物联网物联网关键技术笔记优质优质Word下载.docx
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首先是传感网络，以二维码、RFID（射频识别技术）、传感器为主，实现“物”的识别；
其次是传输网络，通过现有的互联网，广电网络、通信网络或者未来的NGN（下一代网络），实现数据的传输与计算；
第三是应用网络，即输入/输出控制终端，可基于现有的手机、PC等终端进行。
物联网与泛在网概念的差异
泛在网（UbiquitousNetwork）是指基于个人和社会的需求，实现人与人、人与物、物与物之间按需进行的信息获取、传递、存储、认知、决策、使用等服务，网络具有超强的环境感知、内容感知及其智能性，为个人和社会提供凡在的、无所不含的信息服务和应用。
泛在网具有比物联网更广泛的内涵。
表1传感网、物联网及泛在网三者的比较
定义
终端
基础网络
通信对象
标准化组织
传感网
实现传感器的互联和信息收集
传感器
物对物
ISO/IEC
物联网
将各种信息传感设备如RFID、红外感应器、GPS、激光扫描器等与互联网结合，实现对所有物品的智能化识别与管理
传感器、RFID、二维码、内置移动通信的各种模块
一个或多个基础网络
物对物、物对人
IEEE
ETSI
EPCGlobal
泛在网
通过网络的泛在互联、实现物与物、物与人、人与人之间按需的信息获取、传递、储存、认知、分析、使用等服务，强调人机自然交互、异构网络融合和智能应用
传感器、RFID、二维码、内置移动通信的各种模块、手机、上网卡等
所有的网络
物对物、物对人、人对人
ITU
3GPP
GSMA
OMA
物联网的行业应用
应用场景：
城市安全管控、城市环境管控、城市能源管控（楼宇设施能源管理和IT设施能源管理）、家庭数字生活等。
影响物联网发展的因素
1、物联网协议问题：
在物联网核心层面是基于TCP/IP，但在接入层面，协议类别繁多，GPRS、短信、传感器、TD-SCDMA、WCDMA、有线等等多种通道。
物联网需要一个同意的协议基础。
2、个人隐私与数据安全
3、网关形态
4、产业链复杂，需要整合
5、公众信任
6、标准化
7、系统开放
8、研究发展
物联网发展步骤
预计物联网的发展情况将会分为以下几个阶段：
1、2009~2012：
物联网市场规模小，主要以M2M的形态出现
2、2013~2015：
M2M开始有一定规模，物联网有了一定规模的企业应用。
承载网络也需要一定升级以适应大量的M2M及物联网应用，市场需求增加。
3、2016往后，物联网行业应用数量激增，已广泛渗透到大中企业，家庭应用。
——无线传感器网络
无线传感器网络（WSN,WirelessSensorNetworks）综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时检测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方式被发送，并以自组织多跳中继方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通。
无线传感器网络的发展历史
1.简单传感器网络：
20世纪70年代，使用具有简单信息信号获取能力的传统传感器，采用点对点传输，与传感控制器连接构成传感器网络。
2.智能传感器：
将计算能力嵌入到传感器中，使得传感器节点不仅具有数据采集能力，而且具有滤波和信息处理能力。
3.无线传感器网络：
20世纪90年代，将网络和无线通信技术引入到传感器节点中，降低了网络部署成本，使得传感器节点不仅仅是感知单元，而变成了可交换信息、协同工作的网络有机体。
无线传感器网络体系结构
从器件上来看，这种节点集成了传感单元（由传感器和模/数转换功能模块组成）、处理单元（由嵌入式系统构成，包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等）、通信单元（由无线通信模块、收发器等组成）以及电源等部分，有些节点还具有定位系统和移动系统。
图2-1无线传感器网络节点结构
在传感器网络中，节点通过各种方式大量部署在被感知对象内部或附近。
这些节点通过自组织方式构成无线网络，以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中特定的信息，可以实现对任意地点信息在任意时间的采集，处理和分析。
一个典型的传感器网络的结构包括分布式传感器节点（群）、sink节点、互联网和用户界面等。
传感节点之间可以相互通信，自己组织成网并通过多跳的方式连接至Sink（基站节点），Sink节点收到数据后，通过网关（Gateway）完成和公用Internet网络的连接。
整个系统通过任务管理器来管理和控制。
无线传感器网络的特点
总的来说：
分布式控制、无中心和多跳传输
主要体现：
1、节点数量庞大
2、节点密集部署
3、节点易于破坏（所处环境通常恶劣）
4、网络拓扑结构变化剧烈
5、节点资源受限（为了降低成本导致的）
6、节点不必具有全局ID（不用关心单个节点信息）
7、以数据为中心（节点可随机部署，节点部署位置信息不是很重要）
其典型应用有：
军事应用、抢险救灾、环境监测、医疗保健等
无线传感器网络协议栈
网络体系结构是网络的协议分层以及网络协议的集合，是对网络及其部件所应完成功能的定义和描述。
该网络体系结构由分层的网络通信协议、传感器网络管理以及应用支撑技术部分组成，如下表所示：
表1无线传感器网络协议
分层的网络通信协议
物理层数据链路层网络层传输层应用层
传感器网络管理
能量管理拓扑管理QOS支持网络管理网络安全移动控制远程管理
应用支撑技术
时间同步节点定位分布式协同应用服务接口
分层的网络通信协议之物理层协议
传输媒体：
1.光通信
2.红外通信
3.无线电通信：
使用ISM（工业、科学、医学）频段，其中某些部分已经用于无绳电话和无线局域网（WLAN）。
两大难点：
一是天线尺寸应为左右，尺寸越小价格约昂贵，使用的频段越高；
二是讲笑调制、滤波、解调的能耗。
四种工作状态：
发射、接收、空闲、休眠。
分层的网络通信协议之MAC协议
MAC协议，即媒体访问控制子层协议。
在网络协议中，数据链路层的媒体接入控制协议（MAC）协议直接控制无线通信模块的工作，建立点到点或者点到多点的通信链路，与传统的无线网络MAC协议不同，无线传感器网络的MAC协议要考虑节点功耗问题。
传感器无线通信模块四种工作状态中，发送、接收和空闲这三个状态的节点功耗都很大，其中空闲侦听是无线传感器网络中最主要的无效功耗来源。
表1MAC协议性能评价指标
传统无线网络
公平性传输延迟等
无线传感器网络
能量高效性可扩展性（针对不同应用环境）自适应性（针对可变的网络拓扑结构）
表2MAC协议分类
根据信道数量
单信道双信道多信道
根据控制方式
集中式控制分布式控制
根据接入方式
竞争型分配型混合型
出于整体网络成本的考虑，近期研究中，单信道MAC协议为主流。
典型的MAC协议：
Sensor-MAC（S-MAC）、Timeout-MAC（T-MAC）、X-MAC、P-MAC、Data-gatheringMAC（D-MAC）、Berkeley-MAC（B-MAC）、Z-MAC等等。
分层的网络通信协议之路由协议
无线传感器网络的特点使得众多传统固定网络与移动自组织网络的路由协议不能有效地应用于无线传感器网络，必须为传感器网络设计专用协议。
无线传感器网络与其他网络的比较和为其设计专用协议所需考虑的方面如下表1和表2所示。
表1无线传感器网络路由协议性能评价
性能网络
网络拓扑变化
数据报文长度
节点资源限制
数据流分布
以数据为中心
移动自组织网络
高
长
小
不明显
低
短
大
地理位置相关
明显
表2无线传感器网络路由协议设计
能量消耗
单个节点功耗和功耗的节点平均分配
节点或链路的异构性
路由协议应充分利用不同能力的节点
数据融合问题
路由协议能分组汇聚类似节点以有效节能和数据传输优化
算法的收敛性和复杂度
考虑网络拓扑结构的变化，路由协议算法应快速收敛并尽量简单，占用少量存储空间
动态性和扩展性
适应网络结构变化
无线传感器网络路由协议分类大致可分为：
能量感知路由、地理位置路由、QoS路由、查询驱动路由、层次式路由和洪泛式路由
计算机网络中的QoS
分层的网络通信协议之传输层协议
无线传感器网络数据传输的特点：
1.传感器网络大多选择免费的ISM频段且节点资源受限，使得网络传输误码率较高。
2.数据流量树形分布，越靠近Sink网关节点的区域发生拥塞的可能性越大。
3.传感器节点的存储资源极其有限，在网络流量过大时，容易导致协议栈内的数据包存储缓冲区溢出，产生丢包。
4.传感器节点易损，造成网络拓扑和传输路径剧烈变化。
5.数据融合对传输协议造成影响。
为什么UDP不适合无线传感器网络？
答：
UDP为无连接传输服务，没有拥塞控制机制，当网络发生拥塞后造成大量丢包，浪费能量，与上述第二点不兼容。
为什么TCP不适合无线传感器网络？
1.TCP对于融合掉的数据包，视为丢包而引发重传，与上述第五点不兼容。
2.无线传感器网络拓扑变化较大，会给TCP连接的建立和维护带来很困难
3.TCP保证每个数据包都正确传输的特点不适用与无线传感器网络中数据强冗余性和关联性的性质。
4.TCP重传实现机制对于数据量小的无线传感器网络数据包情况会造成无谓的能量浪费。
5.TCP要求每个节点具有全局的网络地址，很明显不适用于无线传感器网络中的节点。
无线传感器网络常见的传输层协议：
1.PumpSlowly，FetchQuickly（PSFQ）缓发快取
2.ESRT
无线传感器网络安全
无线传感器网络影响安全机制设计的几点因素：
1.节点能量有限：
所有的安全机制都需要引入控制保温或者增加数据包长度，这必将增加节点的能量消耗。
2.节点存储受限
3.通信的不可靠性：
无线信道的不可靠性和开放性
4.通信的高延迟：
传感器网络大多采用多跳方式将数据包传输给Sink节点
5.安全需求多样性
6.网络无人值守
7.感知数据量大
无线传感器网络安全攻击：
协议层
攻击方法
防御手段
物理层
拥塞攻击
跳频、优先级消息、低占空比、区域映射
物理破坏
破坏证明、节点伪装和隐藏
数据链路层
碰撞攻击
纠错码
耗尽攻击
设置竞争门限
非公平竞争
使用短帧策略和非优先级策略
网络层
虚假路由信息
选择性重发
女巫攻击
HELLO攻击
告知欺骗
丢弃和贪婪破坏
使用冗余路径、探测机制
汇聚节点攻击
使用加密和逐跳认证机制
黑洞攻击
认证、监视、冗余机制
方向误导攻击
出口过滤、认证和监视机制
传输层
洪泛攻击
客户端谜题
失步攻击
认证
无线传感器网络安全技术：
1.加密技术
2.密钥管理
3.安全路由
4.网络入侵检测
盲区无线传感器网络分析和仿真技术
无线传感器网络nesC语言
nesC是对C的扩展，它基于体现TinyOS的结构化概念和执行模型而设计。
TinyOS是为传感器网络节点而设计的一个事件驱动的操作系统，传感器网络节点拥有非常有限的资源（举例来说.,8K字节的程序储存器,512个字节的随机存取储存器）。
TinyOS用nesC重新编写。
1．结构和内容的分离:
程序有组件构成,它们装配在一起（"
配线"
）构成完整程序.组件定义两类域,一类用于它们的描述（包含它们的接口请求名称），另一类用于它们的补充。
组件内部存在作业形式的协作。
控制线程可以通过它的接口进入一个组件。
这些线程产生于一件作业或硬件中断。
2．根据接口的设置说明组件功能。
接口可以由组件提供或使用。
被提供的接口表现它为使用者提供的功能，被使用的接口表现使用者完成它的作业所需要的功能。
3．接口有双向性:
它们叙述一组接口供给者（指令）提供的函数和一组被接口的使用者（事件）实现的函数。
这允许一个单一的接口能够表现组件之间复杂的交互作用（举例来说.,当某一事件在一个回调之前发生时，对一些事件的兴趣登记）。
这是危险的，因为TinyOS中所有的长指令（举例来说.发送包）是非中断的;
他们的完成由一个事件（发送完成）标志。
通过叙述接口，一个组件不能调用发送指令除非它提供sendDone事件的实现。
通常指令向下调用，比如，从应用组件到那些比较靠近硬件的调用,而事件则向上调用。
特定的原始事件与硬件中断是关联的（这种关联是由系统决定的,因此在本参考手册中不作进一步描述）。
4．组件通过接口彼此静态地相连。
这增加运行时效率,支持rubust设计,而且允许更好的程序静态分析。
5．nesC基于由编译器生成完整程序代码的需求设计。
这考虑到较好的代码重用和分析。
这方面的一例子是nesC的编译-时间数据竞争监视器。
6．nesC的协作模型基于一旦开始直至完成作业,并且中断源可以彼此打断作业.nesC编译器标记由中断源引起的潜在的数据竞争。
盲区：
nesC语法
TinyOS操作系统
简介
TinyOS的构件包括网络协议、分布式服务器、传感器驱动及数据识别工具。
其良好的电源管理源于事件驱动执行模型，该模型也允许时序安排具有灵活性。
TinyOS已被应用于多个平台和感应板中。
◆TinyOS操作系统、库和程序服务程序是用nesC写的
◆nesC是一种开发组件式结构程序的语言
◆nesC是一种C语法风格的语言，但是支持TinyOS的并发模型，以及组织、命名和连接组件成为健壮的嵌入式网络系统的机制
◇nesC应用程序是由有良好定义的双向接口的组件构建的
◇nesC定义了一个基于任务和硬件事件处理的并发模型，并能在编译时检测数据流组件
规范
◆nesC应用程序由一个或多个组件连接而成
◆一个组件可以提供或使用接口
●组件中mand接口由组件本身实现
●组件中event接口由调用者实现
●接口是双向的，调用mand接口必须实现其event接口
并发模型
◆TinyOS只能运行单个由所需的系统模块和自定义模块构成的应用程序
◆两个线程
◇任务
●一次运行完成，非抢占式
◇硬件事件处理
●处理硬件中断
●一次运行完成，抢占式
●用于硬件中断处理的mand和event必须用async关键字声明
盲区：
TinyOS操作系统的使用
无线传感器网络与通信网络的结合
无线传感器网络部署在被监测对象内部或者附近，在大多数应用中每用户与网络的部署地区相距甚远，如果在被监测区域到观察者之间的数据传输完全依靠无线传感器网络实现，将极大的增加网络成本。
同时，由于节点能力受限，很难保证数据传输的及时、安全和可靠。
由此可见，无线传感器网络和电信网互联网等通信网络的结合是发展的大趋势。
业务和应用场景
物联网掀起了继计算机、互联网和移动通信网之后的又一波世界信息产业新浪潮。
物联网相关技术已成为各国竞争的焦点，它将成为未来经济发展、社会进步和科技创新的最重要的基础设施。
——Zigbee
Zigbee简介
Zigbee的设计目标是在保证低耗电性的前提下，开发一种易部署、低复杂度、低成本、短距离、低速率、自组织的无线网络，在工业控制、家庭智能化、无线传感器网络等领域有广泛的应用前景。
简而言之，Zigbee就是一种便宜的、低功耗的近距离无线组网技术。
Zigbee技术优势：
1.低功耗：
Zigbee<
蓝牙<
WIFI
2.低成本：
简化协议
3.低速率：
20~250kbit/s
4.近距离：
10m~100m之间
5.短时延：
响应速度快，设备搜索时延一般为30ms，休眠激活时延15ms，设备信道接入时延15ms。
进一步节省电能
6.网络容量大：
适宜支持简单器件。
全功能器件（FFD）和简化功能器件（RFD）。
一个Zigbee网络可以最多包括255个Zigbee网络节点，通过网络协调器，整个网络最多可支持超过64000个Zigbee网络节点
7.高安全：
在数据传输中提供了三级安全性。
8.免执照频段：
物理层采用ISM频段
9.数据传输可靠：
媒体接入控制层（MAC层）采用talk-when-ready的碰撞避免机制。
Zigbee联盟
联盟制定了IEEE802.15.4，具有高可靠、高性价比、低功耗的网络层和应用层开发。
Zigbee联盟对Zigbee标准的制定：
IEEE802.15.4的物理层、MAC层及数据链路层。
并对网络层协议和API进行了标准化。
Zigbee应用领域
Zigbee网络的冗余、自组织和自愈能力适合于许多类型的应用，主要包括数字家庭、工业控制和智慧交通等领域。
（1）zigbee模块：
ZigBee模块是一种物联网无线数据终端，利用ZigBee网络为用户提供无线数据传输功能。
该产品采用高性能的工业级ZigBee方案，提供SMT与DIP接口，可直接连接TTL接口设备，实现数据透明传输功能；
低功耗设计，最低功耗小于1mA；
提供6路I/O，可实现数字量输入输出、脉冲输出；
其中有3路I/O还可实现模拟量采集、脉冲计数等功能。
该产品已广泛应用于物联网产业链中的M2M行业，如智能电网、智能交通、智能家居、金融、移动POS终端、供应链自动化、工业自动化、智能建筑、消防、公共安全、环境保护、气象、数字化医疗、遥感勘测、农业、林业、水务、煤矿、石化等领域。
zigbee组网模式
（2）Zigbee自组织网
ZigBee技术所采用的自组织网是怎么回事？
举一个简单的例子就可以说明这个问题，当一队伞兵空降后，每人持有一个ZigBee网络模块终端，降落到地面后，只要他们彼此间在网络模块的通信范围内，通过彼此自动寻找，很快就可以形成一个互联互通的ZigBee网络。
而且，由于人员的移动，彼此间的联络还会发生变化。
因而，模块还可以通过重新寻找通信对象，确定彼此间的联络，对原有网络进行刷新。
这就是自组织网。
为什么要使用自组织网来通信？
网状网通信实际上就是多通道通信，在实际工业现场，由于各种原因，往往并不能保证每一个无线通道都能够始终畅通，就像城市的街道一样，可能因为车祸，道路维修等，使得某条道路的交通出现暂时中断，此时由于我们有多个通道，车辆（相当于我们的控制数据）仍然可以通过其他道路到达目的地。
而这一点对工业现场控制而言则非常重要。
为什么要采用动态路由的方式？
所谓动态路由是指网络中数据传输的路径并不是预先设定的，而是传输数据前，通过对网络当时可利用的所有路径进行搜索，分析它们的位置关系以及远近，然后选择其中的一条路径进行数据传输。
在我们的网络管理软件中，路径的选择使用的是“梯度法”，即先选择路径最近的一条通道进行传输，如传不通，再使用另外一条稍远一点的通路进行传输，以此类推，直到数据送达目的地为止。
在实际工业现场，预先确定的传输路径随时都可能发生变化，或者因各种原因路径被中断了，或者过于繁忙不能进行及时传送。
动态路由结合网状拓扑结构，就可以很好解决这个问题，从而保证数据的可靠传输。
Zigbee网络拓扑
Zigbee采用IEEE802.15.4标准作为物理层和MAC层标准。
网络的基本组成单元是设备，在同一个物理系到范围内，两个或者两个以上的设备可以构成一个无线个人网（WPAN）。
Zigbee网络中的设备可分为协调器、路由器和终端设备3种。
通俗的讲：
一个协调器节点+多个路由器节点+n多个终端设备节点=一个Zigbee网络
协调器：
建立和配置网络，它是网络上的第一个设备，一旦网络建立完成，网络的后续操作不依赖这个协调器的存在。
路由器：
是其他设备加入网络的媒介，全时间处在活动状态，能源消耗较大。
终端设备：
工作载体，可以根据需要进入休眠。
注：
全功能设备（FFD）：
可以作为无线个域网的协调器、路由器和终端设备。
网络中大部分设备都是精简功能设备。
路由节点和协调器节点才具有转发功能。
Zigbee网络有两种组网方式：
星型网络和对等网络。
在星型结构中，所有设备都与中心设备PAN网络协调器通信。
在这种网络中，网络协调器一般使用持续电力系统供电，而其他设备采用电池供电。
星型网络适合家庭自动化、个人计算机的外设以及个人健康护理等小范围的室内应用。
地址模式：
网络号+设备标识
点对点网络中，任意两个设备只要能够彼此收到对方的无线信号，就可以进行直接通信，不需要其他设备的转发。
但点对点网络中仍然需要一个网络协调器，不过该协调器的功能不再是为其他设备转发数据，而是完成设备注册和访问控制等基本的网络管理功能。
直接使用源/目的地址
星型网络拓扑结构
在星型网络的形成过程中，第一步就是建立网络协调器。
任何一个FFD设备都有成为网络协调器的可能，一个网络如何确定自己的网络协调器由上层协议决定。
一种简单的策略是：
一个FFD设备在第一次被激活后，首先广播查询网络协调器的请求，如果接收到回应说明网络中已经存在网络协调器，再通过一系列认证过程，设备就成为了这个网络中的普通设备。
如果没有收到回应，或者认证过程不成功，这个FFD设备就可以建立自己的网络，并且成为这个网络的网络协调器。
当然，这里还存在一些更深入的问题，一个是网络协调器过期问题，如原有的网络协调器损坏或者能量耗尽；
另一个是偶然因素造成多个网络协调器竞争问题，如移动物体阻挡导致一个FFD自己建立网络，当移动物体离开的时候，网络中将出现多个协调器。
网络协调器要为网络选择一个未被使用的惟一的PAN标识符，所有该星型网络中的设备都是用这个标识符来规定自
升级会员 