【正文】 知識補充： 大數(shù)據(jù)與移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)以及傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng) 37 / 37《物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)》 —— 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論 老子曰：“不出戶知天下，不窺牗見天道。其出彌遠，其知彌少。是以圣人不行而知，不見而名，不為而成。”物聯(lián)網(wǎng)正是可以實現(xiàn)這種境界。物聯(lián)網(wǎng)的本事是互聯(lián)網(wǎng)的落地，即進一步實現(xiàn)物物相連。在安全、健康、能源、效率、環(huán)境等等方面依然存在著巨大的隱患問題。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，能大大促進當前以效率、節(jié)能、環(huán)保、安全、健康為可信的全球信息化發(fā)展，例如智能交通、電子醫(yī)療、智能電網(wǎng)等等技術(shù)應(yīng)用的成熟。物聯(lián)網(wǎng)（IOT,Internet of Things）。也是“傳感網(wǎng)”在國際上的通稱。通俗地講，物聯(lián)網(wǎng)就是萬物都可以上網(wǎng)，物體通過裝入射頻識別設(shè)備、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)或其他方式進行連接，然后接入到互聯(lián)網(wǎng)或移動通信網(wǎng)絡(luò)，最終形成智能網(wǎng)絡(luò)，通過電腦或手機實現(xiàn)對物體的智能化管理。PS：美國IBM公司“智慧地球”，日本和韓國分別提出“UJAPAN”和“UKOREA”戰(zhàn)略。中國提出“感知中國”的發(fā)展策略。從技術(shù)的角度講，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)該具備3個特征，一是全面感知，即利用RFID、傳感器、二維碼等隨時隨地獲取物體的信息；二是可靠傳遞，通過各種電信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的融合，將物體的信息實時、準確的傳遞出去；三是智能處理，利用云計算、模糊識別等各種智能計算技術(shù)，對海量數(shù)據(jù)和信息進行分析和處理，對物體實施智能化控制。這三個特征也提供了物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)劃分的基礎(chǔ)。物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)感知層————網(wǎng)絡(luò)層————應(yīng)用層1. 感知層：智能終端和智能小物體（傳感器）。2. 網(wǎng)絡(luò)層：編碼尋址（IPV4,IPV6）和統(tǒng)一管理（針對多樣格式的數(shù)據(jù)）。3. 應(yīng)用層：應(yīng)用支撐平臺子層和應(yīng)用服務(wù)子層?！叭W(wǎng)結(jié)合”即傳感網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和通信網(wǎng)互相結(jié)合=物聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)總體架構(gòu)1. 在感知層：物聯(lián)網(wǎng)終端形態(tài)包括普通物聯(lián)網(wǎng)終端、M2M終端、感知接入網(wǎng)關(guān)、感知子網(wǎng)節(jié)點、終端外設(shè)及卡識讀物。2. 在網(wǎng)絡(luò)層：主要包括接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、核心網(wǎng)、業(yè)務(wù)網(wǎng)、網(wǎng)管系統(tǒng)和業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)。3. 在應(yīng)用層：要求應(yīng)用系統(tǒng)通過統(tǒng)一接口來實現(xiàn)與感知層的通信。物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù) 物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)大致可以分為三個層次：首先是傳感網(wǎng)絡(luò)，以二維碼、RFID（射頻識別技術(shù)）、傳感器為主，實現(xiàn)“物”的識別；其次是傳輸網(wǎng)絡(luò)，通過現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)，廣電網(wǎng)絡(luò)、通信網(wǎng)絡(luò)或者未來的NGN（下一代網(wǎng)絡(luò)），實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與計算；第三是應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，即輸入/輸出控制終端，可基于現(xiàn)有的手機、PC等終端進行。物聯(lián)網(wǎng)與泛在網(wǎng)概念的差異泛在網(wǎng)（Ubiquitous Network）是指基于個人和社會的需求，實現(xiàn)人與人、人與物、物與物之間按需進行的信息獲取、傳遞、存儲、認知、決策、使用等服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)具有超強的環(huán)境感知、內(nèi)容感知及其智能性，為個人和社會提供凡在的、無所不含的信息服務(wù)和應(yīng)用。泛在網(wǎng)具有比物聯(lián)網(wǎng)更廣泛的內(nèi)涵。 表1 傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)及泛在網(wǎng)三者的比較定義終端基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)通信對象標準化組織傳感網(wǎng)實現(xiàn)傳感器的互聯(lián)和信息收集傳感器物對物ISO/IEC物聯(lián)網(wǎng)將各種信息傳感設(shè)備如RFID、紅外感應(yīng)器、GPS、激光掃描器等與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，實現(xiàn)對所有物品的智能化識別與管理傳感器、RFID、二維碼、內(nèi)置移動通信的各種模塊一個或多個基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)物對物、物對人IEEEETSIEPC Global泛在網(wǎng)通過網(wǎng)絡(luò)的泛在互聯(lián)、實現(xiàn)物與物、物與人、人與人之間按需的信息獲取、傳遞、儲存、認知、分析、使用等服務(wù)，強調(diào)人機自然交互、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合和智能應(yīng)用傳感器、RFID、二維碼、內(nèi)置移動通信的各種模塊、手機、上網(wǎng)卡等所有的網(wǎng)絡(luò)物對物、物對人、人對人ITU3GPPGSMAOMA物聯(lián)網(wǎng)的行業(yè)應(yīng)用應(yīng)用場景：城市安全管控、城市環(huán)境管控、城市能源管控（樓宇設(shè)施能源管理和IT設(shè)施能源管理）、家庭數(shù)字生活等。影響物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的因素 物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議問題：在物聯(lián)網(wǎng)核心層面是基于TCP/IP，但在接入層面，協(xié)議類別繁多，GPRS、短信、傳感器、TDSCDMA、WCDMA、有線等等多種通道。物聯(lián)網(wǎng)需要一個同意的協(xié)議基礎(chǔ)。 個人隱私與數(shù)據(jù)安全 網(wǎng)關(guān)形態(tài) 產(chǎn)業(yè)鏈復雜，需要整合 公眾信任 標準化 系統(tǒng)開放 研究發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展步驟預計物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展情況將會分為以下幾個階段：2009~2012：物聯(lián)網(wǎng)市場規(guī)模小，主要以M2M的形態(tài)出現(xiàn)2013~2015：M2M開始有一定規(guī)模，物聯(lián)網(wǎng)有了一定規(guī)模的企業(yè)應(yīng)用。承載網(wǎng)絡(luò)也需要一定升級以適應(yīng)大量的M2M及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，市場需求增加。2016往后，物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用數(shù)量激增，已廣泛滲透到大中企業(yè)，家庭應(yīng)用。 —— 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN,Wireless Sensor Networks）綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實時檢測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，這些信息通過無線方式被發(fā)送，并以自組織多跳中繼 中繼：中繼是兩點間的一條傳輸信道，這兩點通常是交換中心。中繼線是承載多條邏輯鏈路的一條物理連接。隨著科技發(fā)展，中繼的概念不僅應(yīng)用于無線通信中，網(wǎng)絡(luò)通信交換機的trunk也可以稱之為一種中繼。方式傳送到用戶終端，從而實現(xiàn)物理世界、計算世界以及人類社會三元世界的連通。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷史1. 簡單傳感器網(wǎng)絡(luò)：20世紀70年代，使用具有簡單信息信號獲取能力的傳統(tǒng)傳感器，采用點對點傳輸，與傳感控制器連接構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)。2. 智能傳感器：將計算能力嵌入到傳感器中，使得傳感器節(jié)點不僅具有數(shù)據(jù)采集能力，而且具有濾波和信息處理能力。3. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)：20世紀90年代，將網(wǎng)絡(luò)和無線通信技術(shù)引入到傳感器節(jié)點中，降低了網(wǎng)絡(luò)部署成本，使得傳感器節(jié)點不僅僅是感知單元，而變成了可交換信息、協(xié)同工作的網(wǎng)絡(luò)有機體。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)從器件上來看，這種節(jié)點集成了傳感單元（由傳感器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊組成）、處理單元（由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成，包括CPU、存儲器、嵌入式操作系統(tǒng)等）、通信單元（由無線通信模塊、收發(fā)器等組成）以及電源等部分，有些節(jié)點還具有定位系統(tǒng)和移動系統(tǒng)。 圖21 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點結(jié)構(gòu)sink在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點通過各種方式大量部署在被感知對象內(nèi)部或附近。這些節(jié)點通過自組織方式構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作的方式感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中特定的信息，可以實現(xiàn)對任意地點信息在任意時間的采集，處理和分析。一個典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)包括分布式傳感器節(jié)點（群）、sink節(jié)點 Sink節(jié)點：　在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)指匯聚結(jié)點，主要負責傳感器網(wǎng)與外網(wǎng)（eg：gprs， internet等）的連接，可看作網(wǎng)關(guān)節(jié)點。、互聯(lián)網(wǎng)和用戶界面等。傳感節(jié)點之間可以相互通信，自己組織成網(wǎng)并通過多跳的方式連接至Sink（基站節(jié)點），Sink節(jié)點收到數(shù)據(jù)后，通過網(wǎng)關(guān)（Gateway）完成和公用Internet網(wǎng)絡(luò)的連接。整個系統(tǒng)通過任務(wù)管理器來管理和控制。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點總的來說：分布式控制、無中心和多跳 多跳：由發(fā)站到收站的傳輸，需經(jīng)過多次衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的方式。傳輸主要體現(xiàn)：節(jié)點數(shù)量龐大 節(jié)點密集部署 節(jié)點易于破壞（所處環(huán)境通常惡劣） 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu) 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)：網(wǎng)絡(luò)拓撲是網(wǎng)絡(luò)形狀，它的結(jié)構(gòu)主要有星型結(jié)構(gòu)、環(huán)形結(jié)構(gòu)、總線結(jié)構(gòu)、分布式結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)、樹形結(jié)構(gòu)等等。變化劇烈 節(jié)點資源受限（為了降低成本導致的） 節(jié)點不必具有全局ID（不用關(guān)心單個節(jié)點信息） 以數(shù)據(jù)為中心（節(jié)點可隨機部署，節(jié)點部署位置信息不是很重要）其典型應(yīng)用有：軍事應(yīng)用、搶險救災(zāi)、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療保健等無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議分層以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的集合，是對網(wǎng)絡(luò)及其部件所應(yīng)完成功能的定義和描述。該網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)由分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、傳感器網(wǎng)絡(luò)管理以及應(yīng)用支撐技術(shù)部分組成，如下表所示：表1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議物理層 數(shù)據(jù)鏈路層 網(wǎng)絡(luò)層 傳輸層 應(yīng)用層傳感器網(wǎng)絡(luò)管理能量管理 拓撲管理 QOS支持 網(wǎng)絡(luò)管理 網(wǎng)絡(luò)安全 移動控制 遠程管理應(yīng)用支撐技術(shù)時間同步 節(jié)點定位 分布式協(xié)同應(yīng)用服務(wù)接口分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議之物理層協(xié)議傳輸媒體：1. 光通信2. 紅外通信 無線電：無線電是指在自由空間（包括空氣和真空）傳播的電磁波，是其中的一個有限頻帶，上限頻率在300GHz（吉赫茲），下限頻率較不統(tǒng)一通信：使用ISM（工業(yè)、科學、醫(yī)學）頻段，其中某些部分已經(jīng)用于無繩電話和無線局域網(wǎng) 無線局域網(wǎng)：，以無線方式構(gòu)成的局域網(wǎng)。利用RF射頻技術(shù)，（WLAN）。兩大難點：一是天線尺寸應(yīng)為左右，尺寸越小價格約昂貴，使用的頻段越高；二是講笑調(diào)制、濾波、解調(diào)的能耗。四種工作狀態(tài)：發(fā)射、接收、空閑、休眠。分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議之MAC協(xié)議 MAC協(xié)議 Mac協(xié)議：MAC協(xié)議的主要作用是保證公平性和有效的資源共享。MAC機制主要分為兩類：1基于競爭的協(xié)議2無競爭的信道協(xié)議。，即媒體訪問控制子層協(xié)議。在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中，數(shù)據(jù)鏈路層的媒體接入控制協(xié)議（MAC)協(xié)議直接控制無線通信模塊的工作，建立點到點或者點到多點的通信鏈路，與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議不同，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議要考慮節(jié)點功耗問題。傳感器無線通信模塊四種工作狀態(tài)中，發(fā)送、接收和空閑這三個狀態(tài)的節(jié)點功耗都很大，其中空閑偵聽是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最主要的無效功耗來源。 表1 MAC協(xié)議性能評價指標傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)公平性 傳輸延遲等無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量高效性 可擴展性（針對不同應(yīng)用環(huán)境） 自適應(yīng)性（針對可變的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)）表2 MAC協(xié)議分類根據(jù)信道數(shù)量單信道 雙信道 多信道根據(jù)控制方式集中式控制 分布式控制根據(jù)接入方式競爭型 分配型 混合型 出于整體網(wǎng)絡(luò)成本的考慮，近期研究中，單信道MAC協(xié)議為主流。 典型的MAC協(xié)議：SensorMAC(SMAC)、TimeoutMAC(TMAC)、XMAC、PMAC、Datagathering MAC(DMAC)、BerkeleyMAC(BMAC)、ZMAC等等。分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議之路由 路由：工作在OSI參考模型第三層——網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備。路由器根據(jù)收到數(shù)據(jù)包中的網(wǎng)絡(luò)層地址以及路由器內(nèi)部維護的路由表決定輸出端口以及下一跳地址，并且重寫鏈路層數(shù)據(jù)包頭實現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。路由器通過動態(tài)維護路由表來反映當前的網(wǎng)絡(luò)拓撲，并通過網(wǎng)絡(luò)上其他路由器交換路由和鏈路信息來維護路由表。 協(xié)議無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點使得眾多傳統(tǒng)固定網(wǎng)絡(luò)與移動自組織網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議不能有效地應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，必須為傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計專用協(xié)議。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與其他網(wǎng)絡(luò)的比較和為其設(shè)計專用協(xié)議所需考慮的方面如下表1和表2 所示。表1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議性能評價 性能 網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)拓撲變化數(shù)據(jù)報文長度節(jié)點資源限制數(shù)據(jù)流分布以數(shù)據(jù)為中心移動自組織網(wǎng)絡(luò)高長小不明顯不明顯無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低短大地理位置相關(guān)明顯表2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計能量消耗單個節(jié)點功耗和功耗的節(jié)點平均分配節(jié)點或鏈路的異構(gòu)性路由協(xié)議應(yīng)充分利用不同能力