物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)：從云端到傳感器

第1章  物聯(lián)網(wǎng)故事 1
1.1  物聯(lián)網(wǎng)的歷史 4
1.2  物聯(lián)網(wǎng)的潛力 6
1.2.1  工業(yè)和制造業(yè) 9
1.2.2  消費(fèi)者 10
1.2.3  零售、金融和營(yíng)銷 11
1.2.4  醫(yī)療保健 11
1.2.5  運(yùn)輸和物流 12
1.2.6  農(nóng)業(yè)與環(huán)境 13
1.2.7  能源 13
1.2.8  智慧城市 14
1.2.9  政府和軍事 15
1.3  小結(jié) 15
第2章  物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)和核心物聯(lián)網(wǎng)模塊 17
2.1  物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng) 17
2.1.1  物聯(lián)網(wǎng)與機(jī)器對(duì)機(jī)器的對(duì)比 19
2.1.2  網(wǎng)絡(luò)的價(jià)值和梅特卡夫定律 19
2.1.3  物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu) 21
2.1.4  架構(gòu)師的角色 23
2.2  核心物聯(lián)網(wǎng)模塊 24
2.2.1  第1部分—傳感與電源 24
2.2.2  第2部分—數(shù)據(jù)通信 24
2.2.3  第3部分—互聯(lián)網(wǎng)路由和協(xié)議 25
2.2.4  第4部分—霧和邊緣計(jì)算、數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí) 26
2.2.5  第5部分—物聯(lián)網(wǎng)中的威脅和安全性 26
2.3  小結(jié) 27
第3章  傳感器、端點(diǎn)和電源系統(tǒng) 29
3.1  感應(yīng)裝置 29
3.1.1  熱電偶和溫度感應(yīng) 30
3.1.2  霍爾效應(yīng)傳感器和電流傳感器 32
3.1.3  光電傳感器 33
3.1.4  熱釋電紅外傳感器 34
3.1.5  激光雷達(dá)和有源傳感系統(tǒng) 35
3.1.6  微機(jī)電系統(tǒng)傳感器 37
3.2  智能物聯(lián)網(wǎng)終端 42
3.3  傳感器融合 44
3.4  輸入設(shè)備 45
3.5  輸出設(shè)備 45
3.6  功能示例 46
3.6.1  功能示例—德州儀器CC2650 SensorTag 46
3.6.2  傳感器到控制器 49
3.7  能源和電源管理 50
3.7.1  電源管理 51
3.7.2  能量收集 52
3.7.3  能源儲(chǔ)備 57
3.8  小結(jié) 62
第4章  通信與信息論 63
4.1  通信理論 64
4.1.1  射頻能量和理論范圍 64
4.1.2  射頻干擾 68
4.2  信息論 69
4.2.1  比特率限制和香農(nóng)-哈特利定理 70
4.2.2  誤碼率 74
4.2.3  窄帶與寬帶通信 76
4.3  無線電頻譜 79
4.4  小結(jié) 83
第5章  非基于IP的WPAN 85
5.1  無線個(gè)人局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn) 85
5.1.1  關(guān)于802.15標(biāo)準(zhǔn) 86
5.1.2  藍(lán)牙 87
5.1.3  關(guān)于IEEE 802.15.4 123
5.1.4  關(guān)于Zigbee 133
5.1.5  關(guān)于Z-Wave 143
5.2  小結(jié) 151
第6章  基于IP的WPAN和WLAN 153
6.1  互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議和傳輸控制協(xié)議 153
6.2  使用IP的WPAN—6LoWPAN 155
6.2.1  關(guān)于6LoWPAN拓?fù)?156
6.2.2  關(guān)于6LoWPAN協(xié)議棧 158
6.2.3  網(wǎng)格尋址和路由 159
6.2.4  報(bào)頭壓縮和分段 162
6.2.5  鄰居發(fā)現(xiàn) 164
6.2.6  關(guān)于6LoWPAN的安全性 166
6.3  使用IP的WPAN—Thread 166
6.3.1  Thread架構(gòu)和拓?fù)?167
6.3.2  Thread協(xié)議棧 169
6.3.3  Thread路由 170
6.3.4  Thread尋址 170
6.3.5  鄰居發(fā)現(xiàn) 171
6.4  IEEE 802.11協(xié)議和WLAN 171
6.4.1  IEEE 802.11協(xié)議套件和比較 172
6.4.2  IEEE 802.11架構(gòu) 174
6.4.3  IEEE 802.11頻譜分配 176
6.4.4  IEEE 802.11調(diào)制和編碼技術(shù) 179
6.4.5  IEEE 802.11 MIMO 183
6.4.6  IEEE 802.11數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu) 187
6.4.7  IEEE 802.11操作 190
6.4.8  IEEE 802.11安全性 191
6.4.9  IEEE 802.11ac 192
6.4.10  IEEE 802.11p 194
6.4.11  IEEE 802.11ah 197
6.5  小結(jié) 203
第7章  遠(yuǎn)距離通信系統(tǒng)和協(xié)議（WAN） 205
7.1  蜂窩連接 205
7.1.1  治理模型和標(biāo)準(zhǔn) 206
7.1.2  蜂窩接入技術(shù) 211
7.1.3  關(guān)于3GPP用戶設(shè)備類別 211
7.1.4  關(guān)于4G-LTE頻譜分配和頻段 213
7.1.5  關(guān)于4G-LTE拓?fù)浜图軜?gòu) 218
7.1.6  關(guān)于4G-LTE E-UTRAN協(xié)議棧 222
7.1.7  關(guān)于4G-LTE地理區(qū)域、數(shù)據(jù)流和切換過程 224
7.1.8  關(guān)于4G-LTE報(bào)文結(jié)構(gòu) 227
7.1.9  LTE Cat-0、Cat-1、Cat-M1和Cat-NB 228
7.1.10  5G 233
7.2  LoRa和LoRaWAN 239
7.2.1  LoRa物理層 240
7.2.2  LoRaWAN MAC層 241
7.2.3  LoRaWAN拓?fù)?243
7.2.4  LoRaWAN小結(jié) 245
7.3  Sigfox 246
7.3.1  Sigfox物理層 247
7.3.2  Sigfox MAC層 248
7.3.3  Sigfox協(xié)議棧 250
7.3.4  Sigfox拓?fù)?251
7.4  小結(jié) 253
第8章  路由器和網(wǎng)關(guān) 255
8.1  路由功能 255
8.1.1  網(wǎng)關(guān)功能 255
8.1.2  路由 256
8.1.3  故障轉(zhuǎn)移和帶外管理 259
8.1.4  虛擬局域網(wǎng) 260
8.1.5  虛擬專用網(wǎng) 262
8.1.6  流量整形和QoS 264
8.1.7  安全功能 266
8.1.8  指標(biāo)和分析 267
8.1.9  邊緣處理 267
8.2  軟件定義網(wǎng)絡(luò) 268
8.2.1  SDN架構(gòu) 269
8.2.2  傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò) 271
8.2.3  SDN的好處 272
8.3  小結(jié) 273
第9章  物聯(lián)網(wǎng)邊緣到云協(xié)議 275
9.1  協(xié)議 275
9.2  MQTT 277
9.2.1  MQTT發(fā)布-訂閱模型 278
9.2.2  MQTT架構(gòu)細(xì)節(jié) 280
9.2.3  MQTT封包結(jié)構(gòu) 282
9.2.4  MQTT通信格式 283
9.2.5  MQTT工作示例 286
9.3  MQTT-SN 289
9.3.1  MQTT-SN架構(gòu)和拓?fù)?289
9.3.2  透明和聚合網(wǎng)關(guān) 291
9.3.3  網(wǎng)關(guān)廣告和發(fā)現(xiàn) 292
9.3.4  MQTT和MQTT-SN之間的區(qū)別 292
9.4  受限應(yīng)用協(xié)議 293
9.4.1  CoAP架構(gòu)詳解 293
9.4.2  CoAP消息格式 297
9.4.3  CoAP用法示例 302
9.5  其他協(xié)議 304
9.5.1  STOMP 304
9.5.2  AMQP 304
9.6  有關(guān)協(xié)議的總結(jié)和比較 308
9.7  小結(jié) 308
第10章  云和霧拓?fù)?309
10.1  云服務(wù)模型 310
10.1.1  NaaS 311
10.1.2  SaaS 311
10.1.3  PaaS 311
10.1.4  IaaS 312
10.2  公共、私有和混合云 312
10.2.1  私有云 313
10.2.2  公共云 313
10.2.3  混合云 313
10.3  OpenStack云架構(gòu) 313
10.3.1  Keystone：身份和服務(wù)管理 315
10.3.2  Glance：鏡像服務(wù) 315
10.3.3  Nova計(jì)算 316
10.3.4  Swift：對(duì)象存儲(chǔ) 318
10.3.5  Neutron：網(wǎng)絡(luò)服務(wù) 318
10.3.6  Cinder：塊存儲(chǔ) 318
10.3.7  Horizon 319
10.3.8  Heat：編排引擎（可選） 319
10.3.9  Ceilometer：計(jì)費(fèi)（可選） 320
10.4  物聯(lián)網(wǎng)云架構(gòu)的約束 320
10.5  霧計(jì)算 324
10.5.1  霧計(jì)算的Hadoop哲學(xué) 324
10.5.2  霧計(jì)算、邊緣計(jì)算與云計(jì)算 325
10.5.3  OpenFog參考架構(gòu) 326
10.5.4  Amazon Greengrass和Lambda函數(shù) 332
10.5.5  霧拓?fù)?334
10.6  小結(jié) 339
第11章  云和霧中的數(shù)據(jù)分析與機(jī)器學(xué)習(xí) 341
11.1  物聯(lián)網(wǎng)中的基本數(shù)據(jù)分析 342
11.1.1  頂層云管道 344
11.1.2  規(guī)則引擎 346
11.1.3  采集：流、處理和數(shù)據(jù)湖 349
11.1.4  復(fù)合事件處理 352
11.1.5  Lambda架構(gòu) 353
11.1.6  行業(yè)用例 354
11.2  物聯(lián)網(wǎng)中的機(jī)器學(xué)習(xí) 357
11.2.1  機(jī)器學(xué)習(xí)模型 360
11.2.2  分類 361
11.2.3  回歸 364
11.2.4  隨機(jī)森林 364
11.2.5  貝葉斯模型 366
11.2.6  卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 368
11.2.7  循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 377
11.2.8  物聯(lián)網(wǎng)的訓(xùn)練和推理 383
11.2.9  物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)的比較與評(píng)估 384
11.3  小結(jié) 386
第12章  物聯(lián)網(wǎng)安全性 387
12.1  網(wǎng)絡(luò)安全術(shù)語(yǔ) 387
12.1.1  攻擊和威脅術(shù)語(yǔ) 387
12.1.2  防御術(shù)語(yǔ) 389
12.2  物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)攻擊剖析 391
12.2.1  Mirai 392
12.2.2  Stuxnet 393
12.2.3  鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 394
12.3  物理和硬件安全 396
12.3.1  信任根 396
12.3.2  密鑰管理和可信平臺(tái)模塊 399
12.3.3  處理器和內(nèi)存空間 399
12.3.4  存儲(chǔ)安全 400
12.3.5  物理安全 400
12.4  密碼學(xué) 402
12.4.1  對(duì)稱密碼學(xué) 404
12.4.2  非對(duì)稱密碼學(xué) 407
12.4.3  加密哈希（身份驗(yàn)證和簽名） 412
12.4.4  公共密鑰基礎(chǔ)結(jié)構(gòu) 413
12.4.5  網(wǎng)絡(luò)堆棧—傳輸層安全 415
12.5  軟件定義邊界 417
12.6  物聯(lián)網(wǎng)中的區(qū)塊鏈和加密貨幣 419
12.6.1  比特幣（基于區(qū)塊鏈） 421
12.6.2  IOTA（基于有向無環(huán)圖） 426
12.7  政府法規(guī)和干預(yù) 427
12.7.1  美國(guó)國(guó)會(huì)的物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)法案 427
12.7.2  其他政府機(jī)構(gòu) 428
12.8  物聯(lián)網(wǎng)安全實(shí)踐 429
12.8.1  整體安全性 430
12.8.2  安全建議列表 433
12.9  小結(jié) 434
第13章  聯(lián)盟和技術(shù)社區(qū) 437
13.1  個(gè)人局域網(wǎng)聯(lián)盟 437
13.1.1  藍(lán)牙SIG 437
13.1.2  Thread Group 438
13.1.3  Zigbee聯(lián)盟 438
13.1.4  其他個(gè)人局域網(wǎng)聯(lián)盟 439
13.2  協(xié)議聯(lián)盟 439
13.2.1  開放互連基金會(huì) 439
13.2.2  OASIS 440
13.2.3  對(duì)象管理組 440
13.2.4  IPSO聯(lián)盟 441
13.2.5  其他協(xié)議聯(lián)盟 441
13.3  廣域網(wǎng)聯(lián)盟 442
13.3.1  Weightless 442
13.3.2  LoRa聯(lián)盟 442
13.3.3  互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組 443
13.3.4  Wi-Fi聯(lián)盟 443
13.4  霧和邊緣聯(lián)盟 444
13.4.1  OpenFog 444
13.4.2  EdgeX Foundry 444
13.5  傘狀組織 445
13.5.1  工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟 445
13.5.2  IEEE物聯(lián)網(wǎng) 445
13.5.3  其他傘狀組織 446
13.6  美國(guó)政府物聯(lián)網(wǎng)和安全實(shí)體 446
13.7  小結(jié) 447