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1、目录一、物联网操作系统的整体架构51.物联网操作系统整体架构概述5a)物联网操作系统内核概述5b)外围功能组件概述6c)物联网协同框架概述6d)公共智能引擎概述8e)集成开发环境概述8f)物联网领域应用概述8g)物联网操作系统整体架构总结9h)物联网操作系统在不同场景的应用举例102.物联网操作系统架构详解10a)内核的主要组成部件10i.物联网设备硬件11ii.硬件抽象层（HAL）11iii.设备管理框架及设备驱动11iv.任务管理11v.内存管理11vi.中断管理12vii.内核同步12viii.安全与权限12ix.内核统计12x.应用管理12xi.内核API12b)外围功能组件的主要组成
2、部件13i.在线更新13ii.C运行库13iii.安全传输协议13iv.TCP/IP协议栈13v.Java虚拟机13vi.文件系统13vii.图形用户界面13c)物联网协同框架主要功能描述14d)公共智能引擎主要组成部件14e)集成开发环境主要功能描述14二、内核：专为物联网而生142.物联网操作系统内核概述14a)物联网操作系统内核的特点14b)任务管理子系统14i.任务管理子系统概述14ii.任务的状态及切换15iii.任务调度算法17c)内存管理子系统18i.内存管理概述18ii.物理内存管理算法-空闲链表法18iii.物理内存管理算法-固定内存块链表法20d)设备管理子系统20e)内核
3、辅助子系统20i.安全与权限管理20ii.内核统计20iii.硬件抽象层（HAL）203.可伸缩机制：内核能大能小20a)基于宏定义的编译配置20b)基于列表的模块加载20c)可加载外部模块204.任务管理：兼顾效率与扩展性20a)线程调度20b)内核同步21c)内核休眠：能节电就节电215.内存管理子系统21a)固定尺寸内存块链表：确保内存分配时间21b)空闲内存块链表：充分提升内存使用效率21c)基于硬件MMU的内存保护21d)内存对齐21e)内存清零21f)基于硬件MMU的内存空间隔离216.设备管理子系统22a)中断管理22i.中断管理概述22ii.毫秒级时钟中断22iii.中断嵌套技
4、术23iv.可控锁中断技术23v.中断扼杀机制23b)设备命名与标识24c)总线管理24d)设备驱动程序247.内核辅助子系统24a)内核的安全与可靠性24i.内核对象签名24ii.看门狗技术24iii.限制队列机制24iv.基于染色的堆栈异常检测24v.隔离数据区机制24vi.加密与验证24b)内核效率保障机制24i.系统时钟动态调整24ii.Direct Ethernet技术24c)内核统计25i.CPU占用率统计25ii.内存分配统计25iii.中断统计25d)硬件抽象层25i.硬件抽象层主要功能25ii.非对齐访问25iii.CPU大头与小头25三、物联网操作系统的外围功能组件251.
5、外围功能组件概述252.JAVA虚拟机：实现软硬件分离263.在线更新机制274.用户界面（shell）275.数据加密与安全套接字（SSL）276.简化的TCP/IP协议栈277.文件系统278.图形用户界面27四、物联网操作系统协同框架271.物联网协同框架综述27a)低功耗连接协议29i.CoAP协议29b)标准化的操作模式34c)设备全局标识34d)Restful资源标识34e)设备配置与激活34f)设备发现34g)设备认证与权限管理34h)设备交互352.IoTivity框架36a)IoTivity协同框架概述36b)IoTivity协同框架主要功能36c)IoTivity协同框架整
6、体架构36i.IoTivity的核心服务层38ii.IoTivity的附加服务层39d)IoTivity主要技术实现39i.IoTivity的软件架构40ii.IoTivity的资源标识及标准操作模式40iii.IoTivity设备的初始化40iv.IoTivity设备注册41v.IoTivity设备的发现机制42vi.IoTivity设备信息获取45vii.IoTivity设备配置修改47viii.IoTivity场景管理器47ix.IoTivity软件定义传感器49x.IoTivity服务目录49xi.IoTivity多协议通信网关49e)IoTivity开发实例49f)IoTivity优
7、点和不足分析493.Google Weave框架49g)Weave背景及定位49h)Weave的主要特点50i)Weave的整体架构50i.LibWeave和uWweave51ii.智能手机客户端52iii.Weave Cloud52iv.Weave API53j)Weave的主要技术实现54i.标准的命令和状态Schema55ii.用户权限管理58iii.针对低功耗蓝牙的深度优化58iv.针对资源受限系统的专门设计59k)Weave开发举例60l)Weave优点和不足分析604.不同协同框架的对比分析61五、公共智能引擎611.公共智能引擎概述612.公共机器学习引擎613.DSL语言与处理
8、引擎624.语音与语义识别引擎62六、物联网操作系统开发环境与运行支撑体系621.开发环境622.运行支持机制62a)物联网操作系统辅助平台62b)开发社区支持62c)物联网领域应用621. IoTivity框架a) IoTivity协同框架概述我们知道，由于缺乏标准，不同的物联网设备和系统之间直接交互非常困难，这样就无法实现物联网的“协同”特性。比如有的设备支持低功耗蓝牙(BLE)，有的设备支持WiFi，有的物联网设备则支持Zigbee，这些设备之间因为缺乏统一的通信标准，相互之间无法通信。为了解决不同物联网设备之间的互通问题，由高通，Microsoft，Intel等等业界顶级的IT公司组成
9、了一个叫做开放互联联盟（Open Interconnect Consortium，OIC）的组织(后续简称为OIC)，专门制定不同物联网设备之间的互联通信标准。目前来说，参与OIC的公司，已经超过了100多家。OIC定义了一套完整的设备之间的通信标准，只要物联网设备遵循这些标准，相互之间就可以相互通信，并能够相互协同工作。OIC是由很多不同职责的小组组成的，其中核心小组（Core Group）定义了开放互联标准的最核心机制，包括基本的通信协议，安全保证机制，设备命名和资源发布机制，等等。另外还有很多专注于“垂直”应用的小组，比如智慧家庭，工业应用，智慧医疗等。这些垂直应用小组基于核心小组定义的
10、基本机制，来进一步细化和定义垂直领域相关的通信标准。所有这些不同的小组定义的标准，组成了OIC的开放互联标准体系。同时，OIC还设计了认证机制，通过OIC认证的设备，可以确保能够跟其它功能相关（比如，属于同一垂直领域）的设备进行直接交互，而不管这些设备是不是由同一个厂商开发的。在当前代码为王的时代，只有标准是远远不够的，还必须有与之配套的实现代码，以供物联网设备商直接参考。于是在Linux基金会的支持下，OIC专门成立了一个叫做“IoTivity”的项目，用于实现OIC制定的物联网设备互联标准。从IoTivity的名字就可以看出来，这个项目就是瞄准物联网（IoT）的。本质上，IoTivity是
11、一个开源项目的名字，这个项目的目的是为了实现OIC定义的开放互联标准。这个项目最终实现的软件，也被成为IoTivity框架，在本书中叫做“IoTivity协同框架”，强调物联网的“协同”特性。b) IoTivity协同框架主要功能 c) IoTivity协同框架整体架构IoTivity是一个典型的物联网协同框架，其软件组成，也符合物联网协同框架的组成三要素-人侧软件，物侧软件和云侧软件。下图示意了IoTivity的软件组成：其中IoTivity Client就是运行在用户智能手机，电脑，PAD等设备上的人侧软件。而IoTivity Device则是运行在物联网设备上的物侧软件，也是IoTivi
12、ty项目重点开发和实现的软件，在接下来的部分中，我们重点介绍IoTivity Device，及物侧软件。IoTivity Cloud是最新版本的IoTivity推出的一项服务，它实现了一个简单的物联网后台系统。需要注意的是，IoTivity Client可以通过本地局域网，直接控制IoTivity设备，无需经过IoTivity后台。前提是IoTivity Client和IoTivity Device能够位于同一个本地局域网上，能够通过WiFi，蓝牙或者Ethernet等网络技术直接通信。这与物联网协同框架中定义的人侧软件和物侧软件交互机制相同。在IoTivity的实现中，Client通过CoA
13、P协议与物联网设备交互。CoAP协议是基于IP/UDP协议的一种低功耗通信协议，该协议通过利用IP的组播功能，实现了设备的发现机制。具体来说，就是运行IoTivity Client的设备，比如手机，电脑等，在本地局域网上发送设备发现请求（Device Discovery），该请求是一个组播IP报文，会被所有运行IoTivity Device的物联网设备接收到。在请求报文中，Client会指定待发现的设备类型，比如智慧灯泡，智慧门锁，等等。接收到发现请求的物联网设备，首先匹配自己的设备类型与请求报文中的设备类型，如果一致，则单独给Client一个回应。如果不匹配，则直接丢弃该发现报文，不做任何回
14、应。通过这种机制，IoTivity Client就会把局域网中的所有物联网设备“收集上来”，并呈现给用户，从而完成管理和控制功能。这个过程中，还涉及到认证，权限管理，加密等等细节，在后面的部分中，我们会详细介绍。相对运行在物联网设备上的IoTivity Device软件，IoTivity Client和IoTivity Cloud的比重都比较少，属于“附属功能”，因此在本书中不做详细介绍。更方便的是，IoTivity提供了这两类软件的基本组态（各类可直接链接的代码库），在具体物联网软件开发中，直接引用即可，定制的工作量并不大。下面详细介绍运行在物联网设备中的IoTivity Device软件。下图示意了IoTivity Device的整体技术框架：整个IoTivity的功能大致分为三层：最底层是核心服务层（Base Layer），中间一层是IoTivity服务层，最上层是具体的物联
