物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論（第3版）課件：物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論》《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論》第三版感知層

二網(wǎng)絡(luò)層三物聯(lián)網(wǎng)體系概述一應(yīng)用層四課程提綱物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)實(shí)例五本章小結(jié)六課程提綱感知層

二網(wǎng)絡(luò)層三物聯(lián)網(wǎng)體系概述一應(yīng)用層四物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)實(shí)例五本章小結(jié)六工業(yè)使用的架構(gòu)框架物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)：感知層網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)用層

感知層感知層是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，是物理世界和信息世界的銜接層。通過各類信息采集、執(zhí)行設(shè)備和識別設(shè)備多種網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、信息處理技術(shù)、物化安全可信技術(shù)、中間件及網(wǎng)關(guān)技術(shù)等實(shí)現(xiàn)物理空間和信息空間的感知互動。

網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層主要實(shí)現(xiàn)信息的傳輸和通信提供廣域范圍內(nèi)的應(yīng)用和服務(wù)所需的基礎(chǔ)承載傳輸網(wǎng)絡(luò)。

應(yīng)用層應(yīng)用層主要將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與行業(yè)專業(yè)系統(tǒng)相結(jié)合，感知數(shù)據(jù)處理封裝，以服務(wù)的方式提供給用戶，實(shí)現(xiàn)廣泛的物物互聯(lián)的應(yīng)用解決方案。應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋環(huán)境監(jiān)測、智能電網(wǎng)、智能家居、智能交通、工業(yè)監(jiān)控等多個領(lǐng)域。應(yīng)用服務(wù)支持平臺用于支撐跨行業(yè)、跨應(yīng)用、跨系統(tǒng)之間的信息協(xié)同、共享、互通等。

課程提綱感知層

二網(wǎng)絡(luò)層三物聯(lián)網(wǎng)體系概述一應(yīng)用層四物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)實(shí)例五本章小結(jié)六2.2.1感知現(xiàn)實(shí)物理世界2.2.2執(zhí)行反饋決策感知現(xiàn)實(shí)物理世界感知互動層功能主要是采集物品和周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)，通過這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取用戶感興趣的信息和知識，完成對現(xiàn)實(shí)物理世界的認(rèn)知和識別，與此同時，物聯(lián)網(wǎng)經(jīng)常需要根據(jù)用戶的需要，形成對物理世界的反饋控制簡而言之，分為感知現(xiàn)實(shí)世界和執(zhí)行反饋決策兩部分。感知互動層的功能感知現(xiàn)實(shí)世界執(zhí)行反饋決策數(shù)據(jù)采集和存儲數(shù)據(jù)處理設(shè)備之間的通信和控制管理感知現(xiàn)實(shí)物理世界感知現(xiàn)實(shí)物理世界是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基礎(chǔ)，在物聯(lián)網(wǎng)的感知互動層中，通過各種感知設(shè)備收集用戶感興趣的表征物理世界信息的數(shù)據(jù)或發(fā)生的物理事件，包括各類物理量，如標(biāo)識、音頻、視頻數(shù)據(jù)等。感知技術(shù)主要包括傳感器與傳感器節(jié)點(diǎn)組成的系統(tǒng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)等。加速度傳感器震動傳感器磁敏傳感器光敏傳感器感知現(xiàn)實(shí)物理世界感知現(xiàn)實(shí)物理世界是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基礎(chǔ)，在物聯(lián)網(wǎng)的感知互動層中，通過各種感知設(shè)備收集用戶感興趣的表征物理世界信息的數(shù)據(jù)或發(fā)生的物理事件，包括各類物理量，如標(biāo)識、音頻、視頻數(shù)據(jù)等。感知技術(shù)主要包括傳感器與傳感器節(jié)點(diǎn)組成的系統(tǒng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)等。傳感器節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

處理單元是傳感器節(jié)點(diǎn)的核心，它發(fā)起采集數(shù)據(jù)命令，數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，設(shè)定數(shù)據(jù)發(fā)送時機(jī)，判定執(zhí)行器的動作，運(yùn)行各種程序等。

存儲單元式作為存儲數(shù)據(jù)和代碼的物理單元。

通信單元是在傳感器節(jié)點(diǎn)間交換數(shù)據(jù)的模塊，既可以是有線通信，也可以是無線通信。

電源模塊提供節(jié)點(diǎn)的能量供給。

傳感器具備對外部環(huán)境感知能力，負(fù)載信息采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，包括溫濕度、壓力、化學(xué)成分等。

執(zhí)行器作為可選的單元，通常是用于實(shí)現(xiàn)決策信息對環(huán)境的反饋控制。傳感器節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)實(shí)約束能量受限:傳感器節(jié)點(diǎn)攜帶電池能量十分有限，第一，由于傳感器節(jié)點(diǎn)分布區(qū)域廣，環(huán)境復(fù)雜，許多區(qū)域甚至人員不可達(dá)，因此能源難以補(bǔ)充；第二，受限于節(jié)點(diǎn)尺寸與成本，現(xiàn)有傳感器節(jié)點(diǎn)通常無法采用大容量電池或者太陽能電池。因此，高效使用能量以最大化網(wǎng)絡(luò)生存時間是傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的重要目標(biāo)。通信能力受限:節(jié)點(diǎn)的通信距離和通信帶寬有限，無線通信的能量消耗隨著通信距離的增加而呈指數(shù)增長，因此，在滿足通信連通度的前提下，應(yīng)盡量減少單跳通信距離，數(shù)據(jù)傳輸采用多跳路由機(jī)制。節(jié)點(diǎn)的無線通信帶寬一般只有幾百Kbit/s。計算和存儲能力受限:傳感器節(jié)點(diǎn)是一種微處理嵌入設(shè)備，要求價格和功耗較小，這些限制必然導(dǎo)致其處理器能力比較弱，且存儲器容量比較小，復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)功能常常需要多節(jié)點(diǎn)協(xié)同合作。傳感器網(wǎng)絡(luò)單一的傳感器節(jié)點(diǎn)通常在通信、能量、處理和存儲等多個方面受到限制，多個傳感器節(jié)點(diǎn)通過組網(wǎng)連接后，具備應(yīng)對復(fù)雜計算和協(xié)同信息處理能力，它能夠更加靈活、以更強(qiáng)的魯棒性來完成感知的功能。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)布設(shè)具有高度靈活、低功耗和低成本等特點(diǎn)，所以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究一直是國際上無線通信研究的熱點(diǎn)問題之一。傳感器網(wǎng)絡(luò)軍事領(lǐng)域應(yīng)用VigilNet美國弗吉尼亞大學(xué)研制的用于軍事監(jiān)測的系統(tǒng)傳感節(jié)點(diǎn)具有自主成網(wǎng)、多跳傳輸?shù)忍攸c(diǎn)傳感器網(wǎng)絡(luò)醫(yī)療系統(tǒng)和健康護(hù)理傳感器網(wǎng)絡(luò)智能家居傳感器網(wǎng)絡(luò)科學(xué)研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征（1）能量有效性（2）時延要求（3）公平性（4）靈活性和可擴(kuò)展性數(shù)據(jù)交換在數(shù)據(jù)交換方面，由于感知的數(shù)據(jù)種類、特征和重要程度等不同，因此，數(shù)據(jù)表達(dá)和接口的標(biāo)準(zhǔn)化是物聯(lián)網(wǎng)集成應(yīng)用的關(guān)鍵之一，同時開發(fā)出與標(biāo)準(zhǔn)配套的運(yùn)行環(huán)境和中間件框架，這些都需要標(biāo)準(zhǔn)化組織來推動。執(zhí)行反饋決策物聯(lián)網(wǎng)在與物理世界交互的過程中，不僅需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、信息感知、自動識別等功能，而且也需要建立對物理世界的反饋和控制，實(shí)現(xiàn)對物的信息控制，最終為人類提供信息服務(wù)。它是在感知的基礎(chǔ)上，融合計算、通信和控制的能力，實(shí)現(xiàn)物理世界和信息世界的雙向交互，使得整個系統(tǒng)更加智能化。通過對歷史數(shù)據(jù)的挖掘，先進(jìn)的信息處理技術(shù)提取出可以提交給物聯(lián)網(wǎng)用戶用來做出決策的信息，用戶能夠根據(jù)這些信息做出判定，從而將這一判定的結(jié)果通過傳輸最終到達(dá)執(zhí)行器或節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)控制的功能。課程提綱感知層

二網(wǎng)絡(luò)層三物聯(lián)網(wǎng)體系概述一應(yīng)用層四物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)實(shí)例五本章小結(jié)六2.3網(wǎng)絡(luò)層2.3.1互聯(lián)網(wǎng)2.3.2電信網(wǎng)2.3.3廣播電視網(wǎng)2.3.4三網(wǎng)融合與多網(wǎng)融合2.3.5電信網(wǎng)與傳感網(wǎng)的融合互聯(lián)網(wǎng)IPv6報頭格式：電信網(wǎng)UMTS（R4/R5）網(wǎng)絡(luò)參考架構(gòu)示意圖:電信網(wǎng)固定網(wǎng)絡(luò)與移動網(wǎng)絡(luò)向NGN的融合演進(jìn):廣播電視網(wǎng)NGB網(wǎng)絡(luò)示意圖:三網(wǎng)融合與多網(wǎng)融合下一代信息通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢是網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化、寬帶化、IP化，以及多網(wǎng)之間的協(xié)同與融合。所謂“三網(wǎng)融合”，就是指建立在網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通、資源共享基礎(chǔ)上的互聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)和廣播電視網(wǎng)的相互滲透、互相兼容，并逐步整合成為統(tǒng)一的信息通信網(wǎng)絡(luò)。三網(wǎng)融合與多網(wǎng)融合互聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)的核心網(wǎng)絡(luò)無線低速網(wǎng)BluetoothZigBee新興無線接入技術(shù)可見光通信NB-IoT等移動互聯(lián)網(wǎng)3G/4G無線寬帶網(wǎng)Wi-FiWiMAX電信網(wǎng)與傳感網(wǎng)的融合電信網(wǎng)與傳感網(wǎng)的融合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖：課程提綱感知層

二網(wǎng)絡(luò)層三物聯(lián)網(wǎng)體系概述一應(yīng)用層四物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)實(shí)例五本章小結(jié)六2.4.1業(yè)務(wù)模式和流程1.業(yè)務(wù)模式業(yè)務(wù)訂制模式公共服務(wù)模式災(zāi)害應(yīng)急模式2.業(yè)務(wù)描述語言3.業(yè)務(wù)流程2.4.2服務(wù)資源2.4.3服務(wù)質(zhì)量業(yè)務(wù)模式和流程業(yè)務(wù)訂制過程業(yè)務(wù)退訂過程物聯(lián)網(wǎng)公共服務(wù)業(yè)務(wù)平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)災(zāi)害應(yīng)急物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)業(yè)務(wù)描述語言XMLUMLBPEL圖3-15XML代碼片段XML代碼片段UML使用范例BPEL模型示意圖基礎(chǔ)服務(wù)層次和SOA擴(kuò)展階段服務(wù)資源1.標(biāo)識GUID標(biāo)準(zhǔn)OID標(biāo)準(zhǔn)2.地址3.存儲資源4.計算能力GUID標(biāo)準(zhǔn)GUID的結(jié)構(gòu)OID標(biāo)準(zhǔn)OID標(biāo)識體系IPv6地址的初始分配情況服務(wù)資源存儲資源磁盤光盤計算能力超級計算機(jī)新型計算機(jī)2010年6月公布的國際超級計算機(jī)前10名

新型計算機(jī)生物計算機(jī)量子計算機(jī)光子計算機(jī)服務(wù)質(zhì)量通信為中心的服務(wù)質(zhì)量數(shù)據(jù)為中心的服務(wù)質(zhì)量用戶為中心的數(shù)據(jù)質(zhì)量通信為中心的服務(wù)質(zhì)量時延公平性優(yōu)先級可靠性

時延是指一個報文或分組從一個網(wǎng)絡(luò)的一端傳輸?shù)搅硪欢怂枰臅r間發(fā)送時延傳播時延處理時延排隊(duì)時延

公平性是衡量網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量的重要指標(biāo)，可以有以下幾種理解：保證網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的每一個節(jié)點(diǎn)都能夠絕對公平地獲得信道帶寬資源保證網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的每一個節(jié)點(diǎn)都能夠有均等的機(jī)會獲得信道帶寬資源保證網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的每一個節(jié)點(diǎn)都有機(jī)會獲得信道帶寬資源

網(wǎng)絡(luò)通信中的優(yōu)先級

主要是指對網(wǎng)絡(luò)承載的各種業(yè)務(wù)進(jìn)行分類，并按照分類指定不同業(yè)務(wù)的優(yōu)先等級。可靠性通信的一個基本目的就是保證信息被完整地、正確地從源節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)。保證信息傳輸?shù)目煽啃砸彩峭ㄐ诺囊粋€重要原則。數(shù)據(jù)為中心的服務(wù)質(zhì)量真實(shí)性安全性完整性冗余性實(shí)時性

真實(shí)性數(shù)據(jù)的真實(shí)性是用于衡量使用數(shù)據(jù)的用戶得到的數(shù)值與數(shù)據(jù)源的客觀實(shí)際即“真值”之間的差異。對于數(shù)據(jù)真實(shí)性可以有以下幾種理解：接收方和發(fā)送方持有數(shù)據(jù)中的數(shù)值之間的偏差程度。接收方和發(fā)送方持有數(shù)據(jù)所包含內(nèi)容的在語義上或上下文環(huán)境中的吻合程度。接收方和發(fā)送方持有數(shù)據(jù)所指代范圍的重合程度。

安全性數(shù)據(jù)安全的要求是通過采用各種技術(shù)和管理措施，使通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)正常運(yùn)行，從而確保數(shù)據(jù)的可用性、完整性和保密性，保證數(shù)據(jù)不因偶然或惡意的原因遭受破壞、更改和泄露。數(shù)據(jù)本身的安全數(shù)據(jù)防護(hù)的安全

完整性數(shù)據(jù)完整性是指數(shù)據(jù)的精確性和可靠性，防止數(shù)據(jù)庫中存在不符合語義規(guī)定的數(shù)據(jù)和防止因錯誤信息的輸入輸出造成無效操作或錯誤信息，確保數(shù)據(jù)庫中包含的數(shù)據(jù)盡可能地準(zhǔn)確和一致。實(shí)體完整性域完整性引用完整性用戶定義完整性

冗余性數(shù)據(jù)冗余是指數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)中有重復(fù)信息的存在。應(yīng)當(dāng)避免出現(xiàn)過度的數(shù)據(jù)冗余。必須引入適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)冗余。

實(shí)時性數(shù)據(jù)的實(shí)時性要求，與應(yīng)用的背景有著密切關(guān)系。相關(guān)典型應(yīng)用工業(yè)生產(chǎn)控制

實(shí)時性數(shù)據(jù)的實(shí)時性要求，與應(yīng)用的背景有著密切關(guān)系。相關(guān)典型應(yīng)用應(yīng)急處理

實(shí)時性數(shù)據(jù)的實(shí)時性要求，與應(yīng)用的背景有著密切關(guān)系。相關(guān)典型應(yīng)用災(zāi)害預(yù)警用戶為中心的數(shù)據(jù)質(zhì)量智能化吸引力友好度搜索引擎的智能化智能手機(jī)“有用”的吸引力人體工程學(xué)的友好度課程提綱感知層

二網(wǎng)絡(luò)層三物聯(lián)網(wǎng)體系概述一應(yīng)用層四物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)實(shí)例五本章小結(jié)六體系結(jié)構(gòu)是指說明系統(tǒng)組成部件及其之間的關(guān)系，指導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)的一系列原則的抽象

建立體系結(jié)構(gòu)是設(shè)計與實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化計算系統(tǒng)的首要前提。體系結(jié)構(gòu)可以精確地定義系統(tǒng)的組成部件及其之間的關(guān)系，指導(dǎo)開發(fā)者遵循一致的原則實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，以保證最終建立的系統(tǒng)符合預(yù)期的需求

在物聯(lián)網(wǎng)這種新型的網(wǎng)絡(luò)化計算體統(tǒng)中，同樣需要事先確定設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)是設(shè)計與實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的首要基礎(chǔ)近年來，國內(nèi)外的研究人員對物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了廣泛深入的研究，提出了多種具有不同結(jié)構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

SENSEIIoT-AUSNM2MEPCWoTSENSEISENSEI項(xiàng)目是歐盟第七框架計劃（FrameworkProgram7，簡稱FP7）所設(shè)立的關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的項(xiàng)目旨在構(gòu)建一個普遍且值得信賴的服務(wù)框架，將真實(shí)世界與數(shù)字世界的連接將產(chǎn)生“智慧區(qū)域”SENSEI所提出的體系結(jié)構(gòu)主要由以下幾層構(gòu)成，包括：通信服務(wù)層、資源層、應(yīng)用層SENSEIMonitorandAlertTrackandResponsePersonalWelfareAudienceEngagement&DataAdvertisingIoT-AIoT-A項(xiàng)目同樣是歐盟第七框架計劃（FrameworkProgram7，簡稱FP7）所設(shè)立的關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的項(xiàng)目IoT-A項(xiàng)目的目標(biāo)是建立一個物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)參考模型和并且定義該參考模型下的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵組成模塊，并通過一個實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)，來驗(yàn)證所提出的體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計原理和設(shè)計準(zhǔn)則，并且探索不同體系結(jié)構(gòu)對物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)的影響USN

USN體系結(jié)構(gòu)由韓國電子通信技術(shù)研究所在提出USN體系結(jié)構(gòu)自頂向下將物聯(lián)網(wǎng)分為五層：應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)層、中間件層、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施層、接入網(wǎng)、傳感網(wǎng)USN

USN

M2M是“Machine-to-Machine”的縮寫，用來表示機(jī)器對機(jī)器之間的連接與通信，可以說是物聯(lián)網(wǎng)的支撐技術(shù)之一。ETSI于2008年底成立了M2M技術(shù)委員會(ETSITCM2M)

M2M相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化工作在中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會中主要在移動通信工作委員會（TC5）和泛在網(wǎng)技術(shù)工作委員會（TC10）進(jìn)行ETSITS102690標(biāo)準(zhǔn)中的M2M架構(gòu)EPC為滿足對單個物品的標(biāo)識和高效識別，美國麻省理工學(xué)院的自動識別（Auto-ID）實(shí)驗(yàn)室在美國統(tǒng)一代碼協(xié)會（UCC）的支持下，提出利用RFID、無線通信技術(shù)，構(gòu)造一個覆蓋世界萬物的系統(tǒng)，并提出了電子產(chǎn)品代碼（ElectronicProductCode，EPC）的概念。即每一個對象都將被賦予一個唯一的EPC，并由采用無線射頻識別技術(shù)的信息系統(tǒng)管理、彼此聯(lián)系。國際物品編碼協(xié)會（EAN）和美國統(tǒng)一代碼協(xié)會（UCC）于2003年9月共同成立了非營利性組織EPCGlobal，將EPC納入了全球統(tǒng)一標(biāo)識系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全球統(tǒng)一標(biāo)識系統(tǒng)中的GTIN編碼體系與EPC概念的完善結(jié)合。EPC

global提出的“物聯(lián)網(wǎng)”體系架構(gòu)認(rèn)為，一個物聯(lián)網(wǎng)主要由EPC編碼體系、射頻識別系統(tǒng)及信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)3個部分組成。主要由EPC編碼、EPC標(biāo)簽、EPC讀寫器、EPC中間件、ONS服務(wù)器和EPCIS服務(wù)器等構(gòu)成。EPCEPC

global的標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)框架WoTWebofThings（WoT）定義了一種面向應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)，把萬維網(wǎng)服務(wù)嵌入到系統(tǒng)中WoT是指利用web的設(shè)計理念和技術(shù)，采用簡單的萬維網(wǎng)服務(wù)形式使用物聯(lián)網(wǎng)，將物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的設(shè)備抽象為資源和服務(wù)能力連接到web空間WoT試圖把互聯(lián)網(wǎng)中成功的、面向信息獲取的萬維網(wǎng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)移植到物聯(lián)網(wǎng)上，用于簡化物聯(lián)網(wǎng)的信息發(fā)布和獲取WoT是IoT的一種實(shí)現(xiàn)模式。指的是將那些嵌入智能設(shè)備的日常用品或者計算機(jī)都集成到web。WoT利用了Web的標(biāo)準(zhǔn)，將互聯(lián)網(wǎng)整個生態(tài)系統(tǒng)擴(kuò)展到日用智能設(shè)備現(xiàn)在在WoT里比較廣泛接受的Web標(biāo)準(zhǔn)包括URI，HTTP，REST，RSS等等納米技術(shù)