三层架构课件

物联网体系架构物联网体系架构学习重点 通过解析物联网概念，对比分析物联网、传感器网络、M2M、泛在网之间的关系，给出了一种物联网体系结构模型，对物联网体系分层的功能、每层涉及到的相关技术进行了介绍，提出了物联网的保障体系包括政策、法规、标准、安全、服务质量（QoS）、运营管理等六个方面。从体系架构角度可以将物联网支持的业务应用可分为3类：（1）具备物理世界认知能力的应用。根据物理世界的相关信息，如用户偏好、生理状态、周边环境等，改善用户的业务体验。（2）在网络融合基础上的泛在化应用。不以业务类型划分，而是从网络的业务 提供方式划分，强调泛在网络区别于现有网络的业务提供方式，如异构网络环境的无缝接入、协同异构网络的宽带业务提供、面向应用的终端能力协同等。（3）基于应用目标的综合信息服务应用，包括基于应用目标的信息收集、分发、分析、网络和用户行为决策和执行。如以儿童安全为目标的定位、识别、监控、跟踪、预警，交互式的GPS导航等。一、物联网应用场景1.物联网的主要特点：（1）实时性；（2）大范围；（3）自动化；（4）全天候。2.物联网应具有的特征：（1）可扩展性；（2）透明性；（3）一致性；（4）可伸缩性。二、物联网的特点三、物联网组成结构3.1 物联网硬件平台示意图物联网硬件平台组成：感知结点末梢网络核心承载网络信息服务系统硬件设施物联网软件平台组成：数据感知系统软件物联网中间件系统软件网络操作系统物联网信息管理系统3.2 物联网的业务种类图 2-2 身份相关的业务 按照技术特征大致可以把物联网的业务分为四类，分别是：身份相关业务、信息汇聚型业务、协同感知类业务、泛在服务。3.3 物联网的业务种类图 2-3 基于标签信息获取服务的工作模式 图 2-4 泛在网分层体系架构 3.4 泛在网体系架构 3.5 ETSI制定的M2M分层体系结构4.1 IOT基本理论模型智能卡条形码二维码 GPS传感器技术网关设备近距离通信因特网跟踪定位高速数据网络四、通用物联网体系结构四、通用物联网体系结构 通用物联网体系结构4.2 物联网体系架构图 2-8 互联网虚拟大脑简图 4.3 感知层感知层感知层功能-物联网感知层解决的就是人类世界和物理世界的数据获取问题，包括各类物理量、标识、音频、视频数据。-感知层处于三层架构的最底层，是物联网发展和应用的基础，具有物联网全面感知的核心能力。-感知层一般包括数据采集和数据短距离传输两部分，即首先通过传感器、摄像头等设备采集外部物理世界的数据，通过蓝牙、红外、ZigBee（即IEEE 802.15.4协议）、工业现场总线等短距离有线或无线传输技术协同工作传递数据到网关设备。感知层相关技术图 2-9 传感器组成框图 感知技术是指能够用于物联网底层感知信息的技术，它包括RFID与RFID读写技术、传感器与传感器网络、机器人智能感知技术、遥测遥感技术以及IC卡与条形码识读技术等。4.3 感知层感知层4.4 网络网络层层网络层功能-在物联网中，要求网络层能够把感知层感知到的数据无障碍、高可靠性、高安全性地进行传送，它解决的是感知层所获得的数据在一定范围内，尤其是远距离传输的问题。-由于广域通信网络在早期物联网发展中的缺位，早期的物联网应用往往在部署范围、应用领域等诸多方面有所局限，终端之间以及终端与后台软件之间都难以开展协同。-随着物联网发展，建立端到端的全局网络将成为必然。网络层相关技术1接入网技术 接入网技术按照接入信息的类型可分为语音接入网技术、窄带业务接入网技术、宽带业务接入网技术；按照接入方式大致可分为有线接入网技术和无线接入网技术，其中有线接入网技术又分为基于双绞线铜缆的传统接入网技术和光纤接入网技术。2传送网技术 传送网是为物联网中各类业务网提供传送手段的基础设施，提供任意两点之间信息的透明传输，同时完成带宽的调度管理、故障的自动切换保护等管理维护功能。-SDH传送网 -光传送网 -NGN(Next Generation Network)4.4 网络网络层层3核心网技术 核心网是基于IP的统一、高性能、可扩展的分组网络，支持异构接入以及移动性。核心网与现有电信网络和互联网的基础设施很大程度上是重合的。电话通信网移动通信网InternetVPN4.4 网络网络层层网络层相关技术4.5 应用层应用层功能-应用层的主要功能是把感知和传输来的信息进行分析和处理，做出正确的控制和决策，实现智能化的管理、应用和服务。-这一层解决的是信息处理和人-机界面的问题。按形态直观地划分为两个子层：一个是应用程序层，另一个是终端设备层。-应用层主要基于软件技术和计算机技术实现。应用层的关键技术主要是基于软件的各种数据处理技术，此外云计算技术作为海量数据的存储、分析平台，也将是物联网应用层的重要组成部分。4.6 数据融合与智能技术1数据融合与处理 所谓数据融合，是指将多种数据或信息进行处理，组合出高效、符合用户要求的信息的过程。在传感网应用中，多数情况只关心监测结果，并不需要收到大量原始数据，数据融合是处理这类问题的有效手段。2海量数据智能分析与控制 海量数据智能分析与控制是指依托先进的软件工程技术，对物联网的各种数据进行海量存储与快速处理，并将处理结果实时反馈给网络中的各种“控制”部件。4.7 物联网保障体系物联网政策-欧盟-美国-韩国-日本-中国物联网法规 物联网的发展规律和技术体系目前正在探索过程中，在发展过程中要注意很多问题。例如信息采集的合法性问题、公民隐私权问题，物联网不是简单的虚拟世界，还要涉及国家安全等许多问题。物联网的立法 物联网的监管-行政方法监督-行政执法监管4.7 物联网保障体系物联网标准图 2-11 物联网标准体系 4.7 物联网保障体系我国物联网标准制定现状4.7 物联网保障体系物联网安全图 2-14 电信网安全框架 4.7 物联网保障体系物联网安全图 2-15 安全层次模型 4.7 物联网保障体系物联网安全表 2-6 传感网面临的安全问题 层 次受 到 的 攻 击物理层物理破坏、信道阻塞链路层制造碰撞攻击、反馈伪造攻击、耗尽攻击、链路层阻塞等网络层路由攻击、虫洞攻击、女巫攻击、陷洞攻击、Hello洪泛攻击应用层去同步、拒绝服务流等4.7 物联网保障体系4.8 物联网的运营图 2-16 全国性的物联网管理架构 图 2-17 物联网业务平台体系架构4.8 物联网的运营4.9 物联网服务质量QoSQoS 网络服务质量（QoS）是网络提供给应用/用户的服务性能的一种能力，即在跨越多种多个层次网络技术（感知层、接入层、承载层、网络层、应用层等）的网络上，为特定的业务提供其所需要的服务。衡量QoS的技术指标包括以下几个：-可用带宽；-时延；-丢包率；-时延抖动；-误包率。-可用带宽 指网络两个节点之间特定应用业务流的平均速率，主要衡量用户可用网络中获取业务数据的能力。-时延 指数据包在在网络的两个节点之间传送的平均往返时间。-丢包率 指在网络传输过程中丢失报文的百分比，用来衡量网络正确转发用户数据的能力-时延抖动 指时延的变化（语音）-误包率 指在网络传输过程中报文出现错误的百分比，误码率对一些加密类的数据业务影响巨大。4.10 物联网系统管理概述 网络管理的基本目标是提高网络的性能和利用率，最大限度地增强网络的可用性，改进服务质量和网络的安全、可靠性，简化多厂商设备在网络环境下的互连、互通，从而降低网络的运营、维护、控制等成本。国际标准化组织定义了网络管理的5大功能：故障管理、计费管理、配置管理、性能管理和安全管理。4.11 物联网安全管理物联网安全1信号的干扰 随着物联网的兴起，个人和国家对物联网的依赖会越来越大，但是如果物联网中相关信号被干扰，对个人和国家相关机构的信息安全会造成威胁。个人通过物联网能够有效地管理自己的生活，尤其是可以智能化地处理一些突发事件，而不需要人为的干涉。2恶意的入侵 物联网建立在互联网的基础上，对互联网的依赖性很高，互联网中存在的危害信息安全的因素在一定程度上同样也会造成对物联网的危害。随着互联网的发展，病毒攻击、黑客入侵、非法授权访问均会对互联网用户造成损害。3通信安全 通信安全问题会直接影响物联网的安全性。1数据安全 数据安全的含义主要包括以下内容：数据完整性；数据保密性；数据可信性；数据不可抵赖性。2数据的加密与解密 数据的加/解密算法主要分为对称密钥加密和非对称密钥加密。对称密钥加密常用算法如DES和3DES等；非对称密码加密体系又称公钥密码体系（PKI），运用PKI技术可以实施构建完整的加密/签名体系，可以有效地实现数据的真实性、完整性、保密性和不可抵赖性。3网络安全协议 网络安全性可以被粗略地分为4个相互交织的部分：保密、鉴别、反拒认及完整性控制。网络安全控制主要是对网络传输的信息进行数据加密、认证、数字签名和访问控制，目前流行的网络安全协议有IPSec和SSL（Secure Socket Layer，安全套接层）协议。4.11 物联网安全管理数据安全策略与安全相关的技术特点1可跟踪性 物联网主要特点之一就是可跟踪性，也就是说任何时候人们都知道物品的精确位置，甚至其周围环境。2可监控性 物联网的特点还体现在它可以通过物品来实现对人的监控与保护。3可连接性 物联网还可以通过与移动通信技术的结合实现物品通过无线网络的控制与兼容。4.11 物联网安全管理4.12 物联网通用设计原则1多样性原则，物联网体系结构必须根据物联网结点类型的不同，分成多种类型的体系结构。2.时空性原则，物联网体系结构必须必须能够满足物联网时间、空间和能源方面的需求。3.互连性原则，物联网体系结构必须能够平滑地与互联网进行连接起来。4.安全性原则，物联网体系结构必须能够预防大范围内的网络攻击。5.固定性原则，物联网体系结构必须具有坚固性和可靠性。基于以上5条基本原则，构建物联网可以分成标识物体、建立物品联网系统、建立物联网应用平台和建立物联网应用系统几个环节。4.12 物联网通用设计原则1标识物体 构建物联网系统的第一步是标识物品，也就是标识世界上所有的物品，需要利用电子标签和传感器技术。2建立物品联网系统 在完成物品标识之后，就可以建立、验证和采集被标识物品的物联网结点，即有源CPS结点。为了实现有源CPS结点，首先需要设计和实现有源CPS结点与无源CPS结点、有源CPS结点与有源CPS结点之间的无线通信机制，以及基于信息编解码技术的物品识别机制；其次必须设计和实现通信信道复用机制，使得在一条信道上可以同时完成多个无源或者有源CPS结点的通信；最后设计和实现通信信道上的可靠传输机制和实时传输机制，满足物联网对可靠性和实时性的要求。4.12 物联网通用设计原则3建立物联网应用平台 物联网应用系统建立在物联网应用平台之上。4建立物联网应用系统 在建立物联网应用中间件之后，就可以进一步设计和实现物联网应用系统，包括基本应用系统和特定应用系统，图 2-19 物联网应用系统逻辑结构4.12 物联网通用设计原则思考题思考题1物联网的定义是什么？2物联网的组成结构包括哪几个部分？3从体系架构上物联网业务分为哪几类？4从技术特征上物联网业务分为哪几类？5泛在网分层体系结构包括哪几部分？6感知层的功能是什么？相关技术包括哪些？7网络层的功能是什么？相关技术包括哪些？物联网发展的演进路线物联网发展的演进路线信息汇聚信息汇聚协同感知协同感知泛在聚合泛在聚合l主要特征主要特征 泛在的感知服务将海量信息进行聚合，产生出新的有应用价值的信息，即物联网广泛应用于各个领域，实现任何人、任何物体、任何时间、任何地点的互联互通，引发新的应用和服务模式。l关键技术关键技术 信息聚合理论、模糊控制技术、泛在异构网络、人工智能、仿生传感器、纳米材料、生物芯片等。l主要特征主要特征 将分布于多区域的、利用多种感知技术手段所采集信息进行汇聚，通过通信网络将感知信息汇聚到业务应用系统，集中进行信息的处理与共享，并提供信息应用服务。l关键技术关键技术 传感器设计与实现、短距离无线传输技术、低功耗技术、电磁兼容技术等，以实现相关信息采集、汇聚设备的小型化、低功耗、低成本、国产化和绿色环保。l主要特征主要特征 以事件、任务和目标为驱动进行感知、网络和应用各个层面的协同工作，系统具备分布式、跨层次、自学习的协同处理能力，提供智能、精确的多元化信息服务。l关键技术关键技术 任务驱动的大规模自治组网技术、上下文感知技术、移动通信网络与无线传感器网络无缝融合技术、海量信息处理技术等。物联网泛在聚合目标举例：智能交通物联网泛在聚合目标举例：智能交通智能交通统智能交通统一应用平台一应用平台车辆传感网人体传感网道路传感网气象传感网人体生理监测l心跳、血压l体温l疲劳、醉酒道路监测l车速、车型l车流量l道路状况车辆状态监测l刹车l胎压l车间距局部气象监测l温度、湿度l风、雨l雪、冰前方桥下有人过马路前方桥下有人过马路!智能交通传感网应用实例：提前预警智能交通实现的前提：全面的感知，及时可靠的传送，智能应用平台的信息聚合处智能交通实现的前提：全面的感知，及时可靠的传送，智能应用平台的信息聚合处理和应用理和应用