《物聯(lián)網(wǎng)工程導(dǎo)論》 課件 李世明 第3、4章　物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層

第3章物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層3.1物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層概述3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)3.3短距離無線通信技術(shù)3.4移動通信技術(shù)3.5NB-IoT技術(shù)3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)3.7本章小結(jié)第3章本章內(nèi)容什么是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層？物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層基本包含了目前所有的網(wǎng)絡(luò)形式。網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)。感知技術(shù)采集的數(shù)據(jù)需要傳輸給應(yīng)用層，或?qū)?shù)據(jù)向感知層傳輸，需要利用物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)完成傳輸操作。網(wǎng)絡(luò)層關(guān)鍵技術(shù)有互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動通信技術(shù)、短距離無線通信技術(shù)（藍(lán)牙、NFC、IEEE802.11、IEEE802.15.4、ZigBee、衛(wèi)星通信網(wǎng)等）、光通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、VPN虛擬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、WSN技術(shù)、總線技術(shù)（如CAN等技術(shù)）3.1概述計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)自從以互聯(lián)網(wǎng)為代表的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)已深深地植入人們的生活中。從最初的簡單局域網(wǎng)到互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)，從固定網(wǎng)到移動網(wǎng)，這其中滲透著人類的智慧。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)給用戶提供的最基本且重要的功能是連通性和共享性。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展規(guī)模及速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人們最初的預(yù)期。隨著各個領(lǐng)域新需求不斷被提出和新應(yīng)用不斷被推廣，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展具有顯著的階段性特征。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)第一階段的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可從20世紀(jì)50年代算起，人們在電子數(shù)字計算機(jī)問世后，自然會產(chǎn)生將計算機(jī)與通信技術(shù)結(jié)合的想法，加之當(dāng)時美國軍方的需要，促進(jìn)了計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究，并形成相關(guān)的理論基礎(chǔ)。

第二階段以20世紀(jì)60年代美國的ARPANET與分組交換技術(shù)為代表，同時奠定了互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)第三階段可從20世紀(jì)70年代中期開始，國際各計算機(jī)廠商紛紛研發(fā)和推廣自己的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

第四階段為計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展和應(yīng)用最活躍階段，它可從20世紀(jì)90年代算起，很多我們所熟悉的技術(shù)名詞都是這個階段的，如互聯(lián)網(wǎng)、三網(wǎng)融合、P2P網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、移動互聯(lián)網(wǎng)等。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的定義計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是指將分布在不同地理位置的具有獨(dú)立功能的多臺計算機(jī)及其外部設(shè)備，通過通信線路連接起來，在網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理軟件及網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的管理和協(xié)調(diào)下，實現(xiàn)資源共享和信息傳輸?shù)挠嬎銠C(jī)系統(tǒng)。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分類人們根據(jù)不同角度將計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分成不同的類別，如根據(jù)范圍的不同，可將計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分為個人區(qū)域網(wǎng)（PersonalAreaNetwork，PAN）、局域網(wǎng)（LocalAreaNetwork，LAN）、城域網(wǎng)（MetropolitanAreaNetwork，MAN）和廣域網(wǎng)（WideAreaNetwork，WAN）；根據(jù)使用者的不同，可將計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分為公用網(wǎng)（PublicNetwork）和專用網(wǎng)（PrivateNetwork）；根據(jù)傳輸介質(zhì)的不同，可將計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分為有線網(wǎng)和無線網(wǎng)等。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)性能（1）速率速率是指計算機(jī)在數(shù)字信道上每秒鐘傳輸?shù)谋忍財?shù)，也稱為數(shù)據(jù)率或比特率。

（2）帶寬帶寬是指某個信號具有的頻帶寬度。在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，帶寬用來表示網(wǎng)絡(luò)的通信線路在單位時間內(nèi)從某一點(diǎn)到另一點(diǎn)所能傳輸?shù)淖罡邤?shù)據(jù)率。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)性能（3）吞吐量吞吐量是指在單位時間內(nèi)通過某個網(wǎng)絡(luò)（或信道、接口）的實際數(shù)據(jù)通信量。（4）時延時延也叫作延遲或遲延，是描述計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)性能的重要指標(biāo)。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)由于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是個非常復(fù)雜的系統(tǒng)，為便于設(shè)計和實現(xiàn)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，其體系結(jié)構(gòu)的劃分多以分層次為基本思路進(jìn)行。1974年，美國的IBM推出著名的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)——系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)（SystemNetworkArchitecture，SNA）。1977年，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織成立了專門機(jī)構(gòu)來研究計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化問題，提出了著名的開放系統(tǒng)互連參考模型（OpenSystemInterconnectionReferenceModel，OSI-RM），簡稱OSI。OSI參考模型如圖3-1所示。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)圖3-1OSI參考模型3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)OSI的七層協(xié)議體系結(jié)構(gòu)在理論方面比較完整，概念比較清晰且邏輯性強(qiáng)，但其過于復(fù)雜的設(shè)計反而在應(yīng)用上不方便。因此，有人提出了TCP/IP參考模型。TCP/IP體系的四層結(jié)構(gòu)分別為網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層；其五層結(jié)構(gòu)分別為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層，上述兩種體系結(jié)構(gòu)模型及其與OSI參考模型的對應(yīng)關(guān)系如圖3-2所示。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)圖3-2OSI參考模型和TCP/IP參考模型

(a)OSI參考模型

(b)TCP/IP四層結(jié)構(gòu)模型

(c)TCP/IP五層結(jié)構(gòu)模型3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)層次功能由低到高的層次順序簡要介紹各層功能：（1）物理層物理層（PhysicalLayer）所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單位是比特（1或0），也就是說物理層的功能就是透明地傳輸比特流。（2）數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層（DataLinkLayer）介于物理層和網(wǎng)絡(luò)層之間，它在物理層提供的服務(wù)的基礎(chǔ)上向網(wǎng)絡(luò)層提供相鄰節(jié)點(diǎn)間透明、可靠的信息傳輸服務(wù)。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（3）網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層（NetworkLayer）的主要作用是將數(shù)據(jù)分成一定長度的分組，將分組從發(fā)送數(shù)據(jù)的源節(jié)點(diǎn)傳送到接收數(shù)據(jù)的目的節(jié)點(diǎn)。（4）傳輸層傳輸層（TransportLayer）提供了主機(jī)應(yīng)用程序進(jìn)程之間的端到端的服務(wù)，為上層用戶提供不依賴于具體網(wǎng)絡(luò)的高效的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（5）應(yīng)用層應(yīng)用層（ApplicationLayer）在OSI參考模型與TCP/IP參考模型中的最高層，為應(yīng)用程序提供服務(wù)以保證通信，但不是進(jìn)行通信的應(yīng)用程序本身。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)TCP/IP協(xié)議TCP/IP協(xié)議是互聯(lián)網(wǎng)上應(yīng)用的基礎(chǔ)協(xié)議，它由TCP（屬于傳輸層）協(xié)議和IP（屬于網(wǎng)絡(luò)層）協(xié)議共同組成，協(xié)調(diào)工作。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)IP協(xié)議IP是工作于OSI參考模型中的網(wǎng)絡(luò)層，為計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相互連接進(jìn)行通信而設(shè)計的協(xié)議。事實上，區(qū)別互聯(lián)網(wǎng)中不同的計算機(jī)主要依靠IP地址。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)IP地址有兩個標(biāo)準(zhǔn)：IPv4（InternetProtocolversion4）標(biāo)準(zhǔn)和IPv6（InternetProtocolversion6）標(biāo)準(zhǔn)。（1）IPv4標(biāo)準(zhǔn)已為我們所熟悉，而IPv6標(biāo)準(zhǔn)被稱作下一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，解決互聯(lián)網(wǎng)中IP地址緊缺的問題。（2）IPv6地址由128個二進(jìn)制位（16字節(jié)）組成，表示寫成8組十六進(jìn)制形式的無符號整數(shù)，每組整數(shù)間用冒號（:）分開，如一個合法的IPv6地址形式上應(yīng)為ACB2:0EC1:745B:35d0:10FF:7EDB:02AE:2CAF。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)TCP協(xié)議TCP是工作在傳輸層的重要協(xié)議，它能夠駐留在用戶計算機(jī)中并提供用戶進(jìn)程之間的可靠數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。（1）TCP報文結(jié)構(gòu)TCP實體間交換的協(xié)議數(shù)據(jù)單元稱為段（Segment），每個段由報文段頭部（簡稱報頭或報首）和數(shù)據(jù)兩部分組成，其中數(shù)據(jù)的長度受限于最大段的長度。TCP的報頭由一個20字節(jié)的固定頭部及可變長度的選項（若選用）組成，如圖3-3所示。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)圖3-3TCP段的頭（首）部結(jié)構(gòu)3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

1）源端口號/目的端口號：源端口號和目的端口號分別用于識別發(fā)送進(jìn)程和接收進(jìn)程。

2）TCP段的首字節(jié)序號：該序號指出TCP段的首字節(jié)序號。TCP提供的是字節(jié)流服務(wù)，故TCP段中的每字節(jié)都有一個序號。

3）確認(rèn)號：用于對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn)，表示接收方期待接收下一字節(jié)，并證明該序號之前的字節(jié)已全部正確收到。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

4）TCP報頭長度：指示TCP報頭的長度（以32bit為單位）。該字段的最大值為15，因此限制了TCP報頭最大長度為60字節(jié)，即選項最多為40字節(jié)。5）接收窗口大小：指示接收窗口大小。該字段用于流量控制，表示發(fā)送方從“確認(rèn)號”開始可以發(fā)送的字節(jié)數(shù)。6）檢查和：該字段與UDP中的檢查和字段用法相同，通過對TCP偽頭及TCP數(shù)據(jù)計算檢查和得到。2）TCP連接的建立。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

（2）TCP連接的建立為了能夠順利完成數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸，TCP在發(fā)送數(shù)據(jù)前需要在發(fā)送端和接收端之間建立一個可靠連接，其連接建立過程如圖3-4（a）所示。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)圖3-4（a）TCP連接建立過程 3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)這個連接是通過“三次握手”來建立的，建立過程如下。

1）主機(jī)A發(fā)送SYN=1且ACK=0的TCP段，給出自己的起始連接序號x。

2）主機(jī)B返回一個SYN=1且ACK=1的TCP段，給出自己的起始連接序號y并放入TCP段的首字節(jié)序號域中，對x進(jìn)行確認(rèn)。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

3）主機(jī)A發(fā)送SYN=0且ACK=1的TCP段，對y進(jìn)行確認(rèn)。

4）在以上的三次握手過程中，前兩個TCP段都使用了定時器，并在定時器超時后重發(fā)。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，需要對所建立的連接進(jìn)行釋放，以節(jié)省資源。TCP采用對稱釋放法來釋放連接，在釋放時，任何一方想要釋放連接，需要先行發(fā)送TCP段，這里以主機(jī)A發(fā)起釋放連接為例，具體過程如圖3-4（b）所示，過程如下。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)圖3-4（b）釋放TCP連接3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

1）主機(jī)A發(fā)送FIN=1的TCP段（稱為FIN報文段）；當(dāng)這個段被確認(rèn)后，這個方向的連接就釋放了。

2）主機(jī)B發(fā)送確認(rèn)信號，一個方向的連接釋放。

3）主機(jī)B發(fā)送FIN=1的TCP段。

4）主機(jī)A發(fā)送確認(rèn)信號，另一個方向的連接釋放。從上述過程中可以看出，TCP連接的釋放需要經(jīng)過4個階段。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

3）TCP流量控制TCP協(xié)議使用可變長度的滑動窗口進(jìn)行流量控制，在網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層上進(jìn)行擁塞控制。4）套接字接口為了允許應(yīng)用程序訪問傳輸層的服務(wù)，傳輸層必須向應(yīng)用程序提供應(yīng)用程序接口（ApplicationProgramInterface，API）。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

Socket是應(yīng)用層與TCP/IP協(xié)議族通信的中間軟件抽象層，是一組獨(dú)立于具體協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)編程接口。在TCP/IP參考模型中，Socket主要位于傳輸層和應(yīng)用層之間，把復(fù)雜的TCP/IP協(xié)議族隱藏在Socket接口后面，如圖3-5所示。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)圖3-5Socket在TCP/IP參考模型中的位置關(guān)系3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)一個完整的網(wǎng)絡(luò)通信需要一個五元組來標(biāo)識：協(xié)議、本地地址、本地端口號、遠(yuǎn)端地址、遠(yuǎn)端端口號。在C/S（客戶端/服務(wù)器）模式中，一個完整的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序包括客戶端（Client）和服務(wù)器（Server）兩部分，其中請求服務(wù)的一方稱為客戶，而提供某種服務(wù)的一方則稱為服務(wù)器。一個服務(wù)程序通常在一個眾所周知的地址監(jiān)聽對服務(wù)的請求，也就是說服務(wù)進(jìn)程一直處于休眠狀態(tài)，直到一個客戶對這個服務(wù)的地址提出了連接請求。在這個時刻，服務(wù)程序被“驚醒”并且為客戶提供服務(wù)，對客戶的請求做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)，客戶端/服務(wù)器的請求及響應(yīng)過程如圖3-6所示。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)圖3-6客戶端/服務(wù)器的請求及響應(yīng)過程3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)套接字是一個通信終節(jié)點(diǎn)，是Socket應(yīng)用程序用來在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送或接收數(shù)據(jù)包的對象。套接字的類型，與正在運(yùn)行的進(jìn)程相關(guān)聯(lián)，并且可以有名稱，套接字一般只與使用IP協(xié)議組的同一“通信域”中的其他套接字交換數(shù)據(jù)。套接字通信模型如圖3-7所示。圖3-7套接字通信模型3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)1）流式套接字。流式套接字（SOCK_STREAM）是基于TCP協(xié)議并提供沒有記錄邊界的數(shù)據(jù)流（字節(jié)流）。

2）數(shù)據(jù)報套接字。數(shù)據(jù)報套接字（SOCK_DGRAM）是基于UDP協(xié)議并支持面向記錄的數(shù)據(jù)流，但不能確保被送達(dá)，也無法確保數(shù)據(jù)包按發(fā)送的順序送達(dá)，但是可以保證一個特定的數(shù)據(jù)包只能被獲取一次。數(shù)據(jù)報套接字（無連接通信）的程序執(zhí)行過程如圖3-9所示。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)圖3-9數(shù)據(jù)報套接字（無連接通信）的程序執(zhí)行過程3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對于上述兩種套接字模式的使用，應(yīng)根據(jù)實際需求來選用。3.2互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)藍(lán)牙藍(lán)牙（Bluetooth）是一種常用的短距離無線通信技術(shù)，支持設(shè)備短距離、高數(shù)據(jù)率的無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球無線規(guī)范。截止到2023年1月，藍(lán)牙共有版本為V1.1/1.2/2.0/2.1/3.0/4.0/5.2/5.3。3.3短距無線通信技術(shù)藍(lán)牙3.0技術(shù)藍(lán)牙3.0的核心采用一種全新的交替射頻技術(shù)（AMP）。該技術(shù)能夠根據(jù)不同任務(wù)動態(tài)選擇射頻。藍(lán)牙3.0通過集成的“802.11PAL”（協(xié)議適應(yīng)層）使其數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到24Mbit/s（兆比特/秒）（實際是根據(jù)需要調(diào)用802.11Wi-Fi來實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)模?。這一速率是藍(lán)牙2.0的8倍，更加拓寬了藍(lán)牙3.0的應(yīng)用面。藍(lán)牙4.0技術(shù)與前面版本相比，藍(lán)牙4.0的改進(jìn)之處主要體現(xiàn)在3方面：電池續(xù)航時間、節(jié)能和設(shè)備種類。3.3短距無線通信技術(shù)藍(lán)牙5.2技術(shù)

該標(biāo)準(zhǔn)與前面版本相比信息更穩(wěn)定、抗干擾能力更強(qiáng)，同時安全性更高。目前，藍(lán)牙5.2主要應(yīng)用于共享單車、智能手機(jī)、平板電腦中。3.3短距無線通信技術(shù)ZigBee技術(shù)

ZigBee協(xié)議層從下到上分別為物理層（PHY）、介質(zhì)訪問控制層（MAC）、數(shù)據(jù)鏈路層（DLL）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用層規(guī)范（API）、應(yīng)用層（APL），如圖3-11所示。3.3短距無線通信技術(shù)圖3-11ZigBee協(xié)議框架3.3短距無線通信技術(shù)ZigBee的技術(shù)優(yōu)勢

（1）低速率ZigBee工作于2.4GHz的頻段，盡管速率能夠達(dá)到250Kbit/s，但真正速率不足100Kbit/s，不適合做傳輸視頻之類事情，但適合傳感和控制領(lǐng)域。

（2）短距離ZigBee相鄰節(jié)點(diǎn)之間傳輸距離一般為10～100m，在增加發(fā)射功率后也可增加到1km～3km。3.3短距無線通信技術(shù)

（3）低功耗ZigBee的優(yōu)勢之一就是低功耗，在節(jié)點(diǎn)不需要工作時能夠進(jìn)入休眠狀態(tài)，此時功耗可以低至正常工作狀態(tài)下的千分之一，兩節(jié)普通電池可以用到6個月到2年時間。

（4）低成本ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，且免收專利費(fèi)，成本低，適合大量部署。3.3短距無線通信技術(shù)（5）低時延ZigBee響應(yīng)快，一般從休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，而藍(lán)牙需要3～10s、Wi-Fi需要3s，節(jié)省了電能。

（6）高安全性ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用AES-128加密算法。3.3短距無線通信技術(shù)（7）網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大ZigBee采用星狀、樹狀和網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持254個節(jié)點(diǎn)，再通過協(xié)調(diào)器實現(xiàn)互相連接，一個區(qū)域最多可同時容納100個ZigBee網(wǎng)絡(luò)，理論上可容納65535個節(jié)點(diǎn)。3.3短距無線通信技術(shù)ZigBee技術(shù)的應(yīng)用ZigBee技術(shù)主要適用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中。具體如下。（1）工業(yè)、農(nóng)業(yè)和商業(yè)方面的信息監(jiān)視、傳感器、自動化控制等。（2）智能家居方面的電視、各類播放機(jī)、智能空調(diào)、智能衛(wèi)浴、門禁等。（3）個人健康監(jiān)護(hù)方面的患者監(jiān)護(hù)、醫(yī)生呼號等。（4）益智玩具和游戲等。（5）PC外圍設(shè)備方面的操作桿、鍵盤、鼠標(biāo)等。3.3短距無線通信技術(shù)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)2000年12月，電氣電子工程師學(xué)會（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers，IEEE）成立了IEEE802.15.4工作組，專門從事開發(fā)一套稱為無線個人局域網(wǎng)（WPAN）的短程無線通信標(biāo)準(zhǔn)。WPAN是一種與無線廣域網(wǎng)（WWAN）、無線城域網(wǎng)（WMAN）、無線局域網(wǎng)（WLAN）并列的個人局域網(wǎng)，但是它的覆蓋范圍相對較?。ㄒ话阍?0m半徑以內(nèi)），用于整個網(wǎng)絡(luò)末端或計算機(jī)周邊附屬設(shè)備之間的無線連接。3.3短距無線通信技術(shù)WPAN類型支持WPAN的技術(shù)包括藍(lán)牙、ZigBee、超頻波段（UWB）、IrDA等，其中藍(lán)牙技術(shù)在WPAN中使用得最廣泛。IEEE802.15工作組是對WPAN做出定義說明的機(jī)構(gòu)，它推薦了3種類型。

（1）基于藍(lán)牙技術(shù)的WPAN藍(lán)牙技術(shù)也是一種無線通信技術(shù)，用藍(lán)牙來連接設(shè)備形成個人局域網(wǎng)具有許多優(yōu)勢，如免費(fèi)、連接終端設(shè)備多、使用廣泛等。3.3短距無線通信技術(shù)

（2）基于高頻率的802.15.3標(biāo)準(zhǔn)的WPAN高頻率的802.15.3標(biāo)準(zhǔn)也稱為超頻波段或UWB，支持用于多媒體的介于20Mbit/s和1Gbit/s之間的數(shù)據(jù)傳輸速率。

（3）基于低頻率的802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的WPAN低頻率的802.15.4標(biāo)準(zhǔn)也稱為ZigBee，是針對低電壓和低成本家庭控制方案提供的低速率傳輸技術(shù)，同時具有低復(fù)雜度、低成本、低功耗等特點(diǎn)。3.3短距無線通信技術(shù)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)及其技術(shù)特點(diǎn)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖3-12所示。3.3短距無線通信技術(shù)圖3-12IEEE802.15.4模型3.3短距無線通信技術(shù)

（1）IEEE802.15.4的物理層IEEE802.15.4的物理層提供兩種無線通信頻率：868/915MHz和2.4GHz。

1）868/915MHz。868/915MHz物理層的數(shù)據(jù)傳輸速率分別為20Kbit/s和40Kbit/s。因為868/915MHz物理層使用簡單的DSSS技術(shù)，用低速率換取了較高的靈敏度和較大的覆蓋面積，從而減少了監(jiān)測區(qū)域部署的節(jié)點(diǎn)數(shù)。3.3短距無線通信技術(shù)

（2）2.4GHz。與868/915MHz物理層的數(shù)據(jù)傳輸速率相比，2.4GHz物理層具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，能夠達(dá)到250Kbit/s。2）IEEE802.15.4的介質(zhì)訪問控制層IEEE802.15.4的介質(zhì)訪問控制層（MAC）負(fù)責(zé)實現(xiàn)可靠性數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收和轉(zhuǎn)發(fā)，以及避免沖突等功能。3）IEEE802.15.4的網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層的功能是負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立、維護(hù)、命名、綁定等服務(wù)，協(xié)同完成尋址、路由及網(wǎng)絡(luò)安全等，并能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自組織和自維護(hù)。3.3短距無線通信技術(shù)4）IEEE802.15.4的應(yīng)用層應(yīng)用層主要完成某一應(yīng)用領(lǐng)域中的具體功能或業(yè)務(wù)，主要由最終制造商、應(yīng)用服務(wù)供應(yīng)商來完成。3.3短距無線通信技術(shù)IEEE802.15.4技術(shù)的應(yīng)用

IEEE802.15.4早期應(yīng)用于高端工業(yè)用戶中的工業(yè)控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控和樓宇自動化領(lǐng)域；隨著該技術(shù)低成本、低功耗和便于使用等技術(shù)優(yōu)勢而快速成長，后期轉(zhuǎn)向普通消費(fèi)者和家庭用戶，如家庭自動化、安全和交互式玩具等。3.3短距無線通信技術(shù)什么是移動通信？移動通信（MobileCommunication）是指通信中的一方或雙方處于運(yùn)動中的通信，即通信對象中至少有一方處于移動狀態(tài)中并進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。第一代至第四代移動通信技術(shù)歷史性較強(qiáng)，本書暫略，現(xiàn)從第五代移動通信技術(shù)開始介紹。3.4移動通信技術(shù)第五代移動通信技術(shù)第五代移動通信技術(shù)被人們稱為5G技術(shù)，是目前我國正在商用的主流技術(shù)，具有高傳輸速率、低時延、海量連接等特點(diǎn)，屬于目前的新一代技術(shù)。它主要具有如下特點(diǎn)。3.4移動通信技術(shù)高速傳輸速率5G傳輸速率可達(dá)到10Gbit/s～20Gbit/s，能夠完全滿足許多大數(shù)據(jù)量的傳輸，如高清視頻、各類大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等。低時延5G時延可低至1ms，完全滿足對實時性需求非常高的領(lǐng)域，如工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療手術(shù)等。3.4移動通信技術(shù)高連接數(shù)量級可每平方千米建立百萬個連接數(shù)量，尤其滿足萬物互聯(lián)時代的物聯(lián)網(wǎng)連接需求。強(qiáng)移動性5G技術(shù)可滿足每小時500km高速移動狀態(tài)下的通信，因此可應(yīng)用于中國高鐵，提高人們的生活指數(shù)。（中國5G、中國高鐵已成中國標(biāo)志，是中國人民的自豪。）高體驗速率用戶體驗速率達(dá)到100Mbit/s。3.4移動通信技術(shù)第六代移動通信技術(shù)當(dāng)5G技術(shù)正在如火如荼在社會應(yīng)用時，科技人員已經(jīng)開始第六代移動通信（6G）的研發(fā)，其傳輸速率將達(dá)到5G的100倍，理論速率約為每秒1TB。3.4移動通信技術(shù)衡量6G的關(guān)鍵指標(biāo)如下：（1）傳輸速率：達(dá)到100Gbit/s～1Tbit/s，約是5G的100倍。（2）定位精度：室內(nèi)達(dá)到10cm，室外達(dá)到1m，約是5G的10倍。（3）通信時延：0.1ms，約是5G的1/10。（4）連接數(shù)量：設(shè)備密度達(dá)到每立方米過百個，約每平方千米100億個連接，約是5G的10萬倍，密度驚人。（5）中斷率：小于百萬分之一，可靠性極高。3.4移動通信技術(shù)第六代移動通信技術(shù)低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）技術(shù)是為物聯(lián)網(wǎng)需求應(yīng)運(yùn)而“生”的。該技術(shù)設(shè)計在實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信功能的同時還能夠以低功耗、低速率方式運(yùn)行，大大延長該物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的使用壽命。低功耗廣域網(wǎng)應(yīng)用非常廣泛。

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）也被稱為低功耗廣域網(wǎng)，是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域新興的一項技術(shù)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)中以蜂窩方式完成數(shù)據(jù)連接，可直接用于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)向其他網(wǎng)絡(luò)的平滑升級，同時還能夠降低部署成本。3.5NB-IoT技術(shù)第六代移動通信技術(shù)目前，NB-IoT已經(jīng)成為萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個重要分支。NB-IoT受到用戶歡迎，是與它的特點(diǎn)分不開的。NB-IoT的特點(diǎn)如下。3.5NB-IoT技術(shù)低功耗

NB-IoT的功耗很低，如果使用AA（5000mAh）電池，那么NB-IoT終端模塊待機(jī)時間可以長達(dá)10年，完全可以滿足絕大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域系統(tǒng)生存時間的需求。低成本NB-IoT模塊成本更低，國內(nèi)模塊價格十幾元到幾十元不等（NB-IoT芯片價格更低），企業(yè)部署時完全可以根據(jù)模組功能、性能與品牌來選用。NB-IoT模塊如圖3-13所示。3.5NB-IoT技術(shù)圖3-13NB-IoT模塊3.5NB-IoT技術(shù)大連續(xù)

NB-IoT具備非常強(qiáng)的連接支撐能力，在一個200kHz扇區(qū)內(nèi)可容納10萬個連接，因此，其對低時延并不敏感。廣覆蓋在覆蓋能力方面，NB-IoT較GPRS增加20dB的信號增益，具備覆蓋面積廣、節(jié)點(diǎn)可移動等特性，能夠用于多種應(yīng)用領(lǐng)域。（如共享單車、野外跟蹤、室外設(shè)備監(jiān)控等）3.5NB-IoT技術(shù)什么是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)？工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、工業(yè)系統(tǒng)技術(shù)深度融合且應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)設(shè)施。本節(jié)將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為一個應(yīng)用背景，簡單介紹工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中用于網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的通信技術(shù)。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)工業(yè)現(xiàn)場總線概念與類型

工業(yè)現(xiàn)場總線是指能夠?qū)F(xiàn)場設(shè)備、工業(yè)過程控制單元等連接起來，實現(xiàn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場技術(shù)。星型現(xiàn)場總線星型現(xiàn)場總線用短距離、廉價、低速率電纜取代模擬信號傳輸線，星型現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)如圖3-14所示。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)圖3-14星型現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)總線型現(xiàn)場總線總線型現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)傳輸距離長、速率高，采用點(diǎn)-點(diǎn)、點(diǎn)-多點(diǎn)和廣播式通信方式，總線型現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)如圖3-15所示。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)圖3-15總線型現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)EIA-RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)

EIA-RS-485總線是工業(yè)領(lǐng)域中被廣泛采用的標(biāo)準(zhǔn)之一，它定義于OSI參考模型中的物理層。

EIA-RS-485總線采用多點(diǎn)互連，可以省掉許多信號線，非常方便地構(gòu)成分布式系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)采用雙絞線、同軸電纜或光纖，其布線簡單、穩(wěn)定可靠，并且網(wǎng)絡(luò)成本低廉。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)Modbus協(xié)議

它工作在OSI網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用層，可以實現(xiàn)控制器、網(wǎng)絡(luò)及其他設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信，支持RS-232、RS-485通信標(biāo)準(zhǔn)和以太網(wǎng)上的TCP/IP協(xié)議，該協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)及開放性使其支持更多的產(chǎn)品，具有實時性好、速率高、協(xié)議格式簡單等特點(diǎn)，已經(jīng)成為通用的工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)之一。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)CAN總線介紹

CAN總線通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光纖，通信速率可達(dá)1Mbit/s，符合ISO11898CAN標(biāo)準(zhǔn)，收發(fā)器、CAN控制器和微控制器3種器件分別對應(yīng)OSI參考模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。CAN總線比較容易加進(jìn)一些新節(jié)點(diǎn)而無須在硬件或軟件上進(jìn)行修改。CAN總線具有如下特點(diǎn)。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)（1）采用多主機(jī)工作方式，網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點(diǎn)均可以在任意時刻主動向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從關(guān)系，通信方式比較靈活。（2）網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)（信息）可分成不同的優(yōu)先級，可以滿足不同的實時需求。（3）采用非破壞性位仲裁總線結(jié)構(gòu)機(jī)制，當(dāng)兩個節(jié)點(diǎn)發(fā)生沖突時，優(yōu)先級低的節(jié)點(diǎn)要避讓優(yōu)先級高的節(jié)點(diǎn)，優(yōu)先級高者優(yōu)先發(fā)送數(shù)據(jù)。（4）采用點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)（成組）及全局廣播幾種傳送方式接收數(shù)據(jù)。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)（5）直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)6km（速率在10Kbit/s以下）。（6）通信速率最高可達(dá)1MB/s（此時距離最長30m）。（7）節(jié)點(diǎn)數(shù)實際可達(dá)110個。（8）采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個。（9）每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施，數(shù)據(jù)出錯率極低。（10）通信介質(zhì)可采用雙絞線、同軸電纜和光導(dǎo)纖維，一般采用廉價的雙絞線即可，無特殊要求。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)（11）節(jié)點(diǎn)在錯誤嚴(yán)重的情況下，具有自動關(guān)閉總線的功能，切斷它與總線的聯(lián)系，以使總線上的其他操作不受影響。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)PROFIBUS過程現(xiàn)場總線（PROFIBUS）是一種國際化、開放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。PROFIBUS由3個兼容部分組成。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)（1）PROFIBUS-DP分布式外圍設(shè)備過程現(xiàn)場總線（PROFIBUSDecentralizedPeriphery，PROFIBUS-DP）應(yīng)用于現(xiàn)場級。它是一種高速低成本通信技術(shù)（速率為9.6Kbit/s～12Mbit/s），用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式I/O之間的通信。（2）PROFIBUS-PA過程自動化過程現(xiàn)場總線（PROFIBUSProcessAutomation，PROFIBUS-PA）適用于過程自動化，可使傳感器和執(zhí)行器接在一根共用的總線上。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)（3）PROFIBUS-FMS過程現(xiàn)場總線信息規(guī)范（PROFIBUSFieldbusMessageSpecification，PROFIBUS-FMS）主要解決車間級通信問題，完成中等傳輸速率的循環(huán)或非循環(huán)數(shù)據(jù)交換任務(wù)，是令牌結(jié)構(gòu)的實時多主網(wǎng)絡(luò)，可用來完成控制器和智能現(xiàn)場設(shè)備之間的通信，以及控制器之間的信息交換。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)工業(yè)控制系統(tǒng)工業(yè)控制系統(tǒng)是指由計算機(jī)與工業(yè)過程控制部件組成的自動控制系統(tǒng)，除控制器、傳感器、傳送器、執(zhí)行器和I/O接口等部分外，還涉及控制軟件及各類協(xié)議，不同設(shè)備廠商、不同設(shè)備、不同需求及功能使得各協(xié)議之間的差別很大，加之各工業(yè)系統(tǒng)之間的“孤島”現(xiàn)象嚴(yán)重，使協(xié)議在類別、數(shù)量及兼容性等方面的表現(xiàn)差距更大?，F(xiàn)根據(jù)協(xié)議的使用領(lǐng)域列舉部分典型協(xié)議如下。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)（1）自動化通信類協(xié)議自動化發(fā)展歷史相對較悠久，協(xié)議數(shù)量巨大，如CC-Link、CAN、CANopen、ControlNet、DeviceNet、EtherCAT、EthernetPowerlink、EtherNet/IP、HoneywellSDS、HostLink、Modbus、Optomux、PieP、Profibus、PROFINETIO、SERCOSinterface等。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)（2）工業(yè)控制類協(xié)議

工業(yè)控制系統(tǒng)是工業(yè)系統(tǒng)中的重要部分，典型協(xié)議有OPC（OLEforProcessControl）協(xié)議（別名OPCDA、OPCUA），以及用于過程控制的OLE（ObjectLinkingandEmbedding）。協(xié)議設(shè)計的基本原理是相同的，差異性在于不同場景下協(xié)議功能需求、協(xié)議性能需求、協(xié)議實時性需求及兼容性等不同。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器是將一種信號轉(zhuǎn)換成另一種信號的裝置。轉(zhuǎn)換器從原理上可分為協(xié)議轉(zhuǎn)換器、接口轉(zhuǎn)換器兩大類；從應(yīng)用上又可以分光纖轉(zhuǎn)換器、光電轉(zhuǎn)換器、視頻轉(zhuǎn)換器等。目前，市場中已有多種相關(guān)產(chǎn)品面市，種類繁多，如圖3-16所示。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)圖3-16轉(zhuǎn)換器（a）RS-232轉(zhuǎn)CAN總線轉(zhuǎn)換器 （b）RS-422轉(zhuǎn)RS-485轉(zhuǎn)換器3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)典型現(xiàn)場總線應(yīng)用目前，國際上具有代表性的現(xiàn)場總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為PROFIBUS、EIA-RS-485總線、CAN總線與LONWORKS等。PROFIBUS可使分散式數(shù)字化控制器從現(xiàn)場底層到車間級實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，它應(yīng)用于智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字自動化等領(lǐng)域，并可同時實現(xiàn)集中控制、分散控制和混合控制3種方式。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)（1）現(xiàn)場設(shè)備層現(xiàn)場設(shè)備層的主要功能是連接現(xiàn)場設(shè)備，如分散式I/O、傳感器、驅(qū)動器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、開關(guān)設(shè)備等，能夠完成現(xiàn)場設(shè)備控制及設(shè)備間聯(lián)鎖控制。（2）車間監(jiān)控層對于車間級監(jiān)控通常需要設(shè)立車間監(jiān)控室，采用PROFIBUS-FMS傳輸大量信息。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)（3）工廠管理層工廠管理層利用內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)將車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)集中起來管理，相關(guān)操作員可通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)調(diào)度，也可將管理數(shù)據(jù)通過企業(yè)網(wǎng)絡(luò)送到其他服務(wù)器上。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)可編程邏輯控制器PLC主要應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)的環(huán)境中。但隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，PLC已成為一種典型的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的控制設(shè)備，并且它也可以獨(dú)立設(shè)置IP地址，可以當(dāng)成局域網(wǎng)中一個設(shè)備來使用。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)PLC的定義PLC是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)。國際電工委員會（IEC）對PLC的定義為：PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)PLC的發(fā)展和特點(diǎn)（1）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)PLC在電路設(shè)計、器件生產(chǎn)、抗干擾、故障自診斷等方面表現(xiàn)優(yōu)異，可靠性高，能夠適應(yīng)惡劣的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境（2）產(chǎn)品市場發(fā)展完善PLC經(jīng)過多年發(fā)展，其上下游市場發(fā)展非常完善，適用性極強(qiáng)，幾乎能夠滿足所有的控制要求，可以靈活使用。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)（3）簡單易學(xué)PLC作為面向工礦企業(yè)的設(shè)備，其接口和編程語言都非常簡單，方便操作人員學(xué)習(xí)和使用。設(shè)備維護(hù)也很方便，只需要修改程序即可，減少了大量線路連接工作。（4）體積小，功耗低PLC體積一般都很小，可以輕松裝入其他設(shè)備內(nèi)部，同時其功耗也非常低，一般只有數(shù)瓦。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)PLC的工作過程PLC的工作過程一般可分為3個主要階段：輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段，如圖3-17所示。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)圖3-17PLC的工作過程3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)（1）輸入采樣階段PLC以掃描方式將所有信號依次讀入輸入映像區(qū)中，這一過程稱為采樣。（2）程序執(zhí)行階段PLC按照一定的邏輯（如從上到下或從左到右）掃描每條指令，從輸入映像區(qū)讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行計算處理，再將執(zhí)行結(jié)果寫入輸出映像區(qū)暫存。（3）輸出刷新階段當(dāng)執(zhí)行完所有指令后，PLC將輸出映像區(qū)中的數(shù)據(jù)送到輸出鎖存器并驅(qū)動用戶設(shè)備。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)PLC常見產(chǎn)品介紹市場中的PLC產(chǎn)品較多，現(xiàn)以德國西門子（SIEMENS）的S7-300PLC系統(tǒng)為例進(jìn)行介紹，如圖3-18所示。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)圖3-18S7-3003.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)S7-300是一種模塊化的小型PLC系統(tǒng)，擁有優(yōu)越的性價比，已經(jīng)逐漸成為中小規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的理想選擇。S7-300的結(jié)構(gòu)與功能介紹如下。（1）電源PLC電源部件一般被封裝到PLC殼體內(nèi)部或以單獨(dú)電源模塊形式提供，其外接電源一般為AC220V，而內(nèi)部為+5V、+12V及+24V三種直流電源，它們分別為PLC的中央處理器、存儲器等的電路供電，能使PLC正常穩(wěn)定工作。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)（2）中央處理器中央處理器（CPU）在PLC中完成計算和控制功能，與傳統(tǒng)計算機(jī)的CPU相比，其種類很多，而且各種CPU的性能也不一樣。（3）存儲器S7-300的存儲器為存儲器卡或內(nèi)部集成的RAM；內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)是需要電池來保持的，這一點(diǎn)和計算機(jī)中的RAM是同一道理。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)（4）I/O單元S7-300的接口模塊（InterfaceModule，IM）用于配置連接主機(jī)架和擴(kuò)展機(jī)架，最多可以配置32個各類模塊。（5）擴(kuò)展接口PLC的擴(kuò)展接口可靈活配置各種擴(kuò)展單元、功能模塊以滿足不同控制系統(tǒng)的需要。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)（6）通信接口PLC配有多種通信接口來實現(xiàn)“人-機(jī)”或“機(jī)-機(jī)”之間的會話。通過這些通信接口，PLC可以與監(jiān)視器、打印機(jī)和其他的PLC或計算機(jī)相連接并實現(xiàn)通信功能。（7）信號模塊信號模塊是模擬量I/O模塊與數(shù)字量I/O模塊的總稱。它能使不同的過程信號電壓或電流與PLC內(nèi)部的信號電平相匹配。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)（8）編程器編程器的作用是為用戶提供程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視的功能，目前可以聯(lián)機(jī)編程或脫機(jī)編程，具備圖形顯示功能，可以直接輸入梯形圖和屏幕對話實現(xiàn)編程，也可以使用廠家配備的專用編程軟件來完成。3.6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)本章首先介紹了計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及其體系結(jié)構(gòu)、TCP/IP協(xié)議，以及藍(lán)牙、ZigBee技術(shù)、IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)等短距離無線通信技術(shù)，然后簡要介紹了移動通信技術(shù)、NB-IoT技術(shù)，最后介紹了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)。在實際物聯(lián)網(wǎng)項目中，往往采用多種通信技術(shù)以達(dá)到最理想的應(yīng)用效果。3.7本章小結(jié)第

4

章物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層4.1應(yīng)用層概述4.2云計算4.3數(shù)據(jù)處理與智能決策第4章本章內(nèi)容應(yīng)用層主要功能數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理是應(yīng)用層的基本功能。物聯(lián)網(wǎng)感知層采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)層被傳輸?shù)綉?yīng)用層后，會在數(shù)據(jù)中心（或數(shù)據(jù)服務(wù)器）上存儲起來供計算時使用。在傳輸及存儲過程中，數(shù)據(jù)自身是否經(jīng)過預(yù)先處理或篩選、傳輸過程及數(shù)據(jù)存儲是否經(jīng)過加密、大數(shù)據(jù)讀/寫速度是否滿足網(wǎng)絡(luò)需求、如何挖掘數(shù)據(jù)中潛在的價值等，這都需要物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層具有高效、安全、可靠的數(shù)據(jù)處理能力。4.1應(yīng)用層概述智能決策

數(shù)據(jù)被存在數(shù)據(jù)中心后的最大價值是數(shù)據(jù)能夠被充分利用，并通過各種數(shù)據(jù)挖掘算法發(fā)現(xiàn)潛在的（或此前從未發(fā)現(xiàn)的）數(shù)據(jù)價值，并利用各種智能算法做出最優(yōu)決策或發(fā)揮最大價值，從而部分或者全部地代替人工操作。尤其是在自動化、工業(yè)生產(chǎn)、智慧交通、現(xiàn)代軍事戰(zhàn)爭中，這種智能決策技術(shù)能夠完成人類完成不好或完成不了的工作。4.1應(yīng)用層概述數(shù)據(jù)安全

數(shù)據(jù)的價值是無形的，甚至無法用金錢衡量，尤其是涉及民生、國家安全、金融、工業(yè)生產(chǎn)、人種基因等重要領(lǐng)域的數(shù)據(jù)，都需要通過各種安全技術(shù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全保護(hù)，防止敏感數(shù)據(jù)泄露或被惡意使用；當(dāng)科學(xué)研究中涉及此類數(shù)據(jù)時，都要預(yù)先對敏感數(shù)據(jù)進(jìn)行脫敏處理。4.1應(yīng)用層概述所謂數(shù)據(jù)脫敏處理，是指利用某種技術(shù)手段或方法將數(shù)據(jù)中需要保護(hù)或防止外泄的內(nèi)容替換成其他數(shù)據(jù)，最終達(dá)到保護(hù)真正敏感數(shù)據(jù)的目的。脫敏后，數(shù)據(jù)可以被正常使用而無須擔(dān)心外泄或被惡意使用。4.1應(yīng)用層概述隱私保護(hù)

隱私防護(hù)是指通過數(shù)據(jù)安全技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)實現(xiàn)對個人私密信息的數(shù)據(jù)進(jìn)行防護(hù)的手段，同時保證不影響合法用戶的正常使用或生活。隱私防護(hù)問題普遍存在于各個應(yīng)用領(lǐng)域中，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的隱私防護(hù)不僅涉及“人”，更涉及“物”，如傳感器位置信息、采集的真實數(shù)據(jù)、監(jiān)控視頻、軍事基地信息、人員身份信息、醫(yī)療數(shù)據(jù)等。

4.1應(yīng)用層概述應(yīng)用層主要特稱

多樣化

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用可以是智能家居、智能電網(wǎng)、智慧城市、智慧農(nóng)業(yè)、智慧交通等，幾乎覆蓋了社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的各行各業(yè)，核心是實現(xiàn)人與人、人與物、物與物之間的信息交換。在現(xiàn)實社會中，圍繞解決的不同問題及達(dá)到的目的會產(chǎn)生不同的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，因此物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的多樣化特征顯著，能夠更快、更好、更精準(zhǔn)、更高效地提供服務(wù)是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的現(xiàn)實意義之一。4.1應(yīng)用層概述規(guī)模化

數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶動了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也因此得到了更好的應(yīng)用，極大地促進(jìn)了行業(yè)的規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用涉及人與物之間數(shù)據(jù)交換、感知和傳輸海量數(shù)據(jù)，對產(chǎn)業(yè)發(fā)展及行業(yè)帶動作用明顯。因此，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的規(guī)?；菙?shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然結(jié)果。4.1應(yīng)用層概述大數(shù)據(jù)化

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中涉及很多傳感器，如溫濕度傳感器、圖像傳感器、振動傳感器等。這些傳感器每天要完成不同領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，如智慧醫(yī)療中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)、智慧農(nóng)業(yè)中第幾天各種植物及環(huán)境數(shù)據(jù)、智慧交通中每日交通情況及車輛拍照信息等。這些數(shù)據(jù)不僅種類繁雜，而且數(shù)量龐大。因此，如果采用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲技術(shù)來處理海量數(shù)據(jù)，很顯然在響應(yīng)時間上無法滿足數(shù)據(jù)查詢、更新、修改和刪除操作需求，大數(shù)據(jù)處理技術(shù)由此應(yīng)運(yùn)而生。4.1應(yīng)用層概述智能化

物聯(lián)網(wǎng)中產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)中蘊(yùn)藏巨大的潛在價值。因此，智能決策的意義是幫助人們尋找如何利用數(shù)據(jù)來挖掘潛在價值的有效路徑。因此，需要借助人工智能技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)來處理海量數(shù)據(jù)，并根據(jù)一定的算法及策略做出智能決策，供人們參考和使用。4.1應(yīng)用層概述安全化物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的價值具有無可比擬性，尤其在目前的數(shù)據(jù)時代，如何保證物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的安全性，防止被非法訪問、惡意操作或破壞，不僅涉及數(shù)據(jù)安全技術(shù)，還涉及大數(shù)據(jù)安全存儲、安全查詢等。尤其是在網(wǎng)絡(luò)攻擊行為常態(tài)下，如何保障物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)安全或物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全，是擺在人們面前的另一個緊迫問題。4.1應(yīng)用層概述應(yīng)用層關(guān)鍵技術(shù)

應(yīng)用層技術(shù)能夠?qū)邮栈虼鎯Φ母兄獢?shù)據(jù)進(jìn)行深度處理，如計算、決策、安全等，并形成滿足不同需求的各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用型服務(wù)，然后通過人機(jī)交互平臺或界面呈現(xiàn)給用戶。終端設(shè)計技術(shù)

終端設(shè)計技術(shù)主要包括手機(jī)終端、計算機(jī)終端、顯示系統(tǒng)、專用終端、I/O和人機(jī)工程等技術(shù)，也可以分為智能終端與非智能終端。前者計算能力較強(qiáng)，后者計算能力較弱。4.1應(yīng)用層概述應(yīng)用設(shè)計技術(shù)應(yīng)用設(shè)計技術(shù)主要分為行業(yè)類及專業(yè)類兩個方向的軟件應(yīng)用設(shè)計、系統(tǒng)建模、系統(tǒng)分析、SOA中間件等。行業(yè)類可以理解為通用型，主要面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的某個行業(yè)，如智慧農(nóng)業(yè)、智能電網(wǎng)等。專業(yè)類主要面向一些特定需求，如某種專用元器件的設(shè)計與制造等。4.1應(yīng)用層概述應(yīng)用支撐技術(shù)應(yīng)用支撐技術(shù)主要包括M2M平臺、媒體分析、分布式數(shù)據(jù)處理、云計算、人工智能、海量存儲、數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)挖掘、安全技術(shù)等技術(shù)。

應(yīng)用層技術(shù)涉及學(xué)科多、交叉性強(qiáng)，能夠為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的具體應(yīng)用提供應(yīng)用支撐平臺，具有支撐跨行業(yè)、跨應(yīng)用、跨系統(tǒng)的信息協(xié)同、共享、互通功能。

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)在行業(yè)應(yīng)用發(fā)展中價值體現(xiàn)之處，涉及軟件技術(shù)更多，需要面臨和解決的復(fù)雜問題具有多學(xué)科交叉性。4.1應(yīng)用層概述扎實的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)有利于問題建模和提高算法分析能力，熟練的專業(yè)知識和較強(qiáng)的專業(yè)能力有利于解決復(fù)雜的工程問題，強(qiáng)烈的安全意識能夠保障物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)從設(shè)計開始就融入安全技術(shù)，盡可能減少安全故障。4.1應(yīng)用層概述什么是云計算？云計算（CloudComputing）是分布式計算技術(shù)的一種，能夠?qū)⒋罅康木W(wǎng)絡(luò)資源納入統(tǒng)一管理和調(diào)度中，構(gòu)成一個龐大的計算資源池并向用戶提供按需服務(wù)。云計算網(wǎng)絡(luò)服務(wù)可以在極短時間內(nèi)處理海量信息，如同一臺“超級計算機(jī)”，具有高效、動態(tài)和大規(guī)模擴(kuò)展的資源處理能力。云計算還能夠?qū)Y源進(jìn)行實時、智能的管理和分析，因此常常被人們用來解決物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的“海量數(shù)據(jù)”。4.2云計算從另一個角度看，云計算同時作為一種新型服務(wù)方式，極大地促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)向新型商業(yè)模式方向的發(fā)展，受到了社會各界的高度重視。4.2云計算云計算概述云計算概念的提出最早可追溯到大規(guī)模分布式計算技術(shù)時期。實際上，早在20世紀(jì)90年代，人們在提出網(wǎng)格計算思想時就考慮到充分利用空閑CPU資源來建立分布式計算模式。云計算是指通過虛擬化技術(shù)將資源整合成龐大計算與存儲網(wǎng)絡(luò)，用戶只需一臺接入網(wǎng)絡(luò)的終端就能夠使用資源和服務(wù)。4.2云計算云計算的概念I(lǐng)BM對云計算的定義包含兩個含義：一是云計算基礎(chǔ)設(shè)施和應(yīng)用程序類似于計算機(jī)的操作系統(tǒng)；二是云計算的各類云計算應(yīng)用是在基礎(chǔ)設(shè)施上建立的。

美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）給出的定義為“云計算是一種提供便捷的通過互聯(lián)網(wǎng)訪問一個可定制的IT資源（包括網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲、應(yīng)用、服務(wù)）共享池能力的按使用量付費(fèi)模式，這些資源能夠快速部署，并只需要很少的管理工作或很少的與服務(wù)供應(yīng)商的交互”。該定義從用戶角度描述了云計算的使用特點(diǎn)。4.2云計算Gartner認(rèn)為云計算是一種使用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)并由IT使能而具有可擴(kuò)展性和彈性能力作為服務(wù)提供給多個外部用戶的計算方式。

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T31167—2014中云計算定義為“通過網(wǎng)絡(luò)訪問可擴(kuò)展的、靈活的物理或虛擬共享資源池，并可按需自助獲取和管理資源的模式”。國際標(biāo)準(zhǔn)ITU-TY.3500|ISE/IEC17788中云計算的定義為“云計算是一種通過網(wǎng)絡(luò)將可伸縮、彈性的共享物理和虛擬資源池以按需自服務(wù)的方式供應(yīng)和管理的模式?！?.2云計算此外，云計算又有狹義和廣義之分。狹義的云計算：云計算實際上是一種商業(yè)計算模型，能夠利用大量計算機(jī)的計算能力、存儲能力來完成計算任務(wù)，共享資源。廣義的云計算：云計算是指服務(wù)的交付和使用模式，可以通過網(wǎng)絡(luò)以按需、易擴(kuò)展的方式獲得所需服務(wù)。這種服務(wù)可以是基于互聯(lián)網(wǎng)的軟件服務(wù)、帶寬服務(wù)，也可以是任意其他的服務(wù)。

4.2云計算云計算的理解云計算的定義不僅僅局限于上述幾個描述。綜合來看，可以從技術(shù)和服務(wù)兩個角度理解云計算的本質(zhì)。

（1）從技術(shù)角度看云計算從技術(shù)角度來看，云計算可以理解為傳統(tǒng)計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)上融合發(fā)展的商業(yè)計算模型或商業(yè)實現(xiàn)，這些技術(shù)不限于網(wǎng)格計算（GridComputing）、并行計算（ParallelComputing）、分布式計算（DistributedComputing）、網(wǎng)絡(luò)存儲（NetworkStorage）、虛擬化（Virtualization）、負(fù)載均衡4.2云計算（LoadBalance）、效用計算（UtilityComputing）等。云計算利用高速互聯(lián)網(wǎng)的傳輸能力，將網(wǎng)絡(luò)上分布的計算、存儲、服務(wù)構(gòu)件、網(wǎng)絡(luò)軟件等資源集中到互聯(lián)網(wǎng)上的服務(wù)器集群中并形成統(tǒng)一的管理，按客戶的需要定制并分配計算資源，提供方便快捷的服務(wù)，實現(xiàn)與超級計算機(jī)同樣的效果。（2）從服務(wù)角度看云計算云計算是一種計算資源的新型利用模式，融合社交網(wǎng)絡(luò)、Web2.0技術(shù)、虛擬化、協(xié)同工作、搜索引擎等，利用高性能計算平臺對外提供商業(yè)服務(wù)。

4.2云計算云計算的特點(diǎn)和優(yōu)勢

（1）按需計費(fèi)服務(wù)云計算能夠在不需要或需要較少的云服務(wù)商人員參與的情況下，以多種計量方式提供服務(wù)，用戶可以根據(jù)自己的實際需要進(jìn)行按需購買計費(fèi)服務(wù)方式獲得所需的應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)存儲空間、網(wǎng)絡(luò)帶寬、計算能力等資源。云計算所提供的服務(wù)規(guī)模會根據(jù)需求自適應(yīng)動態(tài)變化以解決業(yè)務(wù)負(fù)載過重問題，而且將用戶業(yè)務(wù)與需求進(jìn)行關(guān)聯(lián)，最大限度地避免因服務(wù)器性能過載或冗余而導(dǎo)致的服務(wù)質(zhì)量下降或資源浪費(fèi)。4.2云計算同時，云計算也可監(jiān)控用戶對資源的使用量，并根據(jù)資源的使用情況對服務(wù)計費(fèi)。（2）泛在接入泛在接入（UbiquitousAccess）是云計算服務(wù)可以被廣泛訪問的能力。用戶通過標(biāo)準(zhǔn)接入機(jī)制來接入云計算平臺。例如，可利用各種終端（如臺式計算機(jī)、智能手機(jī)、筆記本電腦、平板電腦等），來實現(xiàn)不受時空限制的服務(wù)。4.2云計算（3）虛擬化云計算支持用戶不受空間位置限制來訪問云計算平臺上的應(yīng)用服務(wù)，訪問終端不限于臺式計算機(jī)、筆記本電腦或智能手機(jī)。

4.2云計算（4）資源池化云計算服務(wù)商能夠?qū)⒃瀑Y源（如計算資源、存儲資源、網(wǎng)絡(luò)資源等）動態(tài)分配給多個用戶使用。也就是說，用戶能夠使用云計算平臺采用虛擬化技術(shù)提供的共享資源，但卻不清楚這個資源的存儲位置、資源配置、管理與分配等情況。（5）彈性服務(wù)彈性（Elasticity）是一種能力。云計算平臺根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)時的狀態(tài)、條件或用戶根據(jù)需要提出的需求動態(tài)擴(kuò)展資源。

4.2云計算對用戶而言，仿佛可以不受速度、方式等限制來獲取或釋放云計算資源。

（6）數(shù)據(jù)海量云計算平臺中的數(shù)據(jù)量非常龐大，屬于海量數(shù)據(jù)以上級別。云計算中心往往采用分布式并行處理技術(shù)來解決在這些數(shù)據(jù)上的高性能計算和群組協(xié)作問題。

4.2云計算（7）低成本云計算的自動化集中管理模式有助于大量企業(yè)降低購買硬件及管理的費(fèi)用，用戶訪問云計算的終端也可以是廉價的設(shè)備，同時云計算提供軟件服務(wù)可以提升企業(yè)效率，實現(xiàn)低成本目的。4.2云計算（8）高可靠性云計算在數(shù)據(jù)備份及容錯方面提供安全保障服務(wù)，其可靠性高于本地計算機(jī)。（9）通用性在云計算平臺下，各項服務(wù)可以擴(kuò)展或演變出多種應(yīng)用。即使是同一個云計算，也可以同時支撐不同的應(yīng)用運(yùn)行。4.2云計算

（10）超大規(guī)模云計算的規(guī)模巨大，賦予用戶前所未有的計算能力。例如，Google云計算擁有100多萬臺服務(wù)器，Amazon、IBM、Microsoft等的云計算均擁有幾十萬臺服務(wù)器，普通企業(yè)私有云擁有的服務(wù)器也達(dá)到數(shù)百或上千臺。(11)高兼容性云計算能夠兼容不同配置和各類外設(shè)，包括操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，兼容性非常高，消除了特定設(shè)備的依賴性。

4.2云計算

（12）高可擴(kuò)展性云計算可將計算任務(wù)無縫地擴(kuò)展到大規(guī)模計算機(jī)集群上并可同時處理。云計算的規(guī)?？梢詣討B(tài)擴(kuò)充和縮小，滿足應(yīng)用和用戶規(guī)模增長的需要，在終端上實現(xiàn)泛在接入，因此其服務(wù)具有高可擴(kuò)展性。

4.2云計算云計算體系結(jié)構(gòu)云計算體系結(jié)構(gòu)模型

由于云計算技術(shù)還處于研究階段，目前還沒有一個統(tǒng)一的云計算體系結(jié)構(gòu)，不同的廠家提供出不同的解決方案?，F(xiàn)提供一種可供參考的云計算體系結(jié)構(gòu)模型，如圖4-1所示。4.2云計算

云計算體系結(jié)構(gòu)模型圖4-1云計算體系結(jié)構(gòu)模型4.2云計算在本模型中，云計算體系結(jié)構(gòu)分為物理資源層、資源池層、管理中間件層和SOA（Service-OrientedArchitecture，面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)）構(gòu)建層。

（1）物理資源層物理資源層包括計算機(jī)、存儲器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、數(shù)據(jù)庫和軟件等，它們構(gòu)成了云計算的硬件和軟件資源。（2）資源池層所謂資源池層，是指將大量相同類型的資源構(gòu)成同構(gòu)或接近同構(gòu)的資源集合，如計算資源池、數(shù)據(jù)資源池等。在構(gòu)建資源池時，更多情況是集成和管理物理資源。4.2云計算（3）管理中間件層管理中間件層實現(xiàn)資源管理、任務(wù)管理、用戶管理和安全管理，使資源能夠更加高效、安全地為應(yīng)用提供服務(wù)。1）資源管理負(fù)責(zé)均衡地使用云資源節(jié)點(diǎn)，檢測節(jié)點(diǎn)的故障并試圖恢復(fù)或屏蔽，并對資源的使用情況進(jìn)行監(jiān)視統(tǒng)計。

2）任務(wù)管理負(fù)責(zé)執(zhí)行用戶或者應(yīng)用提交的任務(wù)，包括映像部署和管理、任務(wù)調(diào)度、任務(wù)執(zhí)行、生命周期管理等。4.2云計算

3）用戶管理是實現(xiàn)云計算商業(yè)模式的一個必不可少的環(huán)節(jié)，包括提供用戶交互接口、管理和識別用戶身份、創(chuàng)建用戶程序的執(zhí)行環(huán)境、對用戶的使用進(jìn)行計費(fèi)等。

4）安全管理能夠保障云計算設(shè)施的整體安全，包括身份認(rèn)證、訪問授權(quán)、綜合防護(hù)和安全審計等。管理中間件層和資源池層是云計算技術(shù)的最關(guān)鍵部分。4.2云計算（4）SOA構(gòu)建層SOA構(gòu)建層是一個面向服務(wù)的技術(shù)架構(gòu)模型，能將云計算中的功能封裝成標(biāo)準(zhǔn)的Web服務(wù)，并通過服務(wù)定義良好的接口與契約聯(lián)系起來，并納入SOA體系內(nèi)管理和使用，包括服務(wù)接口、服務(wù)注冊、服務(wù)查找、服務(wù)訪問和服務(wù)工作流等。SOA構(gòu)建層的功能更多依靠外部設(shè)施實現(xiàn)。SOA與大多數(shù)通用的客戶端/服務(wù)器模型的不同之處在于，它著重強(qiáng)調(diào)軟件組件的松散耦合，并使用獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)接口。

4.2云計算接口采用中立的方式定義，獨(dú)立于具體實現(xiàn)服務(wù)的硬件平臺、操作系統(tǒng)和編程語言，這使得構(gòu)建在這樣的系統(tǒng)中的服務(wù)可以使用統(tǒng)一和標(biāo)準(zhǔn)的方式進(jìn)行通信，SOA架構(gòu)的系統(tǒng)能夠更加從容地面對業(yè)務(wù)的急劇變化。4.2云計算云計算架構(gòu)視圖

架構(gòu)是通過系統(tǒng)元素、元素間的關(guān)系，以及系統(tǒng)設(shè)計和進(jìn)化原則體現(xiàn)出來的一個系統(tǒng)在其環(huán)境中的基本概念或?qū)傩裕↖SO/IEC/IEEE42010：2011）。

（1）CCRA的架構(gòu)視圖云計算系統(tǒng)能采用視圖方法進(jìn)行描述，CCRA采用4個不同的視圖，即用戶視圖、功能視圖、實現(xiàn)視圖、部署視圖，如圖4-2所示。4.2云計算

不同架構(gòu)視圖之間的轉(zhuǎn)換圖4-2不同架構(gòu)視圖之間的轉(zhuǎn)換4.2云計算

1）用戶視圖：系統(tǒng)環(huán)境、參與方、云計算角色、云計算子角色和云計算活動。

2）功能視圖：支撐云計算活動的所需功能。

3）實現(xiàn)視圖：實現(xiàn)服務(wù)、基礎(chǔ)設(shè)施部件內(nèi)的云服務(wù)所需的功能。

4）部署視圖：基于已有或新增的基礎(chǔ)設(shè)施完成云服務(wù)功能的技術(shù)實現(xiàn)。

4.2云計算（2）CCRA的分層框架CCRA的分層框架包括四層和一個跨越各層的跨層功能集合，如圖4-3所示。4.2云計算CCRA的分層框架圖4-3CCRA的分層框架4.2云計算

1）用戶層。用戶層也是用戶接口。通過該接口，云服務(wù)用戶和云服務(wù)提供者及其云服務(wù)進(jìn)行交互，執(zhí)行與用戶相關(guān)的管理活動，監(jiān)控云服務(wù)。用戶層也可提供云服務(wù)輸出到另一個資源層的實例。

2）訪問層。訪問層提供對服務(wù)層能力進(jìn)行手動和自動訪問的通用接口。這些能力既包含服務(wù)能力，也包含管理能力和業(yè)務(wù)能力。

4.2云計算訪問層負(fù)責(zé)通過一種或多種訪問機(jī)制來展現(xiàn)云服務(wù)能力。例如，通過瀏覽器訪問一組Web頁面，或在安全通信的基礎(chǔ)上通過編程的方式訪問一組Web服務(wù)。訪問層的另一個職責(zé)是為云服務(wù)能力的訪問提供合適的安全功能。訪問層負(fù)責(zé)通過用戶證書來驗證用戶請求，以及驗證用戶是否被授權(quán)使用特定的能力。訪問層還負(fù)責(zé)在需要時進(jìn)行加密處理，并檢查請求的完整性。

4.2云計算訪問層還負(fù)責(zé)對來自用戶層（如提交給云服務(wù)提供者的服務(wù)請求）和流向用戶層的（如云服務(wù)的輸出）的流量實施QoS策略。訪問層將經(jīng)過驗證的請求傳遞給服務(wù)層組件。訪問層接收云服務(wù)用戶或云服務(wù)提供者的云服務(wù)消費(fèi)請求，并訪問云服務(wù)提供者的服務(wù)和資源。4.2云計算

3）服務(wù)層。服務(wù)層包含云服務(wù)提供者提供服務(wù)的實現(xiàn)過程。服務(wù)層包含和控制實現(xiàn)服務(wù)所需的軟件組件（但不包含底層的虛擬機(jī)監(jiān)控器、主機(jī)操作系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動程序等），并安排通過訪問層為用戶提供云服務(wù)。服務(wù)層的服務(wù)實現(xiàn)軟件依賴于資源層的可用能力來提供服務(wù)，并確保滿足服務(wù)的任何服務(wù)級別協(xié)議（ServiceLevelAgreement，SLA）需求。例如，通過使用充足的資源來提供服務(wù)和滿足SLA需求。4.2云計算

4）資源層。資源層駐留各類資源，包括數(shù)據(jù)中心通常使用的設(shè)備（服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、路由器、存儲設(shè)備等）和服務(wù)器上運(yùn)行的非云計算特有的軟件及其他設(shè)備（主機(jī)操作系統(tǒng)、虛擬機(jī)監(jiān)控器、設(shè)備驅(qū)動程序、通用系統(tǒng)管理軟件）。資源層也表示和提供云傳輸網(wǎng)絡(luò)功能。通過此功能，在云服務(wù)提供者和用戶之間、云服務(wù)提供者內(nèi)部、云服務(wù)提供者和對等云服務(wù)提供者之間可以實現(xiàn)底層的網(wǎng)絡(luò)連接。4.2云計算（5）跨層功能。跨層功能包括一系列與上述四層交互來提供支撐能力的功能組件，這些支撐能力包括但不限于運(yùn)營支撐系統(tǒng)能力（如運(yùn)行時管理、監(jiān)控、供應(yīng)和維護(hù)等）、業(yè)務(wù)支持系統(tǒng)能力（如產(chǎn)品分類、計費(fèi)和財務(wù)管理等）、安全系統(tǒng)能力（如認(rèn)證授權(quán)、審計、驗證、加密等）、集成能力（如連接不同組件以實現(xiàn)所需的功能），以及開發(fā)支撐能力（如服務(wù)和服務(wù)組件的創(chuàng)建、測試和生命周期管理等）。4.2云計算云計算關(guān)鍵技術(shù)云計算技術(shù)的應(yīng)用需要突破一些關(guān)鍵技術(shù)。在各種技術(shù)中，最基本的關(guān)鍵技術(shù)是云計算上的數(shù)據(jù)存儲和分布式的計算能力。4.2云計算數(shù)據(jù)存儲云存儲與傳統(tǒng)存儲技術(shù)不同，訪問的數(shù)據(jù)量及并發(fā)數(shù)量非常大，需要利用分布式存儲系統(tǒng)，實現(xiàn)提高云計算可用性、可靠性、吞吐率、傳輸速率和經(jīng)濟(jì)性的目的。數(shù)據(jù)存儲節(jié)點(diǎn)數(shù)量、數(shù)據(jù)可靠性、數(shù)據(jù)安全性、讀寫設(shè)備的吞吐率和網(wǎng)絡(luò)傳輸速率等都會影響云計算數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的發(fā)展。目前，典型技術(shù)有Google的非開源GFS（GoogleFileSystem）、Hadoop團(tuán)隊開發(fā)的HDFS（HadoopDistributedFileSystem）等。4.2云計算數(shù)據(jù)計算云計算整個系統(tǒng)類似一臺“超級計算機(jī)”。為了獲得“超級計算機(jī)”的計算能力和處理數(shù)據(jù)速度，云計算采用虛擬化技術(shù)來提高硬件資源和軟件資源的共享能力，力爭使用現(xiàn)在資源做更多的事情。4.2云計算虛擬化技術(shù)虛擬化是將計算機(jī)資源轉(zhuǎn)換為虛擬資源的過程，如服務(wù)器、存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、電源等。在虛擬化中，需要用虛擬軟件創(chuàng)建新的虛擬機(jī)（VirtualMachine，VM）。首先要分配物理計算機(jī)資源，然后安裝操作系統(tǒng)，再安裝所需的應(yīng)用軟件，在虛擬機(jī)上運(yùn)行操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件就像在物理計算機(jī)上運(yùn)行一樣。

虛擬化分為硬件虛擬化和軟件虛擬化，實際上就是對硬件資源和軟件資源進(jìn)行虛擬化。運(yùn)行虛擬化軟件的物理計算機(jī)稱為物理主機(jī)（PhysicalHost），其硬件由虛擬化軟件來訪問。4.2云計算這樣即使物理硬件不同，但在安裝虛擬化軟件后創(chuàng)建的虛擬機(jī)卻是相同的，此時再安裝任何軟件就會體現(xiàn)出與物理硬件的無關(guān)性。

虛擬化軟件也可以在一臺物理主機(jī)上虛擬出多臺虛擬機(jī)，這些虛擬機(jī)充分共享物理主機(jī)資源。如果需要備份虛擬機(jī)，可以通過復(fù)制虛擬機(jī)文件等方式來進(jìn)行備份。

市場中的虛擬化軟件較多，常見的虛擬化軟件或工具包括但不限于Xen、KVM、vSphere、ESXi、SunVirtualBox、MicrosoftHyper-V、IBMPowerVM、SunLDOMs、ParallelsOpenVZ等。4.2云計算1）XenXen是英國劍橋大學(xué)開發(fā)的一款基于X86架構(gòu)的開放源代碼虛擬機(jī)監(jiān)視器，通過“準(zhǔn)虛擬化”技術(shù)獲得高性能（如效能損失較少時可達(dá)到2%，最多時大約為8%，而其他使用完全虛擬化的效能損失最多時大約為20%），可以在一套物理硬件上虛擬出多臺虛擬機(jī)（或服務(wù)器）。每臺虛擬機(jī)可以安裝不同應(yīng)用，并且在不停機(jī)情況下實現(xiàn)多臺物理主機(jī)之間的實時遷移。4.2云計算該虛擬化技術(shù)以占用資源少、發(fā)展快、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)受到IBM、AMD、HP、RedHat和Novell等軟/硬件廠商的高度認(rèn)可和大力支持，已被國內(nèi)外眾多企事業(yè)用戶選用。Xen特別適用于服務(wù)器應(yīng)用整合，可有效節(jié)省運(yùn)營成本，提高設(shè)備利用率，最大化利用數(shù)據(jù)中心的IT基礎(chǔ)架構(gòu)，典型應(yīng)用案例為騰訊公司、寶馬集團(tuán)、云谷科技等通過NovellSUSELinuxEnterpriseServer中的Xen超虛擬化技術(shù)建立數(shù)據(jù)中心或管理平臺。目前，基于Xen的發(fā)行版產(chǎn)品如表4-1所示。4.2云計算基于Xen的發(fā)行版產(chǎn)品表4-1基于Xen的發(fā)行版產(chǎn)品4.2云計算2）KVM基于內(nèi)核的虛擬機(jī)（Kernel-basedVirtualMachine，KVM）是一種內(nèi)建于Linux中的開源虛擬化技術(shù)，屬于Linux的一部分。

它可將Linux轉(zhuǎn)變?yōu)樘摂M機(jī)監(jiān)控程序，使物理主機(jī)能夠運(yùn)行多個隔離的虛擬環(huán)境（虛擬客戶機(jī)或虛擬機(jī)）。KVM公布于2006年，在2007年以后發(fā)布的Linux版本中都含有KVM，安裝時需要將它安裝到支持虛擬化功能的X86物理主機(jī)上，然后加載主機(jī)內(nèi)核模塊、處理器相關(guān)模塊、一個模擬器，以及用戶想要安裝的程序。

4.2云計算3）vSpherevSphere是VMware公司推出的基于云計算的新一代數(shù)據(jù)中心虛擬化套件（也可以理解為云操作系統(tǒng)），提供了虛擬化云計算基礎(chǔ)架構(gòu)、高可用性、集中管理、監(jiān)控等一整套解決方案，虛擬化并匯總多個系統(tǒng)間的基礎(chǔ)物理硬件資源，同時為數(shù)據(jù)中心提供大量虛擬資源。vSphere組件之間的關(guān)系如圖4-4所示。

4.2云計算vSphere組件之間的關(guān)系圖4-4vSphere組件之間的關(guān)系4.2云計算（1）基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)包括從眾多離散服務(wù)器中聚合的虛擬計算資源、高效利用和管理的虛擬存儲器、虛擬環(huán)境中簡化并增強(qiáng)的虛擬網(wǎng)絡(luò)。（2）應(yīng)用程序服務(wù)可用于確保應(yīng)用程序的可用性、安全性和可擴(kuò)展性。（3）vCenterServer不僅為數(shù)據(jù)中心提供一個單一控制點(diǎn)，還提供基本的數(shù)據(jù)中心服務(wù)，如訪問控制、性能監(jiān)控和配置功能。

4.2云計算（4）客戶端用于訪問vSphere數(shù)據(jù)中心的終端，如vSphereClient或vSphereWebAccess（通過Web瀏覽器）等。隨著云計算應(yīng)用的普及，虛擬化軟件及工具也在不斷滿足新要求，用戶可根據(jù)實際需求、建設(shè)資本、維護(hù)與運(yùn)營等選擇不同產(chǎn)品。虛擬化技術(shù)保障了軟/硬件資源的共享與高效利用。4.2云計算云安全云計算作為一種新的計算模式，涉及數(shù)據(jù)的存儲、管理與處