《物联网简介》PPT课件.ppt

物联网简介,清华大学计算机系,3,提纲,物联网的提出 常见应用场景 无线传感器网络简介 物联网体系结构 物联网协议层次 硬件平台与操作系统 主要研究问题,4,提纲,物联网的提出 常见应用场景 无线传感器网络简介 物联网体系结构 物联网协议层次 硬件平台与操作系统 主要研究问题,5,物联网发展,1998,2004,2005,2008,2009-6,2009-8,2011,物联网的提出,U-Korea 战略,IBM 提出“智慧地球”,感知中国,2009-9,物联网行动计划,近三分之一应用与物联网概念有关,首家以物联网为宣传语的通信企业,ITU 互联网报告2005：物联网,U-Japan 战略,6,物联网概念,1998，MIT的Kevin Ashton 首次提及 Internet of things 将RFID技术与传感器技术应用于日常物品中将会创建一个“物联网”，这项技术将带来人们对机器理解的新纪元 2005，ITU发表 报告 The Internet of Things 物联网是通过RFID和智能计算等技术实现全世界设备互连的网络 2008，欧委会的CERP-IOT工程给出新的物联网定义 物联网是物理和数字世界融合的网络，每个物理实体都有一个数字的身份；物体具有上下文感知能力他们可以感知、沟通与互动。他们对待物理事件进行即时反映，对物理实体的信息进行即时传送；使得实时作出决定成为可能 Wikipedia(网络维基百科全书) 所谓“物联网”（Internet of Things），指的是将各种信息传感设备，如射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络,7,RFID,RFID (Radio Frequency Identification) 射频识别 RFID标签俗称电子标签，也称应答器（tag, transponder, responder），根据工作方式可分为主动式（有源）和被动式（无源）两大类 RFID-SIM,8,物联网概念,2009年8月7日，温家宝总理到中科院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心考察，提出建设“感知中国”中心 2009年11月13日，国务院正式批准同意支持无锡建设国家传感网创新示范区（国家传感信息中心） 2010年政府工作报告中对物联网的定义：是指通过信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。它是在互联网基础上延伸和扩展的网络,9,物联网概念,通过信息传感设备，按照约定的协议 把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯 实现智能识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络,10,技术需求,体系结构,能量自供,设备小型化,资源自治,数以亿计的智能设备，将导致海量的数据传输和存储，需要我们重新审视现有的网络体系和存储结构,当前技术仍不足以解决智能设备的能量受限问题，需要设计低能耗芯片，甚至能够自供能量的设备,系统复杂性的显著增加，使得维护和管理更加困难，需要系统资源具有自配置，自管理和自恢复等功能,智能设备广泛应用，嵌入到各种物体上，需要智能设备更加小型化，向单晶体管实现智能设备目标迈进,11,提纲,物联网的提出 常见应用场景 物联网体系结构 物联网协议层次 硬件平台与操作系统 主要研究问题,12,物联网生产线,13,物流,自动化仓库 自动检测物品的出入，向供货商自动发送订单 自动化运输 物品上的电子标签根据后台系统信息，自动选择合适路径 供应链商业模式变化 用户直接通过物联网向商品本身发订单。用户不在是向一个生产商定购大宗的商品，而是按照用户的订单顺序从不同的生产商购买商品,14,智能家居,海尔“智慧之家”超出了单个产品的局限，从客厅到厨房，从黑电到白电，从生活电器到电脑和手机等移动终端，都不再是一个个孤单的产品，而是一个互联互通、人性化、智能化的整体 一种未来的生活愿景身在外，家就在身边；回到家，世界就在眼前 智能家居，维持室内合适的温度和热水器水温，减少能源浪费，智能机器人自动完成清洁和维护等日常工作，房间的智能系统能学习主人的生活习惯，将室内环境调节为主人最适合的,15,智能交通,实时获取路况信息，监视和控制交通流量 可以实现车辆与网络相连，优化行车路线 可以无缝地检测、标识车辆并收取行驶费用,16,环境监测,“蓝藻湖泛智能监测预警及蓝藻打捞处理智能管理调度物联网系统” 蓝藻集聚的地点、集聚情况会自动发到打捞人员手机上，打捞船、车以及运藻船第一时间就会赶去处理 指挥控制室的大屏幕上，能看到采用太阳能板、安置传感芯片和摄像头的球状浮标，获悉该点的温度、pH值、氨氮等指标,17,医疗物联网,体内智能诊断设备，有助于疾病的早期诊断，增强康复效果 生物降解材料的智能设备，能够检测体内温度湿度，防止皮肤问题 新型个人医疗设备，使得病人在家即可接受医疗，远程医疗可避免昂贵路费，减少病人的压力 家庭中的智能设备，在老人出现意外时发出求助信号,18,机场防入侵系统,浦东国际机场防入侵系统铺设了3万多个传感节点，覆盖了地面、栅栏和低空探测，可防止人员的翻越、偷渡、恐怖袭击等攻击性入侵,19,路灯控制系统,济南园博园园区所有功能性照明都采用了ZigBee无线技术达成的无线路灯控制，节能环保,20,世博会门票,纸质门票 基于RFID技术，以无线方式与遍布园区的传感器交换信息 安全防伪，快速验票；跟踪查询，人员分流 手机门票 用户使用的RFID-SIM卡，是基于RFID技术，以手机SIM卡为载体实现的一种全新电子票 可直接购买附带门票信息的SIM卡，或通过网上下载写入SIM卡 “刷”手机即可入园,21,世博园便利店,每一盒在售的盒饭都被贴上一个薄薄的RFID电子标签，记录食品来源信息，增加食品安全，保障了消费者权益 收银员可以一次扫描数十盒盒饭，这大大缩短了顾客排队的时间，提高了供应链管理的效率，减少结账和查询设施开销，同时也有利于智能货架管理,22,提纲,物联网的提出 常见应用场景 无线传感器网络简介 物联网体系结构 物联网协议层次 硬件平台与操作系统 主要研究问题,概念与定义,微型智能网络化,传统,雷达,地震波,红外,温度,湿度,压力,光强度,速度,微机电系统,嵌入式系统,无线通信,微型,智能,网络,传感器,传感器,化学成分,23,传感器网络的技术特点,Embedded,Networked,Sensing,Control system w/ Small form factor Untethered nodes,Exploit collaborative Sensing, action,Tightly coupled to physical world,节点 微型化：嵌入物理世界 智能化：增强的数据处理 自治化：容错性 多样化：尽可能感知周围感兴趣的物质现象 网络 密集性：抵抗敌意和恶意破坏 灵活性：快速构建信息基础设施 自组织：鲁棒性 多跳性：低能耗,24,传感器网络的应用：军事（1）,非常适合应用在恶劣的战场环境 监控我军兵力、装备和物资 监视冲突区 侦察敌方地形和布防 定位攻击目标 评估损失 侦察和探测核、生物和化学攻击,撒“豆”成“兵”,25,传感器网络的应用：军事（2）,传感器网络在军事应用中的优势 分布节点中多角度和多方位信息的综合有效地提高了信噪比 低成本、高冗余的设计提供了较强的容错能力 节点与探测目标的近距离接触消除了环境噪声对系统性能的影响 节点中多种传感器的混合应用提高了探测的性能指标 多节点联合，形成覆盖面积较大的实时探测区域 个别移动节点对拓扑结构的调整有效消除了探测阴影和盲点,26,传感器网络的应用：商业,医疗保健 环境监测 灾难拯救,27,传感器网络的技术特点,28,面临的设计挑战,容错性 抵抗单点失效和有意破坏 扩展性 节点密度 一般应用：10； 环境监测：25 100；普适计算：100 生产成本 $ 1 10 硬件限制 体积小 携带能量有限，处理能力和存储能力有限,32,面临的设计挑战（2）,功率控制 能耗分析 发送/接受 监听/数据处理 低功耗网络协议的设计 MAC,Routing,Application 系统能量管理 TinyOS 能量管理 拓扑控制 可再生能源,33,传感器网络的研究内容,网络 自组织,嵌入式系统设计,数据存 贮与管理,传感器技术,短程 无线,协同探测,Sink 链路,网络体系结构,定位算法,移动控制,目标 辨识 算法,人机接口,拓扑控制,校准,网络 协议机制,系统能量 管理,时间同步机制,信息融合算法,传 感 器 网 络 研 究,传 感 器 网 络 应 用 系 统 研 究,安 全,覆盖与连通性,34,物理层和MAC层,可选物理层技术 短程无线通信(RF) TR3000, CC1000 Bluetooth 主从式 IEEE802.11 改进MAC,周期性侦听(SMAC) 公平性 IEEE802.15.4与ZigBee,35,路由,IPv4(IPv6)+MANET Routing DSR (Dynamic Source Routing) AODV (Ad hoc Demand Distance Vector, RFC 3561 ) TORA (Temporally Ordered Routing Algorithm,) OLSF (Optimized Link State Routing Protocol,RFC3536 ) 结论 部分研究项目在沿用 不是理想的选择：数据和应用为中心的目标,36,路由（2）,平面路由技术 Gossiping SPIN (Sensor Protocol for Information via Negotiation) SPIN-PP, SPIN-EC, SPIN-BC, SPIN-RL Directed Diffusion,37,时间同步,应用场景 数据融合 声波测距定位 低功耗MAC协议设计的需要 传统分布式系统应用的要求 可选机制 GPS NTP,40,定位机制与算法,全局定位(GPS)与局部定位(LPS) 全球定位系统（GPS） “北斗一号”双星定位 自身定位与目标定位 机制与算法 Range-based RSSI; TOA ; AOA Range-free 质心定位算法; 跳数距离定位算法； APIT算法,Anchor or Beacon,42,覆盖与连通性的理论模型,三种覆盖的定义 面覆盖，点覆盖，路径覆盖 确定性分布 随机性分布 K重覆盖的理论,43,无线传感器网络与物联网,无线传感器网络为物联网奠定了传感和监控的技术基础 物联网是广义联网的无线传感器网络 物联网不仅仅感知，还要做到控制 物联网面临更多的技术挑战，端到端寻址和路由，控制方法和模型，安全性，海量信息的高效处理模型等,44,45,提纲,物联网的提出 常见应用场景 无线传感器网络简介 物联网体系结构 物联网协议层次 硬件平台与操作系统 主要研究问题,46,物联网的架构,上层：互联网络 物联网的信息存储 物联网的计算决策 中层：泛在接入 无线网络（蜂窝、WiFi等） 有线网络 下层：物物网络 智能嵌入式设备 感知、标识和通信,47,物联网的拓扑,48,提纲,物联网的提出 常见应用场景 物联网体系结构 物联网协议层次 硬件平台与操作系统 主要研究问题,49,典型的协议栈,ZigBee/802.15.4 6LoWPAN ROLL Transport Layer CoRE,50,IEEE 802.15.4标准,目标：为在个人操作空间内相互连通的无线设备提供通信标准 IEEE 802.15任务组 TG1：制定IEEE 802.15.1标准（蓝牙无线个人区域网络标准）；中等速率、近距离的WPAN网络标准 TG2：制定IEEE 802.15.2标准，研究IEEE 802.15.1与IEEE 802.11（无线局域网标准）的共存问题 TG3：制定IEEE 802.15.3标准，研究高传输速率WPAN标准 TG4：制定IEEE 802.15.4标准，研究低速WPAN标准,51,IEEE 802.15.4标准的特征,20kbps、40kbps、100kbps、250kbps四种不同的传输速率 支持星型和点到点两种拓扑结构 在网络中采取两种地址方式：16位地址和64位地址 16位地址是有协调器分配的 64位地址是全球唯一的扩展地址 采用带冲突避免的载波侦听多路访问（Carrier sense multiple access with collision avoidance，CSMA-CA）的信道访问机制 支持ACK机制以保证可靠传输 低功耗机制，信道能量检测，链路质量指示,52,IEEE 802.15.4,IEEE 802.15.4标准网络：在一个POS内使用相同无线信道并通过IEEE 802.15.4标准相互通信的设备集合 全功能设备（FFD）和缩减功能设备（RFD） 协调器：与RFD相关联的FFD设备 PAN网络协调器：成员身份管理、链路信息管理、分组转发,53,IEEE 802.15.4 星型拓扑,星型拓扑结构,所有设备都与中心设备PAN网络协调器通讯 网络协调器持续供电，其他设备电池供电 适合家庭自动化、个人计算机外围设备、个人康护护理等小范围的室内应用,54,IEEE 802.15.4 点到点拓扑,点到点拓扑结构,任何两个设备之间都可以通讯 网络协调器负责管理链路状态信息、认证设备身份等功能 允许多跳路由的方式传输数据 适合于设备分布范围广的应用（工业检测与控制）,55,IEEE 802.15.4 超帧结构,以超帧为周期组织LR-WPAN内设备间的通讯 信标帧包含超帧将持续的时间以及对这段时间的分配等信息 超帧将时间划分为活跃和不活跃两个部分 不活跃阶段：设备进入休眠状态 活跃阶段：信标帧发送时段、竞争访问时段和非竞争访问时段；划分为16个等长时槽 CSMA-CA访问机制,56,ZigBee,ZigBee概述 ZigBee的协议结构 ZigBee的技术特点 ZigBee的网络拓扑,57,ZigBee概述,ZigBee是一种新兴的短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术 ZigBee依据IEEE 802.15.4标准，802.15.4的物理层采用直接序列展频技术。在MAC层主要沿用标准的CSMA/CA方式，以提高系统兼容性 可使用的频段有2.4GHz（全球ISM）、欧洲的868MHz频段、以及美国的915MHz频段，不同频段可使用的信道分别是16、1、10个 目前定义的主要应用领域包括电力、家庭和楼宇自动化、医用设备控制等,58,ZigBee的协议结构,ZigBee是一组基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的、有关组网、安全和应用软件方面的技术 IEEE 802.15.4仅处理MAC层和物理层协议，ZigBee联盟对网络层协议和API进行了标准化,59,星型,网状型,树型,网络协调器 全功能设备 (FFD Router) 精简功能设备 (RFD),ZigBee的网络拓扑,60,6LoWPAN,工作组介绍 协议报文转换适配层和帧格式 地址管理机制 Mesh网络下的多跳传输方法及路由 邻居发现协议 几种实现对比,61,IETF 6LoWPAN WG,IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks (6LoWPANs) IETF于2004.11正式成立6LoWPAN工作组，制订基于IPv6的低速无线个域网标准，旨在将IPv6引入以IEEE 802.15.4作为底层标准的无线个域网中 已制定出关于综述和协议适配的标准草案RFC4944和RFC4919，提出了一些关于报头压缩、邻居发现、安全、移动性管理等方面的草案,65,6LoWPAN,802.15.4物理层支持的最大帧长度是127字节，而IPv6的报头就占据了40字节，再加上MAC层报头，安全报头、传输层报头的长度，实际能够给应用层使用报文长度变得非常小 IPv6协议（RFC2460）中规定的MTU值最小是1280字节。如果链路层支持的MTU小于此值，则链路层需要自己负责分片和重组 6LowPan工作组为IEEE 802.15.4设计了一个适配层，把IPv6数据包适配到IEEE 802.15.4规定的物理层和链路层之上，支持报文分片和重组，同时6LowPan规定了IPv6报头的无状态压缩方法，减小IPv6协议带来的负荷,66,6LoWPAN,RFC 4919 describes the problems and goals RFC 4944 defines the frame format for transmission of IPv6 packets as well as the formation of IPv6 link-local addresses and statelessly autoconfigured addresses on top of 802.15.4 defines mechanisms for header compression required to make IPv6 practical on 802.15.4,67,6LoWPAN,报头压缩的主要原理是通过压缩编码省略掉报头中冗余的信息 版本号Version (4位): 在运行IPv6协议的网络中，此项可以省略 流类型Traffic class (8 位)：可以通过压缩编码压缩 流标识Flow label (20位)：可以通过压缩编码压缩 载荷长度Payload Length (16位)：可以省略，IP头长度可以通过MAC头中的载荷长度字段计算出来 Next Header (8位)：可以通过压缩编码压缩，假设下一个头是UDP, ICMP, TCP或者扩展头的某一种 Hop Limit (8位)：唯一不能够进行压缩的信息 Source Address(128位)：可以压缩，省略前缀Destination Address (128位)：可以压缩，省略前缀,68,6LoWPAN,协议栈结构,底层采用IEEE 802.15.4规定的PHY层和MAC层，网络层采用IPv6协议 IPv6中，MAC支持的载荷长度远大干6LoWPAN底层所能提供的载荷长度，为了实现MAC层与网络层的无缝链接， 6LoWPAN工作组建议在网络层和MAC层之间增加一个网络适配层，完成包头压缩、分片与重组以及网状路由转发等,6LoWPAN的优势,普及性 IP网络应用广泛，作为下一代互联网核心技术的IPv6，也在加速其普及的步伐，在LR-WPAN网络中使用IPv6更易于被接受 适用性 IP网络协议栈架构受到广泛的认可，LR-WPAN网络完全可以基于此架构进行简单、有效地开发 更多地址空间 IPv6应用于LR-WPAN最大亮点就是庞大的地址空间。这恰恰满足了部署大规模、高密度LR-WPAN网络设备的需要,69,6LoWPAN的优势,支持无状态自动地址配置 IPv6中当节点启动时，可以自动读取MAC地址，并根据相关规则配置好所需的IPv6地址。这个特性对传感器网络来说，非常具有吸引力，因为在大多数情况下，不可能对传感器节点配置用户界面，节点必须具备自动配置功能 易接入 LR-WPAN使用IPv6技术，更易于接入其他基于IP技术的网络及下一代互联网，使其可以充分利用IP网络的技术 易开发 目前基于IPv6的许多技术已比较成熟，并被广泛接受，针对LR-WPAN的特性对这些技术进行适当的精简和取舍，简化了协议开发的过程,70,71,6LoWPAN的关键技术,IPv6和IEEE 802.15.4的协调 IEEE 802.15.4帧不能封装完整的IPv6数据包。因此，要协调二者之间的关系，就要在网络层与MAC层之间引入适配层，用来完成分片和重组的功能 地址配置和地址管理 IPv6支持无状态地址自动配置，相对于有状态自动配置的来说，配置所需开销比较小，这正适合LR-WPAN设备特点。同时，由于LR-WPAN设备可能大量、密集地分布在人员比较难以到达的地方，实现无状态地址自动配置则更加重要,72,6LoWPAN的关键技术,网络管理 6LoWPAN倾向于在LR-WPAN上使用SNMPv3进行网络管理。但是，由于SNMP的初衷是管理基于IP的互联网，要想将其应用到硬件资源受限的LR-WPAN网络中。仍需要进一步调研和改进 安全问题 由于使用安全机制需要额外的处理和带宽资源，并不适合LR-WPAN设备，而IEEE802.15.4在链路层提供的AES安全机制又相对宽松，有待进一步加强，因此寻找一种适合LR-WPAN的安全机制就成为6LoWPAN研究的关键问题,73,6LoWPAN协议层次,74,协议栈的报文封装格式,75,6LoWPAN的几种实现对比,76,77,RoLL工作组介绍,RoLLRouting over Lossy and Low-power Networks 研究的问题：低功率损耗网络的路由问题 研究的目标：以IPv6为中心，修正现有的路由协议或创造一个新协议，使路由能够穿越复杂的基本链路层协议和数目巨大的物理媒体。以解决低功率设备由于干扰和移动性等因素容易丢包的现象,78,RoLL工作组介绍,应用场景的路由需求： 家庭自动化应用 Home Automation，RFC5826 工业控制应用 Industrial Control，RFC5673 城市应用 Urban Environment，RFC5548 楼宇自动化应用 Building Automation，RFC5867,工作思路,低功耗网络的路由协议： 分析传感器网络路由协议 draft-ietf-roll-routing-survey 研究路径选择的定量指标 draft-ietf-roll-routing-metrics 制定了RPL协议 draft-ietf-roll-rpl,79,RPL协议,含义,目标,通信模型,实现,RPL IPv6 Routing Protocol for Low power and Lossy Networks,能够适应种类繁多又复杂的松散网络蓝牙，低功率WiFi, 无线, 802.15.4或者有线低功率PLC,节点：交换距离向量构造一个有向无环DAG；DAG的根节点通过广播路由限制条件来过滤掉网络中的一些不满足条件的节点，然后节点通过路由度量来选择最优的路径,低功耗节点到主控设备的多点到点的通信，主控设备到多个低功耗节点的点到多点通信，以及低功耗节点之间点到点的通信,80,物联网路由,根据物联网的网络规模和通信状况，分为六种类型的网络，对于不同类型的网络分别考虑路由策略 SS-NCN：小规模非通信网络 SS-CN：小规模通信网络 MS-NCN：中规模非通信网络 MS-CN：中规模通信网络 BS-NCN：大规模非通信网络 BS-CN：大规模通信网络,81,标准TCP/IP协议栈,代码量大 Berkeley Linux中标准TCP/IP协议栈具有上万的代码量 开销大 物联网节点无法支持,82,uIP,uC/IP,TinyTCP,BSD,LwIP,By Geoffrey H. Cooper. Rewritten by Cyrus Patel (Johannes Gutenberg Universitaet).,TCP协议栈简化的示例,By Adam Dunkels (Swedish Institute of Computer Science, SICS).,By Adam Dunkels (Swedish Institute of Computer Science, SICS).,By Guy Lancaster (British Columbia Institute of Technology, The University of British Columbia).,83,uC/IP,描述 开源的TCP/IP协议栈，基于BSD，源代码用C编写 文档支持和软件升级管理不足 设计之初有操作系统针对性，基于uC/OS，现亦可移植到其它OS。 根据所需实现协议中使用CPU、编译器和系统的多少，代码量约30-60KB 特性 支持IP/TCP/UDP协议，可裁减 PPP，带身份验证和报头压缩 优化的单一请求/回复交互过程 uC/IP被设计为一个带最小化用户接口及可应用串行链路网络模块 版本 uC/IP version 1.0.3 (2002.1), uC/IP version 1.91, 其他提供下载的中文网站 资料 ,84,TinyTCP,描述 开源 TinyTCP是为烧入ROM设计的，且现在开始对大端结构有用（初始目标是68000芯片）。 TinyTCP协议栈包括一个FTP客户，一个简单的以太网驱动器用于3Com多总线卡。 特性 ie Packet Driver support, Ether IP, ARP/RARP, ICMP, UDP, TCP DHCP/BOOTP, DNS 不支持IGMP/multicast和调试 版本 16K tinytcp.zip C code 86K newer version 资料 ,85,LwIP,描述 开源的Light weight TCP/IP协议栈，基于BSD，源代码用C编写 在保持TCP协议主要功能的基础上减少对RAM的占用，只需几十KB的RAM和约40KB的ROM即可运行，适合在低端嵌入式系统中使用 特性 IP，包括多网络接口包转发 ICMP，用于网络维护和调试 UDP，包括实验性扩展 TCP，支持阻塞控制、RTT估算和快速恢复 DHCP、PPP、ARP Raw API以及可选的Berkeley-alike socket API 版本 lwip-1.4.0.rc1.zip 资料 /projects/lwip/ http:/www.sics.se/adam/lwip/,86,uIP,描述 开源的uIP TCP/IP协议栈，基于BSD ，源代码用C编写 专为8位和16位控制器设计，代码量非常小，几KB的ROM或几百字节RAM 特性 ARP, SLIP, IP, UDP, ICMP, TCP 支持多个并发的活动TCP连接，编译时可配置 支持多个监听的TCP连接，编译时可配置 TCP/IP包括流控、分片重组、重传超时估算 应用程序的范例有web server, web client, e-mail sender (SMTP client), Telnet server, DNS hostname resolver 版本 uip-1.0.tar.gz 资料 http:/www.sics.se/adam/uip/index.php/Main_Page,87,CoRE,CoRE介绍 Constrained RESTful Environments 资源受限IP网络情况如下： 包大小受限 较高的丢包率 设备随时断电 设备周期性唤醒 结点吞吐量有限、电量有限、内存受限 CoRE研究内容 CoRE提供一个面向IP网络资源受限的应用程序架构，这些应用程序可以操作一些简单资源,88,CoAP介绍,CoAP介绍 Constrained Application Protocol CoAP是一种RESTful转换协议，用在资源受限的网络以及m2m应用程序的节点，规定了对设备上资源的一些列操作（CRUD操作） CoAP协议特点 提供REST方法/响应的交互模型 转换成HTTP，便于网络的完整性，满足特殊的网络需求，如多播，低开销和受限环境的简单性 异步交互支持,89,CoAP介绍,CoAP应用 可用在资源受限网络中，也可用在传统IP网络中 使用范围： 相同受限网络中设备之间 相同网络中设备与普通节点间 不同的受限网络中设备间 可用于智能能源和建筑自动化中，如智能网格应用，智能家居等,90,CoAP结构,CoAP在协议栈中的位置及交互图,91,CoAP结构,CoAP协议可视为两层 CoAP Transactions层与UDP层交互，具有异步交互特性 CoAP REST层与Transactions层交互，有同步和异步两种方式。通过应用Method和Response代码实现,CoAP的抽象结构,92,协议层次小结,93,提纲,物联网的提出 常见应用场景 物联网体系结构 物联网协议层次 硬件平台与操作系统 主要研究问题,94,硬件平台,Crossbow专业套件,95,Crossbow专业套件,套件内容 6个传感器节点 （SN2040/SN9040/SN4040) 1个基站 （BU2400/BU900/BU400) 1个数据采集板 （MDA320) 1个USB编程板 （MIB520) 1个WSN套件CD,96,网络结构,97,传感器节点,处理器/射频板 IRIS模块支持低功耗的无线传感器网络测量系统。支持868/915 MHz、433 MHz和2.4GHz频段 传感器板 MTS400多传感器板 包含温度、湿度、大气压力和环境光等传感器 数据采集板 MDA320是一款高性能数据采集板，具有8通道16位ADC模拟输入,98,Crossbow IRIS, IEEE802.15.4/6LoWPAN协议 RF发送器 2.4-2.4835 GHz，全球兼容 的ISM波段 直接序列扩频技术，抗RF干 扰、数据隐蔽性好 250 kbps数据传输率 可运行TinyOS 1.1.7或更高版 本，包括Crossbow可靠的mesh 网络软件操作平台，也可以运行 Contiki2.4 即插即用，可连接Crossbow所 有传感器板、数据采集板、网关 和软件,99,基站,处理器/射频板 IRIS模块与USB PC网关接口成为基站。 USB PC接口板 MIB520具有USB接口，用于数据通信。 USB编程板 MIB520具有USB接口，用于数据通信。,100,监控软件,MoteView客户端 可绘制历史和实时的监测数据 提供拓扑图、数据输出功能、节点编程 提供对无线传感器网络发送命令,101,网络平台系统,网关 MIB520,网络协调器,节点设备,6LoWPAN 数据,演示管理,102,操作系统,TinyOS Contiki,103,TinyOS,特点,拥有专属的编程语言(NesC),开放源代码(遵循BSD协议),代码短小精悍,支持网络协议组件的替换,Task和Events管理并发进程,基于组件的软件工程建构,104,TinyOS 2.0 操作系统,事件驱动，基于组件 使用nesC编写 支持的平台：eyesIFXv2、intelmote2、mica2、 mica2dot、micaZ、telosb、tinynode、btnode3 nesC:使用C作为其基础语言，支持所有的C语言词法和语法 增加了组件（component）和接口（interface）的关键字定义 定义了接口及如何使用接口表达组件之间关系的方法 目前只支持组件的静态连接，不能实现动态连接和配置,105,TinyOS2.0 的任务,基本任务模型 ：基本任务模型中任务的原型声明如下： task void taskname（） 用户使用post关键字抛出任务，调用方式如下： result_t ret = post tastname（） 任务接口模型 ：任务接口扩展了任务的语法和语义。通常情况下，任务接口包含一个异步（async）的post命令和一个run事件，这些函数的具体声明由接口决定。 实例： Interface TaskParameter async error_t command postTask(uint16_t param); event void runTask(uint16_t param); 调用方式: call TaskParameter.postTask(34);/抛出任务,106,TinyOS2.0调度器,TinyOS的调度器实现了任务和事件的两级调度 任务之间不能互相抢占 ，底层硬件中断触发事件，事件能抢占任务，事件之间也能互相抢占。命令和事件都可以post任务。任务中也可以调用命令 TinyOS 2.x调度器被实现为一个TinyOS组件。调度器既支持最基本的任务模型，也支持任务接口模型，并且由调度器负责协调不同的任务类型,107,并发模型,TinyOS 一次仅执行一个程序。程序运行时，有两个执行线程：任务和事件。事件是由硬件中断触发的，事件之间可以互相抢占 任务之间不互相抢占，事件可抢占任务，事件也可互相抢占。可抢占运行的函数用async 标识，同步运行的函数用sync nesC的规则是：异步函数调用的命令和事件也必须是异步的。一个函数（命令或事件）不是异步就是同步（缺省）。接口的定义指明了命令和事件是异步还是同步 中断（异步函数）可以执行同步函数的唯一方法就是post一个任务 使用原子语句块来实现对临界数据的访问,TinyOS,System composed of concurrent FSM modules Single execution context Component model Frame (storage) Commands & event handlers Tasks (computation) Command & Event interface Easy migration across h/w -s/w boundary Two level scheduling structure Preemptive scheduling of event handlers Non-preemptive FIFO scheduling of tasks Compile time memory allocation NestC ,bit_cnt+,bit_cnt=8,Send Byte Event bit_cnt = 0,Done,No,Yes,Bit_Arrival_Event_Handler,State: bit_cnt,Start,108,Complete TinyOS Application,109,110,Contiki,Contiki是瑞典计算机科学研究所Adam Dunkels等人专为内存资源非常有限的嵌入式系统如网络传感器节点等开发的一个多任务操作系统 Contiki完全用C语言写成,源代码开放（遵循BSD协议）,支持网络互联,具有高度的移植性,代码量非常小,支持从8位微控制器构成的嵌入式系统到老式的8位家用电脑,111,Contiki,Contiki包括一个多任务核心、TCP/IP 、程序集以及低能耗的无线通讯堆栈 使用uIP协议栈实现本地TCP / IP协议,可以在直接相连的终端和通过网络相连的终端(如虚拟网络计算机和Telnet)上实现图形化界面系统,112,提纲,物联网的提出 常见应用场景 物联网体系结构 物联网协议层次 硬件平台与操作系统 主要研究问题,2010年973计划资助项目,物联网的基础理论与实践研究 首席科学家：刘海涛 中科院上海微系统与信息技术研究所 物联网基础理论和设计方法研究 首席科学家：赵伟 同济大学 物联网体系结构基础研究 首席科学家：马华东 北京邮电大学,113,114,物联网关联表征与体系架构研究,针对物联网的强关联性、非确定性、高混杂性等特征，围绕物联网关联模型、标识体系、安全架构与架构体系等开展研究，以建立物联网的基础理论和架构体系为目标，力争在物联网的关联模型、系统架构等方面取得相关的理论成果 研究内容： 物联网关联模型与表征 可扩展物联网标识体系 物联网安全架构 面向演进的物联网架构体系,115,物联网异构融合和自治机理研究,研究物联网的自治模型，以及场景察觉、资源配置和优化、自愈合和自保护等机理，研究物联网的自治子网间的协作管理和具有可增量部署特征的物联网的异构网络融合机制，形成物联网的自治理论和方法 研究内容： 物联网的自治模型 高混杂条件下物联网的场景觉察机理 非确定条件下物联网的自配置与优化机理 复杂动态场景下物联网的自愈合与自保护机理 自治子网间协作管理机理 可增量部署的物联网异构网络融合机制,116,物联网混杂信息融合与决策研究,围绕物联网信息融合与决策服务需求，以解决混杂条件下信息融合与决策、数据处理的隐私保护等问题为目标，研究物联网在信息采集、融合和决策控制等过程中信息的内在关联，对多源异构信息进行多层次汇聚、处理、融合和决策 研究内容： 物联网信息处理与服务模型 物联网混杂信息融合 物联网复杂关系链挖掘 物联网主动决策与互动控制 物联网数据处理的隐私保护,117,物联网可信软件设计理论与方法研究,基于物联网环境中连续世界与离散计算的结合性、实时性、可预测性、动态演化性等特征，建立物联网可信软件的设计方法及相应的推理机制，研究形式化描述方法和推理理论，为物联网可信软件系统分析与建模的研究提供数学模型和验证手段，支持物联网系统分析和验证 研究内容： 物联网可信软件设计方法 物联网可信软件推理理论 物联网可信软件建模方法 物联网可信软件分析与验证技术,118,物联网系统优化机理研究,在物联网自治管理、信息融合处理和软件设计的研究基础上，进一步从感知、传输、信息处理和决策控制等多个层次出发，研究物联网在非确定及混杂异构环境下的系统优化机理，通过运用解耦、博弈、约束优化等理论和技术，实现系统的物理、通信及计算等资源的优化利用，以达到系统性能的整体提升 研究内容： 面向可靠感知的物联网多级优化机制 物联网无线频谱的优化调度与分配机制 非确定环境下的物联网可靠数据传输机制 面向信息决策的物联网资源协同优化机制 物联网系统跨层优化机制,119,参考文献,1 L. Atzori, A. Iera and G. Morabito, “The Internet of Things: A survey,“ Computer Networks, vol. 54, no. 15, pp. 2787-2805, 2010. 2 J.W. Hui and D.E. Culler, “Extending IP to Low-Power, Wireless Personal Area Networks,“ IEEE Internet Computing, vol. 12, no. 4, 2008. 3 G. Kortuem, F. Kawsar, D. Fitton and V. Sundramoorthy, “Smart objects as building blocks for the Internet of things,“ IEEE Internet Computing, vol. 14, no. 1, 2010. 4 F. Thiesse, C. Floerkemeier, M. Harrison, F. Michahelles and C. Roduner, “Technology, Standards, and Real-World Deployments of the EPC Network,“ IEEE Internet Computing, vol. 13, no. 2, 2009. 5 M. Kranz, P. Holleis and A. Schmidt, “Embedded Interaction: Interacting with the Internet of Things,“ IEEE Internet Computing, vol. 14, no. 2, 2010. 6 E. Welbourne, L. Battle, G. Cole, K. Gould, K. Rector, S. Raymer, M. Balazinska and G. Borriello, “Building the Internet of Things Using RFID: The RFID Ecosystem Experience,“ IEEE Internet Computing, vol. 13, no. 3, 2009. 7 G. Broll, E. Rukzio, M. Paolucci, M. Wagner, A. Schmidt and H. Hussmann, “Perci: Pervasive Service Interaction with the Internet of Things,“ IEEE Internet Computing, vol. 13, no. 6, 2009. 8 J.W. Hui and D.E. Culler, “IPv6 in Low-Power Wireless Networks,“ Proceedings of the IEEE, vol. PP, no. 99, 2010. 9 K. Michael, G. Roussos, G.Q. Huang, A. Chattopadhyay, R. Gadh, B.S. Prabhu and P. Chu, “Planetary-Scale RFID Services in an Age of Uberveillance,“ Proceedings of the IEEE, vol. 98, no. 9, 2010. 10 J.W. Hui and D.E. Culler, “IP is Dead, Long Li