物联网技术概论教学课件（共8章）第2章 物联网体系架构

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1、第二章第二章 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 本章小结六一、物联网体系概述一、物联网体系概述p工业使用的架构框架一、物联网体系概述p物联网体系架构：p感知层p网络层p应用层一、物联网体系概述p感知层p 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。一、物联网体系概述p网络

2、层p 网络层主要实现信息的传输和通信p 提供广域范围内的应用和服务所需的基础承载传输网络。一、物联网体系概述p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 本章小结六二、感知层p2.2.1 感知现实物理世界p2.2.2 执行反馈决策二、感知层p感知现实物理世界 感知互动层功能主要是采集物品和周

3、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。感知互动层动层的功能感知现实现实世界执执行反馈馈决策数据采集和存储储数据处处理设备设备之间间的通信和控制管理二、感知层p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

4、震动传感器磁敏传感器光敏传感器二、感知层p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。二、感知层p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

5、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。二、感知层p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

6、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。二、感知层p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。二、感知层p传感器网络 军事领域应用V

7、igilNet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、多跳传输等特点二、感知层p传感器网络 医疗系统和健康护理二、感知层p传感器网络 智能家居二、感知层p传感器网络 科学研究二、感知层p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）灵活性和可扩展性二、感知层p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。二、感知层p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

8、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 本章小结六三、网络层p2.3 网络层p2.3.1 互联网p2.3.2 电信网p2.3.3 广播电视网p2.3.4 三网融合与多网融合p2.3.5

9、电信网与传感网的融合三、网络层p 互联网pIPv6报头格式：三、网络层p 电信网pUMTS（R4/R5）网络参考架构示意图:三、网络层p 电信网p固定网络与移动网络向NGN的融合演进:三、网络层p 广播电视网pNGB网络示意图:三、网络层p 三网融合与多网融合p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、网络层p 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

10、术可见光通信NB-IoT等移动互联网3G/4G无线宽带网Wi-FiWiMAX三、网络层p 电信网与传感网的融合p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 本章小结六四、应用层p2.4.1 业务模式和流程1.业务模式n业务订制模式n公共服务模式n灾害应急模式2.业务描述语言3.业务流程p2.4.2 服务资源p2.4.3 服务质量四、应用层p 业务模式和流程p业务订制过程四、应用层p业务退订过程四、应用层p物联网公共服务业务平台系统结构四、应用层p灾害应急物联网系统结构四、应用层p 业务描述语言 XML UML BPEL四、应用层图

11、3-15 XML代码片段pXML代码片段四、应用层pUML使用范例四、应用层pBPEL模型示意图四、应用层p基础服务层次和SOA扩展阶段四、应用层p 服务资源 1.标识nGUID标准nOID标准 2.地址 3.存储资源 4.计算能力四、应用层pGUID标准GUID的结构四、应用层pOID标准OID标识体系四、应用层pIPv6地址的初始分配情况四、应用层p 服务资源p 存储资源 磁盘 光盘四、应用层p 计算能力 超级计算机 新型计算机四、应用层p 2010年6月公布的国际超级计算机前10名四、应用层p 新型计算机 生物计算机 量子计算机 光子计算机四、应用层p 服务质量 通信为中心的服务质量 数

12、据为中心的服务质量 用户为中心的数据质量四、应用层p 通信为中心的服务质量 时延 公平性 优先级 可靠性四、应用层p 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 排队时延四、应用层p 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四、应用层p 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。四、应用层p 可靠性 通信的一个基本目的就

13、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。四、应用层p 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四、应用层p 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。四、应用层p 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

14、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四、应用层p 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四、应用层p 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。四、应用层p 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四、应用层p 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

15、理四、应用层p 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四、应用层p 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 本章小结六五、物联网架构实例p 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 p 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 p 在物联网这种新型的网络化计算体统

16、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p 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 五、物联网架构实例p SENSEIp IoT-Ap USNp M2Mp EPCp WoT五、物联网架构实例p SENSEISENSEI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、应用层五、物联网架构实例p SENSEIMonitor and AlertTrack and ResponsePersonal WelfareAudience Engagement & Data Advertising五、物联网架构实例p IoT-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