物联网技术概论（第3版）课件：物联网体系架构

物联网体系架构《物联网技术概论》《物联网技术概论》第三版感知层

二网络层三物联网体系概述一应用层四课程提纲物联网架构实例五本章小结六课程提纲感知层

二网络层三物联网体系概述一应用层四物联网架构实例五本章小结六工业使用的架构框架物联网体系架构：感知层网络层应用层

感知层感知层是物联网的基础，是物理世界和信息世界的衔接层。通过各类信息采集、执行设备和识别设备多种网络通信技术、信息处理技术、物化安全可信技术、中间件及网关技术等实现物理空间和信息空间的感知互动。

网络层网络层主要实现信息的传输和通信提供广域范围内的应用和服务所需的基础承载传输网络。

应用层应用层主要将物联网技术与行业专业系统相结合，感知数据处理封装，以服务的方式提供给用户，实现广泛的物物互联的应用解决方案。应用领域涵盖环境监测、智能电网、智能家居、智能交通、工业监控等多个领域。应用服务支持平台用于支撑跨行业、跨应用、跨系统之间的信息协同、共享、互通等。

课程提纲感知层

二网络层三物联网体系概述一应用层四物联网架构实例五本章小结六2.2.1感知现实物理世界2.2.2执行反馈决策感知现实物理世界感知互动层功能主要是采集物品和周围环境的数据，通过这些基础数据获取用户感兴趣的信息和知识，完成对现实物理世界的认知和识别，与此同时，物联网经常需要根据用户的需要，形成对物理世界的反馈控制简而言之，分为感知现实世界和执行反馈决策两部分。感知互动层的功能感知现实世界执行反馈决策数据采集和存储数据处理设备之间的通信和控制管理感知现实物理世界感知现实物理世界是物联网应用的基础，在物联网的感知互动层中，通过各种感知设备收集用户感兴趣的表征物理世界信息的数据或发生的物理事件，包括各类物理量，如标识、音频、视频数据等。感知技术主要包括传感器与传感器节点组成的系统、传感器网络、数据交换标准等。加速度传感器震动传感器磁敏传感器光敏传感器感知现实物理世界感知现实物理世界是物联网应用的基础，在物联网的感知互动层中，通过各种感知设备收集用户感兴趣的表征物理世界信息的数据或发生的物理事件，包括各类物理量，如标识、音频、视频数据等。感知技术主要包括传感器与传感器节点组成的系统、传感器网络、数据交换标准等。传感器节点的内部结构

处理单元是传感器节点的核心，它发起采集数据命令，数据进行处理，设定数据发送时机，判定执行器的动作，运行各种程序等。

存储单元式作为存储数据和代码的物理单元。

通信单元是在传感器节点间交换数据的模块，既可以是有线通信，也可以是无线通信。

电源模块提供节点的能量供给。

传感器具备对外部环境感知能力，负载信息采集和数据转换，包括温湿度、压力、化学成分等。

执行器作为可选的单元，通常是用于实现决策信息对环境的反馈控制。传感器节点的现实约束能量受限:传感器节点携带电池能量十分有限，第一，由于传感器节点分布区域广，环境复杂，许多区域甚至人员不可达，因此能源难以补充；第二，受限于节点尺寸与成本，现有传感器节点通常无法采用大容量电池或者太阳能电池。因此，高效使用能量以最大化网络生存时间是传感网络设计的重要目标。通信能力受限:节点的通信距离和通信带宽有限，无线通信的能量消耗随着通信距离的增加而呈指数增长，因此，在满足通信连通度的前提下，应尽量减少单跳通信距离，数据传输采用多跳路由机制。节点的无线通信带宽一般只有几百Kbit/s。计算和存储能力受限:传感器节点是一种微处理嵌入设备，要求价格和功耗较小，这些限制必然导致其处理器能力比较弱，且存储器容量比较小，复杂的网络功能常常需要多节点协同合作。传感器网络单一的传感器节点通常在通信、能量、处理和存储等多个方面受到限制，多个传感器节点通过组网连接后，具备应对复杂计算和协同信息处理能力，它能够更加灵活、以更强的鲁棒性来完成感知的功能。由于无线传感器网络布设具有高度灵活、低功耗和低成本等特点，所以无线传感器网络的研究一直是国际上无线通信研究的热点问题之一。传感器网络军事领域应用VigilNet美国弗吉尼亚大学研制的用于军事监测的系统传感节点具有自主成网、多跳传输等特点传感器网络医疗系统和健康护理传感器网络智能家居传感器网络科学研究无线传感器网络的特征（1）能量有效性（2）时延要求（3）公平性（4）灵活性和可扩展性数据交换在数据交换方面，由于感知的数据种类、特征和重要程度等不同，因此，数据表达和接口的标准化是物联网集成应用的关键之一，同时开发出与标准配套的运行环境和中间件框架，这些都需要标准化组织来推动。执行反馈决策物联网在与物理世界交互的过程中，不仅需要实现数据采集、信息感知、自动识别等功能，而且也需要建立对物理世界的反馈和控制，实现对物的信息控制，最终为人类提供信息服务。它是在感知的基础上，融合计算、通信和控制的能力，实现物理世界和信息世界的双向交互，使得整个系统更加智能化。通过对历史数据的挖掘，先进的信息处理技术提取出可以提交给物联网用户用来做出决策的信息，用户能够根据这些信息做出判定，从而将这一判定的结果通过传输最终到达执行器或节点，从而实现控制的功能。课程提纲感知层

二网络层三物联网体系概述一应用层四物联网架构实例五本章小结六2.3网络层2.3.1互联网2.3.2电信网2.3.3广播电视网2.3.4三网融合与多网融合2.3.5电信网与传感网的融合互联网IPv6报头格式：电信网UMTS（R4/R5）网络参考架构示意图:电信网固定网络与移动网络向NGN的融合演进:广播电视网NGB网络示意图:三网融合与多网融合下一代信息通信网络的发展趋势是网络的数字化、宽带化、IP化，以及多网之间的协同与融合。所谓“三网融合”，就是指建立在网络互联互通、资源共享基础上的互联网、电信网和广播电视网的相互渗透、互相兼容，并逐步整合成为统一的信息通信网络。三网融合与多网融合互联网物联网的核心网络无线低速网BluetoothZigBee新兴无线接入技术可见光通信NB-IoT等移动互联网3G/4G无线宽带网Wi-FiWiMAX电信网与传感网的融合电信网与传感网的融合网络结构示意图：课程提纲感知层

二网络层三物联网体系概述一应用层四物联网架构实例五本章小结六2.4.1业务模式和流程1.业务模式业务订制模式公共服务模式灾害应急模式2.业务描述语言3.业务流程2.4.2服务资源2.4.3服务质量业务模式和流程业务订制过程业务退订过程物联网公共服务业务平台系统结构灾害应急物联网系统结构业务描述语言XMLUMLBPEL图3-15XML代码片段XML代码片段UML使用范例BPEL模型示意图基础服务层次和SOA扩展阶段服务资源1.标识GUID标准OID标准2.地址3.存储资源4.计算能力GUID标准GUID的结构OID标准OID标识体系IPv6地址的初始分配情况服务资源存储资源磁盘光盘计算能力超级计算机新型计算机2010年6月公布的国际超级计算机前10名

新型计算机生物计算机量子计算机光子计算机服务质量通信为中心的服务质量数据为中心的服务质量用户为中心的数据质量通信为中心的服务质量时延公平性优先级可靠性

时延是指一个报文或分组从一个网络的一端传输到另一端所需要的时间发送时延传播时延处理时延排队时延

公平性是衡量网络通信质量的重要指标，可以有以下几种理解：保证网络内的每一个节点都能够绝对公平地获得信道带宽资源保证网络内的每一个节点都能够有均等的机会获得信道带宽资源保证网络内的每一个节点都有机会获得信道带宽资源

网络通信中的优先级

主要是指对网络承载的各种业务进行分类，并按照分类指定不同业务的优先等级。可靠性通信的一个基本目的就是保证信息被完整地、正确地从源节点传输到目的节点。保证信息传输的可靠性也是通信的一个重要原则。数据为中心的服务质量真实性安全性完整性冗余性实时性

真实性数据的真实性是用于衡量使用数据的用户得到的数值与数据源的客观实际即“真值”之间的差异。对于数据真实性可以有以下几种理解：接收方和发送方持有数据中的数值之间的偏差程度。接收方和发送方持有数据所包含内容的在语义上或上下文环境中的吻合程度。接收方和发送方持有数据所指代范围的重合程度。

安全性数据安全的要求是通过采用各种技术和管理措施，使通信网络和数据库系统正常运行，从而确保数据的可用性、完整性和保密性，保证数据不因偶然或恶意的原因遭受破坏、更改和泄露。数据本身的安全数据防护的安全

完整性数据完整性是指数据的精确性和可靠性，防止数据库中存在不符合语义规定的数据和防止因错误信息的输入输出造成无效操作或错误信息，确保数据库中包含的数据尽可能地准确和一致。实体完整性域完整性引用完整性用户定义完整性

冗余性数据冗余是指数据库的数据中有重复信息的存在。应当避免出现过度的数据冗余。必须引入适当的数据冗余。

实时性数据的实时性要求，与应用的背景有着密切关系。相关典型应用工业生产控制

实时性数据的实时性要求，与应用的背景有着密切关系。相关典型应用应急处理

实时性数据的实时性要求，与应用的背景有着密切关系。相关典型应用灾害预警用户为中心的数据质量智能化吸引力友好度搜索引擎的智能化智能手机“有用”的吸引力人体工程学的友好度课程提纲感知层

二网络层三物联网体系概述一应用层四物联网架构实例五本章小结六体系结构是指说明系统组成部件及其之间的关系，指导系统的设计与实现的一系列原则的抽象

建立体系结构是设计与实现网络化计算系统的首要前提。体系结构可以精确地定义系统的组成部件及其之间的关系，指导开发者遵循一致的原则实现系统，以保证最终建立的系统符合预期的需求

在物联网这种新型的网络化计算体统中，同样需要事先确定设计物联网系统的体系结构，物联网体系结构是设计与实现物联网系统的首要基础近年来，国内外的研究人员对物联网体系结构进行了广泛深入的研究，提出了多种具有不同结构的物联网体系结构

SENSEIIoT-AUSNM2MEPCWoTSENSEISENSEI项目是欧盟第七框架计划（FrameworkProgram7，简称FP7）所设立的关于物联网体系结构的项目旨在构建一个普遍且值得信赖的服务框架，将真实世界与数字世界的连接将产生“智慧区域”SENSEI所提出的体系结构主要由以下几层构成，包括：通信服务层、资源层、应用层SENSEIMonitorandAlertTrackandResponsePersonalWelfareAudienceEngagement&DataAdvertisingIoT-AIoT-A项目同样是欧盟第七框架计划（FrameworkProgram7，简称FP7）所设立的关于物联网体系结构的项目IoT-A项目的目标是建立一个物联网体系结构参考模型和并且定义该参考模型下的物联网关键组成模块，并通过一个实验验证网络，来验证所提出的体系结构的设计原理和设计准则，并且探索不同体系结构对物联网实现技术的影响USN

USN体系结构由韩国电子通信技术研究所在提出USN体系结构自顶向下将物联网分为五层：应用网络层、中间件层、网络基础设施层、接入网、传感网USN

USN

M2M是“Machine-to-Machine”的缩写，用来表示机器对机器之间的连接与通信，可以说是物联网的支撑技术之一。ETSI于2008年底成立了M2M技术委员会(ETSITCM2M)

M2M相关的标准化工作在中国通信标准化协会中主要在移动通信工作委员会（TC5）和泛在网技术工作委员会（TC10）进行ETSITS102690标准中的M2M架构EPC为满足对单个物品的标识和高效识别，美国麻省理工学院的自动识别（Auto-ID）实验室在美国统一代码协会（UCC）的支持下，提出利用RFID、无线通信技术，构造一个覆盖世界万物的系统，并提出了电子产品代码（ElectronicProductCode，EPC）的概念。即每一个对象都将被赋予一个唯一的EPC，并由采用无线射频识别技术的信息系统管理、彼此联系。国际物品编码协会（EAN）和美国统一代码协会（UCC）于2003年9月共同成立了非营利性组织EPCGlobal，将EPC纳入了全球统一标识系统，实现了全球统一标识系统中的GTIN编码体系与EPC概念的完善结合。EPC

global提出的“物联网”体系架构认为，一个物联网主要由EPC编码体系、射频识别系统及信息网络系统3个部分组成。主要由EPC编码、EPC标签、EPC读写器、EPC中间件、ONS服务器和EPCIS服务器等构成。EPCEPC

global的标准化结构框架WoTWebofThings（WoT）定义了一种面向应用的物联网，把万维网服务嵌入到系统中WoT是指利用web的设计理念和技术，采用简单的万维网服务形式使用物联网，将物联网网络环境中的设备抽象为资源和服务能力连接到web空间WoT试图把互联网中成功的、面向信息获取的万维网应用结构移植到物联网上，用于简化物联网的信息发布和获取WoT是IoT的一种实现模式。指的是将那些嵌入智能设备的日常用品或者计算机都集成到web。WoT利用了Web的标准，将互联网整个生态系统扩展到日用智能设备现在在WoT里比较广泛接受的Web标准包括URI，HTTP，REST，RSS等等纳米技术