物联网简介

物联网简介物联网简介3提纲u物联网的提出u常见应用场景u无线传感器网络简介u物联网体系结构u物联网协议层次u硬件平台与操作系统 u主要研究问题4提纲u物联网的提出u常见应用场景u无线传感器网络简介u物联网体系结构u物联网协议层次u硬件平台与操作系统 u主要研究问题5物联网发展19982004200520082009-62009-82011物联网的提出U-Korea战略IBM 提出“智慧地球”感知中国2009-9物联网行动计划近三分之一应用与物联网概念有关首家以物联网为宣传语的通信企业ITU 互联网报告2005：物联网U-Japan战略6物联网概念u1998，MIT的Kevin Ashton 首次提及 Internet of things将RFID技术与传感器技术应用于日常物品中将会创建一个“物联网”，这项技术将带来人们对机器理解的新纪元u2005，ITU发表 报告 The Internet of Things物联网是通过RFID和智能计算等技术实现全世界设备互连的网络u2008，欧委会的CERP-IOT工程给出新的物联网定义物联网是物理和数字世界融合的网络，每个物理实体都有一个数字的身份；物体具有上下文感知能力他们可以感知、沟通与互动。他们对待物理事件进行即时反映，对物理实体的信息进行即时传送；使得实时作出决定成为可能uWikipedia(网络维基百科全书)所谓“物联网”（Internet of Things），指的是将各种信息传感设备，如射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络 7RFIDuRFID(Radio Frequency Identification)射频识别uRFID标签俗称电子标签，也称应答器（tag,transponder,responder），根据工作方式可分为主动式（有源）和被动式（无源）两大类uRFID-SIM8物联网概念u2009年8月7日，温家宝总理到中科院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心考察，提出建设“感知中国”中心u2009年11月13日，国务院正式批准同意支持无锡建设国家传感网创新示范区（国家传感信息中心）u2010年政府工作报告中对物联网的定义：是指通过信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。它是在互联网基础上延伸和扩展的网络9物联网概念u通过信息传感设备，按照约定的协议u把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯u实现智能识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络接入网物联网射频识别RFID 条码二维码传感网WSN 短距离无线网络实时定位系统下一代互联网 Internet10技术需求体系结构能量自供设备小型化资源自治数以亿计的智能设备，将导致海量的数据传输和存储，需要我们重新审视现有的网络体系和存储结构当前技术仍不足以解决智能设备的能量受限问题，需要设计低能耗芯片，甚至能够自供能量的设备系统复杂性的显著增加，使得维护和管理更加困难，需要系统资源具有自配置，自管理和自恢复等功能智能设备广泛应用，嵌入到各种物体上，需要智能设备更加小型化，向单晶体管实现智能设备目标迈进11提纲u物联网的提出u常见应用场景u物联网体系结构u物联网协议层次u硬件平台与操作系统 u主要研究问题12物联网生产线13物流u自动化仓库自动检测物品的出入，向供货商自动发送订单u自动化运输物品上的电子标签根据后台系统信息，自动选择合适路径u供应链商业模式变化用户直接通过物联网向商品本身发订单。用户不在是向一个生产商定购大宗的商品，而是按照用户的订单顺序从不同的生产商购买商品14智能家居u海尔“智慧之家”超出了单个产品的局限，从客厅到厨房，从黑电到白电，从生活电器到电脑和手机等移动终端，都不再是一个个孤单的产品，而是一个互联互通、人性化、智能化的整体u一种未来的生活愿景身在外，家就在身边；回到家，世界就在眼前u智能家居，维持室内合适的温度和热水器水温，减少能源浪费，智能机器人自动完成清洁和维护等日常工作，房间的智能系统能学习主人的生活习惯，将室内环境调节为主人最适合的15智能交通u实时获取路况信息，监视和控制交通流量u可以实现车辆与网络相连，优化行车路线u可以无缝地检测、标识车辆并收取行驶费用16环境监测u“蓝藻湖泛智能监测预警及蓝藻打捞处理智能管理调度物联网系统”u蓝藻集聚的地点、集聚情况会自动发到打捞人员手机上，打捞船、车以及运藻船第一时间就会赶去处理u指挥控制室的大屏幕上，能看到采用太阳能板、安置传感芯片和摄像头的球状浮标，获悉该点的温度、pH值、氨氮等指标17医疗物联网医疗物联网u体内智能诊断设备，有助于疾病的早期诊断，增强康复效果u生物降解材料的智能设备，能够检测体内温度湿度，防止皮肤问题u新型个人医疗设备，使得病人在家即可接受医疗，远程医疗可避免昂贵路费，减少病人的压力u家庭中的智能设备，在老人出现意外时发出求助信号18机场防入侵系统u浦东国际机场防入侵系统铺设了3万多个传感节点，覆盖了地面、栅栏和低空探测，可防止人员的翻越、偷渡、恐怖袭击等攻击性入侵19路灯控制系统u济南园博园园区所有功能性照明都采用了ZigBee无线技术达成的无线路灯控制，节能环保20世博会门票u纸质门票基于RFID技术，以无线方式与遍布园区的传感器交换信息安全防伪，快速验票；跟踪查询，人员分流u手机门票用户使用的RFID-SIM卡，是基于RFID技术，以手机SIM卡为载体实现的一种全新电子票可直接购买附带门票信息的SIM卡，或通过网上下载写入SIM卡“刷”手机即可入园21世博园便利店u每一盒在售的盒饭都被贴上一个薄薄的RFID电子标签，记录食品来源信息，增加食品安全，保障了消费者权益u收银员可以一次扫描数十盒盒饭，这大大缩短了顾客排队的时间，提高了供应链管理的效率，减少结账和查询设施开销，同时也有利于智能货架管理22提纲u物联网的提出u常见应用场景u无线传感器网络简介u物联网体系结构u物联网协议层次u硬件平台与操作系统 u主要研究问题概念与定义节点布撒节点布撒拓扑形成拓扑形成自组织自组织 消息传送消息传送 微型智能网络化微型智能网络化 传统传统 雷达雷达 地震波地震波 红外红外 温度温度 湿度湿度 压力压力 光强度光强度 速度速度 微机电系统微机电系统 嵌入式系统嵌入式系统 无线通信无线通信 微型微型 智能智能 网络网络 传感器传感器 传感器传感器 化学成分化学成分 23传感器网络的技术特点EmbeddedNetworkedSensingControl system w/Small form factorUntethered nodesExploitcollaborativeSensing,actionTightly coupled to physical worldu节点微型化：嵌入物理世界智能化：增强的数据处理自治化：容错性多样化：尽可能感知周围感兴趣的物质现象u网络密集性：抵抗敌意和恶意破坏灵活性：快速构建信息基础设施自组织：鲁棒性多跳性：低能耗24传感器网络的应用：军事（1）非常适合应用在恶劣恶劣的战场环境监控我军兵力、装备和物资监视冲突区侦察敌方地形和布防定位攻击目标评估损失侦察和探测核、生物和化学核、生物和化学攻击撒撒“豆豆”成成“兵兵”25传感器网络的应用：军事（2）传感器网络在军事应用中的优势分布节点中多角度和多方位多角度和多方位信息的综合有效地提高了信噪比信噪比低成本、高冗余低成本、高冗余的设计提供了较强的容错能力容错能力节点与探测目标的近距离接触近距离接触消除了环境噪声对系统性能的影响节点中多种传感器的混合应用提高了探测的性能指标多节点联合，形成覆盖面积较大覆盖面积较大的实时探测区域个别移动节点移动节点对拓扑结构的调整有效消除了探测阴影和盲点26传感器网络的应用：商业u医疗保健u环境监测u灾难拯救27传感器网络的技术特点 无线传感器网络无线传感器网络 Ad hoc 网络网络无线宽带网络无线宽带网络能量资源优化能量资源优化带宽资源优化带宽资源优化数据为中心数据为中心多数节点静止多数节点静止传输数据为目的传输数据为目的节点移动节点移动新体系结构新体系结构移动切换管理移动切换管理节点数据处理节点数据处理动态拓扑路由技术动态拓扑路由技术28面临的设计挑战u容错性抵抗单点失效和有意破坏u扩展性节点密度 一般应用：10；环境监测：25 100；普适计算：100u生产成本$1 10u硬件限制体积小 携带能量有限，处理能力和存储能力有限32面临的设计挑战（2）u功率控制能耗分析发送/接受监听/数据处理低功耗网络协议的设计MAC,Routing,Application系统能量管理TinyOS 能量管理拓扑控制可再生能源33传感器网络的研究内容 传传 感感 器器 网网 络络 研研 究究传传感感器器网网络络应应用用系系统统研研究究34物理层和MAC层u可选物理层技术短程无线通信(RF)TR3000,CC1000Bluetooth主从式IEEE802.11改进MAC,周期性侦听(SMAC)公平性IEEE802.15.4与ZigBee35路由uIPv4(IPv6)+MANET RoutingDSR(Dynamic Source Routing)AODV(Ad hoc Demand Distance Vector,RFC 3561)TORA(Temporally Ordered Routing Algorithm,)OLSF(Optimized Link State Routing Protocol,RFC3536)u结论结论部分研究项目在沿用不是理想的选择：数据和应用为中心的目标36路由（2）u平面路由技术GossipingSPIN(Sensor Protocol for Information via Negotiation)SPIN-PP,SPIN-EC,SPIN-BC,SPIN-RLDirected Diffusion37时间同步u应用场景数据融合声波测距定位低功耗MAC协议设计的需要 传统分布式系统应用的要求u可选机制GPSNTP40定位机制与算法u全局定位(GPS)与局部定位(LPS)全球定位系统（GPS）“北斗一号”双星定位 u自身定位与目标定位u机制与算法Range-based RSSI;TOA;AOA Range-free质心定位算法;跳数距离定位算法；APIT算法Anchor or Beacon42覆盖与连通性的理论模型u三种覆盖的定义面覆盖，点覆盖，路径覆盖u确定性分布u随机性分布uK重覆盖的理论 43无线传感器网络与物联网u无线传感器网络为物联网奠定了传感和监控的技术基础u物联网是广义联网的无线传感器网络u物联网不仅仅感知，还要做到控制u物联网面临更多的技术挑战，端到端寻端到端寻址和路由址和路由，控制方法和模型控制方法和模型，安全性安全性，海量信息的高效处理模型海量信息的高效处理模型等4445提纲u物联网的提出u常见应用场景u无线传感器网络简介u物联网体系结构u物联网协议层次u硬件平台与操作系统 u主要研究问题46物联网的架构u上层：互联网络上层：互联网络物联网的信息存储物联网的计算决策u中层：泛在接入中层：泛在接入无线网络（蜂窝、WiFi等）有线网络u下层：物物网络下层：物物网络智能嵌入式设备感知、标识和通信47物联网的拓扑48提纲u物联网的提出u常见应用场景u物联网体系结构u物联网协议层次u硬件平台与操作系统 u主要研究问题49典型的协议栈uZigBee/802.15.4u6LoWPANuROLLuTransport LayeruCoRE50IEEE 802.15.4标准u目标：目标：为在个人操作空间内相互连通的无线设备提供通信标准uIEEE 802.15任务组TG1：制定IEEE 802.15.1标准（蓝牙无线个人区域网络标准）；中等速率、近距离的WPAN网络标准TG2：制定IEEE 802.15.2标准，研究IEEE 802.15.1与IEEE 802.11（无线局域网标准）的共存问题TG3：制定IEEE 802.15.3标准，研究高传输速率WPAN标准TG4：制定IEEE 802.15.4标准，研究低速WPAN标准51IEEE 802.15.4标准的特征u20kbps、40kbps、100kbps、250kbps四种不同的传输速率u支持星型和点到点两种拓扑结构u在网络中采取两种地址方式：16位地址和64位地址16位地址是有协调器分配的64位地址是全球唯一的扩展地址u采用带冲突避免的载波侦听多路访问（Carrier sense multiple access with collision avoidance，CSMA-CA）的信道访问机制u支持ACK机制以保证可靠传输u低功耗机制，信道能量检测，链路质量指示52IEEE 802.15.4uIEEE 802.15.4标准网络：在一个POS内使用相同无线信道并通过IEEE 802.15.4标准相互通信的设备集合u全功能设备（FFD）和缩减功能设备（RFD）u协调器：与RFD相关联的FFD设备uPAN网络协调器：成员身份管理、链路信息管理、分组转发53IEEE 802.15.4 星型拓扑星型拓扑结构 u所有设备都与中心设备PAN网络协调器通讯u网络协调器持续供电，其他设备电池供电u适合家庭自动化、个人计算机外围设备、个人康护护理等小范围的室内应用54IEEE 802.15.4 点到点拓扑点到点拓扑结构 u任何两个设备之间都可以通讯u网络协调器负责管理链路状态信息、认证设备身份等功能u允许多跳路由的方式传输数据u适合于设备分布范围广的应用（工业检测与控制）55IEEE 802.15.4 超帧结构以超帧为周期组织LR-WPAN内设备间的通讯信标帧包含超帧将持续的时间以及对这段时间的分配等信息超帧将时间划分为活跃和不活跃两个部分不活跃阶段：设备进入休眠状态活跃阶段：信标帧发送时段、竞争访问时段和非竞争访问时段；划分为16个等长时槽CSMA-CA访问机制56ZigBeeuZigBee概述uZigBee的协议结构uZigBee的技术特点uZigBee的网络拓扑57ZigBee概述uZigBee是一种新兴的短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术uZigBee依据IEEE 802.15.4标准，802.15.4的物理层采用直接序列展频技术。在MAC层主要沿用标准的CSMA/CA方式，以提高系统兼容性u可使用的频段有2.4GHz（全球ISM）、欧洲的868MHz频段、以及美国的915MHz频段，不同频段可使用的信道分别是16、1、10个 u目前定义的主要应用领域包括电力、家庭和楼宇自动化、医用设备控制等58CustomerPHY868MHz/915MHz/2.4GHzMACNetworkStar/Mesh/Cluster-TreeSecurity32-/64-/128-bit encryptionApplicationAPIZigBeeAllianceIEEE 802.15.4SiliconStackAppZigBee的协议结构uZigBee是一组基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的、有关组网、安全和应用软件方面的技术uIEEE 802.15.4仅处理MAC层和物理层协议，ZigBee联盟对网络层协议和API进行了标准化59星型网状型树型网络协调器全功能设备(FFDRouter)精简功能设备(RFD)ZigBee的网络拓扑606LoWPANu工作组介绍u协议报文转换适配层和帧格式 u地址管理机制 uMesh网络下的多跳传输方法及路由 u邻居发现协议u几种实现对比61IETF 6LoWPAN WGuIPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks(6LoWPANs)uIETF于2004.11正式成立6LoWPAN工作组，制订基于IPv6的低速无线个域网标准，旨在将IPv6引入以IEEE 802.15.4作为底层标准的无线个域网中u已制定出关于综述和协议适配的标准草案RFC4944和RFC4919，提出了一些关于报头压缩、邻居发现、安全、移动性管理等方面的草案656LoWPANu802.15.4物理层支持的最大帧长度是127字节，而IPv6的报头就占据了40字节，再加上MAC层报头，安全报头、传输层报头的长度，实际能够给应用层使用报文长度变得非常小uIPv6协议（RFC2460）中规定的MTU值最小是1280字节。如果链路层支持的MTU小于此值，则链路层需要自己负责分片和重组u6LowPan工作组为IEEE 802.15.4设计了一个适配层，把IPv6数据包适配到IEEE 802.15.4规定的物理层和链路层之上，支持报文分片和重组，同时6LowPan规定了IPv6报头的无状态压缩方法，减小IPv6协议带来的负荷666LoWPANuRFC 4919describes the problems and goalsuRFC 4944 defines the frame format for transmission of IPv6 packets as well as the formation of IPv6 link-local addresses and statelessly autoconfigured addresses on top of 802.15.4defines mechanisms for header compression required to make IPv6 practical on 802.15.4676LoWPANu报头压缩的主要原理是通过压缩编码省略掉报头中冗余的信息版本号Version(4位):在运行IPv6协议的网络中，此项可以省略省略流类型Traffic class(8 位)：可以通过压缩编码压缩流标识Flow label(20位)：可以通过压缩编码压缩载荷长度Payload Length(16位)：可以省略省略，IP头长度可以通过MAC头中的载荷长度字段计算出来Next Header(8位)：可以通过压缩编码压缩，假设下一个头是UDP,ICMP,TCP或者扩展头的某一种Hop Limit(8位)：唯一不能够进行压缩的信息Source Address(128位)：可以压缩，省略前缀Destination Address(128位)：可以压缩，省略前缀686LoWPAN协议栈结构u底层采用IEEE 802.15.4规定的PHY层和MAC层，网络层采用IPv6协议uIPv6中，MAC支持的载荷长度远大干6LoWPAN底层所能提供的载荷长度，为了实现MAC层与网络层的无缝链接，6LoWPAN工作组建议在网络层和MAC层之间增加一个网络适配层网络适配层，完成包头压缩、分片与重组以及网状路由转发等6LoWPAN的优势u普及性IP网络应用广泛，作为下一代互联网核心技术的IPv6，也在加速其普及的步伐，在LR-WPAN网络中使用IPv6更易于被接受 u适用性IP网络协议栈架构受到广泛的认可，LR-WPAN网络完全可以基于此架构进行简单、有效地开发u更多地址空间uIPv6应用于LR-WPAN最大亮点就是庞大的地址空间。这恰恰满足了部署大规模、高密度LR-WPAN网络设备的需要696LoWPAN的优势u支持无状态自动地址配置IPv6中当节点启动时，可以自动读取MAC地址，并根据相关规则配置好所需的IPv6地址。这个特性对传感器网络来说，非常具有吸引力，因为在大多数情况下，不可能对传感器节点配置用户界面，节点必须具备自动配置功能u易接入LR-WPAN使用IPv6技术，更易于接入其他基于IP技术的网络及下一代互联网，使其可以充分利用IP网络的技术u易开发目前基于IPv6的许多技术已比较成熟，并被广泛接受，针对LR-WPAN的特性对这些技术进行适当的精简和取舍，简化了协议开发的过程70716LoWPAN的关键技术uIPv6和和IEEE 802.15.4的协调的协调IEEE 802.15.4帧不能封装完整的IPv6数据包。因此，要协调二者之间的关系，就要在网络层与MAC层之间引入适配层，用来完成分片和重组的功能u地址配置和地址管理地址配置和地址管理IPv6支持无状态地址自动配置，相对于有状态自动配置的来说，配置所需开销比较小，这正适合LR-WPAN设备特点。同时，由于LR-WPAN设备可能大量、密集地分布在人员比较难以到达的地方，实现无状态地址自动配置则更加重要726LoWPAN的关键技术u网络管理网络管理6LoWPAN倾向于在LR-WPAN上使用SNMPv3进行网络管理。但是，由于SNMP的初衷是管理基于IP的互联网，要想将其应用到硬件资源受限的LR-WPAN网络中。仍需要进一步调研和改进u安全问题安全问题由于使用安全机制需要额外的处理和带宽资源，并不适合LR-WPAN设备，而IEEE802.15.4在链路层提供的AES安全机制又相对宽松，有待进一步加强，因此寻找一种适合LR-WPAN的安全机制就成为6LoWPAN研究的关键问题736LoWPAN协议层次74协议栈的报文封装格式75属性属性第一种实现第一种实现ArchRock实现实现Jennic实现实现硬件平台TelosB和和MicaZ硬件平硬件平台台ArchRockPhyNet平平台台JN5139 微控制器微控制器操作系统TinyOS2.0无特征支持适配层的分片报头、支持适配层的分片报头、Mesh寻址报头和广播报寻址报头和广播报头的处理，实现了头的处理，实现了IPv6报头的报头的HC1压缩和压缩和UDP的的HC压缩以及对未压缩压缩以及对未压缩报头的处理。没有实现完报头的处理。没有实现完整整IPv6协议栈的所有需协议栈的所有需求，能够响应求，能够响应ICMP回应回应请求并在请求并在UDP协议之上协议之上处理通信处理通信第一个获得第一个获得“IPv6Ready-Phase2(Gold)”标志的商业标志的商业6LoWPAN实现。该协议实现。该协议栈通过了栈通过了450次一致性和次一致性和互操作性测试。互操作性测试。PhyNet3.5增加了对网络协议安增加了对网络协议安全、网络地址转换以及遍全、网络地址转换以及遍历历PhyNet路由器和路由器和 PhyNet 服务器的支持服务器的支持第一个第一个6LoWPAN的单片的单片机实现。机实现。IETF 标准的标准的IP网络，基于网络，基于IEEE802.15.4物理层和物理层和MAC层层，点对点、星型和自，点对点、星型和自组织树型网络，典型的组织树型网络，典型的100个节点的网络，自动个节点的网络，自动形成和修复路由，端到端形成和修复路由，端到端的消息确认的消息确认6LoWPAN的几种实现对比的几种实现对比76属属性性Sensinode实现实现（NanoStack 2.0）Berkeley实现实现(blowpan)Cisco,Atmel,SICS实现实现(SICSlowpan)硬件平台KitWrx456TmoteSky平台平台AtmelAVRRaven平台平台操作系统WindowsCETinyOS2.xContiki特征2.4 GHz(CC2430)2.4 GHz(CC2430)芯片支持,868/915 MHz,868/915 MHz(CC1110)(CC1110)芯片支持,典型的32-64 kB32-64 kB的ROM,ROM,典型的4-8 kB4-8 kB的RAM,RAM,6LoWPAN,IPv6,UDP,6LoWPAN,IPv6,UDP,ICMPv6ICMPv6标准,IEEE,IEEE 802.15.4-2006802.15.4-2006标准,NanoMesh,NanoMesh 路由,网络自动配置,128,128位AESAES安全支持,网络处理器和函数库它在它在TinyOS 里增加了支里增加了支持持IPv6，并且支持无状态，并且支持无状态地址自动配置、多跳路由地址自动配置、多跳路由以及对以及对1280字节的字节的MTU进行分配。进行分配。可以使用像可以使用像ping6,nc6和tracert6这样的标准网这样的标准网络工具来调试使用络工具来调试使用b6LoWPAN的装置，应的装置，应用程序可以使用用程序可以使用UDP作为作为传输层传输层SICSlowpan实现了实现了RFC4944里规定的报头里规定的报头压缩、分片和寻址。它支压缩、分片和寻址。它支持持 draft-hui-6LoWPAN-interop-00中的报头压缩算法。它没中的报头压缩算法。它没有实现相关特征下的网状有实现相关特征下的网状路由，而是通过其他技术路由，而是通过其他技术寻找目标路径。寻找目标路径。它还实现了它还实现了 draft-hui-6LoWPAN-hc-01里提里提出的新的报头压缩机制出的新的报头压缩机制77RoLL工作组介绍uRoLLRouting over Lossy and Low-power Networks研究的问题：低功率损耗网络的路由问题研究的目标：以IPv6为中心，修正现有的路由协议或创造一个新协议，使路由能够穿越复杂的基本链路层协议和数目巨大的物理媒体。以解决低功率设备由于干扰和移动性等因素容易丢包的现象78RoLL工作组介绍应用场景的路由需求：家庭自动化应用HomeAutomation，RFC5826工业控制应用Industrial Control，RFC5673城市应用Urban Environment，RFC5548楼宇自动化应用Building Automation，RFC5867工作思路工作思路低功耗网络的路由协议：分析传感器网络路由协议draft-ietf-roll-routing-survey 研究路径选择的定量指标draft-ietf-roll-routing-metrics制定了RPL协议draft-ietf-roll-rpl79RPL协议含义目标通信模型实现RPLIPv6 Routing Protocol for Low power and Lossy Networks能够适应种类繁多又复杂的松散网络蓝牙，低功率WiFi,无线,802.15.4或者有线低功率PLC节点：交换距离向量构造一个有向无环DAG；DAG的根节点通过广播路由限制条件来过滤掉网络中的一些不满足条件的节点，然后节点通过路由度量来选择最优的路径低功耗节点到主控设备的多点到点的通信，主控设备到多个低功耗节点的点到多点通信，以及低功耗节点之间点到点的通信80物联网路由u根据物联网的网络规模和通信状况，分为六种类型的网络，对于不同类型的网络分别考虑路由策略 SS-NCN：小规模非通信网络SS-CN：小规模通信网络MS-NCN：中规模非通信网络MS-CN：中规模通信网络BS-NCN：大规模非通信网络BS-CN：大规模通信网络 81标准TCP/IP协议栈u代码量大Berkeley Linux中标准TCP/IP协议栈具有上万的代码量u开销大u物联网节点无法支持82uIPuC/IPTinyTCPBSDLwIPBy Geoffrey H.Cooper.Rewritten by Cyrus Patel(Johannes Gutenberg Universitaet).TCP协议栈简化的示例By Adam Dunkels (Swedish Institute of Computer Science,SICS).By Adam Dunkels (Swedish Institute of Computer Science,SICS).By Guy Lancaster(British Columbia Institute of Technology,The University of British Columbia).83uC/IPu描述描述开源的TCP/IP协议栈，基于BSD，源代码用C编写文档支持和软件升级管理不足设计之初有操作系统针对性，基于uC/OS，现亦可移植到其它OS。根据所需实现协议中使用CPU、编译器和系统的多少，代码量约30-60KBu特性特性支持IP/TCP/UDP协议，可裁减PPP，带身份验证和报头压缩优化的单一请求/回复交互过程uC/IP被设计为一个带最小化用户接口及可应用串行链路网络模块u版本版本uC/IP version 1.0.3(2002.1),uC/IP version 1.91,其他提供下载的中文网站u资料资料http:/ Packet Driver support,EtherIP,ARP/RARP,ICMP,UDP,TCPDHCP/BOOTP,DNS不支持IGMP/multicast和调试u版本版本16K tinytcp.zip C code86K newer versionu资料资料http:/ weight TCP/IP协议栈，基于BSD，源代码用C编写在保持TCP协议主要功能的基础上减少对RAM的占用，只需几十KB的RAM和约40KB的ROM即可运行，适合在低端嵌入式系统中使用u特性特性IP，包括多网络接口包转发ICMP，用于网络维护和调试UDP，包括实验性扩展TCP，支持阻塞控制、RTT估算和快速恢复DHCP、PPP、ARPRaw API以及可选的Berkeley-alike socket APIu版本版本lwip-1.4.0.rc1.zipu资料资料http:/savannah.nongnu.org/projects/lwip/http:/www.sics.se/adam/lwip/86uIPu描述描述开源的uIP TCP/IP协议栈，基于BSD，源代码用C编写专为8位和16位控制器设计，代码量非常小，几KB的ROM或几百字节RAMu特性特性ARP,SLIP,IP,UDP,ICMP,TCP 支持多个并发的活动TCP连接，编译时可配置支持多个监听的TCP连接，编译时可配置TCP/IP包括流控、分片重组、重传超时估算应用程序的范例有web server,web client,e-mail sender(SMTP client),Telnet server,DNS hostname resolveru版本版本uip-1.0.tar.gz u资料资料http:/www.sics.se/adam/uip/index.php/Main_Page87CoREuCoRE介绍Constrained RESTful Environments资源受限IP网络情况如下：包大小受限较高的丢包率设备随时断电设备周期性唤醒结点吞吐量有限、电量有限、内存受限uCoRE研究内容CoRE提供一个面向IP网络资源受限的应用程序架构，这些应用程序可以操作一些简单资源88CoAP介绍uCoAP介绍Constrained Application ProtocolCoAP是一种RESTful转换协议，用在资源受限的网络以及m2m应用程序的节点，规定了对设备上资源的一些列操作（CRUD操作）uCoAP协议特点提供REST方法/响应的交互模型转换成HTTP，便于网络的完整性，满足特殊的网络需求，如多播，低开销和受限环境的简单性异步交互支持89CoAP介绍uCoAP应用可用在资源受限网络中，也可用在传统IP网络中使用范围：相同受限网络中设备之间相同网络中设备与普通节点间不同的受限网络中设备间可用于智能能源和建筑自动化中，如智能网格应用，智能家居等90CoAP结构CoAP在协议栈中的位置及交互图91CoAP结构uCoAP协议可视为两层CoAP Transactions层 与UDP层交互，具有异步交互特性CoAP REST层 与Transactions层 交 互，有同步和异步两种方式。通 过 应 用 Method和Response代码实现CoAP的抽象结构92协议层次小结应用层资源受限的IP网络应用程序架构传输层面向物联网、低资源消耗的简化TCP/UDPIPv6层面向物联网的简易IP层，支持不同规模的低功耗移动节点的 新型路由协议6LoWPAN适配层支持头部压缩和解压缩、链路层分片和重组，支持移动性、异构网络互操作性，支持IPv6通信连接MAC层和物理层基于IEEE 802.15.4实现短距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的无线网络传输93提纲u物联网的提出u常见应用场景u物联网体系结构u物联网协议层次u硬件平台与操作系统 u主要研究问题94硬件平台uCrossbow专业套件95Crossbow专业套件套件内容套件内容 6个传感器节点 （SN2040/SN9040/SN4040)1个基站 （BU2400/BU900/BU400)1个数据采集板 （MDA320)1个USB编程板 （MIB520)1个WSN套件CD96网络结构 97传感器节点 u处理器/射频板 IRIS模块支持低功耗的无线传感器网络测量系统。支持868/915 MHz、433 MHz和2.4GHz频段u传感器板 MTS400多传感器板包含温度、湿度、大气压力和环境光等传感器u数据采集板MDA320是一款高性能数据采集板，具有8通道16位ADC模拟输入98Crossbow IRIS IEEE802.15.4/6LoWPAN协议 RF发送器 2.4-2.4835 GHz，全球兼容 的ISM波段 直接序列扩频技术，抗RF干 扰、数据隐蔽性好 250 kbps数据传输率 可运行TinyOS 1.1.7或更高版 本，包括Crossbow可靠的mesh 网络软件操作平台，也可以运行 Contiki2.4 即插即用，可连接Crossbow所 有传感器板、数据采集板、网关 和软件99基站 u处理器/射频板 IRIS模块与USB PC网关接口成为基站。uUSB PC接口板 MIB520具有USB接口，用于数据通信。uUSB编程板MIB520具有USB接口，用于数据通信。100监控软件 uMoteView客户端可绘制历史和实时的监测数据提供拓扑图、数据输出功能、节点编程提供对无线传感器网络发送命令101网络平台系统网关网关 MIB520网络协调器网络协调器节点设备节点设备6LoWPAN 数据数据演示管理演示管理102操作系统uTinyOSuContiki103TinyOS特点特点拥有专属的编程语言(NesC)开放源代码(遵循BSD协议)代码短小精悍支持网络协议组件的替换Task和Events管理并发进程基于组件的软件工程建构104TinyOS 2.0 操作系统u事件驱动，基于组件u使用nesC编写u支持的平台：eyesIFXv2、intelmote2、mica2、mica2dot、micaZ、telosb、tinynode、btnode3 unesC:使用C作为其基础语言，支持所有的C语言词法和语法增加了组件组件（component）和接口接口（interface）的关键字定义定义了接口及如何使用接口表达组件之间关系的方法目前只支持组件的静态连接，不能实现动态连接和配置105TinyOS2.0 的任务 u基本任务模型：基本任务模型中任务的原型声明如下：task void taskname（）.用户使用post关键字抛出任务，调用方式如下：result_t ret=post tastname（）u任务接口模型：任务接口扩展了任务的语法和语义。通常情况下，任务接口包含一个异步（async）的post命令和一个run事件，这些函数的具体声明由接口决定。实例：Interface TaskParameter async error_t command postTask(uint16_t param);event void runTask(uint16_t param);调用方式:call TaskParameter.postTask(34);/抛出任务 106TinyOS2.0调度器 uTinyOS的调度器实现了任务和事件的两级调度u任务之间不能互相抢占，底层硬件中断触发事件，事件能抢占任务，事件之间也能互相抢占。命令和事件都可以post任务。任务中也可以调用命令uTinyOS 2.x调度器被实现为一个TinyOS组件。调度器既支持最基本的任务模型，也支持任务接口模型，并且由调度器负责协调不同的任务类型107并发模型 uTinyOS 一次仅执行一个程序。程序运行时，有两个执行线程：任务和事件。事件是由硬件中断触发的，事件之间可以互相抢占u任务之间不互相抢占，事件可抢占任务，事件也可互相抢占。可抢占运行的函数用async 标识，同步运行的函数用syncunesC的规则是：异步函数调用的命令和事件也必须是异步的。一个函数（命令或事件）不是异步就是同步（缺省）。接口的定义指明了命令和事件是异步还是同步 u中断（异步函数）可以执行同步函数的唯一方法就是post一个任务 u使用原子语句块来实现对临界数据的访问TinyOSuSystem composed of concurrent FSM modulesSingle execution contextuComponent modelFrame(storage)Commands&event handlersTasks(computation)Command&Event interface Easy migration across h/w-s/w boundaryuTwo level scheduling structurePreemptive scheduling of event handlersNon-preemptive FIFO scheduling of tasksuCompile time memory allocationuNestCuhttp:/webs.cs.berkeley.eduMessaging ComponentInternal StateInternal TasksCommandsEventsbit_cnt+bit_cnt=8Send Byte Eventbit_cnt=0DoneNoYesBit_Arrival_Event_HandlerState:bit_cntStart108Complete TinyOS Application109110ContikiuContiki是瑞典计算机科学研究所Adam Dunkels等人专为内存资源非常有限的嵌入式系统如网络传感器节点等开发的一个多任务操作系统uContiki完全用C语言写成,源代码开放（遵循BSD协议）,支持网络互联,具有高度的移植性,代码量非常小,支持从8位微控制器构成的嵌入式系统到老式的8位家用电脑111ContikiuContiki包括一个多任务核心、TCP/IP、程序集以及低能耗的无线通讯堆栈u使用uIP协议栈实现本地TCP/IP协议,可以在直接相连的终端和通过网络相连的终端(如虚拟网络计算机和Telnet)上实现图形化界面系统112提纲u物联网的提出u常见应用场景u物联网体系结构u物联网协议层次u硬件平台与操作系统 u主要研究问题2010年973计划资助项目u物联网的基础理论与实践研究首席科学家：刘海涛 中科院上海微系统与信息技术研究所u物联网基础理论和设计方法研究首席科学家：赵伟 同济大学u物联网体系结构基础研究首席科学家：马华东 北京邮电大学113114物联网关联表征与体系架构研究u针对物联网的强关联性、非确定性、高混杂性等特征，围绕物联网关联模型、标识体系、安全架构与架构体系等开展研究，以建立物联网的基础理论和架构体系为目标，力争在物联网的关联模型、系统架构等方面取得相关的理论成果u研究内容：研究内容：物联网关联模型与表征可扩展物联网标识体系物联网安全架构面向演进的物联网架构体系115物联网异构融合和自治机理研究u研究物联网的自治模型，以及场景察觉、资源配置和优化、自愈合和自保护等机理，研究物联网的自治子网间的协作管理和具有可增量部署特征的物联网的异构网络融合机制，形成物联网的自治理论和方法u研究内容：研究内容：物联网的自治模型高混杂条件下物联网的场景觉察机理非确定条件下物联网的自配置与优化机理复杂动态场景下物联网的自愈合与自保护机理自治子网间协作管理机理可增量部署的物联网异构网络融合机制116物联网混杂信息融合与决策研究u围绕物联网信息融合与决策服务需求，以解决混杂条件下信息融合与决策、数据处理的隐私保护等问题为目标，研究物联网在信息采集、融合和决策控制等过程中信息的内在关联，对多源异构信息进行多层次汇聚、处理、融合和决策u研究内容：研究内容：物联网信息处理与服务模型物联网混杂信息融合物联网复杂关系链挖掘物联网主动决策与互动控制物联网数据处理的隐私保护117物联网可信软件设计理论与方法研究u基于物联网环境中连续世界与离散计算的结合性、实时性、可预测性、动态演化性等特征，建立物联网可信软件的设计方法及相应的推理机制，研究形式化描述方法和推理理论，为物联网可信软件系统分析与建模的研究提供数学模型和验证手段，支持物联网系统分析和验证u研究内容：研究内容：物联网可信软件设计方法物联网可信软件推理理论物联网可信软件建模方法物联网可信软件分析与验证技术118物联网系统优化机理研究u在物联网自治管理、信息融合处理和软件设计的研究基础上，进一步从感知、传输、信息处理和决策控制等多个层次出发，研究物联网在非确定及混杂异构环境下的系统优化机理，通过运用解耦、博弈、约束优化等理论和技术，实现系统的物理、通信及计算等资源的优化利用，以达到系统性能的整体提升u研究内容：研究内容：面向可靠感知的物联网多级优化机制物联网无线频谱的优化调度与分配机制非确定环境下的物联网可靠数据传输机制面向信息决策的物联网资源协同优化机制物联网系统跨层优化机制120参考文献u11E.Fleisch,What is the Internet of Things?An Economic Perspective,2010.u12Z.Shelby,B.Frank and D.Sturek,Constrained Application Protocol(CoAP)draft-ietf-core-coap-03,http:/tools.ietf.org/html/draft-ietf-core-coap-03,2010.u13P.Levis,A.Tavakoli and S.Dawson-Haggerty,Overview of Existing Routing Protocols for Low Power and Lossy Networks draft-ietf-roll-protocols-survey-07,http:/tools.ietf.org/html/draft-ietf-roll-protocols-survey-07,2009.u14E.JP.Vasseur,E.M.Kim,K.Pister,N.Dejean and D.Barthel,Routing Metrics used for Path Calculation in Low Power and Lossy Networks draft-ietf-roll-routing-metrics-16,http:/tools.ietf.org/html/draft-ietf-roll-routing-metrics-16,2011.u15E.T.Winter,E.P.Thubert,A.Brandt,T.Clausen,J.Hui,R.Kelsey,P.Levis,K.Pister,R.Struik and J.Vasseur,RPL:IPv6 Routing Protocol for Low power and Lossy Networks draft-ietf-roll-rpl-17,http:/tools.ietf.org/html/draft-ietf-roll-rpl-17,2010.u16N.Kushalnagar,G.Montenegro and C.Schumacher,IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks(6LoWPANs):Overview,Assumptions,Problem Statement,and Goals,IETF RFC4919,2007.u17G.Montenegro,N.Kushalnagar,J.Hui and D.Culler,Transmission of IPv6 Packets over IEEE 802.15.4 Networks,IETF RFC4944,2007.u18Auto-Id Labs,http:/www.autoidlabs.org/.u19A.Dunkels,J.P.Vasseur,IP for Smart Objects,Internet Protocol for Smart Objects(IPSO)Alliance,White Paper#1,September 2008,http:/www.ipso-alliance.org.u20J.Hui,D.Culler,S.Chakrabarti,6LoWPAN:Incorporating IEEE 802.15.4 Into the IP Architecture Internet Protocol for Smart Objects(IPSO)Alliance,White Paper#3,January 2009,http:/www.ipso-alliance.org.u21http:/ieee802.org/15.u22http:/www.zigbee.org.