基于云计算的物联网技术研究

基于云计算的物联网技术研究

于瑞玲著

◎

新华出版社

图书在版编目（CIP）数据

基于云计算的物联网技术研究/于瑞玲著.

北京:新华出版社,2020.11

ISBN978-7-5166-5499-6

Ⅰ.①基…Ⅱ.①于…Ⅲ.①云计算－应用－物联网－研究

Ⅳ.①TP393.4②TP18

中国版本图书馆CIP数据核字(2020)第219611号

基于云计算的物联网技术研究

作者:于瑞玲

责任编辑：董朝合封面设计：徐芳芳

出版发行：新华出版社

地址:北京石景山区京原路8号邮编：100040

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照排：博健文化

印刷：天津市国源印务有限公司

成品尺寸：185mm×260mm

印张：11.25字数：210千字

版次：2020年11月第一版印次：2020年11月第一次印刷

书号：ISBN978-7-5166-5499-6

定价：58.00元

版权所有，侵权必究。如有质量问题，请与印刷厂联系调换/p>

云计算和物联网是当今信息技术发展的两大亮点它们既有区别又有联系物联网

ꎬꎬꎮ

通过各种异质传感器采集物理世界的海量数据通过各类网络汇聚到云计算数据中心依

ꎬꎬ

靠云计算的强大处理能力对海量数据进行智能信息处理云计算是物联网发展的基石物

ꎮꎬ

联网为云计算提供丰富的数据来源二者相辅相成共同促进新形态信息技术发展在大数

ꎬꎮ

据时代二者的有机融合将进一步推动数据自身应用价值的挖掘与呈现促进信息产业爆

ꎬꎬ

发式发展

ꎮ

基于云计算的物联网技术研究一书在内容编排上共设置六章第一章是云计算与

«»:

物联网初探内容包括云计算及其优势分析物联网的产生与特征物联网产业发展研

ꎬ、、

究第二章探讨物联网体系架构及其关键技术主要包括物联网体系的标准化物联网感

ꎻꎬ、

知层技术物联网网络层通信技术物联网嵌入式系统技术物联网其他关键技术第三

、、、ꎻ

章基于云计算技术与数据加密设计视角研究云计算技术体系及其关键技术云计算标准

ꎬ、

及其布局云计算数据加密设计第四章对物联网与云计算技术的融合进行研究内容涉

、ꎻꎬ

及物联网与云计算的对比及其融合物联网云平台的构建及其使用模式第五章对云计算

、ꎻ

的物联网安全问题基于云计算的物联网新技术基于云计算的物联网融合开放技术架构

、、

进行全面分析第六章突出实践性探讨基于云计算的物联网智慧照明中的应用基于云

ꎻꎬ、

计算的物联网污染源监控系统设计基于云计算的物联网在智慧校园系统中的应用

、ꎮ

本书首先注重构建较为科学的知识结构论述云计算与物联网的相关知识其次重视

ꎬꎻ

循序渐进由浅入深力求以准确与严谨的文字进行表述本书在论述中尽可能贴近行

、ꎬꎮꎬ

业和产业发展的实际便于读者掌握

ꎬꎮ

笔者在撰写本书过程中秉持着科学性与实用性的原则对大数据与云计算进行了探索

ꎬ

研究由于笔者学术水平和种种客观条件的限制加之时间方面有些仓促本书所涉及内

ꎮꎬꎬ

容难免有疏漏与不够严谨之处希望各位读者和专家能够提出宝贵意见以待进一步修

ꎬꎬ

改使之更加完善

ꎬꎮ

作者

年月

２０２０１０

第一章云计算与物联网初探

ƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺ１

第一节云计算及其优势分析ƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺ

１

第二节物联网的产生与特征ƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺ

５

第三节物联网产业发展研究ƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺ

８

第二章物联网体系架构及其关键技术

ƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺ１２

第一节物联网体系的标准化概述ƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺ

１２

第二节物联网感知层技术ƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺ

１５

第三节物联网网络层通信技术ƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺ

２６

第四节物联网嵌入式系统技术ƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺ

５４

第五节物联网其他关键技术ƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺ

６１

第三章云计算技术与数据加密设计

ƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺ６６

第一节云计算技术体系及其关键技术ƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺ

６６

第二节云计算标准及其布局ƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺ

１００

第三节云计算数据加密设计ƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺ

１０２

第四章物联网与云计算技术的融合研究

ƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺ１２６

第一节物联网与云计算的对比及其融合探析ƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺ

１２６

第二节物联网云平台的构建及其使用模式ƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺ

１２７

１

第五章基于云计算的物联网安全问题与新技术探究

ƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺ１３０

第一节基于云计算的物联网安全问题探讨ƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺ

１３０

第二节基于云计算的物联网新技术探究ƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺ

１３３

第三节基于云计算的物联网融合开放技术架构探索ƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺ

１３６

第六章基于云计算的物联网技术多元化应用研究

ƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺ１３９

第一节基于云计算的物联网智慧照明中的应用ƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺ

１３９

第二节基于云计算的物联网污染源监控系统设计ƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺ

１５３

第三节基于云计算的物联网在智慧校园系统中的应用ƺƺƺƺƺƺƺƺƺ

１５９

参考文献

ƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺƺ１６３

２

第一节云计算及其优势分析

到目前为止云计算的概念还没有得到统一因此归纳为以下观点

ꎬꎬ:

一、分析师与分析机构对云计算概念的理解

云计算是通过互联网从集中的服务器交付个人应用文档处理和演示文

１.(Ｅ－ｍａｉｌ、

稿和商业应用销售管理客户服务和财务管理这些服务器共享资源如存储和处

)(、)ꎮ(

理能力通过共享资源能得到更有效的利用而成本也可以降低

)ꎬꎬꎬ８０％~９０％ꎮ

云计算是一个环境其中任何的资源都可以以服务的形式提供

２.ꎬＩＴꎮ

云计算使企业可以通过互联网从超大数据中心获得计算能力存储空间软件应

３.、、

用和数据客户只需在必要时为其使用的资源付费从而避免建立自己的数据中心并采购

ꎮꎬ

服务器和存储设备

ꎮ

二、厂商对云计算概念的理解ꎮ

ＩＴ

云计算是一种计算风格其基础是用公共或私有网络实现服务软件及处理能力

１.ꎬ、

的交付云计算的重点是用户体验核心是将计算服务的交付与底层技术相分离云计算

ꎮꎬꎮ

也是一种实现基础设施共享的方式利用资源池将公共或私有网络连接在一起为用户提供

ꎬ

服务

ＩＴꎮ

云计算把计算和数据分布在大量的分布式计算机上这使计算力和存储获得了很

２.ꎬ

强的可扩展能力并使用户可通过多种接入方式例如计算机手机等方便地接入网络

ꎬ(、)

获得应用和服务其重要特征是开放式的不会有一个企业能控制和垄断它

ꎮꎬꎮ

从云计算技术而言它也是虚拟化网格计算分布式计算并行计算效用计算

ꎬ、、、、、

１

自主计算负载均衡等传统计算机和网络技术发展融合的产物

、ꎮ

三、云计算的特征与分类

(一)云计算的特征

云计算的基本原理是令计算分布在大量的分布式计算机上而非本地计算机或远程服

ꎬ

务器中从而使得企业数据中心的运行与互联网相似云计算具备相当大的规模这些资

ꎬꎮꎮ

源使云能赋予用户前所未有的计算能力云计算主要的特征为以下方面

“”ꎮ:

第一基于互联网云计算通过把一台台服务器连接起来使服务器之间可以相互进

ꎬꎮꎬ

行数据传输数据就像网络上的云一样在不同的服务器之间飘同时通过网络

ꎬ“”ꎬ“”ꎬ

向用户提供服务

ꎮ

第二按需服务云的规模是可以动态伸缩的在使用云计算服务时用户所获

ꎬꎮ“”ꎮꎬ

得的计算机资源是按用户个性化需求增加或减少的然后根据使用的资源量进行付费

ꎬꎮ

第三资源池化资源池是对各种资源进行统一配置的一种配置机制从用户的角度

ꎬꎮꎮ

而言无须关心设备型号内部的复杂结构实现的方法和地理位置只需关心自己需要

ꎬ、、ꎬ

什么服务即可从资源管理者的角度而言最大的好处是资源池可以几乎无限地增减管

ꎮꎬꎬ

理调度资源十分便捷

、ꎮ

(二)云计算的分类

根据网络结构分类

１.

公有云公有云是为大众而建的所有入驻用户都称为租户公有云不仅同时支

(１)ꎮꎬꎮ

持多个租户而且一个租户离开其资源可以马上释放给下一个租户能够在大范围内实

ꎬꎬꎬ

现资源优化很多用户担心公有云的安全问题敏感行业大型用户需要慎重考虑但对

ꎮꎬ、ꎬ

于一般的中小型用户不管是数据泄露的风险还是停止服务的风险公有云都远远小于

ꎬꎬꎬ

自己架设机房

ꎮ

私有云私有云是为一个用户或一个企业单独使用而构建的因而能够提供对数

(２)ꎮꎬ

据安全性和服务质量的最有效控制私有云可由公司自己的机构或云供应商进行构

、ꎮＩＴ

建既可部署在企业数据中心的防火墙内又可以部署在一个安全的主机托管场所私有

ꎬꎬꎮ

云的核心属性是专有资源通常用于实现小范围内的资源优化

ꎬꎮ

混合云混合云是公有云和私有云的混合这种混合可以是计算的存储的也

(３)ꎮꎬ、ꎬ

２

可以两者兼而有之在公有云尚不完全成熟而私有云存在运维难部署实践周期长动

ꎮꎬ、、

态扩展难的现阶段混合云是一种较为理想的平滑过渡方式短时间内的市场占比将会大

ꎬꎬ

幅上升并且不混合是相对的混合是绝对的在未来即使自家的私有云不和公有云

ꎮꎬꎬꎮꎬ

混合也需要内部的数据和服务与外部的数据和服务不断进行调用并且还存在一种可

ꎬꎮ

能即大型用户把业务放在不同的公有云上

ꎬꎮ

根据服务类型分类

２.

基础设施即服务用户通过可以从完

(１)ＩａａＳ:(ＩｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｓａＳｅｒｖｉｃｅ)ꎮＩｎｔｅｒｎｅｔ

善的计算机基础设施中获得服务是把数据中心基础设施等硬件资源通过分

ꎮＩａａＳ、Ｗｅｂ

配给用户的商业模式

ꎮ

平台即服务实际上是指将软件研发的平台

(２)ＰａａＳ:(ＰｌａｔｆｏｒｍａｓａＳｅｒｖｉｃｅ)ꎮＰａａＳ

作为一种服务以的模式提交给用户因此也是模式的一种应用但

ꎬＳａａＳꎮꎬＰａａＳＳａａＳꎮ

是的出现可以加快的发展尤其是加快应用的开发速度服务使得

ꎬＰａａＳＳａａＳꎬＳａａＳꎮＰａａＳ

软件开发人员可以在不购买服务器等设备环境的情况下开发新的应用程序

ꎮ

软件即服务是一种通过提供软件的模

(３)ＳａａＳ:(ＳｏｆｔｗａｒｅａｓａＳｅｒｖｉｃｅ)ꎮＳａａＩｎｔｅｒｎｅｔ

式用户无须购买软件而是向供应商租用基于的软件来管理企业经营活动

ꎬꎬＷｅｂꎬꎮＳａａＳ

模式降低软件的使用成本尤其是大型软件的使用成本并且由于软件托管在服务商的服

ꎬꎬ

务器上减少了用户的管理维护成本可靠性也更高

ꎬꎬꎮ

四、云计算的演变与发展趋势

(一)云计算的演变

云计算由于得到国家高度重视和巨大的支持又有大公司的推动发展极为迅速云

ꎬꎬꎮ

计算的发展趋势从垂直走向整合云计算的范畴越来越广云计算是继大型计算机客户

ꎬꎮ、

机服务器之后的又一种巨变

/ꎮ

年以前是云计算的前期发展阶段在这段时间内并行计算网格计算和虚拟

２００６ꎬꎮꎬ、

化技术等云计算的相关技术各自发展

ꎮ

年是云计算技术的发展阶段随着云计算的不断发展各大厂商和大型

２００６—２００９ꎬꎮꎬ

互联网公司开始逐渐意识到云计算的发展前景并且将云计算用于自己公司的业务使得

ꎬꎬ

云计算技术体系逐渐完善

ꎮ

年至今是云计算飞速发展的阶段这一时期云计算得到了许多企业甚至政府

２０１０ꎬꎮꎬ

３

的高度关注使得云计算可以快速发展

ꎬꎮ

年中国政府将云计算产业列入国家重点培育和发展的战略性新兴产业

２０１０ꎬꎮ

年十二五国家战略性新兴产业发展规划出台将物联网和云计算工程

２０１２ꎬ«“”»ꎬ

作为中国十二五发展的二十项重点工程之一

“”ꎮ

年大数据首次出现在政府工作报告中

２０１４ꎬ“”«»ꎮ

年是云计算的政策大年相继出台多项有针对性的文件月国务院关于促

２０１５ꎬꎮ１ꎬ«

进云计算创新发展培育信息产业新业态的意见出台月中国制造出台

»ꎻ５ꎬ«２０２５»ꎻ７

月关于积极推进互联网行动的指导意见出台月促进大数据发展行动纲

ꎬ«“＋”»ꎻ９ꎬ«

要出台在中国制造中明确提出了围绕落实中国制造支持开发工

»ꎮ«２０２５»ꎬ“２０２５ꎬ

业大数据解决方案利用大数据培育发展制造业新业态开展工业大数据创新应用试点

ꎬꎬꎬ

同时促进大数据云计算工业互联网打印个性化定制等的融合集成推动制

ꎬ、、、３Ｄ、ꎬ

造模式变革和工业转型升级

”ꎮ

年中国第一的厂商阿里云收入亿元首次突破百亿同比增长

２０１７ꎬＩａａＳ１１１.６８ꎬꎬ

排名第三的金山云收入亿元同比增长在公有云市场的高速增长

１００％ꎻＩａａＳ１３.３３ꎬ８１％ꎮ

之下年浪潮信息净利润亿亿元同比增长金蝶国际云服

ꎬ２０１７ꎬ３.８７~４.７４ꎬ３５％~６５％ꎮ

务实现收入亿元同比增长云计算产业链龙头公司财报的超预期意味着云

５.６８ꎬ６６.５７％ꎮ

计算将得到更好的发展

ꎮ

年新一代信息技术正朝着深度融合的方向发展某项技术的发展普及可能推动

２０１９ꎬꎬ

另一项技术的突破而若干项技术的组合还将会产生显著的溢出效应其中以云

ꎬꎮꎬ“５Ｇ＋

计算人工智能的组合最具代表性三者彼此间紧密融合并释放出巨大能量同样的

＋”ꎬꎬꎮ

溢出效应还在其他地区和行业上演山东移动海尔华为依靠和云计算在空调工厂

ꎮ、、５Ｇ

中实现了机器设备故障的远程诊断远程排除远程代码修改远程维修指导等操作既

、、、ꎬ

节省了维护成本也实现了专家的技能复制解决了技术专家紧缺的难题

ꎬꎬꎮ

云计算确实给人们的生活带来极大的便利推动整个信息产业的发展与进步同时

ꎬꎮꎬ

云计算技术仍然存在一些尚未解决的技术性问题以及云安全问题随着科学信息技术的

ꎬꎮ

进一步发展云计算的技术性问题可以逐步解决云计算的应用将会越来越广泛

ꎬꎬꎮ

(二)云计算的未来发展

云计算的发展带动了整个产业链的发展对中国产业的发展产生了重要的影响

ꎬＩＴꎬ

主要涉及基础架构服务器存储器通信设备网络设备等中间件应用软件操

(、、、)、、、

４

作系统网络服务的规范和信息安全等在内的诸多领域云计算将开创领域全新的应

、ꎬＩＴ

用前景

ꎮ

云计算未来主要有两个发展方向发展更大规模的底层基础设施构建与应用程序

:①:

紧密结合的大规模底层基础设施使得其应用能够扩展到更大的规模创建更适应社会

ꎬꎻ②

发展的云计算应用软件通过构建新型的云计算应用软件在网络上提供更加丰富的用户

ꎬꎬ

体验概括地说云计算未来的发展将会体现在

ꎮꎬ:

走在前端的用户会放弃将基础设施作为资本性开支的做法取而代之的是将

(１)ＩＴꎬ

其中的一部分作为服务来购买此外云计算将应用程序从那些特定的架构中解放出来

ꎮꎬꎬ

构建服务

ꎮ

云计算已成为不可阻挡的发展趋势国家的信息安全也将面临严重的威胁必须

(２)ꎬꎬ

研发具有自主核心技术的云计算平台

ꎮ

云计算的发展必将对产业链产生重要的影响以发展的眼光而言云计算对中小

(３)ꎮꎬ

企业发展的影响巨大我国必须发展自己的云计算技术与系统

ꎬꎮ

对中小型企业而言由于自己投入资金建立数据中心成本太高回报率低所以采用

ꎬꎬꎬ

云计算的租用模式正好为中小型企业提供比较合适的解决方案对服务器存储等硬件厂

ꎮ、

商和软件提供商而言可以通过云计算这个平台更好地将自己的产品进行推广以获得更多

ꎬ

更好的市场机会目前云计算运营商们正在大力地快速地部署云计算如全国各地正在

ꎮ、ꎮ

兴建的数据中心由政府部门及旗下事业单位主导的超级数据中心将有望成为面向公众的

ꎬ

云计算主营运营商大型互联网公司托管服务商服务器提供商存储器等硬件提供

ꎮ、、、、

商软件平台提供商等将成为最具有潜力的云计算运营商

、ꎮ

云计算作为新一代产业浪潮的重要驱动将会对社会和经济的发展带来深远影响主

ꎬꎮ

要表现包括将推动中国信息技术设施的建设和信息化发展的进程将促进构建更大

:①ꎻ②

规模的生态系统推动产业的发展促进提升科技创新能力可以降低成本有

ꎬＩＴꎻ③ꎻ④ꎬ

助于绿色发展和节能减排

ＩＴꎮ

第二节物联网的产生与特征

一、物联网的产生背景

年月日在突尼斯举行的信息社会世界峰会上国际电信联盟

２００５１１１７ꎬ(ＷＳＩＳ)ꎬ

５

发布互联网报告物联网引出了物联网的概念介绍了物联网

(ＩＴＵ)«ＩＴＵ２００５:»ꎬ“”ꎬ

的特征相关的技术面临的挑战和未来的市场机遇物联网使人们在信息与通信技术的

、、ꎮ

世界里获得一个新的沟通维度将任何时间任何地点连接任何人扩展到连接任何物

ꎮ、ꎬ

品就形成了物联网

ꎬꎮ

年美国开启振兴经济计划物联网和新能源是该计划中的两大核心公司指

２００９ꎬꎮＩＢＭ

出技术与其他行业的深度融合是产业的未来工作详细来说就是各大物体如隧道

ＩＴＩＴꎮ、

电网供水系统油气管道公路大坝桥梁铁路建筑将会嵌入和装备感应器由

、、、、、、、ꎬ

此形成庞大的物联网公司在策略发布会上指出智慧理念如果能被植入到基础设

ꎮＩＢＭ“”

施建设中那么将会在短时间有力推动经济发展提高就业率进而搭建起一个智慧基础

ꎬ、ꎬ

设施平台该公司借助智慧地球理念希望打造出新一次的科技产业革命延续互

ꎮ“”ꎬ“

联网的科技浪潮物联网的发展将经历四个阶段年前制药零售物流等

”ꎮ:①２０１０ꎬ、、

领域与融合年全面实现物体互联年半智能化时

ＲＦＩＤꎻ②２０１０—２０１５ꎬꎻ③２０１５—２０２０ꎬ

代来临年后全智能化时代来临美国权威咨询机构曾预测人之间的通

ꎻ④２０２０ꎬꎮＦｏｒｒｅｓｔｅｒ

信业务和物之间的关联业务之间的比例将会达到所以物联网借助国家力量

１∶３０ꎬ“”ꎬ

在信息化和工业化两者融合的发展背景下将会深刻影响工业和其他行业的信息化并会成

ꎬ

为未来万亿级别的通信业务

ꎮ

二、物联网的定义

或者即所谓的物联网按字面意思理解物联

ＩｎｔｅｒｎｅｔｏｆＴｈｉｎｇｓ(ＩＯＴ)ＷｅｂｏｆＴｈｉｎｇｓꎬꎮ

网是物和物之间相互关联所织成的网络它包含两个层面的含义用户端可以接触到任

ꎬ:①

何物品物品之间能够进行通信并交换信息互联网是物联网的基础和关键物联网借

ꎬꎻ②ꎬ

助互联网进行拓展和发展

ꎮ

物联网并不吸纳所有的物物必须要满足条件包括要有数据收发装置和传输

“”ꎬ:①

通路要有一定的存储和计算功能要有专门的应用程序或操作系统要遵循标准

ꎻ②ꎻ③ꎻ④

的网络通信协议要有可被识别的唯一编码

ꎻ⑤ꎮ

只有满足以上条件的物才能够提供或使用物联网相关服务进行物体之间或者物

“”ꎬ

体与人之间的信息交换

ꎮ

从狭义范围而言物联网指的是借助各种信息传感设备如全球定位系统射频识别

ꎬ、

激光扫描器红外感应器按照预先约定借助互联网使物与物进行连接进而

(ＲＦＩＤ)、、ꎬꎬ

通信和交换信息实现跟踪定位管理识别监控的全面智能化互联网和一切物

、、、、ꎮ“