1、S第二章第二章物联网结构组成物联网结构组成物联网的结构组成第1页S第一章目录2.1 物联网工作原理和特征 2.2 物联网体系架构总述2.3 感知层2.4 网络层2.5 应用层2.6 多视角下物联网结构2.7 国内外物联网体系结构研究2.8 物联网安全策略和统一接入控制物联网的结构组成第2页S本章概述本章首先介绍物联网工作原理和特征，然后着重讲解物联网结构。本章将从国内外研究情况、通用物联网结构和不一样视角下物联网结构分类三个方面阐述物联网结构。最终以EPC结构在实际中利用作为例子，详细讲解物联网各个步骤。物联网的结构组成第3页S2.1.1 物联网工作原理物联网工作原理实质是利用射频自动识别(R
2、FID)技术，经过计算机互联网实现物品(商品)自动识别、信息互联与共享和智能控制。在物联网构想中，RFID标签中存放着规范而含有互用性信息，经过无线数据通信网络把它们自动采集到中央信息系统，实现物品(商品)识别，进而经过开放性计算机网络实现信息交换和共享，实现对物品“透明”管理。物联网的结构组成第4页S2.1.2 物联网工作步骤1.1.2 visualSTATE事件处理机制技术上问题是物联网最为关键问题。物联网技术是一项综合性技术，是一项系统。物联网开展步骤主要以下：（1）对物体属性进行标识，属性包含静态和动态属性。（2）需要识别设备完成对物体属性读取，并将信息转换为适合网络传输数据格式。（3
3、）将物体信息经过网络传输到信息处理中心。物联网的结构组成第5页S2.1.3 物联网两大特征和三个基本要素物联网两大特征和三个基本要素物联网两大特征物联网两大特征第一：泛在化第二：智能化三个基本要素三个基本要素第一个要素是在信息感知这个方面。全方面信息采集是实现物联网基础。第二个要素就是传送网。无所不在、泛在化无线通信网络是实现物联网主要设施。第三个要素就是信息处理。其中最主要就是怎样低成本处理海量信息。物联网的结构组成第6页S2.2 物联网体系架构总述物联网体系架构总述物联网大致被公认为有三个层次：底层是用来感知数据感知层，第二层是数据传输网络层，最上层则是应用层。1.1.2 visualST
4、ATE事件处理机制物联网的结构组成第7页S物联网的结构组成第8页S1.感知层感知层感知层包含传感器等数据采集设备，包含数据接入到网关之前传感器网络。感知层是物联网发展和应用基础，RFID技术、传感和控制技术、短距离无线通信技术是感知层包括主要技术。2.网络层网络层物联网网络层将建立在现有移动通信网和互联网基础上。网络层中感知数据管理与处理技术是实现以数据为中心物联网关键技术，其包含传感网数据存放、查询、分析、挖掘、了解及基于感知数据决议和行为理论和技术。3.应用层应用层物联网应用层利用经过分析处理感知数据为用户提供丰富特定服务。应用层是物联网发展目标。物联网的结构组成第9页S2.3.1 感知层
5、概述感知层概述感知层由各种类型采集和控制模块组成，如温度传感应器、声音感应器、振动感应器、压力感应器、RFID读写器、二维码识读器等，完成物联网应用数据采集和设备控制功效，还包含数据接入到网关之前传感器网络。感知层是物联网主要基础。物联网的结构组成第10页S2.3.2 物联网关键技术之一物联网关键技术之一RFIDRFID是一个非接触式自动识别技术。它经过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别过程无须人工干预，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技术与互联网、通信等技术相结合，可实现全球范围内物品跟踪与信息共享。RFID基本上由
6、三部分组成：标签、读写器和天线。详细技术将在第3章详细介绍。物联网的结构组成第11页S2.3.3 传感器网络概述传感器网络概述传感器是机器感知物质世界“感觉器官”，能够感知热、力、光、电、声、位移等信号，为网络系统处理、传输、分析和反馈提供最原始信息。传感器网络节点基本组成包含以下几个基本单元：传感单 元（由传感器和A/D转换功效模块组成)、处理单元（包含CPU、存放器、嵌入式操作系统等）、通信单元（由无线通信模块组成）及电源。另外，能够选择其它功效单元包含定位系统、移动系统及电源自供电系统等。物联网的结构组成第12页S2.3.3 传感器网络概述传感器网络概述面向物联网传感器网络技术研究包含以
7、下方面：1.先进测试技术及网络化测控。2.智能化传感器网络节点研究。3.传感器网络组织结构及底层协议研究。4.对传感器网络本身检测与控制。5.传感器网络安全。物联网的结构组成第13页S2.3.4 传感器网络结构传感器网络结构WSN节点基本组成包含以下几个基本单元：传感单元（由传感器和A/D转换功效模块组成)、处理单元（包含CPU、存放器、嵌入式操作系统等）、通信单元（由无线通信模块组成）及能量单元。按照分工不一样，传感器网络又能够细分为末梢节点层和接入层。末梢节点层由各种类型采集和控制模块组成，如温度感应器、声音感应器、振动感应器、压力感应器、RFID读写器、二维码识读器等，完成物联网应用数据
8、采集和设备控制功效。接入层由基站节点（sink节点）和接入网关（Access Gateway）组成，完成应用末梢各节点信息组网控制和信息聚集，或完成向末梢节点下发信息转发等功效。也就是末梢节点之间完成组网后，假如末梢节点需要上传数据，则将数据发送给基站节点，基站节点收到数据后,经过接入网关完成和承载网络连接。物联网的结构组成第14页S2.3.4 传感器网络结构传感器网络结构物联网的结构组成第15页S2.3.4 传感器网络结构传感器网络结构末梢节点与接入层组成了物联网信息采集和控制，其按照接入网络复杂性不一样可分为简单接入方式和多跳接入方式。简单接入就是在采集设备获取信息后直接经过有线或无线方式
9、将信息直接发送至承载网络，如图所表示。当前RFID读写设备主要采取简单接入方式，此方式可用于终端设备分散、数据量业务应用。物联网的结构组成第16页S2.3.4 传感器网络结构传感器网络结构多跳接入是利用WSN技术，将含有没有线通信与计算能力微小传感器节点经过自组织方式，各节点能依据环境改变，自主地完成网络自适应组织和信息传递。因为节点间距离较短，普通采取多跳方式进行通信。传感器网络最终将信息经过接入网关传递到承载网络。经典无线传感器设备有ZigBee、UWB等。多跳接入方式适合用于终端设备分别集中、终端与网络间传递数据量较小应用。经过采取多跳接入方式能够降低末梢节点、接入层和承载网络建设投资和
10、应用成本，以及方便建设实施工作和提升接入网络健壮性，如图所表示。物联网的结构组成第17页S2.4.1 网络层组成网络层组成网络层能够细分为承载网络层和应用控制层。承载网络主要由计算机网络和通信网络组成。应用控制层由各种应用服务器组成（包含数据库服务器），主要功效包含对采集数据聚集、转换、分析，以及用户层展现适配和事件触发等。物联网的结构组成第18页S2.4.1 网络层组成网络层组成物联网的结构组成第19页S2.4.2 互联网与物联网互联网与物联网物联网是互联网延伸，但物联网并不是互联网翻版，也不是互联网一个接口。因为物联网作为互联网扩展，使其具备了互联网特征。物联网不但能够实现由人找物，而且能
11、够实现以物找人，经过对人规范性回复进行识别，还能够做出方案性选择。互联网和物联网比较，以下表所表示。物联网的结构组成第20页S2.4.2 互联网与物联网互联网与物联网物联网的结构组成第21页S2.4.3 云计算与物联网云计算与物联网云计算是分布式计算技术一个，其最基本概念是透过网络将庞大计算处理程序自动分拆成无数个较小子程序，再交由多部服务器所组成庞大系统经搜寻、计算分析后将处理结果回传给用户。物联网的结构组成第22页S2.4.3 云计算与物联网云计算与物联网云计算含有以下特点：1.超大规模2.虚拟化3.高可靠性4.通用性5.高可扩展性6.按需服务7.极其廉价云计算与物联网各自具备很多优势，把
12、云计算与物联网结合起来，能够看出，云计算其实就相当于一个人大脑，而物联网就是其眼睛、鼻子、耳朵和四肢等。物联网的结构组成第23页S2.4.2 互联网与物联网互联网与物联网云计算与物联网结合方式能够分为：1.单中心，多终端2.多中心，大量终端3.信息、应用分层处理，海量终端以上三种只是云计算与物联网结合方式粗线条勾勒，可能已经有很多模式或者方式在实际应用当中了，二者结合方式还需要继续探索研究。物联网的结构组成第24页S2.4.2 互联网与物联网互联网与物联网云计算和物联网都是新兴事物，不过现在已经有了很多应用。不过，二者结合案例当前还是比较少。有了云计算中心廉价、超大量处理能力和存放能力，有了物
13、联网无处不在信息采集，这二者结合，将出现整个星球生物都联络起来奇妙情景。云计算与物联网结合是互联网络发展必定趋势，它将引导互联网和通信产业发展。物联网的结构组成第25页S2.5 应用层应用层应用层是物联网发展目标。软件开发、智能控制技术将会为用户提供丰富多彩物联网应用。各种行业和家庭应用开发将会推进物联网普及。物联网发展面临互联网发展早期相同问题，那就是怎样处理内容应用丰富和商业运行模式问题。物联网是通信网络应用延伸，是信息网络上一个增值应用，有别于语音电话、短信等基本通信需求。所以，物联网发展早期面临着广泛开展需求挖掘及投资消费引导工作。物联网的结构组成第26页S2.5 应用层应用层物联网主
14、要应用类型物联网的结构组成第27页S2.5 应用层应用层总体来说，物联网将在提升信息传送效率、改进民生、提升生产率、降低企业管理成本等方面发挥主要作用。从实际价值和购置能力来看，企业将有望成为物联网应用第一批用户，其应用也将是物联网发展早期主要应用。从企业点点滴滴应用开始，逐步延伸扩大，推进产业链成熟和应用成熟。物联网的结构组成第28页S2.6.1 物联网服务类型物联网服务类型依据物联网本身特征，其应该提供以下几类服务：1.联网类服务。物品标识、通信和定位。2.信息类服务。信息采集、存放和查询。3.操作类服务。远程配置、监测、远程操作和控制。4.安全类服务。用户管理、访问控制、事件报警、入侵检
15、测和攻击防御。5.管理类服务。故障诊疗、性能优化、系统升级和计费管理服务。依据不一样领域物联网应用需求，以上服务类型能够进行对应地扩展或裁剪。物联网服务类型是设计和验证物联网体系结构和物联网系统主要依据。所以，也能够依据物联网不一样应用来构建不一样体系结构。物联网的结构组成第29页S2.6.2 物联网节点分类物联网节点分类为了构建物联网体系结构，首先需要划分物联网中网络节点类型。物联网节点能够分成无源CPS节点、有源CPS节点、互联网CPS节点，其特征从以下方面进行描述：电源、移动性、感知性、存放能力、计算能力、联网能力和连接能力。物联网的结构组成第30页S2.6.3 物联网互联体系结构物联网
16、互联体系结构依据以上物联网节点分类，能够深入研究可能存在连接类型。比如，物联网节点之间存在无源节点与有源节点、有源节点与有源节点及有源节点与互联网节点之间连接，这些类型连接结构组成了物联网互联体系结构。因为物联网异构性，通用物联网体系结构由三部分组成：无源节点与有源节点互联结构、有源节点与有源节点互联结构、有源节点与互联网节点互联结构。物联网的结构组成第31页S2.6.3 物联网互联体系结构物联网互联体系结构无源节点与有源节点互联结构如图所表示。物联网的结构组成第32页S2.6.3 物联网互联体系结构物联网互联体系结构有源节点与有源节点互联结构如图所表示。物联网的结构组成第33页S2.6.3
17、物联网互联体系结构物联网互联体系结构有源节点与互联网节点互联结构如图所表示。物联网的结构组成第34页S2.6.3 物联网互联体系结构物联网互联体系结构在以上定义物联网体系结构中，物联网物理层协议提供在物理信道上采集和传递信息功效，含有一定安全性和可靠性控制能力；物联网数据链路层协议 提供对物理信道访问控制、复用，在链路层安全、可 靠、高效传递数据功效，含有较为完整可靠性、安全性控制能力，能够提供服务质量确保；应用层协议提供信息采集、传递、查询功效，含有较为完整用户管理、联网配置、安全管理、可靠性控制能力。物联网的结构组成第35页S2.7 国内外物联网体系结构研究国内外物联网体系结构研究当前,物
18、联网还没有一个广泛认同体系结构,最具代表性物联网架构是欧美支持EPCglobal物联网体系架构和日本Ubiquitous ID(UID)物联网系统，针对国家领域物品编码标准体系有NIDA（韩国互联网发展处）提出mRFID Code（可移动RFID编码）。EPCglobal和泛在ID中心(Ubiquitous ID center)都是为推进RFID标准化而建立国际标准化团体,我国也主动参加了上述物联网体系,正在主动制订符合我国发展情况物联网标准和架构。物联网的结构组成第36页S2.7.1 UID技术体系结构技术体系结构日本在电子标签方面发展始于20世纪80年代中期实时嵌入式系统TRON，T-En
19、gine是其关键体系架构。在T-Engine论坛领导下,泛在ID中心设置在东京大学，于3月成立,并得到日本政府经产省、总务省及大企业支持，当前包含微软、索尼、三菱、日立、日电、东芝、夏普、富士通、NTT、DoCoMo、KDDI、J-Phone、伊藤忠、大日本印刷、凸版印刷、理光等重量级企业。UID中心建立目标是为了建立和普及自动识别“物品”所需基础技术，最终实现“计算无处不在”理想环境。物联网的结构组成第37页S2.7.1 UID技术体系结构技术体系结构UID技术体系架构由泛在识别码(uCode)、泛在通信器、信息系统服务器和uCode解析服务器等4部分组成。UID使用uCode作为现实世界物
20、品和场所标识，UC从uCode电子标签中读取uCode获取这些设施状态，并控制它们，UC类似于PDA终端。UID能在各种行业中得到广泛应用，其是将现实世界用uCode标签物品、场所等各种实体和虚拟世界中存放在信息服务器中各种相关信息联络起来，实现“物物互联”。而且，UID是一个开放架构，它规范是对大众公开。物联网的结构组成第38页S2.7.2 物联网自主体系结构物联网自主体系结构物联网自主体系结构是为了适应于异构物联网无线通信环境而设计体系结构，其采取自主通信技术。自主通信是以自主件为关键通信，自主件在端到端层次及中间结点执行网络控制面已知或新出现任务，能够确保通信系统可进化特征。物联网自主体
21、系结构包含数据面、控制面、知识面和管理面。如图所表示。物联网的结构组成第39页S2.7.2 物联网自主体系结构物联网自主体系结构数据面主要用于数据分组传递；控制面经过向数据面发送配置报文，优化数据面吞吐量及可靠性；知识面提供整个网络信息完整视图，而且提炼成为网络系统知识，用于指导控制面适应性控制；管理面协调和管理数据面、控制面和知识面交互，提供物联网自主能力。物联网的结构组成第40页S2.7.2 物联网自主体系结构物联网自主体系结构自主特征主要由STP/SP协议栈和智能层取代传统TCP/IP协议栈，如图所表示。STP和SP分别表示智能传送协议和智能协议。物联网节点智能层主要用于协商交互节点之间
22、STP/SP选择，用于优化无线链路上通信和数据传送，满足异构物联网设备之间联网需求。物联网的结构组成第41页S2.7.3 基于基于EPC物联网结构物联网结构基于EPC物联网是在计算机互联网基础上，利用全球统一物品编码技术、RFID技术、无线数据通信技术等，实现全球范围内单件产品跟踪与追溯，从而有效提升供给链管理水平，降低物流成本，被誉为含有革命性意义新技术，引发了世界各国企业广泛关注。经典EPC物联网由信息采集系统、PML（physical markup language,实体描述语言）信息服务器、对象名解析服务器（ONS）和Savant系统4部分组成，如图所表示。物联网的结构组成第42页S2
23、.7.3 基于基于EPC物联网结构物联网结构物品物品物联网的结构组成第43页S2.7.3 基于基于EPC物联网结构物联网结构1.信息采集系统信息采集系统由产品电子标签、读写器、驻留有信息采集软件上位机组成，主要完成产品识别和EPC采集与处理。EPC是Auto-ID中心为每个物理目标分配唯一可查询标识码，其内含一串数字可代表产品类别和制造商、生产日期和地点、有效日期、应运往何地等信息。同时，伴随产品在工厂内转移或改变，这些数据能够实时更新。2.PML信息服务器PML信息服务器由产品生产商建立并维护，储存着这个生产商生产全部商品文件信息。依据事先要求标准对产品进行编码，并利用标准PML对产品名称、
24、生产厂家、生产日期、重量、体积、性能等详细信息进行描述，从而生成PML文件。一个经典PML服务器原理图如图所表示。物联网的结构组成第44页S2.7.3 基于基于EPC物联网结构物联网结构（1）Web服务器它是PML信息服务器中唯一直接与客户端交互模块，是位于整个PML信息服务器最前端模块，能够接收客户端请求，进行解析、验证，确认无误后发送给SOAP引擎，并将结果返回给客户端。物联网的结构组成第45页S2.7.3 基于基于EPC物联网结构物联网结构（2）SOAP引擎它是PLM信息服务器上全部已布署服务注册中心，能够对全部已布署服务进行注册，提供对应组件注册信息，未来自Web服务器请求定位到对应服
25、务处理程序，并将处理结果返回给Web服务器。（3）服务处理程序它是客户端请求服务实现程序，包含实时路径更新程序、路径查询程序和原始信息查询程序等。（4）数据存放单元它用于PML信息服务器端数据存放，主要用于客户端请求数据存放，存放介质包含各种关系数据库或者一些中间文件，如PML文件。在整个物联网系统中，PML信息服务器主要提供以下三个功效：实时路径信息存放、产品路径信息查询和产品原始信息查询。物联网的结构组成第46页S2.7.3 基于基于EPC物联网结构物联网结构3.ONSONS作用是在各信息采集节点与PML信息服务器之间建立联络，实现从产品EPC到产品PML信息之间映射。当前，经典ONS服务
26、用来定位某一EPC对应PML信息服务器。ONS服务是联络前台Savant软件和后台PML信息服务器网络枢纽，而且ONS设计与架构都以Internet域名解析服务（DNS）为基础。所以，能够使整个EPC网络以Internet为依靠，快速架构并顺利延伸到世界各地。ONS体系结构以下列图所表示，它是一个分布式系统架构，主要由以下几部分组成：（1）映射信息（2）ONS服务器（3）ONS解析器（4）ONS当地缓存物联网的结构组成第47页S2.7.3 基于基于EPC物联网结构物联网结构物联网的结构组成第48页S2.7.3 基于基于EPC物联网结构物联网结构4.Savant系统Savant系统在物联网中处于
27、读写器和企业应用程序之间，相当于物联网神经系统。Savant系统采取分布式结构，层次化地组织、管理数据流，含有数据搜集、过滤、整合与传递等功效，所以，能将有用信息传送到企业后端应用系统或者其它Savant系统中。Savant系统需要对数据进行对应处理，其中，最关键三方面为：（1）冗余数据过滤（2）数据聚合（3）信息传递物联网的结构组成第49页S2.8 物联网安全策略和统一接入控制物联网自主体系结构研究是当前物联网体系架构主要研究内容。在“物物相连感知世界”物联网时代背后，是一场看不见战争怎样保护物联网系统安全性，抵抗各种威胁和侵害。安全策略是物联网时代必须要处理关键问题，尤其是面向物联网安全策
28、略包括国家安全、社会秩序和经济活动有序开展，包括世界范围内经济发展竞争力。物联网安全策略是建立整个物联网体系架构指导方针，是必须明确设置安全保障决议规范，是系统安全管理依据。在物联网时代，安全策略主要问题是：（1）大多数安全策略仅仅以发觉网络漏洞为目标，缺乏完整性；（2）大多数安全策略标准、过程等相关元素界限含糊，没有明确界定；物联网的结构组成第50页S2.8 物联网安全策略和统一接入控制（3）大多数安全策略是按照业务流程制订，即使安全策略框架元素直接有一定逻辑关系，但对策略可跟踪性没有明确界定和实现。针对传统信息安全产品没有统一标准、缺乏互操作性、易于形成安全盲区等问题，IDC最早提出了统一
29、威胁管理（unified threat management，UTM）理念。在构建物联网自主体系结构同时，必须非常明确异构物联网之间所存在互联问题。统一接入控制（UAC）所提供全方面网络接入控制处理方案同时兼顾了物联网终端安全性和网络接入安全性。物联网的结构组成第51页S本章总结本章主要概括讲述了物联网工作原理和特征、物联网体系架构、物联网感知层、网络层、应用层概念、多视角下物联网结构、国内物联网体系结构研究、物联网安全策略和UAC概念。本章围绕物联网结构组成进行了概括性地阐述。先介绍了物联网工作原理和特征，让读者对物联网工作特点有个总体把握，然后对物联网体系架构进行了叙述，又分别从感知层、网
30、络层、应用层介绍物联网架构，使读者对物联网架构有了全方面认识，并介绍了多视角下物联网结构，分析了物联网互联体系结构。同时，本章还介绍了国内外对物联网体系结构研究情况，全方面介绍了基于EPC结构物联网结构。最终，介绍了物联网安全策略和美国在物联网建设、实施中提出UAC方案。希望读者能够经过本章讲解对物联网有更深入了解。物联网的结构组成第52页S思索题1.怎样低成本、高效地处理传感网采集信息？2.短距离无线传输数据当前都用哪些技术？3.你认为3G技术是否能够完成信息传送任务，为何？4.你认为物联网应该分为几层结构？5.在你身边还有哪些物联网应用？6.你认为RFID技术就是传感器网络吗，为何？7.你
31、认为传感器网络发展最大技术瓶颈是什么？8.你对无线传感器节点结构组成有什么新观点？9.你对WSN哪个技术热点感兴趣，为何？10.你认为可作为物联网信息传送网络有哪些？物联网的结构组成第53页S思索题11.你认为物联网和互联网哪个范围更为广泛？12.物联网发展对NGI和移动通信网有哪些影响？13.你身边有哪些物联网应用？14.物联网发展将会产生哪些新应用行业？15.以服务类型为依据物联网结构有哪些？16.联网互连体系结构和三层结构有哪些异同？17.除了本节讲述EPC架构下物联网，你还知道其它架构下物联网吗？18.物联网安全策略包含哪些要素？19.UAC技术与NAP、RSA技术关系是什么？物联网的结构组成第54页
