基于IP的物联网架构、技术与应用

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基于IP的物联网架构、技术与应用简介

目　录

第1部分　架构

第1章　什么是智能物件　1
1.1　智能物件从何而来？　2
1.1.1　嵌入式系统　3
1.1.2　普适计算　5
1.1.3　移动通信　6
1.1.4　遥测技术及机器间通信　7
1.1.5　无线传感器网络和泛在传感器网络　8
1.1.6　移动计算　9
1.1.7　计算机网络　9
1.2　对智能物件的挑战　10
1.2.1　节点级挑战　10
1.2.2　网络级挑战　11
1.2.3　标准化　13
1.2.4　互通性　14
1.3　小结　14

第2章　IP协议架构　17
2.1　引言　17
2.2　从NCP到TCP/IP　17
2.3　基本的TCP/IP架构设计原则　18
2.4　跨层优化的关键问题　21
2.5　IP分层对智能物件网络至关重要的原因　22
2.6　小结　23

第3章　智能物件为什么要采用IP协议　25
3.1　互通性　26
3.2　一个发展中的通用架构　27
3.3　架构的稳定性和普遍性　28
3.4　可扩展性　29
3.5　配置和管理　29
3.6　痕迹小　30
3.7　还有什么其他选择？　31
3.8　为什么网关不好？　31
3.8.1　固有的复杂性　32
3.8.2　灵活性和可扩展性的缺失　32
3.9　小结　32

第4章　用于智能物件网络和物联网的IPv6协议　33
4.1　引言　33
4.2　IPv4地址空间的耗尽　35
4.3　NAT：IPv4地址枯竭的一个(临时)解决方案　39
4.4　架构讨论　39
4.5　小结　41

第5章　路由　43
5.1　IP网络中的路由　43
5.1.1　IP路由和QoS　43
5.1.2　IP路由和网络可靠性　44
5.2　LLN中的路由特性　46
5.3　二层路由vs三层路由　48
5.4　小结　51

第6章　传输协议　53
6.1　UDP　53
6.1.1　尽力而为的数据报传送　53
6.1.2　UDP头　54
6.2　TCP　54
6.2.1　可靠的流传送　55
6.2.2　TCP头　56
6.2.3　TCP选项字段　57
6.2.4　往返时间估算　58
6.2.5　流量控制　58
6.2.6　拥塞控制　58
6.2.7　TCP状态　59
6.3　用于智能物件的UDP　61
6.4　用于智能物件的TCP　61
6.5　小结　62

第7章　服务发现　63
7.1　IP网络中的服务发现　63
7.2　服务发现协议　64
7.2.1　SLP　64
7.2.2　Zeroconf、Rendezvous和Bonjour　65
7.2.3　UPnP　66
7.3　小结　67

第8章　智能物件的安全性　69
8.1  安全的3个属性　69
8.1.1　保密性　70
8.1.2　完整性　70
8.1.3　可用性　70
8.2　通过隐匿实现安全　71
8.3　加密　71
8.4　智能物件的安全机制　73
8.4.1　智能物件的安全策略　73
8.4.2　链路层加密　74
8.5　IP体系架构上的安全机制　74
8.5.1　IPSec　74
8.5.2　TLS　75
8.6　小结　75

第9章　智能物件Web服务　77
9.1　Web服务基本概念　78
9.1.1　常见数据格式　79
9.1.2　表象化状态转变　80
9.2　智能物件Web服务的基本性能　82
9.2.1　实现的复杂度　83
9.2.2　性能　84
9.3　一个智能物件Web服务的例子——PACHUBE　86
9.3.1　交互模型　88
9.3.2　Pachube数据格式　88
9.3.3　HTTP请求　89
9.3.4　HTTP返回代码　89
9.3.5　验证和安全　90
9.3.6　触发器　90
9.4　小结　91

第10章　智能物件网络连接模型　93
10.1　引言　93
10.2　自治型智能物件网络模型　93
10.3　物联网　94
10.4　扩展Internet　94
10.5　小结　97

第2部分　技术

第11章　智能物件的硬件和软件　99
11.1　硬件　99
11.1.1　通信设备　100
11.1.2　微控制器　101
11.1.3　传感器与制动器　102
11.1.4　电源　103
11.1.5　展望：片上系统、印制电路和电子黏土　104
11.2　智能物件软件部分　105
11.2.1　智能物件的操作系统　106
11.2.2　多线程编程与事件驱动编程的比较　110
11.2.3　内存管理　112
11.2.4　展望：宏编程、Java　113
11.3　能量管理　114
11.3.1　无线能量管理机制　115
11.3.2　异步负载循环　116
11.3.3　同步负载循环　117
11.3.4　无线开启时间示例　118
11.4　小结　118

第12章　智能物件的通信机制　121
12.1　智能物件的通信模式　121
12.1.1　一对一通信　122
12.1.2　一对多通信　122
12.1.3　多对一通信　123
12.2　物理通信标准　124
12.3　IEEE 802.15.4标准　125
12.3.1　802.15.4地址　126
12.3.2　802.15.4物理层　127
12.3.3　媒体访问控制(MAC)层　128
12.3.4　802.15.4的帧格式　129
12.3.5　功耗　129
12.4　IEEE 802.11和Wi-Fi　130
12.4.1　网络拓扑和结构　131
12.4.2　物理层　131
12.4.3　媒体访问控制(MAC)层　132
12.4.4　低功耗Wi-Fi　133
12.5　电力线通信(PLC)　134
12.5.1　物理层　135
12.5.2　MAC层　135
12.5.3　功耗　135
12.6　小结　136

第13章　uIP——轻量的IP协议栈　137
13.1　运行原则　138
13.1.1　输入处理　139
13.1.2　输出处理　142
13.1.3　定期处理　143
13.1.4　数据分组转发　143
13.2　uIP内存缓冲器管理　143
13.3　uIP应用程序接口　144
13.4　uIP协议实现　146
13.4.1　IP分段重组　147
13.4.2　TCP　147
13.4.3　校验和计算　148
13.5　内存占用空间　148
13.6　小结　149

第14章　标准化　151
14.1　引言　151
14.2　IETF　151
14.2.1　IETF的目标　152
14.2.2　IETF组织结构　153
14.2.3　IETF标准化过程　153
14.2.4　IETF标准化过程　155
14.2.5　IAB　156
14.3　和智能物件IP有关的工作组　157
14.3.1　基于低功耗无线个域网的IPv6工作组　158
14.3.2　ROLL工作组　160
14.4　小结　163

第15章　智能物件网络中使用IPv6——技术复习　165
15.1　智能物件网络中使用IPv6？　165
15.2　IPv6包的头　166
15.2.1　IPv6固定的头　166
15.2.2　扩展头　167
15.2.3　逐跳选项头　168
15.2.4　路由头　168
15.2.5　分片头　169
15.2.6　目的地选项头　170
15.2.7　无下一个头　171
15.3　IPv6寻址架构　171
15.3.1　单播、任播和多播的概念　171
15.3.2　IPv6地址的表示　171
15.3.3　单播地址　172
15.3.4　任播地址　174
15.3.5　多播地址　174
15.4　IPv6中的ICMP协议　176
15.4.1　ICMPv6错误消息　176
15.4.2　ICMP信息消息　177
15.5　邻居发现协议　177
15.5.1　邻居请求消息　178
15.5.2　邻居通告消息　179
15.5.3　路由器通告消息　179
15.5.4　路由器请求消息　182
15.5.5　重定向消息　182
15.5.6　邻居不可到达检测(NUD)　182
15.6　负载平衡　183
15.7　IPv6自动配置　183
15.7.1　创建链路本地地址　183
15.7.2　无状态自动配置过程　184
15.7.3　IPv6中无状态地址自动配置的隐私扩展　186
15.8　DHCPv6　187
15.8.1　有状态自动配置　187
15.8.2　无状态DHCP　187
15.9　IPv6服务质量　188
15.9.1　Diffserv模型　188
15.9.2　IntServ模型　189
15.10　IPv4骨干网络上的IPv6　189
15.11　IPv6多播　191
15.12　小结　192

第16章　6LoWPAN适配层　193
16.1　术语　193
16.2　6LoWPAN适配层　194
16.2.1　网状寻址头　195
16.2.2　分片　197
16.2.3　6LoWPAN头压缩　198
16.2.4　无状态配置　207
16.3　小结　208

第17章　智能物件网络中的RPL路由　209
17.1　简介　209
17.2　什么是低功耗有损网络？　209
17.3　路由需求　210
17.4　智能物件网络中的路由度量　212
17.4.1　聚集路由度量与记录路由度量　213
17.4.2　本地度量与全局度量　213
17.4.3　路由度量/限制通用头　213
17.4.4　节点状态和属性目标　213
17.4.5　节点能源目标　214
17.4.6　跳数目标　214
17.4.7　吞吐量目标　214
17.4.8　延迟目标　214
17.4.9　链路可靠性目标　214
17.4.10　链路颜色属性　215
17.5　目标功能　215
17.6　RPL：为智能物件网络设计的新的路由协议　217
17.6.1　协议综述　217
17.6.2　多个DODAG的使用和RPL实例的概念　219
17.6.3　RPL消息　221
17.6.4　RPL DODAG创建过程　223
17.6.5　DODAG内部以及DODAG间的节点的移动　225
17.6.6　使用DAO消息沿着DODAG填充路由表　226
17.6.7　RPL中的回路避免和回路检测机制　229
17.6.8　全局和本地修复　231
17.6.9　RPL路由邻接性　234
17.6.10　RPL定时器管理　235
17.6.11　模拟结果　236
17.7　小结　241

第18章　IP智能物件联盟　243
18.1　IPSO联盟的任务和目标　243
18.2　IPSO联盟　244
18.3　IPSO联盟的关键活动之一：互通性测试　245
18.4　小结　247

第19章　非IP智能物件技术　249
19.1　ZigBee　249
19.1.1　ZigBee设备类型　250
19.1.2　ZigBee协议栈的分层　250
19.1.3　物理层和MAC层　251
19.1.4　网络层　251
19.1.5　应用支撑子层　252
19.1.6　应用框架层　252
19.1.7　网络设置　253
19.1.8　ZigBee正在向IP迁移　253
19.2　Z-Wave　254
19.3　小结　254

第3部分　应用

第20章　智能电网　255
20.1　简介　255
20.2　术语　259
20.3　核心网格监视和控制　259
20.3.1　应用案例1：二次变电站的监控　259
20.3.2　应用案例2：变电站状态检修　261
20.3.3　应用案例3：线路动态评分　262
20.3.4　技术特点与挑战　262
20.4　智能计量(NAN)　265
20.4.1　应用和案例　265
20.4.2　网络特征和技术挑战　266
20.5　HAN　267
20.5.1　应用和案例　267
20.5.2　网络特征和技术挑战　270
20.5.3　技术挑战的总结　271
20.6　小结　272

第21章　工业自动化　273
21.1　机遇　273
21.2　挑战　275
21.3　使用案例　276
21.3.1　状态监测　277
21.3.2　无线控制　278
21.3.3　移动办公　279
21.4　小结　280

第22章　智能城市与城市网络　281
22.1　介绍　281
22.2　城市环境监测　282
22.2.1　城市生态环境监测　282
22.2.2　自然灾害检测和预报　284
22.2.3　技术特点和挑战　285
22.3　社会性网络　286
22.3.1　基于Web的社会化网络服务的扩展　287
22.3.2　监测老人和孩子　288
22.3.3　技术特点和挑战　289
22.4　智能交通系统　290
22.4.1　交通监测和控制　291
22.4.2　自动收费/罚款系统　293
22.4.3　技术特点和挑战　294
22.5　小结　294

第23章　家庭自动化　297
23.1　简介　297
23.2　主要应用及案例　298
23.2.1　照明控制　298
23.2.2　安全性和保密性　298
23.2.3　舒适性和便捷性　299
23.2.4　能源管理　299
23.2.5　远程家庭管理　300
23.2.6　老年人生活自理与辅助　300
23.3　技术挑战和网络特征　300
23.3.1　拓扑类型和流量矩阵　301
23.3.2　设备数量　301
23.3.3　移动程度　301
23.3.4　健壮性和可靠性　301
23.3.5　服务质量的要求　302
23.3.6　电池操控　302
23.3.7　运行环境　302
23.3.8　安全性　302
23.3.9　安装和设置的简便性　303
23.4　小结　303

第24章　楼宇自动化　305
24.1　BAS参考模型　305
24.2　新兴楼宇自动化应用　306
24.2.1　入驻和撤离　307
24.2.2　能源管理　307
24.2.3　需求响应　307
24.2.4　防火防烟　307
24.2.5　疏散　308
24.3　现有楼宇自动化系统　308
24.4　楼宇自动化中传感器和制动器的特性　310
24.4.1　区域控制　311
24.4.2　片区控制　312
24.4.3　楼宇控制　312
24.5　新兴的基于智能物件的BAS　313
24.5.1　新兴的传感器、制动器和协议　313
24.5.2　基于IP的企业层协议　314
24.6　小结　314

第25章　建筑物健康监测　315
25.1　简介　315
25.2　主要应用和案例　317
25.3　技术挑战　318
25.3.1　自动配置　318
25.3.2　多播支持　318
25.3.3　路由　319
25.3.4　网络拓扑　319
25.3.5　网络可扩展性　319
25.3.6　移动性　319
25.3.7　链路和设备特性　319
25.3.8　流量特征　320
25.3.9　服务质量　320
25.3.10　安全　320
25.3.11　部署环境　320
25.4　数据采集与分析　320
25.5　未来的应用与展望　321
25.6　小结　321

第26章　集装箱跟踪　323
26.1　GE CommerceGuard　323
26.2　IBM Secure Trade Lane　325
26.3　小结　326

参考文献　327

  本文关键词：基于IP的物联网架构、技术与应用，由笔耕文化传播整理发布。