物联网概述

Posted 2023-04-06 Messiah___

第1章 物联网概述

• 前言
• 第一章 物联网概述
• • 1.1 物联网概念的提出
  • 1.2 物联网的基本内涵
  • 1.3 物联网的体系结构
  • • 1.3.1 感知层
    • 1.3.2 网络层
    • 1.3.3 应用层
  • 1.4 物联网的本质属性
  • 1.5 物联网的应用与影响

前言

  文章整理来自物联网安全——理论与技术（主编胡向东，机械工程出版社）一书。

第一章 物联网概述

1.1 物联网概念的提出

  物联网作为一种模糊的意识或想法而出现，可以追溯到上世纪末。1995年比尔·盖茨在《未来之路》一书中就已经提及类似于物品互联的想法，只是当时受限于无线网络、硬件及传感设备的发展，并未引起重视。
  追溯物联网(The Internet of Things,IoT)的发展，大致起源于1999年美国麻省理工学院自动识别中心（MIT AutoID Center）给出的“物联网”理念。即在计算机互联网基础上，利用条形码、射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，通过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，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行人与人、人与物、物与物等之间的信息交换和通信，全面获取现实世界中的各种信息，以实现自动化和智能化的识别、定位、跟踪、监控和管理等功能。
  2005年，在突尼斯举行的信息社会世界峰会上， 国际电信联盟（ITU）发布了《ITU Internet Reports 2005：The Internet of things》，正式提出了“物联网”的概念，将应用创新作为物联网技术发展的核心.
  2009年，IBM公司提出“智慧地球”的概念，在世界范围内掀起了物联网研究的热潮，物联网技术被多个国家列为重大信息发展战略。国内的“感知中国”、日本的U-Japan计划、韩国的U-Korea计划、澳大利亚、新加坡、法国、德国等其他发达国家加快部署新一代智慧型网络基础设施的步伐。

  物联网的概念是在1999年提出的。当时基于互联网、RFID技术、EPC标准，在计算机互联网的基础上，利用射频识别技术、无线数据通信技术等，构造了一个实现全球物品信息实时共享的实物互联网“Internet of things”（IOT，简称物联网）。
  目前较为公认的物联网的定义是：
  通过射频识别（RFID）装置、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，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
  当每个而不是每种物品能够被唯一标识后，利用识别、通信和计算等技术，在互联网基础上，构建的连接各种物品的网络，就是人们常说的物联网。

  物联网时代应用场景：
  智能车辆、智能电器、智能浴缸、智能农业、智能机器人等。智能手环、智能手表等穿戴式智能设备所获取的监测数据往往要发送给智能手机，它们之间有互联通信，是一种物联网应用。

1.2 物联网的基本内涵

  物联网: “The Internet of things”，物联网就是“物品级的互联网”或“有物品参与的互联网” ，是“互联网＋ ” ，这里的“ ＋ ”意味着传统互联网的延伸、拓展与融合，有三个方面的含义，也是物联网基于互联网的三大革命性改变：
（1）Internet＋things，即互联网的用户端延伸到物品，最明显的变化是由人及物，强化“万物互联”，使得人与人、人与物、物与物之间的互动方式发生改变，均能基于该网络进行信息交换与通信。
（2）互联网（Internet）本身拓展为互联网、电信网（特别是移动通信网）、广播电视网和传感网等不同形态网络的融合，最关键的变化是在信息传输网络基础上融合了信息感知网络。
（3）互联网（Internet）+各个传统行业，是互联网思维在应用实践上的拓展并推动经济形态不断演变。即利用信息通信技术及互联网平台，充分发挥互联网在社会资源配置中的优化和集成作用，将互联网的创新成果与传统行业进行深度融合，创造新的发展形态，提升全社会的创新力和生产力，形成以互联网为基础设施和实现工具的经济发展新形态。

  物联网的目标：将虚拟空间与现实世界完美结合，使得现实世界的“物”可以通过虚拟空间的“信息”进行联结和控制，实现异构网络的融合、海量终端的互联、超海量数据的增值、各行业应用的支撑等。
  物联网使得人和物在“6A”（anytime、anywhere、any path/any network、any service/any business、anything/any device、anyone）下实现”6C”（convergence、content、collections、computing、communication、connectivity）多元素集成，形成一个以智能化为核心的有机整体加强人、物、环境等的互动交流，基于万物互联达成数据自由共享、价值按需分配，从而实现更便捷的信息沟通、更高的工作效率、更低的操作成本、更多的创造性劳动和更舒适的生活体验。物联网的基本内涵如图所示。

1.3 物联网的体系结构

  体系结构是一个系统或网络的一组部件及部件之间的联系。物联网的体系结构由感知层、网络层以及应用层组成，分别完成智能感知、接入与传输、处理与决策等功能，即基于对物理环境的智能感知，最终实现对目标对象的智能控制。

1.3.1 感知层

  物联网的感知层主要完成信息的采集、转换和收集，以及执行某些命令。
  感知层包含传感器件和控制器件两部分，用于数据采集、转换及最终控制；短距离传输网络将传感器件收集的数据发送到网关或将应用平台控制命令发送到控制器件。传感器件包括条码和读/写器、 RFID和读/写器、摄像头、GPS、各种传感器、终端、传感器网络等各种具有信息感知与采集能力的终端设备以及执行器件组成。

1.3.2 网络层

  物联网的网络层包括核心网（核心的骨干网）和各种接入网，网络层将感知层获取的信息传输给处理中心和用户。
  物联网的核心网络是在现有互联网基础上，融合电信网、广播电视网等形成的面向服务、即插即用的栅格化网络，是物联网信息传输的主通道和核心，是物联网的“信息高速公路”；而接入网则包括移动的2G/3G网、数字集群、无线城域网等，负责将感知层的信息汇聚起来交由骨干网传输，通过接入网络，感知层能够将信息传输给用户，同时来自骨干网的用户的指令也可以传输给感知层节点。

1.3.3 应用层

  物联网的应用层主要是通过对信息进行分析、处理与决策，完成从信息到知识、再到控制指挥的智能演化，实现处理和解决问题的能力，完成特定的智能化应用和服务任务。由业务支撑平台和各种业务应用系统组成。
  业务支撑平台通常以中间件的形式存在。从功能上可以分为管理平面和计算服务平面，前者负责管理，后者负责计算处理。物联网的智能化主要体现在业务支撑平台对信息的智能处理和决策控制，即智能信息处理。业务应用系统就由实际应用领域确定，如医疗健康、军事国防等。
  应用层包括数据处理、中间件、云计算、业务支撑系统、管理系统、安全服务等应用支撑系统（公共平台），以及利用这些公共平台建立的应用系统。

1.4 物联网的本质属性

  物联网虽起源于互联网，但在一些方面超越了互联网，形成了自身特有的一些属性，物联网的本质属性可以从三个方面理解：
1.融合性
  最重要的理念之一，物联网是全面的“互联网＋”，基于互联网的延伸、拓展将传统互联网、电信网、广播电视网和传感网等融合起来、将人与物更紧密地联接起来，形成一个广阔无垠的智慧空间；还表现为信息感知、通信、智能信息处理和信息应用等多学科科学技术的交叉集成；通过设备融合、网络融合、平台融合、技术融合实现服务融合、业务融合和市场融合等。

2.泛在性
  物联网发展成一个覆盖世界上万事万物，以无所不在、无所不包、无所不能为基本特征的“6A”网络，基于顺畅的通信实现人与人、人与物、物与物之间按需进行信息获取、传输、处理和应用等，这就是物联网的泛在性。基于物联网的泛在特性可将其称为泛在网（Ubiquitous Network）。

3.创新性
  表现为在传统互联网基础上实现了三大革命性改变，而且基于这三大变革为智能信息获取与处理及层出不穷的物联网应用创新提供了坚实的基石，物联网的核心理念在于智能化和创新性，从而其堪称世界上“第三次信息技术浪潮”。

  为了便于与传统互联网对比，一般可认为物联网有五个基本特征：
  一是全面感知，即利用各种感知手段，实现对物品自身或环境状态信息的全面实时采集。
  二是无缝互联，即通过各种信息通信技术和网络技术的融合，实现异构网络的无缝联结。与互通
  三是可靠传递，通过现有的互联网、广播电视网、通信网等网络设施和通信技术，基于可信的数据传输机制或冗余的网络通信链路等实现数据的可靠传输。
  四是智能处理，利用云计算、模糊识别、人工智能、神经网络、数据挖掘等智能计算技术对海量的数据和信息进行分析和处理，以便按需、自动地获取有用信息并对其进行利用，表现出高度的智能化。
  五是协同互动，嵌入传感器和微处理器的物品越来越具有智能性，能够协同获取和处理感知信息，为高效管理和控制提供决策支持。
  感知层（全面感知）、网络层（无缝互联、可靠传递）、应用层（智能处理、协同互动）。

1.5 物联网的应用与影响

  物联网的“ICT基因”、泛在属性和智能化能力使得其用途十分广泛，遍及智能交通、智慧物流、智能家居、智能电网、智能农业、城市管理、环境监测、防灾减灾、保健护理、安全保卫、工业监控、国防军事等众多民用与军事领域。
  物联网产业将覆盖人类生产生活的各个方面，它以信息感知获取为基础，以信息传输处理为纽带，以信息行业应用为平台，以信息增值业务为媒介，实现面向各个用户的信息服务产业链条。
  随着物联网的应用与发展，世界上物与物互联的业务将远远超过人与人通信的业务，在物联网普及以后，用于动物、植物、机器、物品等的传感器与电子标签及配套的接口装置的数量将大大超过手机的数量，物联网将会发展成为一个上万亿美元规模的高科技市场。
  物联网将前所未有地加强人与物的联系，物联网变革给人类社会带来的影响无疑将是颠覆性的，能够通过高效协作和行业细分来优化配置社会的各种资源，不浪费任何一颗螺丝、不放弃任何一个灵魂，将整个社会带入价值创造、吸收和升发的大循环。
  人们能够以更加精细、动态、便捷和智能的方式管理生产、经营商品、享受生活，提高资源利用率、生产力水平、经济效益和工作效率，降低成本，改善人与人、人与物、人与自然的关系，达到人与所处环境的更加和谐统一。

  物联网应用领域城市管理、数字家庭、定位导航、物流管理、食品安全、新零售业、数字医疗等。应用场景智慧物流、智能交通、智能安防、智慧能源、智能医疗、智慧建筑、智能制造、智能家居、智能零售、智慧农业等。
  物联网作为一个新兴的融合创新技术，具有明显的多学科交叉特点，物联网中无处不在的数据收集和使用，以及自身不成熟及资源有限导致的安全脆弱性和潜在攻击手段的复杂多变，使得物联网环境下的信息安全和隐私保护面临着空前的挑战和严峻的安全形势。

  “没有安全就没有应用，没有应用就没有发展”
  业界普遍认同：公司在研究开发物联网设备或物联网应用系统时应该采取合理的安全措施。

《物联网通信》知识提纲-第1章 概述

第一章-物联网通信概述

• 1.1 物联网的起源与定义
• 1.2 物联网的特征与体系架构
• • 三个特征：
  • 三层架构：
• 1.3 物联网通信体系架构
• • 1.3.1 通信问题算法
  • 1.3.2 协议体系
  • • • 1.分层架构
      • 2.开放系统互联OSI参考模型
• 1.4 物联网通信技术
• • 1.4.1 有线通信
  • • 1.仪表总线
    • 2.以太网
  • 1.4.2 无线通信
  • • 1. RFID
    • 2. 短距离通信NFC
    • 3. 蓝牙
    • 4. ZigBee
    • 5. 窄带物联网NB-IoT
    • 6. LoRaWAN

1.1 物联网的起源与定义

起源：
1999年美国麻省理工学院自动识别中心的凯文·阿什顿教授，在研究RFID和互联网解决方案中，首次提出了“物联网的概念”。
定义：
物联网是指，将无处不在的末端设备，通过有线或无线的通信网络，实现互联互通，应用大数据、云计算等技术，实现对“万物”的“高效、节能、安全、环保”的“管、控、营”一体化。

1.2 物联网的特征与体系架构

三个特征：

• 全面感知：利用传感器、RFID、二维码、摄像头等能随时随地获取物体的各种信息。
• 可靠传输：通过各种电信网络和互联网的融合，将感知的各种信息进行实时准确的传递。
• 智能处理：利用云计算、数据挖掘等智能计算技术，即使对海量数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化管理。

三层架构：

• 感知层（感知控制层）：最底层，负责获取感知信息。
• 网络层：中间层，负责传输感知信息到应用层。
• 应用层：最上层，主要功能是为用户提供智能应用。

1.3 物联网通信体系架构

1.3.1 通信问题算法

通信系统三要素：信源、信道、信宿
通信的本质：空间上一点产生的消息在空间上另一点的有效再现

无论是哪种通信网络，都要解决以下3个问题：

1. 采用何种介质连接通信节点，用何种电信号能高效实现数据传输。
2. 多节点如何占用信道资源进行收发信息，如何减小碰撞。
3. 如何将数据有效地传输到目的地。

1.3.2 协议体系

1.分层架构

通信流程7个阶段：业务、操作、规程、运输、路由、链路、传播。发送方的流程是业务到传播，而接收方相反。

2.开放系统互联OSI参考模型

7层：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。

传感测量数据的传输与互联网的接入是本书关注的重点。

1.4 物联网通信技术

• 根据接入介质不同分为有线通信和无线通信
• 根据传输距离的远近，分为近距离通信和远距离通信
  

1.4.1 有线通信

1.仪表总线

• 定义：仪表总线（Meter Bus, Mbus）是欧洲标准的2线的二总线，通常用于构建各类仪表或相关装置的能耗类智能管理系统。

• 组成：MBus是一个层次化的系统，由一个主站、若干从站和一对连接线缆组成，所有从站并行连接在总线上，由主站控制总线上的所有串行通信进程。

• 系统示意图：
  

• 传输介质：总线所用的两线电缆通常采用标准电话双绞线，没有正负极之分。

• 特点：可靠、低成本、长距离（几千米连接几百个从设备），适用于公共事业仪表。

2.以太网

• 目前局域网最通用的通信协议标准

• 所有节点在通信上是平等的，没有主站和从站之分，采用总线型拓扑结构

• 以太网络使用载波监听多路访问及冲突检测（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, CSMA/CD）技术，可以避免发送分组冲突，并可以运行在多种类型的电缆上

• 有两种传输介质：双绞线和同轴电缆

• 为了减少冲突，提高的网络速度和使用效率最大化，目前的快速以太网（100BASE-T、1000BASE-T）使用集线器来进行网络连接和组织

1.4.2 无线通信

1. RFID

• 短距离传输技术

• 在产品中嵌入电子芯片（称为电子标签），通过射频信号自动将产品的信息发送给读写器进行识别

• RFID系统主要由三部分组成：电子标签、读写器和天线

  • 电子标签或称射频标签、应答器。它内部含有芯片，芯片内具有数据存储区，用于存储待识别物品的标识信息
  • 读写器是将约定格式的待识别物品的标识信息写入电子标签的存储区中（写入功能），或在读写器的阅读范围内以无接触的方式将电子标签内保存的信息读取出来（读出功能）
  • 天线用于发射和接收射频信号，是标签与阅读器之间传输数据的收发部件

2. 短距离通信NFC

• Near Field Communication，短距离的高频无线通信技术

• 允许电子设备之间进行非接触式点对点数据传输交换数据

• 通信频率为13.56MHz，通信距离最大10cm左右，支持主动和被动两种工作模式及多种传输数据速率，目前的数据传输速率为106kbit/s、212kbit/s和424kbit/s

• 主动：
  

• 被动：
  

3. 蓝牙

• 无线数据与语音通信的开放性全球规范

• 工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工业、科学、医学）频段，使用IEEE 802.15协议，数据传输速率为1Mb/s

• 蓝牙通信有主站和从站之分。通信时，必须由主站进行查找并发起配对。双方建链成功后即可收发数据

• 蓝牙系统结构：
  

• 蓝牙可以建立临时性的对等连接。由主站主动发起连接请求，几个从站加入连接成一个皮网（Piconet）

• 通过时分复用技术，一个蓝牙设备可以同时与几个不同的皮网保持同步

• 蓝牙采用了跳频方式来扩展频谱

• 蓝牙网络结构：
  

4. ZigBee

• 短距离、低功耗、高可靠的无线数传网络，是IEEE 802.15.4协议的代名词

• 由可多到65000个无线节点组成的无线网络平台

• 传输距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展

• ZigBee可工作在三个频段上，分别是2.4GHz的公共通用频段、欧洲的868MHz频段和美国的915MHz频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率,它的传输距离在10-75m的范围内

• ZigBee广泛应用在家居、建筑物、公共场所、工厂、码头等场所

5. 窄带物联网NB-IoT

• ZigBee网络中的节点主要包含三个：终端节点（End device）、路由器节点（Router）、协调器节点（Co-ordinator）

• ZigBee根据网络结构可分为三种：星状网络、树状网络和网状网络

• 星状网络包含一个协调器和若干个路由器和终端

• 树状网络同星状网络

• 网状网络是建立在ZigBee树状网络结构上，除了满足ZigBee 树状网络的所有功能之外，其相邻路由器之间也存在通信关系

• ZigBee网络拓扑结构：
  

• IEEE 802.15.4定义了两个物理层标准：2.4GHz物理层和868/915MHz物理层，两者均基于直接序列扩频技术

• 868MHz只有一个信道，传输速率为20kb/s；在902MHz～928MHZ频段共有10个信道，信道间隔为2MHz，传输速率为40kb/s。在2.4GHz～2.4835GHz频段共有16个信道，信道间隔为5MHz，能够提供250kb/s的传输速率

• 网络中节点在信道占用上没有主从之分，地位平等，共享信道

• 采用CSMA/CA（CSMA with Collision Avoidance）接入协议来实现高吞吐量的信道传输

6. LoRaWAN

• Semtech公司创建的低功耗局域网无线标准

• 实现低功耗和远距离的统一，在同样的功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3-5倍

• LORA的传输距离在城镇可达2-5Km，在郊区可达15Km

• LoRa广域网（LoRa Wide Area Network，LoRaWAN）的整体网络结构分为终端、网关、网络服务、应用服务几个功能

• LoRa网络结构示意图：
  

• 终端节点可以同时发给多个基站，一般LoRa终端和网关之间可以通过LoRa无线技术进行数据传输

• 网关和核心网或广域网之间的交互可以通过TCP/IP协议，可以是有线连接的以太网，或3G/4G类的无线连接

• LoRa工作频率采用ISM频段，执行标准为IEEE802.15.4g，调制方式是基于线性调制扩频（Chirp Spread Spectrum，CSS）的一个变种，具有前向纠错（Forward Error Correction，FEC）能力，传输速率从几百bps到几十Kbps