物联网架构设计实战——从云端到传感器

目 录 第1章 物联网故事 1 1.1 物联网的历史 4 1.2 物联网的潜力 6 1.2.1 工业和制造业 9 1.2.2 消费者 10 1.2.3 零售、金融和营销 11 1.2.4 医疗保健 11 1.2.5 运输和物流 12 1.2.6 农业与环境 13 1.2.7 能源 13 1.2.8 智慧城市 14 1.2.9 政府和军事 15 1.3 小结 15 第2章 物联网架构和核心物联网模块 17 2.1 物联网生态系统 17 2.1.1 物联网与机器对机器的对比 19 2.1.2 网络的价值和梅特卡夫定律 19 2.1.3 物联网架构 21 2.1.4 架构师的角色 23 2.2 核心物联网模块 24 2.2.1 第1部分—传感与电源 24 2.2.2 第2部分—数据通信 24 2.2.3 第3部分—互联网路由和协议 25 2.2.4 第4部分—雾和边缘计算、数据分析和机器学习 26 2.2.5 第5部分—物联网中的威胁和安全性 26 2.3 小结 27 第3章 传感器、端点和电源系统 29 3.1 感应装置 29 3.1.1 热电偶和温度感应 30 3.1.2 霍尔效应传感器和电流传感器 32 3.1.3 光电传感器 33 3.1.4 热释电红外传感器 34 3.1.5 激光雷达和有源传感系统 35 3.1.6 微机电系统传感器 37 3.2 智能物联网终端 42 3.3 传感器融合 44 3.4 输入设备 45 3.5 输出设备 45 3.6 功能示例 46 3.6.1 功能示例—德州仪器CC2650 SensorTag 46 3.6.2 传感器到控制器 49 3.7 能源和电源管理 50 3.7.1 电源管理 51 3.7.2 能量收集 52 3.7.3 能源储备 57 3.8 小结 62 第4章 通信与信息论 63 4.1 通信理论 64 4.1.1 射频能量和理论范围 64 4.1.2 射频干扰 68 4.2 信息论 69 4.2.1 比特率限制和香农-哈特利定理 70 4.2.2 误码率 74 4.2.3 窄带与宽带通信 76 4.3 无线电频谱 79 4.4 小结 83 第5章 非基于IP的WPAN 85 5.1 无线个人局域网标准 85 5.1.1 关于802.15标准 86 5.1.2 蓝牙 87 5.1.3 关于IEEE 802.15.4 123 5.1.4 关于Zigbee 133 5.1.5 关于Z-Wave 143 5.2 小结 151 第6章 基于IP的WPAN和WLAN 153 6.1 互联网协议和传输控制协议 153 6.2 使用IP的WPAN—6LoWPAN 155 6.2.1 关于6LoWPAN拓扑 156 6.2.2 关于6LoWPAN协议栈 158 6.2.3 网格寻址和路由 159 6.2.4 报头压缩和分段 162 6.2.5 邻居发现 164 6.2.6 关于6LoWPAN的安全性 166 6.3 使用IP的WPAN—Thread 166 6.3.1 Thread架构和拓扑 167 6.3.2 Thread协议栈 169 6.3.3 Thread路由 170 6.3.4 Thread寻址 170 6.3.5 邻居发现 171 6.4 IEEE 802.11协议和WLAN 171 6.4.1 IEEE 802.11协议套件和比较 172 6.4.2 IEEE 802.11架构 174 6.4.3 IEEE 802.11频谱分配 176 6.4.4 IEEE 802.11调制和编码技术 179 6.4.5 IEEE 802.11 MIMO 183 6.4.6 IEEE 802.11数据包结构 187 6.4.7 IEEE 802.11操作 190 6.4.8 IEEE 802.11安全性 191 6.4.9 IEEE 802.11ac 192 6.4.10 IEEE 802.11p 194 6.4.11 IEEE 802.11ah 197 6.5 小结 203 第7章 远距离通信系统和协议(WAN) 205 7.1 蜂窝连接 205 7.1.1 治理模型和标准 206 7.1.2 蜂窝接入技术 211 7.1.3 关于3GPP用户设备类别 211 7.1.4 关于4G-LTE频谱分配和频段 213 7.1.5 关于4G-LTE拓扑和架构 218 7.1.6 关于4G-LTE E-UTRAN协议栈 222 7.1.7 关于4G-LTE地理区域、数据流和切换过程 224 7.1.8 关于4G-LTE报文结构 227 7.1.9 LTE Cat-0、Cat-1、Cat-M1和Cat-NB 228 7.1.10 5G 233 7.2 LoRa和LoRaWAN 239 7.2.1 LoRa物理层 240 7.2.2 LoRaWAN MAC层 241 7.2.3 LoRaWAN拓扑 243 7.2.4 LoRaWAN小结 245 7.3 Sigfox 246 7.3.1 Sigfox物理层 247 7.3.2 Sigfox MAC层 248 7.3.3 Sigfox协议栈 250 7.3.4 Sigfox拓扑 251 7.4 小结 253 第8章 路由器和网关 255 8.1 路由功能 255 8.1.1 网关功能 255 8.1.2 路由 256 8.1.3 故障转移和带外管理 259 8.1.4 虚拟局域网 260 8.1.5 虚拟专用网 262 8.1.6 流量整形和QoS 264 8.1.7 安全功能 266 8.1.8 指标和分析 267 8.1.9 边缘处理 267 8.2 软件定义网络 268 8.2.1 SDN架构 269 8.2.2 传统互联网络 271 8.2.3 SDN的好处 272 8.3 小结 273 第9章 物联网边缘到云协议 275 9.1 协议 275 9.2 MQTT 277 9.2.1 MQTT发布-订阅模型 278 9.2.2 MQTT架构细节 280 9.2.3 MQTT封包结构 282 9.2.4 MQTT通信格式 283 9.2.5 MQTT工作示例 286 9.3 MQTT-SN 289 9.3.1 MQTT-SN架构和拓扑 289 9.3.2 透明和聚合网关 291 9.3.3 网关广告和发现 292 9.3.4 MQTT和MQTT-SN之间的区别 292 9.4 受限应用协议 293 9.4.1 CoAP架构详解 293 9.4.2 CoAP消息格式 297 9.4.3 CoAP用法示例 302 9.5 其他协议 304 9.5.1 STOMP 304 9.5.2 AMQP 304 9.6 有关协议的总结和比较 308 9.7 小结 308 第10章 云和雾拓扑 309 10.1 云服务模型 310 10.1.1 NaaS 311 10.1.2 SaaS 311 10.1.3 PaaS 311 10.1.4 IaaS 312 10.2 公共、私有和混合云 312 10.2.1 私有云 313 10.2.2 公共云 313 10.2.3 混合云 313 10.3 OpenStack云架构 313 10.3.1 Keystone：身份和服务管理 315 10.3.2 Glance：镜像服务 315 10.3.3 Nova计算 316 10.3.4 Swift：对象存储 318 10.3.5 Neutron：网络服务 318 10.3.6 Cinder：块存储 318 10.3.7 Horizon 319 10.3.8 Heat：编排引擎(可选) 319 10.3.9 Ceilometer：计费(可选) 320 10.4 物联网云架构的约束 320 10.5 雾计算 324 10.5.1 雾计算的Hadoop哲学 324 10.5.2 雾计算、边缘计算与云计算 325 10.5.3 OpenFog参考架构 326 10.5.4 Amazon Greengrass和Lambda函数 332 10.5.5 雾拓扑 334 10.6 小结 339 第11章 云和雾中的数据分析与机器学习 341 11.1 物联网中的基本数据分析 342 11.1.1 顶层云管道 344 11.1.2 规则引擎 346 11.1.3 采集：流、处理和数据湖 349 11.1.4 复合事件处理 352 11.1.5 Lambda架构 353 11.1.6 行业用例 354 11.2 物联网中的机器学习 357 11.2.1 机器学习模型 360 11.2.2 分类 361 11.2.3 回归 364 11.2.4 随机森林 364 11.2.5 贝叶斯模型 366 11.2.6 卷积神经网络 368 11.2.7 循环神经网络 377 11.2.8 物联网的训练和推理 383 11.2.9 物联网数据分析和机器学习的比较与评估 384 11.3 小结 386 第12章 物联网安全性 387 12.1 网络安全术语 387 12.1.1 攻击和威胁术语 387 12.1.2 防御术语 389 12.2 物联网网络攻击剖析 391 12.2.1 Mirai 392 12.2.2 Stuxnet 393 12.2.3 链式反应 394 12.3 物理和硬件安全 396 12.3.1 信任根 396 12.3.2 密钥管理和可信平台模块 399 12.3.3 处理器和内存空间 399 12.3.4 存储安全 400 12.3.5 物理安全 400 12.4 密码学 402 12.4.1 对称密码学 404 12.4.2 非对称密码学 407 12.4.3 加密哈希(身份验证和签名) 412 12.4.4 公共密钥基础结构 413 12.4.5 网络堆栈—传输层安全 415 12.5 软件定义边界 417 12.6 物联网中的区块链和加密货币 419 12.6.1 比特币(基于区块链) 421 12.6.2 IOTA(基于有向无环图) 426 12.7 政府法规和干预 427 12.7.1 美国国会的物联网相关法案 427 12.7.2 其他政府机构 428 12.8 物联网安全*佳实践 429 12.8.1 整体安全性 430 12.8.2 安全建议列表 433 12.9 小结 434 第13章 联盟和技术社区 437 13.1 个人局域网联盟 437 13.1.1 蓝牙SIG 437 13.1.2 Thread Group 438 13.1.3 Zigbee联盟 438 13.1.4 其他个人局域网联盟 439 13.2 协议联盟 439 13.2.1 开放互连基金会 439 13.2.2 OASIS 440 13.2.3 对象管理组 440 13.2.4 IPSO联盟 441 13.2.5 其他协议联盟 441 13.3 广域网联盟 442 13.3.1 Weightless 442 13.3.2 LoRa联盟 442 13.3.3 互联网工程任务组 443 13.3.4 Wi-Fi联盟 443 13.4 雾和边缘联盟 444 13.4.1 OpenFog 444 13.4.2 EdgeX Foundry 444 13.5 伞状组织 445 13.5.1 工业互联网联盟 445 13.5.2 IEEE物联网 445 13.5.3 其他伞状组织 446 13.6 美国政府物联网和安全实体 446 13.7 小结 447