ch物联网的体系结构课件

第二章第二章物联网的体系结构物联网的基本组成1感知识别层2网络传输层3应用支撑层4应用接口层5第二章第二章 物物联网网的体系的体系结构构34 42.1 2.1 物联网的基本组成物联网的基本组成物联网是一种形式多样的聚合复杂系统。物联网是一种形式多样的聚合复杂系统。网络的体系结构是按照分层的思想建立的网络的体系结构是按照分层的思想建立的物联网由四个部分组成物联网由四个部分组成:感知识别部分传输网络部分应用支撑部分应用接口部分物联网的四层结构图2.2 感知识别层感知识别层是解决对客观世界的数据获取感知识别层是解决对客观世界的数据获取的问题的问题目的目的是形成对客观世界的全面感知和识别是形成对客观世界的全面感知和识别由于物联网的终端的多样性，在该层中涉由于物联网的终端的多样性，在该层中涉及了众多的技术层面，核心是及了众多的技术层面，核心是要解决智能要解决智能化、低能耗、低成本和小型化的问题化、低能耗、低成本和小型化的问题。2.2.1 感知识别层功能物联网是传统互联网络的延伸和扩展，扩物联网是传统互联网络的延伸和扩展，扩大了通信对象的范围。大了通信对象的范围。感知识别层感知识别层处于物联网体系结构的最底层处于物联网体系结构的最底层，是，是物联网发展和应用的基础物联网发展和应用的基础，具有物联，具有物联网全面感知的核心能力。网全面感知的核心能力。感知一般包括感知一般包括数据采集数据采集和和数据短距离传输数据短距离传输两部分两部分2.2.2 感知识别层关键技术1.1.传感器技术传感器技术传感技术主要研究关于从自然信源获取信息，并对之进行处理（变换）和识别的一门多学科交叉的现代科学与工程技术它涉及传感器、信息处理和识别的规划设计、开发、制造、测试、应用及评价改进等活动。常见传感器2.2.2 感知识别层关键技术2.2.射频识别技术射频识别技术射频识别技术是20世纪90年代开始兴起的一种非接触式自动识别技术它通过射频信号等一些先进手段自动识别目标对象并获取相关数据有利于人们在不同状态下对各类物体进行识别与管理。射频识别系统通常由电子标签和阅读器组成。2.2.2 感知识别层关键技术3.3.微机电系统（微机电系统（MEMSMEMS）微机电系统（Micro Electro Mechanical Systems，简称MEMS）是指利用大规模集成电路制造工艺，经过微米级加工，得到的集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。2.2.2 感知识别层关键技术4.4.条形码条形码技术技术一维条形码二维条形码2.2.2 感知识别层关键技术一维、二维条形码区别一维、二维条形码区别2.2.2 感知识别层关键技术5.5.自动识别技术自动识别技术自动识别技术就是应用一定的识别装置通过被识别物品和识读装置之间的接近活动自动地获取被识别物品的相关信息，并提供给后台的计算机处理系统来完成相关后续处理的一种技术自动识别技术的典型应用2.3 网络传输层网络传输层位于感知识别层和应用支撑层网络传输层位于感知识别层和应用支撑层中间，中间，负责两层之间的数据传输负责两层之间的数据传输。感知识别层采集的数据需要经过通信网络感知识别层采集的数据需要经过通信网络传输到数据中心、控制系统等地方进行处传输到数据中心、控制系统等地方进行处理或存储理或存储网络传输层就是利用公网或者专网以无线网络传输层就是利用公网或者专网以无线或者有线的通讯方式，提供信息传输的通或者有线的通讯方式，提供信息传输的通路。路。2.3.1 2.3.1 网络传输层功能网络传输层功能物联网网络传输层建立在现有的物联网网络传输层建立在现有的移动通讯移动通讯网和互联网网和互联网基础上。基础上。物联网网络传输层物联网网络传输层与目前主流的移动通信与目前主流的移动通信网、国际互联网、企业内部网、各类专网网、国际互联网、企业内部网、各类专网等网络一样，等网络一样，主要承担着数据传输的功能主要承担着数据传输的功能。2.3.22.3.2网络传输层关键技术网络传输层关键技术短距离无线传输短距离无线传输ZigBee 短距离，低功耗WiFi(Wlan)是一种网络传输标准WiMAXBluetooth(蓝牙)短距离，低成本长距离无线传输长距离无线传输2G网络（GPRS、GSM）3G网络（WCDMA、TD-SCDMA、CDMA2000）4G网络ZigBeeZigBee技术技术 一种短距离，低功耗的无线传输技术，一种一种短距离，低功耗的无线传输技术，一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术介于无线标记技术和蓝牙之间的技术，是，是IEEIEEE802.15.4E802.15.4协议的代码词。协议的代码词。ZigBeeZigBee采用采用分组交换分组交换和和跳频技术跳频技术，使用，使用3 3个频个频段，分别为：段，分别为：2.GHz2.GHz的公共通用频段，欧洲的的公共通用频段，欧洲的868MHz868MHz频段和美国的频段和美国的915MHz915MHz频段。频段。ZigBeeZigBee特点：速率低，低功耗，成本低，网络容量特点：速率低，低功耗，成本低，网络容量大，有效范围小，工作频段灵活，可靠性高，时延大，有效范围小，工作频段灵活，可靠性高，时延短，安全性高等特点。短，安全性高等特点。2.3.22.3.2网络传输层关键技术网络传输层关键技术lWiFiWiFi是一种能够将是一种能够将PCPC、移动设备等终端用无线方、移动设备等终端用无线方式互相连接的技术。式互相连接的技术。lWiMAX WiMAX（全球微波互联接入）一项新兴的宽带无（全球微波互联接入）一项新兴的宽带无线接入技术。最远达线接入技术。最远达50km50km。lBluetooth(Bluetooth(蓝牙蓝牙)短距离，短距离，低成本的无线传输应用技术。全低成本的无线传输应用技术。全球的球的2.4GHz2.4GHz频段。采用时分双工传输方案频段。采用时分双工传输方案，被用来实现全双工传输。，被用来实现全双工传输。2.3.22.3.2网络传输层关键技术网络传输层关键技术网络传输层网络传输层面临的问题面临的问题 如何让异构网络之间实现无缝的链接（可靠如何让异构网络之间实现无缝的链接（可靠传输）。传输）。2.3.22.3.2网网络传输层关关键技技术2.3.42.3.4网网络传输层面面临的的问题2.4 2.4 应用支撑层应用支撑层网络层中的网络层中的感知数据管理与处理技术感知数据管理与处理技术是实是实现以数据为中心的物联网的核心技术。现以数据为中心的物联网的核心技术。感知数据管理与处理技术包括传感网数据感知数据管理与处理技术包括传感网数据的的存储、查询、分析、挖掘、理解存储、查询、分析、挖掘、理解以及基以及基于感知数据于感知数据决策和行为决策和行为的理论和技术。的理论和技术。云计算平台作为海量感知数据的存储、分云计算平台作为海量感知数据的存储、分析平台，将是物联网应用支撑层的重要组析平台，将是物联网应用支撑层的重要组成部分，也是应用层众多应用的基础。成部分，也是应用层众多应用的基础。2.4.12.4.1应用支撑层功能应用支撑层功能应用支撑层主要提供对网络获取数据的智应用支撑层主要提供对网络获取数据的智能处理和服务支撑平台能处理和服务支撑平台数据处理数据分析应用支撑层采用以下技术负责将信息以服应用支撑层采用以下技术负责将信息以服务的方式呈现出来务的方式呈现出来.数据注册、发现元数据、信息资源目录、数据注册、发现元数据、信息资源目录、互操作元模型、分类编码、并行计算、数互操作元模型、分类编码、并行计算、数据挖掘、智能搜索据挖掘、智能搜索等技术等技术2.4.12.4.1应用支撑层功能应用支撑层功能2.4.22.4.2应用支撑层关键技术应用支撑层关键技术1.1.嵌入式嵌入式技术技术早期，IEEE给出嵌入式系统的定义指对仪器、机器和工厂运作进行控制、监视或支持的设备，通常表现为针对特定应用、对软硬件高度定制的专用计算机系统。当前定义嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。2.2.云计算云计算云计算的云计算的“云端云端”就在技术支撑层，主要就在技术支撑层，主要通过通过数据中心数据中心来提供服务。来提供服务。云计算是支撑物联网的重要计算环境之一。云计算是支撑物联网的重要计算环境之一。云计算是一种云计算是一种基于互联网的计算模式基于互联网的计算模式，它，它将计算、数据、应用等资源作为将计算、数据、应用等资源作为服务服务通过通过互联网提供给用户。互联网提供给用户。2.4.22.4.2应用支撑层关键技术应用支撑层关键技术2.4.22.4.2应用支撑层关键技术应用支撑层关键技术云计算最基本的概念是通过网络将庞大的计算处理程序自动分拆成无数个较小的子程序，再交由多个服务器所组成的庞大系统，经搜索、计算分析之后将处理结果回传给用户。云计算支撑物联网的应用发展的方式（1）单中心、多终端应用模式。（2）多中心、多终端应用模式（3）信息与应用分层处理、海量终端的应用模式。2.4.22.4.2应用支撑层关键技术应用支撑层关键技术3.3.中间件技术中间件技术中间件是为了实现每个小的应用环境或系统的标准化以及它们之间的通信，在后台应用软件和读写器之间设置的一个通用的平台和接口。1、物联网中间件受限于底层不同的网络技术和硬件平台，物联网中间件研究主要集中在底层的感知和互联互通方面。2、物联网的应用复杂度和规模还处于初级阶段，中间件支持大规模物联网应用存在：环境多变、异构物理设备、远距离多样式无线通信、大规模部署、海量数据融合，复杂事件处理、综合运行维护管理等障碍。3.3.中间件技术中间件技术1、物联网中间件受限于底层不同的网络技术和硬件平台，物联网中间件研究主要集中在底层的感知和互联互通方面。2、物联网的应用复杂度和规模还处于初级阶段，中间件支持大规模物联网应用存在：环境多变、异构物理设备、远距离多样式无线通信、大规模部署、海量数据融合，复杂事件处理、综合运行维护管理等障碍。2.4.22.4.2应用支撑层关键技术应用支撑层关键技术2.5 2.5 应用接口层应用接口层物联网涉及面广，包含多种业务需求、运物联网涉及面广，包含多种业务需求、运营模式、应用系统、技术标准、信息需求营模式、应用系统、技术标准、信息需求、产品形态均不同的应用系统。、产品形态均不同的应用系统。必须统一规划和设计系统的业务体系结构必须统一规划和设计系统的业务体系结构，才能满足物联网全面实时感知、多目标，才能满足物联网全面实时感知、多目标业务、异构技术融合的需要。业务、异构技术融合的需要。2.5.12.5.1应用接口层功能应用接口层功能应用接口层的功能是根据物联网的应用接口层的功能是根据物联网的业务需业务需求求，采用，采用建模、企业体系结构、建模、企业体系结构、SOASOA等设计等设计方法，开展物联网业务体系结构、应用体方法，开展物联网业务体系结构、应用体系结构、系结构、ITIT体系结构、数据体系结构、技体系结构、数据体系结构、技术参考模型、业务操作视图设计等。术参考模型、业务操作视图设计等。2.5.22.5.2应用接口层关键技术应用接口层关键技术物联网应用的复杂性需要专业的运营实体物联网应用的复杂性需要专业的运营实体来进行物联网的运营。来进行物联网的运营。对于企业内部的物联网应用，各领域都有对于企业内部的物联网应用，各领域都有长期合作的长期合作的ITIT服务提供商、系统集成商，服务提供商、系统集成商，他们是行业解决方案的最主要提供者，具他们是行业解决方案的最主要提供者，具有丰富的系统开发与实施经验。有丰富的系统开发与实施经验。2.6 2.6 物联网发展面临的挑战物联网发展面临的挑战一是物联网大多数领域的核心技术尚在发一是物联网大多数领域的核心技术尚在发展中，距产业化应用有较大距离展中，距产业化应用有较大距离二是从物联网核心架构到各层的技术体制二是从物联网核心架构到各层的技术体制与产品接口大多未实现标准化与产品接口大多未实现标准化三是技术和产业化的发展不足又导致物联三是技术和产业化的发展不足又导致物联网应用成本很高，从产品、技术、网络到网应用成本很高，从产品、技术、网络到解决方案都缺乏足够的经济性解决方案都缺乏足够的经济性2.6.1 2.6.1 感知识别层面临的挑战感知识别层面临的挑战1 1传感器方面。传感器方面。传感器产业发展相对滞后。2 2标准化问题。标准化问题。不同厂商采用不同的组网技术，要求运营商在部署物联网应用时必须采用同一个厂商生产的传感器设备。参与泛在网络研究的相关组织目前有许多公司和组织参与了标准化的制定工作2.6.2 2.6.2 网络传输层面临的挑战网络传输层面临的挑战解决能源的消耗，使能耗降低；解决能源的消耗，使能耗降低；如何有效整合传输层。如何有效整合传输层。2.6.3 2.6.3 应用支撑层面临的挑战应用支撑层面临的挑战1 1如何在大量无关软件模块中建立一个固有如何在大量无关软件模块中建立一个固有应用软件应用软件2 2将不同环境下的软件整合成一个系统。将不同环境下的软件整合成一个系统。3 3面向服务的计算松耦合组织网络服务，并面向服务的计算松耦合组织网络服务，并建立一个虚拟网络。建立一个虚拟网络。4 4互联网之上，定义一个新的协议来描述和互联网之上，定义一个新的协议来描述和解决服务实例。解决服务实例。5 5分布式智能，解决可扩展性的关键。分布式智能，解决可扩展性的关键。2.6.4 2.6.4 应用接口层面临的挑战应用接口层面临的挑战根据运营商目前网络的现状，物联网业务根据运营商目前网络的现状，物联网业务运营支撑平台要从小到大，循序渐进的完善运营支撑平台要从小到大，循序渐进的完善前期应该着重从前期应该着重从“商业模式商业模式”+“+“标准协议标准协议”+“+“平台功能平台功能”来综合考虑，主要是实现来综合考虑，主要是实现可管可控、规模化、标准化功能，然后逐可管可控、规模化、标准化功能，然后逐步将运营商的能力叠加到平台步将运营商的能力叠加到平台2.6.5 2.6.5 其他挑战其他挑战SkimmingSkimming：在末端设备或RFID持卡人不知情的情况下，信息被读取。Eavesdropping Eavesdropping 在一个通道的中间，信息被中途截取。Spoofing Spoofing 伪造复制设备数据，冒名输入到系统中。Cloning Cloning 克隆末端设备，冒名顶替。2.6.5 2.6.5 其他挑战其他挑战Killing Killing 损坏或盗走末端设备。Jamming Jamming 伪造数据造成设备阻塞不可用Shielding Shielding 用机械手段屏蔽电信号让末端无法连接。除此之外，在计费方面、地址符标志以及除此之外，在计费方面、地址符标志以及IPIP地址管理等方面均存在新的挑战。地址管理等方面均存在新的挑战。2.7本章小结本章对物联网体系结构从感知识别层、网本章对物联网体系结构从感知识别层、网络传输层、应用支撑层、应用接口层分别络传输层、应用支撑层、应用接口层分别进行了介绍进行了介绍通过介绍各层的关键技术和在物联网中的通过介绍各层的关键技术和在物联网中的功能，帮助读者更好地理解和研究物联网功能，帮助读者更好地理解和研究物联网在介绍每一层同时，还对每一层技术遇到在介绍每一层同时，还对每一层技术遇到的挑战做了分析。的挑战做了分析。