、减少产品责任保金、减少伪劣消费产品),也能减少供应链的环境保护压力(如降低能源和资源消耗、减少污染物排放)。
二、供应链网络优化
智慧的供应链通过使用强大的分析和模拟引擎来优化从原材料至成品的供应链网络。
这可以帮助企业确定生产设备的位置,优化采购地点,亦能帮助制定库存分配战略。
使用后,公司可以通过优化的网络设计来实现真正无缝的端到端供应链,这样就能提高控制力,同时还能减少资产、降低成木(交通运输、存储和库存成木)、减少碳排放,也能改善客户服务(备货时间、按时交付、加速上市)。
三、提供供应链可视性
供应链的每个成员都应当能够追溯产品生产者以及产品成分、包装、来源等特征,也应当能够向前追踪产品成分、包装和产品的的每一项活动,这变得越来越重要。
要设计一个具有对整个价位链可追溯性的供应链,公司必须创建流程和基础架构来收集、集成、分析和传递关于产品来源和特征的可靠信息,这应当贯穿于供应链的各个阶段(从农场到餐桌)。
它将不!
司的技术解决方案整合起来,使物理供应链(商品的运动轨迹)和信息供应链(数据的收集、存储、组织、分析和访问控制)能够相互集成。
有了这样的供应链可视性,公司就能保护和推广品牌、主动地吸引其他股东并降低安全事故的影响。
第七节通信行业
在“2009年中国国际信息通信展览会”上,中国移动展出了手机支付,这就是典型的物联网概念应用。
手机支付实际上主要是手机SIM卡的更换,由普通SIM卡更换为RFID-SIM卡,而不需要对手机进行更换。
用户在消费时,只需要将手机从接收器上轻轻一扫,就可以方便进行各种购物,以及获得详细的费用清单。
中国电信一直在推介自己的全球眼技术,其实就是远程监控的物联网应用。
比如上海海关都采用中国电信的远程监控系统,通过画而可以对货物进行通关检查,也减少人力。
中国联通日前在上海推出了公交卡手机,通过刷手机可以实现公交车票支付,这些都是典型的应用。
第三章物联网遇到的问题与挑战
第一节通用标准问题
一、技术标准问题
世界各国存在不同的标准。
目前针对RFID在物流的应用存在两种编码体系:
一是日本泛在ID中心提出的UID编码体系,支持的企业与公司已达352家。
另一阵营由美国的EPC(电子产品代码)环球协会提出,是由美国IBM公司、微软、AUTO—IDLab等进行技术研究支持,同时拥有沃尔玛、Tesco等100多家美国与欧洲的流通企业支持的EPC电子产品编码标准。
但统一的ISO国际标准还没有出台,因此目前的技术还不能保证所有的标签与阅读器实现兼容。
目前国际上,对物联网的监管及技术标准,主要存在以下争议:
(1)目前全球已经达成共识,所有物联网的中物体都将拥有一个全球唯一的识别码。
但是,目前国际上有多个识别码的技术制定组织及所制定的多个技术标准。
为形成统一的物品识别码上,还需要各国更多的合作。
(2)各国及地区组织都致力于确保政府对物联网的控制权,以确保物联网时代信息的交换不会触犯各国或各地区组合的法律。
这将为物联网时代的信息交换设置障碍。
二、协议标准问题
物联网是互联网的延伸,在物联网核心层面是基于TCP/IP,但在接入层面,协议类别五花八门,GPRS/CDMA、短信、传感器、有线等多种通道,物联网需要一个统一的协议栈。
第二节安全问题
传统的网络中,网络层的安全和业务层的安全是相互独立的,而物联网的特殊安全问题很大一部分是由于物联网是在现有移动网络基础上集成了感知网络和应用平台带来的。
因此,移动网络中的大部分机制仍然可以适用于物联网并能够提供一定的安全性,如认证机制、加密机制等。
但还是需要根据物联网的特征对安全机制进行调整和补充。
一、业务认证机制
传统的认证是区分不同层次的,网络层的认证就负责网络层的身份鉴别,业务层的认证就负责业务层的身份鉴别,两者独立存在。
但是在物联网中,大多数情况下,机器都是拥有专门的用途,因此其业务应用与网络通信紧紧地绑在一起。
由于网络层的认证是不可缺少的,那么其业务层的认证机制就不再是必需的,而是可以根据业务由谁来提供和业务的安全敏感程度来设计。
例如,当物联网的业务由运营商提供时,那么就可以充分利用网络层认证的结果而不需要进行业务层的认证;当物联网的业务由第三方提供也无法从网络运营商处获得密钥等安全参数时,它就可以发起独立的业务认证而不用考虑网络层的认证;或者当业务是敏感业务如金融类业务时,一般业务提供者会不信任网络层的安全级别,而使用更高级别的安全保护,那么这个时候就需要做业务层的认证;而当业务是普通业务时,如气温采集业务等,业务提供者认为网络认证已经足够,那么就不再需要业务层的认证。
二、加密机制
传统的网络层加密机制是逐跳加密,即信息在发送过程中,虽然在传输过程中是加密的,但是需要不断地在每个经过的节点上解密和加密,即在每个节点上都是明文的。
而传统的业务层加密机制则是端到端的,即信息只在发送端和接收端才是明文,而在传输的过程和转发节点上都是密文。
由于物联网中网络连接和业务使用紧密结合,那么就面临到底使用逐跳加密还是端到端加密的选择。
对于逐跳加密来说,它可以只对有必要受保护的链接进行加密,并且由于逐跳加密在网络层进行,所以可以适用于所有业务,即不同的业务可以在统一的物联网业务平台上实施安全管理,从而做到安全机制对业务的透明。
这就保证了逐跳加密的低时延、高效率、低成本、可扩展性好的特点。
但是,因为逐跳加密需要在各传送节点上对数据进行解密,所以各节点都有可能解读被加密消息的明文,因此逐跳加密对传输路径中的各传送节点的可信任度要求很高。
而对于端到端的加密方式来说,它可以根据业务类型选择不同的安全策略,从而为高安全要求的业务提供高安全等级的保护。
不过端到端的加密不能对消息的目的地址进行保护,因为每一个消息所经过的节点都要以此目的地址来确定如何传输消息。
这就导致端到端加密方式不能掩盖被传输消息的源点与终点,并容易受到对通信业务进行分析而发起的恶意攻击。
另外从国家政策角度来说,端到端的加密也无法满足国家合法监听政策的需求。
由这些分析可知,对一些安全要求不是很高的业务,在网络能够提供逐跳加密保护的前提下,业务层端到端的加密需求就显得并不重要。
但是对于高安全需求的业务,端到端的加密仍然是其首选。
因而,由于不同物联网业务对安全级别的要求不同,可以将业务层端到端安全作为可选项。
第三节技术问题
一、IP地址问题
每个物品都需要在物联网中被寻址,就需要一个地址。
物联网需要更多的IP地址,IPv4资源即将耗尽,那就需要IPv6来支撑。
IPv4向IPv6过渡是一个漫长的过程,因此物联网一旦使用IPv6地址,就必然会存在与IPv4的兼容性问题。
二、识别率问题
识别率有待提高:
根据机构Auto-IDCenter所做的一项调查显示,即使贴上双重电子标签,仍有3%无法判读。
高频识别信号不易穿透液体与金属,是目前射频识别技术的一个技术攻坚点。
技术的不成熟使RFID的实施与应用更为困难。
三、云计算问题
以云计算为代表的分布式网络信息处理技术正是为了解决互联网发展所带来的巨量数据存储与处理需求,而在物联网规模发展后产生的数据量将会远远超过互联网的数据量,海量的数据的存储与计算处理需要云计算技术的应用。
(1)规模化是云计算服务物联网的前提条件。
物联网的规模足够大之后,才有可能和云计算结合起来,比如行业应用:
智能电网、地震台网监测等等需要云计算。
云计算中心对接入网络的终端的普适性,最终解决了物联网的M2M应用的广泛性,而物联网所能体现的优势阶段,在其所具备有相当的规模之后。
(2)实用技术是云计算服务物联网的实现条件。
第一点是IT虚拟化技术,这也是云计算的基础,只有实现了IT虚拟化,才能真正实现资源共享和IT服务能力的按需提供,这其中关键技术就涉及到服务器虚拟化、网络虚拟化和存储虚拟化,当然如果能够将服务器、网络和存储进行融合,让服务器与网络之间,网络与存储之间也能够达到资源共享的虚拟化,这将会在计算能力的有效利用,服务能力的错峰处理和绿色节电环保等方面更具有吸引力。
第二点是如何对物联网,云计算平台的管理、控制与应用,从而让其更好地实现可靠、安全、连续的服务。
第四点是基于云计算和物联网的各种业务与应用,只有通过合适的业务模式和实用的实际服务才能让物联网和云计算更好为人类服务,才能形成一个有效、良性的价值链体系和业务生态系统,从而推动整个信息产业、IT及各行各业能够良性地可持续发展。
第四节其他问题
一、成本问题
一个解读器成本大约为1000美元甚至更多,而且大多数只能读取单一频率芯片中的信息,因此公司将需要购买许多解读器以覆盖他们运营的各个领域。
因此,目前来看RFID的信息系统与阅读器等硬件设施也是一项庞大的投资,再加上计算机,局域网、应用软件、系统集成等费用,让众从企业望而却步。
EPC标签的高成本成为这一技术大规模推广的一个最大障碍,因此EPC标签能在单品追踪中发挥作用的关键之一就是大幅度降低标签的成本,为达到以上目的,现已采取了以下措施:
缩小芯片、开发新型天线和寻找硅的替代品。
第四章物联网的未来前景
尽管物联网现在还存在着的一些问题,但我们依然认为,应用的发展是伴随着技术的成熟而逐渐应用到各个方面的,并不是应用在等待技术完全成熟以后才会开始。
例如,目前关于耗能和成本高昂的问题,在某些特别的领域,例如物流的应用、电网的应用等,物联网所带来的方便将远远多于它的问题,因此在某些领域,物联网将率先展开应用,同时,伴随着技术的进步,会逐渐拓展开来,拓展到我们生活的方方面面。
拿RFID标签的成本来说,不同环境下的使用成本是不一
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