物联网组网技术_第4章_物联网数据链路层互联技术

1、物联网组网技术信息工程系 韦崇顺 4.1以太网以太网是一种计算机局域网技术，在20世纪70年代由施乐公司发明，由于其具有灵活性和简单性，在局域网领域占据了绝大部分份额。以太网技术今天仍然在不断发展，其技术正在城域网和广域网领域扩展。第4章物联网数据链路层互联技术 4.1以太网4.1.1以太网工作原理以太网主要解决局域网计算机的互联问题，主要分两类：传统的共享式以太网和交换式以太网，这两类的工作原理有一定差别。 第4章物联网数据链路层互联技术 4.1以太网4.1.1以太网工作原理1.共享式以太网共享式以太网是早期的以太网工作模式，有两种拓扑结构：总线型网络和星形网络，如图4-1和图4-2所示。第

2、4章物联网数据链路层互联技术 4.1以太网4.1.1以太网工作原理1.共享式以太网总线型网络最早出现，使用同一根同轴电缆将计算机连接在一起，计算机共享通信介质。为了避免共享介质而发生的矛盾冲突，总线型使用了以太网的关键技术带冲突检测的载波侦听多路访问 (CSMA/CD)机制来共享通信介质。 第4章物联网数据链路层互联技术 4.1以太网4.1.1以太网工作原理1.共享式以太网星形网络使用双绞线和集线器，计算机通过集线器进行互联。使用集线器的星形网络在布线和网络范围的扩展方面进行了改进，但本质上同原先的总线型网络无根本区别，也使用带冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD)机制。第4章物联网数据

3、链路层互联技术 4.1以太网4.1.1以太网工作原理1.共享式以太网星形网络的核心是集线器，通过集线器将计算机进行互联，集线器工作于物理层，仅仅对数据起中继的作用，将一个端口接收的数据复制分发给其他端U,这样能够扩展传输的距离。所有连接到集线器的设备共享同一介质、广播和带宽。一个节点发出的数据信息，会通过集线器传播给所有同它相连的集线器或计算机。第4章物联网数据链路层互联技术 4.1以太网4.1.1以太网工作原理1.共享式以太网共享式以太网的工作机制决定了它简单易用，但同时在性能和可扩展性方面有很大局限。第4章物联网数据链路层互联技术 4.1以太网4.1.1以太网工作原理2.交换式以太网交换式

4、以太网就是为了解决共享式以太网的局限性而产生的。交换式以太网使用交换机对计算机进行互联。交换机将冲突隔绝在每一个端口（每个端口都是一个冲突域)，避免了冲突的扩散。连接交换机的每个节点都可以使用全部的带宽，而不是各个节点共享带宽，解决了共享以太网因为共享介质带来的问题。第4章物联网数据链路层互联技术 4.1以太网4.1.1以太网工作原理2.交换式以太网在交换式以太网中，交换机根据收到的数据帧中的MAC地址决定数据帧应发向交换机的哪个端口。因为端口间的帧传输彼此屏蔽，因此节点不用担心自己发送的帧在通过交换机时是否会与其他节点发送的帧产生冲突。第4章物联网数据链路层互联技术 4.1以太网4.1.1以

5、太网工作原理2.交换式以太网交换机通过学习来获得MAC地址转发表，根据MAC地址转发表对数据帧进行转发或过滤。当一个数据帧的目的地址在MAC地址转发表中有映射时，它被转发到连接目的节点的端口而不是所有端口（如该数据帧为广播/组播帧则转发至所有端口）。当交换机存在冗余回路时，通过生成树协议来避免回路的产生，同时允许存在后备路径。第4章物联网数据链路层互联技术 4.1以太网4.1.2 以太网的MAC层IEEE 802.3协议把数据链路层分为介质访问控制（MAC)子层、逻辑链路控制（LLC )子层及可选的MAC控制子层，其中MAC层负责对共享的信道进行分配。逻辑链路控制子层涉及信息在两个以h站点之间

6、的传输。第4章物联网数据链路层互联技术 4.1以太网4.1.2 以太网的MAC层IEEE 802.3协议屮MAC层的介质访问控制技术，是在半双工条件下，采用载波侦听/冲突检测（CSMA/CD)技术。在IEEE 802.3X标准规范中，确定了第二种全双工通信工作模式，这种模式是在节点之间提供了独有的发送与接收信道的点对点链路，从而可以在节点之间同时收发交换信息。第4章物联网数据链路层互联技术 4.1以太网4.1.2 以太网的MAC层目前，支持全双工通信工作模式的物理层介质规范有lOBase-FL、lOBase-T、100Base-FX、100Base-T2、丨000Base-T等。对于发送操作，

7、全双工发送器可以做到一旦它的发送队列中有帧就发送，只要遵守以下两个简单规则：(1)节点每次操作一个帧。(2)发送器在两帧之间加入很短的时间间隔。第4章物联网数据链路层互联技术 4.1以太网4.1.2 以太网的MAC层全双工通信工作模式比半双工通信工作模式吞吐量增加一倍，而且由亍无竞争与碰撞发生，提高了工作效率。以太网MAC帧格式如图4-3所示。帧的长度计算范围是从目的地址幵始到校验序列之间的内容。第4章物联网数据链路层互联技术 4.1以太网4.1.2 以太网的MAC层第4章物联网数据链路层互联技术 4.1以太网4.1.3虚拟以太局域网1. VLAN概述VLAN是为解决以太网的广播问题和安全性而

8、提出的一种协议，它在以太网帧的基础上增加了 VLAN头，用VLAN ID把用户划分为更小的工作组，限制不同工作组间的用户互访，每个工作组就是一个虚拟局域网。每一个VLAN都包含一组有着相同需求的计算机工作站，与物理上形成的lan有着相同的属性。第4章物联网数据链路层互联技术 4.1以太网4.1.3虚拟以太局域网1. VLAN概述由于它是从逻辑划分，而不是从物理上划分，所以同一个VLAN内的各个工作站没有限制在同一个物理范围中，即这些工作站可以在不同物理LAN网段。一个VLAN内部的广播和单播流量都不会转发到其他VLAN中。VLAN的好处是可以限制广播范围，减少设备投资、简化网络管理、提高网络的

9、安全性。IEEE于1999年颁布了用于标准化VLAN实现方案的802.1Q协议标准草案。第4章物联网数据链路层互联技术 4.1以太网4.1.3虚拟以太局域网1. VLAN概述第4章物联网数据链路层互联技术 4.1以太网4.1.3虚拟以太局域网2. VLAN的优点(1)广播风暴防范，限制网络上的广播。将网络划分为多个VLAN可减少参与广播风暴的设备数量。LAN分段可以防止广播风暴波及整个网络。VLAN可以提供建立防火墙的机制，防止交换网络的过量广播。(2)增强局域网的安全性。含有敏感数据的用户组可与网络的其余部分隔离，从而降低泄露机密信息的可能性。第4章物联网数据链路层互联技术 4.1以太网4.

10、1.3虚拟以太局域网2. VLAN的优点(3)成本降低。成本高昂的网络升级需求减少，现有带宽和上行链路的利用率更高，因此可节约成本。(4)性能提高。将第二层平面网络划分为多个逻辑工作组（广播域）可以减少网络上不必要的流量并提高性能。(5)提高IT员工效率。VLAN为网络管理带来了方便，因为有相似网络需求的用户将共享同一个VLAN。第4章物联网数据链路层互联技术 4.1以太网4.1.3虚拟以太局域网2. VLAN的优点(6)方便应用管理。VLAN将用户和网络设备聚合到一起，以支持商业需求或地域上的需求。通过职能划分，项目管理或特殊应用的处理都变得十分方便，例如可以轻松管理教师的电子教学开发平台。

11、此外，也很容易确定升级网络服务的影响范围。第4章物联网数据链路层互联技术 4.1以太网4.1.3虚拟以太局域网2. VLAN的优点(7)增加网络连接的灵活性。借助VLAN技术，能将不同地点、不同网络、不同用户组合在一起，形成一个虚拟的网络环境，就像使用本地LAN样方便、灵活、有效。VLAN可以降低移动或变更工作站地理位置的管理费用，特别是一些业务情况有经常性变动的公司使用了 VLAN后，这部分管理费用将大大降低。第4章物联网数据链路层互联技术 4.1以太网4.1.3虚拟以太局域网3. VLAN的划分方法VLAN的划分方法有很多种，包括：根据端口划分，根据MAC地址划分，根据网络层协议或地址划分

12、，根据IP组播划分，基于规则的VLAN划分，基于用户定义、非用户授权划分。其中，根据端口划分VLAN是最主要的方法。第4章物联网数据链路层互联技术 4.1以太网4.1.3虚拟以太局域网3. VLAN的划分方法(1)根据端口划分VLAN是指将交换机的端口划分为不同VLAN的成员，被设定的端口都在同一个广播域中。例如，一个交换机的1、2、3、4、5端口被定义为虚拟网VLAN1，同一交换机的6、7、8端口组成虚拟网VLAN2。根据端口划分VLAN允许跨越多个交换机的多个不同端口划分VLAN，不同交换机上的若干个端口可以组成同一个虚拟网。不同VLAN之间不能通信，需要通过路由才能通信。第4章物联网数据

13、链路层互联技术 4.1以太网4.1.3虚拟以太局域网3. VLAN的划分方法(2)根据MAC地址划分是指根据VLAN每个主机的MAC地址来划分，即对每个MAC地址的主机都配置它属于哪个组。优点是：当用户物理位置移动时，即从一个交换机换到其他的交换机时，VLAN不用重新配置。缺点是：初始化时，所有的用户都必须进行配置，如果有几百个甚至上千个用户，配置是非常烦琐的。第4章物联网数据链路层互联技术 4.1以太网4.1.3虚拟以太局域网3. VLAN的划分方法(3)根据W络层协议或地址划分，是指根据每个主机的网络层地址或协议类型（如果支持多协议）划分，虽然这种划分方法是根据网络地址，如IP地址，但它不

14、是路由，与网络层的路由毫无关系。优点是用户的物理位置改变了，不需要重新配置所属的VLAN,而且可以根据协议类型来划分VLAN，这对网络管理者来说很重要，还有，这种方法不需要附加的帧标签来识别VLAN，这样可以减少网络的通信量。缺点是效率低。第4章物联网数据链路层互联技术 4.1以太网4.1.3虚拟以太局域网3. VLAN的划分方法(4)根据IP组播划分是指认为一个组播组就是一个VLAN。这种划分的方法将VLAN扩大到了广域网，因此这种方法具有更大的灵活性，而且也很容易通过路由器进行扩展，当然这种方法不适合局域网，主要是效率不高。第4章物联网数据链路层互联技术 4.1以太网4.1.3虚拟以太局域

15、网3. VLAN的划分方法(5)基于规则的VLAN,又称基于策略的VLAN。这是最灵活的VLAN划分方法，具有自动配置的能力，能够把相关的用户连成一体，在逻辑划分上称为“关系网络”。网络管理员只需在网管软件中确定划分VLAN的规则（或属性），那么当一个站点加入网络中时，将会被“感知”，并被自动地包含进正确的VLAN中。同时，对站点的移动和改变也可自动识别和跟踪。采用这种方法，整个网络可以非常方便地通过路由器扩展网络规模。自动配置VLAN时，交换机中软件自动检查进入交换机端口的广播信息的IP源地址，然后软件自动将这个端口配给一个由IP子网映射的VLAN。第4章物联网数据链路层互联技术 4.1以太

16、网4.1.3虚拟以太局域网3. VLAN的划分方法(6)基于用户定义、非用户授权来划分VLAN，是指为了适应特别的VLAN网络，根据具体的网络用户的特别要求来定义和设计VLAN，而且可以让非VLAN群体用户访问VLAN,但需要提供用户密码，在得到VLAN管理的认证后才可以加入一个VLAN。第4章物联网数据链路层互联技术 4.1以太网4.1.3虚拟以太局域网4. VLAN的标准1996年3月，IEEE 802.1 Internetworking委员会进一步完善了 VLAN的体系结构，统一了 Frame-Tagging方式中不同厂商的标签格式，制定了 802.1q VLAN标准，它成为VLAN史上

17、的一个里程碑。802.lq的出现打破了虚拟网依赖于单一厂商的僵局，从一个侧面推动了 VLAN的迅速发展。另外，来自市场的压力使各大网络厂商立刻将新标准融合到他们各自的产品中。第4章物联网数据链路层互联技术 4.1以太网4.1.3虚拟以太局域网4. VLAN的标准IEEE 802.1q协议为标识带有VLAN成员信息的以太帧建立了一种标准方法。IEEE 802.lq标准定义了 VLAN网桥操作，从而允许在桥接局域网结构中实现定义、运行及管理VLAN拓扑结构等操作。第4章物联网数据链路层互联技术 4.1以太网4.1.3虚拟以太局域网4. VLAN的标准IEEE 802.1q标准主要用来解决如何将大型

18、网络划分为多个小网络，如此广播和组播流量就不会占据更多带宽的问题。此外，IEEE 802.1q标准还提供更高的网络段间安全性。IEEE 802.1q完成这些功能的关键在于标签。支持IEEE802.1q的交换端口可被配置来传输标签帧或无标签帧。第4章物联网数据链路层互联技术 4.1以太网4.1.3虚拟以太局域网4. VLAN的标准Tag为IEEE 802.1q协议定义的VLAN的标记在数据帧中的标示。标签的格式如图4-5所示。第4章物联网数据链路层互联技术 4.1以太网4.1.3虚拟以太局域网4. VLAN的标准ISL (Inter-Switch Link)是Cisco公司的专有封装方式，因此只

19、能用于Cisco的设备。ISL是一个在交换机之间、交换机与路由器之间及交换机与服务器之间传递多个VLAN信息及VLAN数据流的协议，通过在交换机直接的端口配置ISL封装，即可跨越交换机进行整个网络的VLAN分配和配置。第4章物联网数据链路层互联技术 4.2无线局域网无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。它利用射频技术，取代旧式的双绞线构成局域网络，提供传统有线局域网的所有功能。无线网络所需的基础设施不需再埋在地下或隐藏在墙里，并且可以随需移动或变化。第4章物联网数据链路层互联技术 4.2无线局域网4.2.1 IEEE 802.11 标准系列IEEE 802.11标准系列是IEEE制

20、定的一系列不断发展的无线局域网标准，目前仍然在推出新的技术标准。最早的IEEE 802.11标准于1997年6月公布，是第一代无线局域网标准。IEEE 802.11工作在2.4 GHz开放频段，支持1 Mbit/s和2 Mbit/s的数据传输速率。它定义了物理层和媒体访问控制层规范，允许无线局域网及无线设备制造商建立互操作网络设各。标准中物理层定义了数据传输的信号特征和调制。媒体访问控制层定义了共享无线信道的方法。第4章物联网数据链路层互联技术 4.2无线局域网4.2.1 IEEE 802.11 标准系列IEEE 802.11物理层选择了免许可证的ISM频带的2.42.438 5 GHz频段，

21、引入了新的无线传输技术，即扩频技术。FCC (美国联邦通信委员会）在开放ISM频带时规定，在此频带上工作的器件必须采用扩频技术，其目的是为了避免用户之间相互干扰。扩频技术包括两种基本方法：FHSS (跳频扩频技术）和DSSS (直接序列扩频技术）。第4章物联网数据链路层互联技术 4.2无线局域网4.2.1 IEEE 802.11 标准系列扩频传输A有的主要特点如下:(1)扩频信号可以在工作频带上已有其他下作系统的情况下占用同一频带，但彼此性能影响最小。(2)扩频信号占据频带较宽，在频率选择性衰落多路径信道下具有超过传统无线信号的优良性能。在无线传输受到严重多径干扰的环境扩频可以提供可靠的服务。

22、(3)扩频的抗干扰特性在非常恶劣的网络环境中（如制造工地）显得尤为重要。第4章物联网数据链路层互联技术 4.2无线局域网4.2.1 IEEE 802.11 标准系列扩频技术的原理如下-(1) FHSS系统中，为了避免干扰，发送器改变发射信号的中心频率。信号频率的变化，或者说频率跳跃，总是按照某种随机的模式安排的，这种随机模式只有发送器和接收器才了解。载波频率的跳跃并不影响系统在加性噪声情况下的性能，在无干扰情况下FHSS系统的性能与不采用跳频的系统是一致的。第4章物联网数据链路层互联技术 4.2无线局域网4.2.1 IEEE 802.11 标准系列(2) DSSS系统屮，每一个传输的信息比特被

23、扩展（或映射）成N个更小脉冲，叫做码片(Chip)。接下来，所有的码片用传统的数字调制器发送出去。在接收端，收到的码片首先被解调，然后被送到一个相关器进行信号解扩。解扩器把收到的信号和与发射端相同的扩频信号（码片序列）进行相关处理。第4章物联网数据链路层互联技术 4.2无线局域网4.2.1 IEEE 802.11 标准系列在DSSS系统里，由于发射的码片只有数据比特的1/N,因此，DSSS信号的传输带宽是未采用扩频的传统系统的N倍。和FHSS相似，DSSS也可以抗多径和抗频率选择性衰落。第4章物联网数据链路层互联技术 4.2无线局域网4.2.1 IEEE 802.11 标准系列802.11 M

24、AC协议定义了 5类时序间隔，其中两类是由物理层决定的基本类型：短帧空间（SIFS)和时隙（Slot Time)；其余3类时序间隔则基于以上两种基本的时序间隔：优先级帧间空间（PIFS)、分散帧间空间（D1FS)和扩展帧间空M (EIFS)。第4章物联网数据链路层互联技术 4.2无线局域网4.2.1 IEEE 802.11 标准系列802.11 MAC协议支持两种操作模式：单点协调功能（PCF)和分散协调功能（DCF)。PCF提供了可避免竞争的接入方式，而DCF则对基于接入的竞争采取带有冲突避免的载波检测多路访问机制。上述两种模式可在时间上交替使用，即一个PCF的无竞争周期后紧跟一个DCF的竞

25、争周期。第4章物联网数据链路层互联技术 4.2无线局域网4.2.1 IEEE 802.11 标准系列由于IEEE 802.11标准在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，因此，IEEE小组又相继推出了 802.11b和802.11a两个新标准。第4章物联网数据链路层互联技术 4.2无线局域网4.2.1 IEEE 802.11 标准系列第4章物联网数据链路层互联技术 4.2无线局域网4.2.2 IEEE 802.11 组成结构802.11体系结构的组成包括：无线站点（STA)、无线接入点（Access Point，AP)、独立基本服务组（Independent Basic Service Set

26、，IBSS)、基本服务组（Basic Service Set，BSS)、分布式系统（Distribution System，DS)和扩展服务组（Extended Service Set，ESS)，如图4-7所示。第4章物联网数据链路层互联技术 4.2无线局域网4.2.1 IEEE 802.11 标准系列第4章物联网数据链路层互联技术 4.2无线局域网4.2.1 IEEE 802.11 标准系列802.11在网络构成上采用单元结构，将整个系统分成许多单元，每个单元称为一个BSS，多个BSS构成一个ESS，不含AP的BSS称为IBSS。802.11定义了两种工作模式：Ad-Hoc (对等)模式和I

27、nfrastructure (架构)模式。第4章物联网数据链路层互联技术 4.3无线传感网4.3.1传感网概述无线传感器网络是由大量无处不在的、具有通信与计算能力的微小传感器节点密集部署在监控区域而构成的自治测控网络系统，是能根据环境自主完成指定仟务的智能系统。第4章物联网数据链路层互联技术 4.3无线传感网4.3.1传感网概述传感器是数据采集、数据处理的关键部件，它可以将物理世界中的一个物理景映射到一个定量的测量值，使人们对物理世界形成量化认识。传感器技术是新技术革命和信息社会的重要技术基础。第4章物联网数据链路层互联技术 4.3无线传感网4.3.1传感网概述传感器装备有一个传感模块（如声、

28、光、磁、视觉等)，用于感知周围世界中的物理量，一个数字处理模块用于处理传感模块采集的信号及完成网络协议的功能，一个无线电收发模块用于通信和一个电源模块为传感器的各种操作提供能量。第4章物联网数据链路层互联技术 4.3无线传感网4.3.1传感网概述第4章物联网数据链路层互联技术 4.3无线传感网4.3.1传感网概述无线传感器网络的特征：(1)通信能力有限。传感器节点的通信带宽窄而且经常变化，通信覆盖范围只有几十到几百米。传感器之间的通信断接频繁，经常导致通信失败。(2)电源能量有限。传感器由于电源的原因经常失效或废弃。而在大多数应用中，无法给电池充电或更换电池，一旦电池能量用完，这个节点也就失去

29、了作用。第4章物联网数据链路层互联技术 4.3无线传感网4.3.1传感网概述无线传感器网络的特征：(3)计算存储能力有限。传感器节点都具有嵌入式处理器和存储器，由于这些器件的限制，传感器的计算和存储能力十分有限。(4)网络动态性强。网络中的传感器、感知对象和观察者都可能具有移动性，并且经常有新节点加入或已有节点失效，因此网络的拓扑结构动态变化。第4章物联网数据链路层互联技术 4.3无线传感网4.3.1传感网概述无线传感器网络的特征：(5) 自组织，无中心，多跳路由。网络的布设和展开无须依赖于任何预设的网络设施，节点协调各自的行为，开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。(6)节点没有统一的

30、标识。传感器网络节点没有一个全局性的标识，如IP地址等。第4章物联网数据链路层互联技术 4.3无线传感网4.3.2传感网部署传感器节点的部署和定位、跟踪一样，是无线传感器网络的一个基本问题，因为它反映了无线传感器网络的成本和监视能力。节点部署的策略很大程度地增强网络感知质量，减少成本和使能耗最小，最终延长节点的寿命。第4章物联网数据链路层互联技术 4.3无线传感网4.3.2传感网部署1.传感器网络节点的部署策略传感器网络节点的部署策略需要解决下面的问题：(1)对于某个特定的应用需要采用多少个节点。(2)对一个给定节点数的网络，如何精确部署这些节点，以使得网络性能最优，能耗最小。(3)当数据源改

31、变或网络的某部分出现故障，如何调整网络拓扑和节点部署。第4章物联网数据链路层互联技术 4.3无线传感网4.3.2传感网部署无线传感器节点的部署随应用不同而不同。在某些环境，网络可以预先确定并手工部署，部署也可能是无法预先确定。部署必须确定最优化的传感器节点、中转节点和基站的部署策略，使其保证覆盖、连通和健壮。关键的挑战是如何确定一个感知域框架体系，使其能够最小化开销，提高覆盖度时间，对节点失效能进行响应，合适的计算和通信权衡。第4章物联网数据链路层互联技术 4.3无线传感网4.3.2传感网部署传感器网络随机部署是最简单的一种部署方式，但可能会带来性能与需求不匹配，以及资源浪费等问题。而高质量的

32、部署有助于将智能从高端、远程向传感器网络自身、本地迁移，从而更好地实现和体现传感器网络本身的智能性。第4章物联网数据链路层互联技术 4.3无线传感网4.3.2传感网部署2.传感器网络部署的基本方式从传感器网络部署的基本策略、应用系统整体结构以及网络对象之间关系3个角度分析，传感器网络部署有以下3组基本方式：(1)随机部署与确定部署。部署可能以规划方式或者随机方式进行，通常表述为确定性部署随机部署，或者非均匀部署、均匀部署。第4章物联网数据链路层互联技术 4.3无线传感网4.3.2传感网部署2.传感器网络部署的基本方式(2)对等部署与分级部署。根据实际情境和具体需求，部署的网络可以对等网络或分级

33、/分层结构形式存在，而分级结构经常以分簇结构形式体现。(3)同类与异类对象部署。异类与同类对象的区别主要体现在节点及部件的多样性与移动性两个方面：多样性属于“不同对象的部署”范畴，移动性属于“部署手段”范畴。第4章物联网数据链路层互联技术 4.3无线传感网4.3.2传感网部署3.传感器网络不同对象的部署传感器网络中对象种类很多，各类对象的地位与作用也各不相同。除了普通网络节点以外，一些特殊对象的部署非常重要。比较典型的是中心节点、中继节点、地标与锚节点等。第4章物联网数据链路层互联技术 4.3无线传感网4.3.2传感网部署4.传感器网络部署区域处理在对被监控区域（或部署环境）的细分处理方式上，

34、目前主要有以下几种：(1)栅格化。将感知区域处理为栅格。(2)条带化。将感知区域划分为条带。(3)行列化。将感知区域进行行列化处理其中。第4章物联网数据链路层互联技术 4.3无线传感网4.3.2传感网部署5.传感器网络部署手段当前的研究主要包括通过移动自组织节点，以及通过相关智能对象协同部署（或者辅助部署）网络节点这两方面工作。第4章物联网数据链路层互联技术 4.3无线传感网4.3.2传感网部署5.传感器网络部署手段(1)移动自组织节点部署。传感器网络可能会由于初始部署不合适，或者意外的节点出错等因素造成性能下降；利用节点的移动性是修复此类问题的重要方法。(2)机器人协同部署。通过机器人R了以

35、实现传感器网络及其节点的逐渐扩展式部署，这一优势在未知环境探索等情境下尤为重要。第4章物联网数据链路层互联技术 4.3无线传感网4.3.3传感网系统设计1.系统的设计原则(1)节点的小型化。(2)节点适应性强。(3)网络的拓扑管理能力。(4)数据路由。第4章物联网数据链路层互联技术 4.3无线传感网4.3.3传感网系统设计1.系统的设计原则(5)数据压缩处理。(6)健壮性。(7)能源有效利用。(8)系统成本。第4章物联网数据链路层互联技术 4.3无线传感网4.3.3传感网系统设计2.系统设计的关键技术(1)无线传感器节点设计。(2)拓扑管理。(3)路由技术。(4)数据压缩。(5)基站用户界面软

36、件。第4章物联网数据链路层互联技术 4.3无线传感网4.3.3传感网系统设计2.系统设计的关键技术(6)其他可能出现的问题能量高效节能;定位技术;网络安全协议问题;第4章物联网数据链路层互联技术 4.3无线传感网4.3.3传感网系统设计3.无线传感器节点体系结构(1)无线传感器节点组成原理。网络传感器继承了智能传感器的全部功能，并且能够和计算机网络进行通信，无线传感器则是利用无线通信技术连接到计算机网络的一种完全脱离连接导线的网络传感器。一个无线传感器节点主要包括微控制器模块、无线通信模块、传感器模块及接口、电源模块以及外部存储器等。第4章物联网数据链路层互联技术 4.3无线传感网4.3.3传

37、感网系统设计3.无线传感器节点体系结构(2)硬件组成。一个典型的无线传感器节点硬件平台包括3个子系统：嵌入式微处理器、无线收发器、传感器和电源。第4章物联网数据链路层互联技术 4.3无线传感网4.3.4传感网广域互联无线传感网一般不以孤立网络的形式存在，而是需要通过一定的方式与其他外部网络互联，以便通过外部网络上的设备方便地对其进行管理、控制与访问，或借助己有网络设施实现无线传感网的大规模组网。第4章物联网数据链路层互联技术 4.3无线传感网4.3.4传感网广域互联使用TCP/IP协议的互联网是全球最人的广域互联网络，通过将无线传感器网络接入互联网，就能够实现无线传感器网络的广域互联。实现无线

38、传感网与IP网络互联的方式主要包括对等方式、重叠方式以及全IP方式等，其中，全IP方式是发展方向。第4章物联网数据链路层互联技术 4.3无线传感网4.3.4传感网广域互联IPv6为下一代网络的核心协议，IPv6协议因为自身的所以将无线传感器网络与IPv6网络互联起来已是当前的一个研究热点。在WSN中应用IPv6的有以下优势：(1) IPv6提供了非常大的地址空间。(2) IPv6提供了很好的安全性。(3) IPv6提供了移动性。第4章物联网数据链路层互联技术 4.4其他链路层技术4.4.1 蓝牙技术1. 蓝牙概述蓝牙技术使用高速跳频和时分多址等先进技术，在近距离内最廉价地将几台数字化设备呈网状

39、链接起系。蓝牙工作于全球可用的2.4 GHz ISM频段，采用了跳频技术来克服干扰和衰落，跳频带宽79 MHz,共79个射频信道，其符号传输率为1 Mbit/s。采用时分双工（TDD)方案进行全双工通信。在信道上以分组的形式交换信息，每个分组在不同的跳频频率上传输，占用15个时隙，每个时隙长625s。第4章物联网数据链路层互联技术 4.4 其他链路层技术4.4.1 蓝牙技术1. 蓝牙概述蓝牙协议将电路交换与分组交换相结合，可支持1个异步数据信道，最多3个同时同步话音信道，或1个同时支持异步数据和同步话音的信道。每个话音信道在每个方向支持64 kbit/s比特传输率，异步信道支持最大723.2

40、kbit/s的非对称比特传输率，或433.9 kbit/s的对称比特传输率。第4章物联网数据链路层互联技术 4.4 其他链路层技术4.4.1 蓝牙技术2. 蓝牙网络拓扑结构蓝牙系统采用一种灵活的无基站的组网方式，使得一个蓝牙设备可同时与7个其他的蓝牙设备相连接。基于蓝牙技术的无线接入简称为BLUEPAC (Bluetooth PublicAccess),蓝牙系统的网络拓扑结构有两种形式：微微网（Piconet)和分布式网络(Scatternet)。第4章物联网数据链路层互联技术 4.4 其他链路层技术4.4.1 蓝牙技术3. 蓝牙技术的特点(1)全球范围适用。(2) 同时可传输语音和数据。(3

41、)可以建立临时性的对等连接。(4)具有很好的抗干扰能力。第4章物联网数据链路层互联技术 4.4 其他链路层技术4.4.1 蓝牙技术3. 蓝牙技术的特点(5)蓝牙模块体积很小、便于集成。(6) 低功耗。(7)开放的接口标准。(8)成本低。第4章物联网数据链路层互联技术 4.4 其他链路层技术4.4.1 蓝牙技术4. 蓝牙协议规范SIG所颁布的蓝牙规范就是蓝牙无线通信协议标准，它规定了蓝牙应用产品应遵循的标准和需要达到的要求。蓝牙规范包括核心协议与应用框架两个文件。协议规范部分定义了蓝牙的各层通信协议，应用框架指出了如何采用这些协议实现具体的应用产品。蓝牙协议规范遵循OSI/RM,从低到高地定义了

42、蓝牙协议堆找的各个层次。第4章物联网数据链路层互联技术 4.4 其他链路层技术4.4.1 蓝牙技术4. 蓝牙协议规范蓝牙规范的应用模式有很多，其中4种应用模式是所有用户模式和应用的基础，也为以后可能出现的用户模式和应用提供了基础。第4章物联网数据链路层互联技术 4.4 其他链路层技术4.4.1 蓝牙技术4. 蓝牙协议规范(1)通用访问应用（GAP)模式：定义了两个蓝牙单元如何互发现和建立连接，它是用来处理连接设备之间的相互发现和建立连接的。它保证两个蓝牙设备，不管是哪一家厂商的产品，都能够发现设备支持何种应用，并能够交换信息。第4章物联网数据链路层互联技术 4.4 其他链路层技术4.4.1 蓝

43、牙技术4. 蓝牙协议规范(2)服务发现应用（SDAP)模式：定义了发现注册在其他蓝牙设备中的服务的过程，并且可以获得与这些服务相关的信息。(3)串口应用（SPP)模式：定义了在两个蓝牙设备间基于RFCOMM建立虚拟的串口连接的过程和要求。第4章物联网数据链路层互联技术 4.4 其他链路层技术4.4.1 蓝牙技术4. 蓝牙协议规范(4)通用对象交换应用（GOEP)模式：定义了处理对象交换的协议和步骤，文件传输应用和同步应用都是基于这一应用的，笔记本电脑、PDA、移动电话是这一应用模式的典型应用。第4章物联网数据链路层互联技术 4.4 其他链路层技术4.4.2 ZigBee技术1. ZigBee技术概述ZigBee是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线通信新技术，它依据IEEE 802.15.4标准